响应面法优化生姜秸秆改性生物炭对氨氮吸附性能的研究

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0774

中国农学通报 ›› 2025, Vol. 41 ›› Issue (16): 82-89.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0774

• 资源·环境·生态·土壤·气象 • 上一篇下一篇

响应面法优化生姜秸秆改性生物炭对氨氮吸附性能的研究

黄雅淇¹(), 李祥平², 丁渝², 傅欣怡², 廖钦洪²^,³(), 张文林²^,³

¹ 重庆三峡学院生物与食品工程学院，重庆 404020
² 重庆文理学院智慧农业学院，重庆 402160
³ 园艺植物重庆高校工程研究中心，重庆 402160

收稿日期:2024-12-11 修回日期:2025-04-10 出版日期:2025-06-05 发布日期:2025-06-05
通讯作者:
廖钦洪，男，1979年出生，重庆永川人，教授，博士，主要从事农业废弃物资源化处理技术研究。通信地址：402160 重庆文理学院（星湖校区），Tel：023-49682201，E-mail：lqhwisdom@126.com。
作者简介:
黄雅淇，女，2001年出生，湖南常德人，硕士研究生，研究方向：农业资源利用。通信地址：402160 重庆文理学院（星湖校区），Tel：023-49682201，E-mail：moriill@163.com。
基金资助:
重庆市自然科学基金项目“重庆主栽生姜品种酚类物质鉴定及抗氧化活性研究”(CSTB2024NSCQ-MSX1070)

Optimization of Ammonia Nitrogen Adsorption Performance of Ginger Straw Modified Biochar by Response Surface Method

HUANG Yaqi¹(), LI Xiangping², DING Yu², FU Xinyi², LIAO Qinhong²^,³(), ZHANG Wenlin²^,³

¹ College of Biological and Food Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404020
² College of Smart Agriculture, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160
³ Chongqing University Horticultural Plants Engineering Research Center, Chongqing 402160

Received:2024-12-11 Revised:2025-04-10 Published:2025-06-05 Online:2025-06-05

摘要/Abstract

摘要：

探究响应面法优化生姜秸秆改性生物炭吸附氨氮的最佳工艺条件，为处理农业氮污染问题提供一种新型材料。在管式炉中通过限氧裂解制备出生姜秸秆改性生物炭，以NH₄Cl溶液模拟土壤中的氨氮开展吸附实验，评估改性生物炭对氨氮的吸附性能，以炭化温度、炭化时间、磷酸溶液的浓度和液固比为影响因素开展单因素实验，在此基础上进行响应面实验。最终确立最佳工艺条件为炭化温度615℃，炭化时间1.5 h，磷酸浓度25%，液固比15 mL/g。在此条件下，改性生物炭对氨氮的吸附值与模型预测值十分接近。本研究应用响应面法优化了生物炭的改性技术，可为实际农业中的氮污染治理提供新的解决方案。

关键词: 改性生物炭, 响应面法, 工艺优化, 农业氮污染, 生姜秸秆

Abstract:

The study aimed to optimize the preparation process of ginger straw modified biochar through the response surface method to enhance its adsorption performance of ammonia nitrogen, so as to provide a new material for solving the problem of agricultural nitrogen pollution. The adsorption performance of modified biochar on ammonia nitrogen was evaluated by adsorption experiments. Initially, single-factor experiments were conducted with factors such as carbonization temperature, carbonization time, concentration of phosphoric acid solution and liquid-solid ratio, and then response surface experiments were performed based on above findings. The results indicated that the optimal process condition was as followed: carbonization temperature of 615℃, carbonization time of 1.5 h, phosphoric acid concentration of 25%, liquid-solid ratio of 15 mL/g. Under this condition, the adsorption value of modified biochar to ammonia nitrogen was very close to the predicted value. This study effectively applied the response surface method to optimize the modification technology of biochar, and provided a new solution for managing nitrogen pollution in practical agricultural practices.

Key words: modified biochar, response surface method, process optimization, agricultural nitrogen pollution, ginger straw

黄雅淇, 李祥平, 丁渝, 傅欣怡, 廖钦洪, 张文林. 响应面法优化生姜秸秆改性生物炭对氨氮吸附性能的研究[J]. 中国农学通报, 2025, 41(16): 82-89.

HUANG Yaqi, LI Xiangping, DING Yu, FU Xinyi, LIAO Qinhong, ZHANG Wenlin. Optimization of Ammonia Nitrogen Adsorption Performance of Ginger Straw Modified Biochar by Response Surface Method[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2025, 41(16): 82-89.

图/表 6

参考文献 27

[1]	LI Y J, FENG Y Q, ZHAO Y Y, et al. A review of the uptake and utilization of different forms of nitrogen and its effects on plant physiological metabolism[J]. Journal of agricultural science and technology, 2023, 25(2):128-139.
[2]	ZHANG Y J, REN W C, ZHU K Y, et al. Substituting readily available nitrogen fertilizer with controlled-release nitrogen fertilizer improves crop yield and nitrogen uptake while mitigating environmental risks: A global meta-analysis[J]. Field crops research, 2024,306:109221.
[3]	蔡媛媛, 王瑞琪, 王丽丽, 等. 华北平原不同施氮量与施肥模式对作物产量与氮肥利用率的影响[J]. 农业资源与环境学报, 2020, 37(4):503-510.
[4]	ASIF M, ZORA S, CEYLAN Y, et al. Nitrogen supply in combination of nitrate and ammonium enhances harnessing of elevated atmospheric CO₂ through improved nitrogen and carbon metabolism in wheat (Triticum aestivum)[J]. Crop and pasture science, 2020, 71(2):101-112.
[5]	YU C Q, HUANG X A, CHEN H, et al. Managing nitrogen to restore water quality in China[J]. Nature, 2019,567:516-520.
[6]	王萌, 耿润哲. 农业面源氮污染控制措施滞后效应形成机理与评估方法研究进展[J]. 生态学报, 2024, 44(8):3132-3141.
[7]	ZHOU Y W, QIN S, VERMA S, et al. Production and beneficial impact of biochar for environmental application: A comprehensive review[J]. Bioresource technology, 2021,337;125451.
[8]	张伟明, 修立群, 吴迪, 等. 生物炭的结构及其理化特性研究回顾与展望[J]. 作物学报, 2021, 47(1):1-18. doi: 10.3724/SP.J.1006.2021.02021
[9]	袁帅, 赵立欣, 孟海波, 等. 生物炭主要类型、理化性质及其研究展望[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(5):1402-1417.
[10]	LENG L, XIONG Q, YANG L, et al. An overview on engineering the surface area and porosity of biochar[J]. Science of the total environment,2021:144204.
[11]	许云翔, 何莉莉, 陈金媛, 等. 生物炭对农田土壤氨挥发的影响机制研究进展[J]. 应用生态学报, 2020, 31(12):4312-4320. doi: 10.13287/j.1001-9332.202012.021
[12]	陈温福, 张伟明, 孟军, 等. 农用生物炭研究进展与前景[J]. 中国农业科学, 2013, 46(16):3324-3333. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2013.16.003
[13]	顾芳宁, 韩守新, 王瀚标, 等. 添加改性生物炭对黑土氮素吸附及淋溶特性的影响[J]. 西北农林科技大学学报:自然科学版, 2023, 51(10):97-106.
[14]	张伟明, 陈温福, 孟军, 等. 东北地区秸秆生物炭利用潜力、产业模式及发展战略研究[J]. 中国农业科学, 2019, 52(14):2406-2424. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.14.003
[15]	董成, 陈智勇, 谢迎新, 等. 生物炭连续施用对农田土壤氮转化微生物及N₂O排放的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(19):4024-4034. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.19.015
[16]	KAMAU S, KARANJA N K, AYUKE F O, et al. Short-term influence of biochar and fertilizer- biochar blends on soil nutrients, fauna and maize growth[J]. Biology and fertility of soils, 2019, 55(7):661-673.
[17]	刘慧屿, 娄春荣, 韩英祚, 等. 秸秆生物炭与减量氮肥配施对玉米氮素利用率及土壤结构的影响[J]. 土壤通报, 2020, 51(5):1180-1188.
[18]	王敏鸽, 刘艺文, 张丹丹, 等. 鼠李糖脂改性生物炭对盐渍土小白菜抗性及氮素吸收的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2022, 40(5):81-87.
[19]	LIU Z G, DAI Y H, WEN T Y, et al. Study on the effect of magnesium chloride-modified straw waste biochar on acidic soil properties[J]. Molecules. 2024; 29(14):3268.
[20]	AHMED M B, ZHOU J L, NGO H H, et al. Progress in the preparation and application of modified biochar for improved contaminant removal from water and wastewater[J]. Bioresource technology, 2016,214:836-851.
[21]	左昊, 徐康宁, 孟萍萍, 等. 硫酸改性小麦秸秆生物炭对氨氮吸附特性研究[J]. 应用化工, 2017, 46(7):1237-1242.
[22]	朱倩, 张乃明, 夏运生, 等. 5种活性生物炭对水体低浓度氮、磷吸附效果研究[J]. 生态环境学报, 2021, 30(12):2387-2394. doi: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2021.12.014
[23]	XAGORARIS M, SKOURIA A, REVELOU P K, et al. Response surface methodology to optimize the isolation of dominant volatile compounds from monofloral Greek thyme honey using SPME-GC-MS[J]. Molecules, 2021, 26(12):3612.
[24]	石月, 彭湃, 刘艳丽, 等. 响应曲面法优化紫外-亚铁活化过硫酸盐降解水中噻虫啉研究[J]. 中国环境科学, 2021, 41(11):5135-5159.
[25]	吴丹萍, 李海红, 张田田. 响应面法优化ZnCl₂/AlCl₃改性生物炭吸附甲基紫工艺[J]. 功能材料, 2021, 52(3):3153-3159. doi: 10.3969/j.issn.1001-9731.2021.03.023
[26]	ZHANG B, CHEN J X, HE Z X, et al. Hydrothermal liquefaction of fresh lemon-peel: Parameter optimisation and product chemistry[J]. Renewable energy, 2019,143:512-519.
[27]	HERATH G A D, POH L S, NG W J. Statistical optimization of glyphosate adsorption by biochar and activated carbon with response surface methodology[J]. Chemosphere, 2019,227:533-540.

方差来源	平方和	自由度	均方差	F值	P值
模型	1279.48	14	91.39	11.73	<0.0001
X₁	114.33	1	114.33	14.67	0.0018
X₂	5.11	1	5.11	0.6557	0.4316
X₃	99.53	1	99.53	12.77	0.0031
X₄	4.53	1	4.53	0.5809	0.4586
X₁X₂	12.74	1	12.74	1.64	0.2217
X₁X₃	2.02	1	2.02	0.2588	0.6189
X₁X₄	5.02	1	5.02	0.6439	0.4357
X₂X₃	41.80	1	41.80	5.36	0.0362
X₂X₄	3.03	1	3.03	0.3886	0.5431
X₃X₄	1.03	1	1.03	0.1322	0.7216
X₁²	835.88	1	835.88	107.27	<0.0001
X₂²	274.10	1	274.10	35.18	<0.0001
X₃²	127.69	1	127.69	16.39	0.0012
X₄²	23.49	1	23.49	3.01	0.1044
残差	109.09	14	7.79
失拟项	96.35	10	9.64	3.03	0.15

方差来源	平方和	自由度	均方差	F值	P值
模型	1279.48	14	91.39	11.73	<0.0001
X₁	114.33	1	114.33	14.67	0.0018
X₂	5.11	1	5.11	0.6557	0.4316
X₃	99.53	1	99.53	12.77	0.0031
X₄	4.53	1	4.53	0.5809	0.4586
X₁X₂	12.74	1	12.74	1.64	0.2217
X₁X₃	2.02	1	2.02	0.2588	0.6189
X₁X₄	5.02	1	5.02	0.6439	0.4357
X₂X₃	41.80	1	41.80	5.36	0.0362
X₂X₄	3.03	1	3.03	0.3886	0.5431
X₃X₄	1.03	1	1.03	0.1322	0.7216
X₁²	835.88	1	835.88	107.27	<0.0001
X₂²	274.10	1	274.10	35.18	<0.0001
X₃²	127.69	1	127.69	16.39	0.0012
X₄²	23.49	1	23.49	3.01	0.1044
残差	109.09	14	7.79
失拟项	96.35	10	9.64	3.03	0.15

响应面法优化生姜秸秆改性生物炭对氨氮吸附性能的研究

Optimization of Ammonia Nitrogen Adsorption Performance of Ginger Straw Modified Biochar by Response Surface Method

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水平	因素
水平	X₁/℃	X₂/h	X₃/%	X₄/(mL/g)
-1	500	1	20	10
0	600	1.5	30	15
1	700	2	40	20

项目	实验值				吸附值Y/(mg/g)
项目	X₁/℃	X₂/h	X₃/%	X₄/(mL/g)	吸附值Y/(mg/g)
1	600	1.5	30	15	125.67
2	500	1	30	15	101.34
3	600	1.5	30	15	124.47
4	600	1.5	30	15	124.16
5	500	1.5	20	15	113.35
6	600	2	20	15	115.48
7	700	1.5	40	15	104.71
8	600	1	20	15	113.36
9	700	1.5	30	10	113.36
10	500	1.5	30	20	105.36
11	500	1.5	40	15	104.56
12	500	1.5	30	10	107.42
13	700	1.5	30	20	115.78
14	700	1	30	15	113.68
15	600	2	30	10	118.37
16	500	2	30	15	103.81
17	600	1.5	40	20	115.47
18	700	2	30	15	109.01
19	600	2	40	15	105.77
20	600	1.5	20	20	120.31
21	700	1.5	20	15	116.34
22	600	1.5	20	10	120.46
23	600	1	30	20	114.14
24	600	1.5	30	15	122.19
25	600	2	30	20	117.41
26	600	1.5	30	15	126.97
27	600	1	40	15	116.58
28	600	1	30	10	118.58
29	600	1.5	40	10	117.65

[1]	武美华, 律凤霞, 王德汉, 张胜男, 孙广辉, 付弘婷, 李苹, 黄建凤, 逄玉万. 不同添加剂对好氧堆肥中氮素转化的影响[J]. 中国农学通报, 2024, 40(36): 77-86.
[2]	马天娇, 康怡, 刘晋, 崔燕, 宋景新, 张晓娟. 调味菜产品的工艺优化[J]. 中国农学通报, 2024, 40(29): 138-143.
[3]	薛锐, 沈绍运, 邓细周, 陈聪, 彭跃进, 杜广祖, 陈斌. 响应面法优化莱氏绿僵菌SL200714菌株液态发酵培养条件[J]. 中国农学通报, 2023, 39(6): 135-143.
[4]	何志鹏, 王仕宝, 胡本祥, 张慧, 陈垣, 唐文强, 胡亚刚. 基于响应面法优化环烯醚萜苷提取工艺研究[J]. 中国农学通报, 2023, 39(25): 130-138.
[5]	王向平, 张建海, 冯彬彬. 超声辅助响应面法优化种植佛手中橙皮苷和柚皮苷提取工艺的研究[J]. 中国农学通报, 2022, 38(4): 113-119.
[6]	张峻伟, 张晓虎, 徐愉聪. 南五味子酯乙-Nisin-KGM复合涂膜剂在鲜肉保鲜中的研究[J]. 中国农学通报, 2022, 38(34): 120-129.
[7]	王文萱, 李云鹏, 徐鹤宁, 赵鑫, 马柔, 张丽娜, 张莹莹. 水茄叶片总皂苷超声提取工艺的研究[J]. 中国农学通报, 2022, 38(30): 118-125.
[8]	李佳欢, 王晓慧, 姜明国, 宋福强, 常伟. 基于响应面法优化印度梨形孢培养基[J]. 中国农学通报, 2022, 38(3): 102-109.
[9]	郑龙. 基于响应面设计的小白菜氮磷钾肥料效应研究[J]. 中国农学通报, 2022, 38(25): 20-24.
[10]	刘李岚, 邱钦勤, 樊文容, 唐娇, 胡小兵, 肖伟, 陈珂. 碱性电解水去除水果表面有机磷农残的工艺研究[J]. 中国农学通报, 2022, 38(2): 133-140.
[11]	张赫, 万璐, 闫佳佳, 尤梦瑶, 曾伟民, 郑春英. 响应面法优化刺五加高产异嗪皮啶的发酵工艺[J]. 中国农学通报, 2022, 38(19): 152-158.
[12]	许丹丹, 徐雅琴, 隽行, 周守标, 汪昌保, 杭华. 富硒菊芋多糖的提取及其体外抗氧化活性研究[J]. 中国农学通报, 2021, 37(30): 121-127.
[13]	谢勇飞, 赵钢, 孙娜, 吕银萍, 吴勇, 沈美辰, 吕文犇, 高俊山. 响应面法优化棕色棉纤维原花青素的提取工艺[J]. 中国农学通报, 2021, 37(12): 136-143.
[14]	肖秦箭, 张晓虎, 高梦蝶, 张峻伟. 商洛南五味子醇乙提取纯化及复合防腐保鲜剂研究[J]. 中国农学通报, 2021, 37(12): 126-135.
[15]	杨丹丹, 杨传伦, 张心青, 潘冬梅, 李佳明, 陈振发. 响应面法优化绿色木霉产孢子固体发酵培养基[J]. 中国农学通报, 2020, 36(36): 84-92.