稻壳制备海水硅酸盐肥料—方法与施用效果评估

论文摘要

氮（N）、磷（P）富营养化而溶解硅酸盐（DSi）相对缺乏会造成水体中浮游植物群落优势种由硅藻类向甲藻类演替。硅藻是海洋浮游植物的主要组成部分,对海洋初级生产力具有极其重要的影响,是许多海洋生物的优质饵料。硅酸盐的相对缺乏会限制硅藻的增殖进而通过食物链对整个海洋生态系统造成一系列影响,也会影响近岸水产养殖业的发展。已经有研究证明自然存在的硅酸盐泵能够通过增加水体的硅酸盐供给,促进硅藻的增殖,消耗真光层中过量的氮营养盐。有人据此提出人为增加硅酸盐供给也可达到促进硅藻增殖、去除富营养化的效果。但是,目前国内外还没有找到一种经济有效的硅酸盐肥料。受禾本科植物富集硅特性的启发,本研究考虑用稻壳制备海水硅酸盐肥料,探究其最佳制备条件并对其肥效和安全性进行验证。稻壳是稻谷加工的副产品,燃烧后得到的稻壳灰富含无定形态SiO2。本文借鉴前人对工业用途稻壳灰制备条件的研究结果,在实验室内测定不同烧制温度下稻壳灰中硅（Si）、氮、磷等元素成分以及在海水中DSi、溶解无机磷（DIP）、溶解无机氮（DIN）的释放能力,并以此确定最佳硅酸盐肥料的制备条件。选择市售稻壳灰做加富培养实验,通过探究稻壳灰添加到自然海水中对浮游植物群落结构的影响对其肥效进行验证,同时在实验室内验证稻壳灰的DSi释放速率和释放周期。我们还将稻壳灰放入天然水体中,通过测定不同浸泡时间后稻壳灰中重金属含量的变化对其应用与环境中时的安全性进行验证。在400–800℃烧制温度下得到的稻壳灰中Si的含量为29.18–44.02%,N和P的含量低于1%。不同温度烧制的稻壳灰在海水中DSi释放速率无显著变化,但是SiO32-/PO43-释放速率比随烧制温度的增加而增加,对水体中DIN含量没有显著影响。综合考虑制备成本因素,本研究确定500℃为硅酸盐肥料最佳制备温度,该温度下制备的稻壳灰在海水的SiO32-/PO43-释放速率比为52.26,适用于缓解近岸海域硅、磷同时限制现象。加富培养实验所用的市售稻壳灰在海水中可持续缓慢地释放DSi和少量的DIP,而不影响水体中DIN含量。DSi、DIP的平均释放速率分别为4.76mmol/g稻壳灰/d、0.23mmol/g稻壳灰/d,SiO32-/PO43-释放速率比为24.50。将稻壳灰添加到天然海水中,浮游植物迅速出响应。高稻壳灰添加量组中,硅藻迅速增殖,其丰度达到峰值时达到初始水平的近20倍,是对照组硅藻丰度峰值的5倍,水体中氮营养盐被迅速耗尽,随后硅藻群落受到氮营养盐限制开始衰败;甲藻的生长受到硅藻的抑制,硅甲藻比峰值达到对照组峰值的16倍,硅藻在实验后期硅藻群落衰败后迅速增殖。低稻壳灰添加量组中,硅藻丰度不仅没有显著增加反而略低于对照组,而甲藻丰度相对于对照组受到明显的抑制,硅甲藻比也显著增加,最大值是对照组近5倍,但DIN的消耗量低于空白组。上述过程中增值的硅藻主要是中肋骨条藻（Skeletonema costatum）,也是水体中初始浮游植物群落的优势种,其次是新月柱鞘藻（Cylindrotheca closterium）,而初始水体中丰度第二高的旋链角毛藻（Chaetoceros curvisetus）丰度随实验的进行逐渐降低为0;迅速增殖的甲藻主要是双刺原多甲藻（Protoperidinium bipes）,其次是日本原多甲藻（Protoperidinium nipponicum）。市售稻壳灰放于天然海水中21天后,仅Cd元素少量释放到海水中,应用于环境中时投加量控制在正常所需范围内其环境安全性是可以保障的。稻壳灰对Cu、Zn、Pb和Hg不仅没有释放,还具有一定的吸附作用。

论文目录

摘要

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第1章引言

1.1 硅酸盐在海洋生态系统中的作用

1.2 富营养化和硅限制

1.2.1 近海硅酸盐限制的成因分析

1.2.2 硅酸盐限制的生态效应

1.2.3 硅酸盐添加：富营养化治理的另一种选择

1.3 稻壳和生物硅

1.3.1 稻壳和稻壳灰的特性

1.3.2 稻壳和稻壳灰的应用

1.3.3 稻壳灰作为硅酸盐肥料的潜力和安全性。

1.4 课题研究目的和意义

第2章稻壳灰的制备条件和肥力

2.1 材料与方法

2.1.1 实验材料与设备

2.1.2 实验方法

2.1.2.1 稻壳灰的制备

2.1.2.2 元素成分分析

2.1.2.3 稻壳灰在海水中Si、P释放比

2.2 结果

2.2.1 不同烧制温度的稻壳灰的化学成分

2.2.2 不同烧制温度的稻壳灰营养盐释放能力

2.3 讨论

2.3.1 烧制温度对稻壳灰化学成分的影响

2.3.2 烧制温度对稻壳灰Si、P释放比影响

2.4 结论

第3章稻壳灰（硅肥）肥效的实验验证

3.1 材料与方法

3.1.1 实验材料与设备

3.1.2 实验方法

3.1.2.1 稻壳灰硅酸盐释放速率

3.1.2.2 稻壳灰硅酸盐释放持续时间

3.1.2.3 稻壳灰加富培养实验

3.2 结果

3.2.1 稻壳灰营养盐释放能力

3.2.1.1 营养盐释放速率

3.2.1.2 营养盐释放持续时间

3.2.2 施肥效果添加

3.2.2.1 营养盐结构

3.2.2.2 浮游植物丰度和群落结构

3.3 讨论

3.3.1 硅酸盐释放性能

3.3.2 施肥效果评估

3.3.2.1 高稻壳灰添加量

3.3.2.2 低稻壳灰添加量

3.4 结论

第4章稻壳灰肥料的生态安全性——从重金属的角度

4.1 材料与方法

4.1.1 实验材料与设备

4.1.2 实验方法

4.2 结果

4.2.1 海水环境本底值

4.2.2 稻壳灰重金属含量变化

4.3 讨论

4.4 结论

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 研究前景及展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吕静静

导师: 张光涛

关键词: 硅限制,稻壳灰,海水硅酸盐肥料,硅藻,甲藻

来源: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用

单位: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

分类号: X55

总页数: 71

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