張進(jìn)紅 林啟美 趙小蓉 李貴桐

(1.山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所， 濟(jì)南 250100； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250100；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193)

0 引言

近年來(lái)，隨著牛養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)模化、集約化方向發(fā)展，牛糞產(chǎn)生量日益增加。每頭奶牛日產(chǎn)糞尿約58.93 kg，每頭肉牛日產(chǎn)糞尿約24.32 kg[1]。傳統(tǒng)的利用方式主要包括自然干燥后用作肥料、堆肥和沼氣生產(chǎn)等，但牛糞主要含有纖維素和木質(zhì)素，礦化緩慢，屬于“冷性肥”，自然發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、效果差，環(huán)境污染嚴(yán)重；厭氧消化時(shí)，揮發(fā)性固體去除率和沼氣產(chǎn)量都很低[2]。這些方法很難滿足規(guī)?；B(yǎng)牛場(chǎng)的要求，大量牛糞直接堆放在養(yǎng)殖場(chǎng)附近，不僅產(chǎn)生異味氣體，而且是蚊蠅滋生和病菌來(lái)源，存在養(yǎng)殖業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境安全隱患。

水熱炭化是安全處置與資源化利用高含水率廢棄物的技術(shù)措施之一，已用于處置與資源化利用海藻[3]、桔皮廢料[4]、污泥[5]、餐廚廢棄物[6]等。炭化反應(yīng)產(chǎn)物包括生物炭、油和氣體，生物油和生物氣體均可用作燃料和工業(yè)原材料，生物炭不僅可直接用作燃料[7-8]，經(jīng)適當(dāng)加工后可用作吸附劑[9-10]，還可直接用作土壤調(diào)理劑，改良、培肥土壤，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[11]。生物炭作為土壤調(diào)理劑的作用和效果，不僅與土壤類型及性質(zhì)、作物特性等相關(guān)，在很大程度上取決于生物炭用量和本身理化性質(zhì)，而生物炭特性則取決于原材料和炭化反應(yīng)過(guò)程，其中溫度和時(shí)間是水熱炭化反應(yīng)的主要影響因素[12-14]。一般說(shuō)來(lái)，C含量隨炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而增加，O含量、產(chǎn)率則隨之降低。最新研究報(bào)道表明，隨著炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，竹子[14]生物炭灰分呈降低趨勢(shì)，而麥稈[14]、鋸末[15]、樹皮[16]等原材料制備生物炭灰分含量則增加，芳香基C含量也增加，氫與碳原子比和比表面積也因炭化溫度和時(shí)間不同而變化。

有關(guān)牛糞炭化處理?xiàng)l件及產(chǎn)物性質(zhì)，目前還缺乏研究和了解，制約了水熱炭化技術(shù)在牛糞處理方面的應(yīng)用。鑒于此，本文對(duì)新鮮牛糞進(jìn)行水熱炭化處理，分析牛糞生物炭理化性質(zhì)，研究牛糞生物炭C、H、O、N、P和K等元素含量及其隨反應(yīng)溫度和時(shí)間的變化特征，分析反應(yīng)條件與牛糞炭化程度的關(guān)系，研究牛糞生物炭表面化學(xué)特征和孔隙狀況及其隨反應(yīng)溫度和時(shí)間的變化規(guī)律，并評(píng)價(jià)牛糞生物炭農(nóng)學(xué)利用價(jià)值和潛力，以期為水熱炭化安全處置與資源化利用牛糞提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 牛糞生物炭的制備

供試新鮮牛糞采自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)養(yǎng)牛場(chǎng)，干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)18.69%。量取約600 mL牛糞置于KCFD1-10型反應(yīng)釜內(nèi)，溫度升至190℃或260℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，分別保持1 h、6 h或12 h，反應(yīng)過(guò)程中工作自生壓力分別約為1.5 MPa和5.5 MPa，反應(yīng)完畢冷卻至室溫(20℃)后收集生物炭。為了分離制備過(guò)程中產(chǎn)生的水溶性成分，用蒸餾水洗滌3～5次，直至電導(dǎo)率基本不變，105℃下干燥后稱量，粉碎過(guò)篩備用。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

pH值用1 mol/L KCl浸提(液固比10 mL/g)，UB-7型精密pH計(jì)測(cè)定；vario EL Ⅲ型元素分析儀測(cè)定C、H、N含量，差減法計(jì)算O含量；P和K含量分別用比色法和火焰光度法測(cè)定；Auto Analyzer 3型流動(dòng)注射分析儀測(cè)定礦質(zhì)氮含量；離子吸附交換法[17]測(cè)定生物炭表面電荷；生物炭按1∶200比例(質(zhì)量比)與溴化鉀混合，壓片后用Shimadzu IR-435型紅外光譜儀測(cè)定其傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)，波數(shù)范圍為450～4 000 cm-1；Pore MasterGT 60型全自動(dòng)孔隙度分析儀測(cè)定生物炭比表面積及孔隙特征。

1.3 基于熵權(quán)TOPSIS模型的牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)方法

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣構(gòu)建

設(shè)不同炭化條件制備的牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用潛力的原始評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣為

(1)

式中vij——第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)炭化處理的初始值

采用歸一化方法對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即

(2)

其中

式中R——標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)矩陣

rij——第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)炭化處理的標(biāo)準(zhǔn)化值

1.3.2指標(biāo)權(quán)重確定

熵權(quán)法能有效兼顧指標(biāo)的變異程度，客觀反映其重要性，熵權(quán)計(jì)算公式為

(3)

其中

1.3.3基于熵權(quán)的評(píng)價(jià)矩陣構(gòu)建

運(yùn)用熵權(quán)wi構(gòu)建加權(quán)規(guī)范化評(píng)價(jià)矩陣

(4)

式中yij——第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)炭化處理加權(quán)評(píng)價(jià)值

1.3.4正、負(fù)理想解確定

設(shè)Y+表示正理想解，Y-表示負(fù)理想解，則有

(5)

(6)

1.3.5距離計(jì)算

(7)

(8)

1.3.6貼近度計(jì)算

評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的貼近度Cj計(jì)算公式為

(9)

其中，Cj越大，表明該處理制備牛糞生物炭的農(nóng)學(xué)價(jià)值越高。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 16.0雙因素方差分析方法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，用95%置信度的最小顯著差異值(Least significant differences, LSD0.05)表示。

2 結(jié)果分析

2.1 產(chǎn)率、灰分及C、H、O元素含量

炭化處理后，46.18%～62.96%牛糞轉(zhuǎn)化為生物炭，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高15.76%以上，pH值降低1.67～3.05，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加17.93%～39.34%，但O質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低29.55%～74.95%，H質(zhì)量分?jǐn)?shù)因反應(yīng)溫度而異，相應(yīng)的氫與碳原子比和氧與碳原子比分別降低10.71%和40.63%以上(表1)?？傮w來(lái)看，炭化溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，以上指標(biāo)提高或降低幅度越大，牛糞生物炭炭化程度越高。260℃反應(yīng)12 h生物炭C質(zhì)量分?jǐn)?shù)比190℃反應(yīng)1 h生物炭增加17.88%，而產(chǎn)率、氫與碳原子比、氧與碳原子比、氧氮與碳原子比分別降低26.65%、24.00%、68.42%和64.29%。

表1 不同炭化溫度和時(shí)間下牛糞生物炭產(chǎn)率、灰分和C、H、O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Yield, ash and C, H, O concentrations in cow manure hydrochars at different HTC temperatures and durations

2.2 氮、磷、鉀含量

牛糞經(jīng)過(guò)炭化處理，生物炭全磷含量增加29.51%～85.83%，全鉀含量則降低87.69%～93.36%，但二者均隨著反應(yīng)溫度提高和時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，260℃反應(yīng)12 h生物炭全磷和全鉀含量分別比190℃反應(yīng)1 h生物炭提高39.06%和85.19%；與之不同，全氮含量則沒(méi)有呈現(xiàn)出規(guī)律性變化(表2)。炭化處理后生物炭交換態(tài)氮、磷、鉀含量顯著降低，且銨態(tài)氮、交換態(tài)磷和交換態(tài)鉀含量隨炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸降低趨勢(shì)；260℃反

表2 不同炭化溫度和時(shí)間下牛糞生物炭氮、磷、鉀全量及交換態(tài)含量(質(zhì)量比)Tab.2 Total and exchangeable contents of N, P and K in cow manure hydrochars at different HTC temperatures and durations

應(yīng)12 h生物炭以上指標(biāo)分別比190℃反應(yīng)1 h生物炭降低98.91%、89.26%和42.30%。

2.3 傅里葉變換紅外光譜

圖2 表面電荷量隨介質(zhì)pH值的變化關(guān)系Fig.2 Changes of surface charges with pH values in medium

圖1 牛糞生物炭傅里葉變換紅外光譜Fig.1 FTIR spectra of cow manure hydrochars

本研究中1 380、1 272、1 210、1 110 cm-1等處代表含氧官能團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度隨反應(yīng)溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而降低；炭化處理后，C—H面外彎曲振動(dòng)吸收峰(870 cm-1)消失，但出現(xiàn)了金屬-鹵素化合物M-X伸縮振動(dòng)峰(M表示金屬，X表示鹵素)(500～700 cm-1)，且峰強(qiáng)度隨反應(yīng)溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而增強(qiáng)。

2.4 表面電荷和陰、陽(yáng)離子交換量

供試牛糞含有大量正、負(fù)電荷，與介質(zhì)pH值均呈正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)R2分別為0.96和0.98；介質(zhì)pH值7.0時(shí)，正、負(fù)電荷量分別為10.52 cmol/kg和18.33 cmol/kg(圖2)。炭化處理后，生物炭正、負(fù)電荷量均大幅降低(如圖2所示，1、6 h生物炭變化趨勢(shì)與12 h相似，未給出)，其中，陰離子交換量降低39.65%～75.89%，有效陽(yáng)離子交換量和潛在陽(yáng)離子交換量也顯著降低(表3)。整體來(lái)看，炭化溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，正、負(fù)電荷量降低的幅度越大；pH值依變性也減弱，僅負(fù)電荷隨介質(zhì)pH值升高而緩慢增加，正電荷幾乎不受介質(zhì)pH值影響，可能主要為永久電荷。牛糞和190℃反應(yīng)1 h生物炭不存在等電點(diǎn)，260℃生物炭等電點(diǎn)比190℃平均增加1.57，但受反應(yīng)時(shí)間影響較小。

表3 不同炭化溫度和時(shí)間下牛糞生物炭表面電荷特征Tab.3 Surface charge characteristics of cow manure hydrochars at different HTC temperatures and durations

2.5 孔徑

供試牛糞主要孔隙孔徑為1～50 μm，其體積約占總孔隙體積的85.04%(圖3，圖中橫坐標(biāo)為對(duì)孔徑取以10為底的對(duì)數(shù)值)。190℃炭化反應(yīng)1 h，可能由于炭化程度比較低，對(duì)孔隙影響較?。坏邷鼗蜷L(zhǎng)時(shí)間炭化反應(yīng)，2～30 μm孔隙顯著減少，主要形成0.5～1.5 μm和50～100 μm的孔隙，其中190℃反應(yīng)6 h生物炭75 μm孔隙比例高達(dá)23.50%。

生物炭孔隙結(jié)構(gòu)的變化必然導(dǎo)致其比表面積和比孔容的變化(表4)。牛糞經(jīng)過(guò)水熱炭化，平均孔徑降低11.89%～55.46%，相應(yīng)比表面積增加，最高為對(duì)照的2.36倍；比孔容則沒(méi)有明顯的規(guī)律性變化。整體而言，低溫或短時(shí)間處理，生物炭上述指標(biāo)較高，260℃反應(yīng)12 h生物炭的比孔容和比表面積分別為190℃反應(yīng)1 h生物炭的35.82%和54.41%。

圖3 不同炭化溫度和時(shí)間下牛糞生物炭孔隙分布Fig.3 Percentage distributions of pore volume in cow manure hydrochars at different HTC temperatures and durations

溫度/℃時(shí)間/h平均孔徑/μm中值孔徑/μm比孔容/(cm3·g-1)比表面積/(m2·g-1)10.696.642.0111.6719060.451.651.2611.13120.558.081.4310.3410.896.740.954.2726060.531.740.856.46120.451.880.726.35對(duì)照01.017.001.254.95

2.6 不同炭化溫度和時(shí)間下牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)

2.6.1評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及權(quán)重確定

以不同炭化溫度和時(shí)間下制備的牛糞生物炭為評(píng)價(jià)對(duì)象，選取產(chǎn)率、對(duì)土壤酸堿性影響較大的灰分含量、pH值，以及可通過(guò)交換、螯合、吸附等作用對(duì)土壤養(yǎng)分有效性產(chǎn)生影響的碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、交換態(tài)磷、全鉀、交換態(tài)鉀含量，以及陰離子交換量、潛在陽(yáng)離子交換量、有效陽(yáng)離子交換量、平均孔徑、比表面積等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用熵權(quán)法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，如表5所示。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Tab.5 Weight coefficients of evaluation indexes

2.6.2不同牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值貼近度

熵權(quán)TOPSIS模型評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，同一反應(yīng)時(shí)間下，190℃的牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值貼近度大于260℃時(shí)的相應(yīng)值；不同反應(yīng)時(shí)間制備牛糞生物炭的農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值貼近度從大到小依次為1、12、6 h(表6)?？梢?，190℃炭化1 h制備牛糞生物炭的農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值最高，其次為260℃炭化1 h，260℃炭化6 h制備牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值最低，可能原因是該條件下，牛糞中大部分氮磷鉀釋放至液相中，生物炭含有的可離解產(chǎn)生電荷的官能團(tuán)較少，其養(yǎng)分直接供給能力和保持能力較低。

表6 不同炭化溫度和時(shí)間下牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值貼近度及其排序Tab.6 Close degree and orders of agricultural application values of cow manure hydrochars at different HTC temperatures and durations

3 討論

水熱炭化是一個(gè)極其復(fù)雜的熱化學(xué)過(guò)程，涉及到脫水、脫羧、芳香化、縮聚等反應(yīng)[19]。炭化溫度和時(shí)間是重要的影響因素，直接關(guān)系到炭化產(chǎn)物液、氣、固的組成比例，而且與生物炭性質(zhì)密切相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，炭化溫度和時(shí)間的差異決定了牛糞生物炭理化性質(zhì)的差異，主要表現(xiàn)在炭化程度、元素組成、表面化學(xué)性質(zhì)、物理結(jié)構(gòu)等方面。

3.1 炭化程度

炭化溫度和時(shí)間在很大程度上決定生物炭的產(chǎn)率[19]。與西瓜皮[20]、鋸末[15]、水葫蘆[21]等植物源生物炭類似，本研究中牛糞生物炭產(chǎn)率隨炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而降低，其可能原因是隨著溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)介質(zhì)水的密度減小，電離常數(shù)增加，增強(qiáng)了大分子有機(jī)物質(zhì)的溶解析出，不利于縮合或聚合反應(yīng)[22]；另一方面，牛糞中含有的灰分，也可能抑制聚合反應(yīng)的進(jìn)行，抑制生物炭形成。

一般而言，生物炭氫與碳原子比和氧與碳原子比反映炭化進(jìn)程，氫與碳原子比和氧氮與碳原子比常作為判斷物質(zhì)芳香性和極性的指標(biāo)[23]。本研究中，隨著炭化溫度從190℃升高至260℃，反應(yīng)時(shí)間由1 h延長(zhǎng)至12 h，牛糞生物炭氫與碳原子比、氧與碳原子比、氧氮與碳原子比均降低，表明高溫長(zhǎng)時(shí)間條件下牛糞生物炭炭化程度提高，芳構(gòu)化程度增強(qiáng)，脂族性降低，熱穩(wěn)定性提高[24]。文獻(xiàn)[11,13]也表明，生物炭炭化程度和芳構(gòu)化程度隨著溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而提高。因此，牛糞生物炭施入土壤后的固碳效果，即其生物化學(xué)穩(wěn)定性，可以通過(guò)炭化過(guò)程的溫度、時(shí)間等參數(shù)來(lái)調(diào)控。

3.2 元素組成

水熱炭化過(guò)程伴隨著碳元素相對(duì)富集，氫氧元素相對(duì)減少。一般而言，隨著炭化溫度升高，生物炭中C—H、C—O鍵斷裂，H、O從生物炭中分離出來(lái)，C富集增強(qiáng)[13]。本研究中，牛糞生物炭C質(zhì)量分?jǐn)?shù)從190℃反應(yīng)1 h的47.88%升高到260℃反應(yīng)12 h的56.44%，這與污泥[5]、橄欖渣[14]等類型生物炭研究結(jié)果基本一致。此外，生物炭本身含有氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素[25-26](表2)，且隨著炭化溫度升高，磷、鉀等礦質(zhì)元素相對(duì)富集(表2)，并轉(zhuǎn)化為灰分，導(dǎo)致pH值升高(表1)。但這部分礦質(zhì)元素多以穩(wěn)定態(tài)存在，有效性較低，CHEN等[20]也得到類似結(jié)果?？梢酝茰y(cè)，牛糞生物炭施入土壤后，可向土壤提供養(yǎng)分，改善作物營(yíng)養(yǎng)[27]，低溫生物炭效果更顯著。文獻(xiàn)[27-29]報(bào)道酸性生物炭施入土壤后仍可提高土壤pH值，可能是因?yàn)樯锾渴┤牒?，可促進(jìn)土壤中微生物的還原反應(yīng)，并提高鹽基離子含量。酸性牛糞生物炭對(duì)土壤酸堿度的具體影響，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 表面化學(xué)性質(zhì)

生物炭是一種含碳物質(zhì)的聚合物，表面含有豐富的羧基、羰基、酯基、醚基等含氧官能團(tuán)，這些含氧官能團(tuán)是其表面可變電荷的主要來(lái)源，在很大程度上決定生物炭的表面化學(xué)性質(zhì)。生物炭施入土壤后，由于生物和非生物氧化作用，電荷數(shù)量增加，土壤離子交換能力提高，從而可增強(qiáng)土壤保蓄養(yǎng)分能力[11]。此外，生物炭對(duì)重金屬也有較強(qiáng)的吸附能力[10,30]，可用于修復(fù)重金屬污染土壤。本研究中，隨著炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，生物炭含氧官能團(tuán)含量呈下降趨勢(shì)，從而使其表面正、負(fù)電荷量降低，因此其陽(yáng)離子交換能力和陰離子交換能力均減弱(圖1、2，表3)?；谂＜S生物炭的表面化學(xué)性質(zhì)，可以推測(cè)的是，施入土壤后，低溫牛糞生物炭提高土壤離子吸附交換性能的效果更明顯，并且與不同類型重金屬也應(yīng)存在較強(qiáng)相互作用，對(duì)此，尚需進(jìn)一步研究。

3.4 物理結(jié)構(gòu)

生物炭為多孔結(jié)構(gòu)(圖3)，施入土壤后可降低土壤容重，提高土壤持水能力[31]，促進(jìn)土壤顆粒團(tuán)聚作用[32]，改良土壤物理結(jié)構(gòu)。生物炭比表面積是影響其吸附性能的重要參數(shù)，本研究中，牛糞生物炭比表面積隨炭化溫度提高而減小，260℃條件下，牛糞生物炭比表面積僅為鋸末生物炭(11.99 m2/g)的一半[15]，這可能與牛糞本身特性尤其是有機(jī)物質(zhì)組成及灰分含量有關(guān)，同時(shí)可見其吸附容量有限。與干裂解生物炭(比表面積高達(dá)1 000 m2/g)相比，水熱炭化生物炭比表面積較低，因此通過(guò)調(diào)控炭化溫度和時(shí)間來(lái)提高生物炭比表面積，進(jìn)而增加其吸附容量的潛力有限。可通過(guò)物理活化、化學(xué)活化及加入催化劑等方法改善生物炭物理結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)其吸附性能。

綜上所述，生物炭能夠顯著影響土壤物理、化學(xué)性質(zhì)，盡管文獻(xiàn)[32-33]報(bào)道了其對(duì)植物生長(zhǎng)的無(wú)效或負(fù)面效果，但大部分研究結(jié)果顯示，生物炭能夠提高土壤肥力與作物產(chǎn)量，修復(fù)污染土壤。因此，水熱炭化生產(chǎn)牛糞生物炭，再進(jìn)行后期深加工處理，開發(fā)出高附加值產(chǎn)品，如炭基肥、污水處理吸附劑，土壤污染治理材料等[34]，其市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。本文運(yùn)用熵權(quán)TOPSIS模型對(duì)不同炭化溫度和時(shí)間下牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明低溫或短時(shí)間制備的牛糞生物炭農(nóng)學(xué)應(yīng)用價(jià)值較高，但此僅為模型評(píng)價(jià)結(jié)果，尚缺乏牛糞生物炭的生物檢驗(yàn)研究結(jié)果，還需進(jìn)一步了解牛糞生物炭對(duì)土壤和作物的影響。

4 結(jié)論

(1)牛糞生物炭理化性質(zhì)因炭化溫度和時(shí)間而異。炭化溫度從190℃升高到260℃，反應(yīng)時(shí)間由1 h延長(zhǎng)至12 h，牛糞生物炭C質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加17.88%，而產(chǎn)率、氫與碳原子比、氧與碳原子比、氧氮與碳原子比分別降低26.65%、24.00%、68.42%和64.29%，炭化程度顯著提高。

(2)炭化溫度從190℃升高到260℃，反應(yīng)時(shí)間由1 h延長(zhǎng)至12 h，牛糞生物炭全磷和全鉀含量分別提高39.06%和85.19%，而銨態(tài)氮、交換態(tài)磷和交換態(tài)鉀等交換態(tài)養(yǎng)分含量則顯著降低98.91%、89.26%和42.30%。

(3)牛糞生物炭紅外譜圖官能團(tuán)吸收峰位置變化不大，隨著炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，含氧官能團(tuán)吸收峰強(qiáng)度降低，金屬-鹵素化合物吸收峰強(qiáng)度增加。

(4)提高炭化溫度，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，牛糞生物炭表面電荷量及其pH值依變性減弱，比孔容和比表面積也降低。

(5)整體而言，相比反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度對(duì)牛糞生物炭性質(zhì)影響更大。熵權(quán)TOPSIS模型評(píng)價(jià)表明低溫短時(shí)間處理制備牛糞生物炭的農(nóng)學(xué)應(yīng)用潛力較大，更適宜作為土壤調(diào)理劑。