我国是农业大国,每年都产生大量的秸秆、谷壳及果皮等植物质类农业废弃物,虽然通过功能材料、直接还田、用作动物饲料或燃料等方式拓展了其利用空间和途径,然而还是有大量的农作物秸秆、果皮等植物质类农业有机废弃物被就地焚烧或堆砌于田间路旁。所以,秸秆、谷壳和果皮等量大面广的植物质类农业废弃物的资源化利用依旧是目前备受关注的问题。本研究利用秸秆生物炭、谷壳生物炭及果皮生物炭进行理化性能对比分析,采用盆栽不同作物方式试验,探讨低温段生物炭热裂解及制作工艺、不同原料制备的生物炭对作物生长及其土壤总有机碳(TOC)、总氮(TN)、磷(P)、钾(K)等元素含量的影响。以期在理论上探讨原料类型对生物炭及对应土壤的性能及主要元素含量的影响,在实践上对秸秆、谷壳和果皮等植物质类农业废弃物的高效资源化利用及作物生长、土壤改良等具有一定的实践意义。主要研究结果如下:第一部分主要分析原料的理化性能和热解制备生物炭工艺参数优化选择,主要研究结果包括以下两个方面:(1)傅立叶红外变换(FTIR)光谱和X射线衍射(XRD)图谱的试验分析发现玉米秸秆(MS)、麦秸秆(WS)、葵秸秆(SS)、葵籽壳(SH)、稻壳(RH)、栗子壳(CS)和橙皮(OS)等原料的官能团、微晶结构等相似,主要有木质素、纤维素和半纤维素等组成,具有较高的挥发分,其TG曲线随着热解温度的升高而下降,其下降主要出现在250～400℃区间,且在250～400℃区间DTG曲线有一个明显的峰值出现,而峰值大小不同,高温区间有拖尾现象,说明原料中的半纤维素和纤维素在这个温度区间基本热解完毕,400℃之后的失重主要是剩余木质素的热解与生物炭的进一步芳香化,因此,玉米秸秆(MS)、麦秸秆(WS)、葵秸秆(SS)、葵籽壳(SH)、稻壳(RH)、栗子壳(CS)和橙皮(OS)等原料的热解工艺参数和机理相同;(2)密封限氧环境代替氮气氛围限氧环境在300～700℃范围内制备生物炭的方法是可行的,且在热解温度低于500℃的低温段,密封限氧环境较氮气氛围限氧环境的热解停留时间更短,其经试验拟合方法建立的热解温度T和热解停留时间t的关系模型分别为t=-4.80973+254.94279×0.99485T和t=-65.4627+295.4227 × 0.9978T。第二部分主要测定分析了生物炭的理化性能及吸附性能,并优选出综合性能优良的生物炭作为作物盆栽试验备用试样,主要研究结果包括以下两个方面:(1)生物炭的pH值、表观密度、视孔隙率、TOC含量等随着热解温度的升高而增加,而当热解温度高于500℃时,生物炭的TN、P、K含量、炭产率及持水能力等随着热解温度的增加而减少,但不明显,通过傅立叶红外变换光谱、X射线衍射图谱和扫描电镜试验数据可以看出热解温度的升高使生物炭孔隙数量增加,芳香化程度增强。而不同原料制备的生物炭之间理化性质差异较为显著,例如果壳类生物炭的TOC、TN含量总体高于秸秆类生物炭和谷壳类生物炭,而玉米秸秆(MS)、麦秸秆(WS)、葵秸秆(SS)等农作物秸秆类生物炭的K含量远远高于葵籽壳(SH)、稻壳(RH)、栗子壳(CS)和橙皮(OS)等果壳、谷壳类生物炭。结果发现,热解温度和原料类型均对生物炭的理化性质产生影响,但是,原料类型对生物炭理化性质的影响较热解温度更为明显;(2)麦秸秆生物炭(BWS)、玉米秸秆生物炭(BMS)、葵秸秆生物炭(BSS)、稻壳生物炭(BRH)、葵籽壳生物炭(BSH)、栗子壳生物炭(BCS)和橙皮生物炭(BOS)等七种生物炭对Pb2+的吸附可同时用Frendlich和Langmuir两种模型拟合,其吸附量均较高,秸秆类生物炭(BMS、BSS和BWS)和橙皮生物炭(BOS)吸附效果较BRH、BSH和BCS谷壳、坚果壳类生物炭更好。其主要可能原因是橙皮生物炭(BOS)、葵籽壳生物炭(BSH)、稻壳生物炭(BRH)、葵秸秆生物炭(BSS)、栗子壳生物炭(BCS)、玉米秸秆生物炭(BMS)和麦秸秆生物炭(BWS)等七种生物炭对Pb2+的吸附行为受其本身的矿物组分、化学官能团、孔径孔容及比表面积等多方面影响的结果。而玉米秸秆生物炭(BMS)、葵秸秆生物炭(BSS)和麦秸秆生物炭(BWS)对亚甲基蓝溶液的吸附率远远高于橙皮生物炭(BOS)、葵籽壳生物炭(BSH)、稻壳生物炭(BRH)和栗子壳生物炭(BCS)的主要原因是其比表面积与孔结构较高导致的。第三部分将生物炭施入土壤进行作物栽培试验,分析生物炭施加对土壤中TOC等营养元素含量及作物产量等生长状况的影响,主要研究结果包括以下四个方面:(1)生物炭的施入能够显著促进作物的生长,提高作物的产量,但是生物炭的类型使其生长和产量的增加程度具有较大差异。麦秸秆生物炭(BWS)、玉米秸秆生物炭(BMS)和栗子壳生物炭(BCS)对含羞草、绿豆、小麦和红油菜苔四种作物的生长状况影响较为明显,例如,麦秸秆生物炭(BWS)、栗子壳生物炭(BCS)与玉米秸秆生物炭(BMS)的盆栽的花朵数分别较未添加组增加了 69.4%、69.9%和66.2%,产生这种现象的原因可能与麦秸秆生物炭(BWS)、玉米秸秆生物炭(BMS)的K、P等含量、孔隙率和持水能力较高等有关,而栗子壳生物炭(BCS)的TOC、TN含量高,表观密度大等性能使其对作物生长具有较佳的促进作用。(2)土壤中的TOC、TN、P和K的含量因生物炭的施入而增加,但是,其增加程度受生物炭制备原料的类型影响显著,且与生物炭中本身的TOC、TN、P和K含量大小不呈现正相关。例如,橙皮生物炭(BOS)的TOC含量最高为63.79%,但添加橙皮生物炭(BOS)的土壤的TOC含量为2.84%,而添加TOC含量仅为44.17%的稻壳生物炭(BRH)的土壤中,其TOC含量高达3.91%。(3)生物炭对土壤中的TOC、TN、P和K的含量的大小的影响与生物炭持水能力、表观密度和孔隙率等具有一定的关系,土壤中K、P元素的含量随着生物炭持水能力和视孔隙率的增加而增加,而栗子壳等果壳类生物炭因其较高的表观密度增加了土壤的通气性而使其TOC与TN的含量高于添加玉米秸秆等农作物秸秆类生物炭的土壤。(4)生物炭的施加促进了作物生长,TOC、TN、P和K的等营养元素的含量。但是,通过Origin软件对数据拟合进一步分析可知生物炭中的TOC、TN、P和K的等营养元素的含量与土壤中对应的营养元素含量及土壤中TOC、TN、P和K的等营养元素的含量之间具有一定的线性相关性,但是,土壤中的TOC、TN、P和K的等营养元素的含量与作物株高、产量不具有线性相关性,这主要可能原因是与TOC、TN、P和K的等营养元素在土壤中的迁移转化机理有关。综上所述,将玉米秸秆(MS)、麦秸秆(WS)、葵秸秆(SS)、葵籽壳(SH)、稻壳(RH)、栗子壳(CS)和橙皮(OS)等植物质类农业废弃物原料在低温密封限氧环境下热解制备富含TOC、TN、P、K等营养元素的生物炭是可行的,将其施入土壤可使作物的株高、产量等增加,促进作物生长,而且,生物炭的施加使土壤的TOC、TN、P、K等营养物质或成分的含量增加,且生物炭较高的表观密度、视孔隙率和持水能力等性能增加了土壤的透气性和养分的保持能力,有助于作物营养物质和水分等的供应,促进作物的生长,提高作物的产量。而其pH值与试验土壤的pH值相近,不会对土壤的酸碱性产生影响。