稻殼基生物炭對不同營養(yǎng)底泥理化性質(zhì)、上覆水和植物生長的影響

張帥+崔心紅+朱義+何小麗

摘要： 在完全淹水條件下，利用桶栽試驗，研究不同添加量稻殼基生物炭對不同營養(yǎng)水平底泥理化性質(zhì)、上覆水及千屈菜生長的影響，生物炭用量按質(zhì)量比設(shè)置T0（0%）、T1（2.5%）、T2（5%）、T3（10%）、T4（20%）等5個處理水平。結(jié)果表明，除T0處理外，培養(yǎng)初期上覆水總氮（total nitrogen，簡稱TN）、總磷（total phosphorus，簡稱TP）含量較高，然后逐漸降低，整個培養(yǎng)低營養(yǎng)水平底泥處理組（LT）、中營養(yǎng)水平底泥處理組（MT）、高營養(yǎng)水平底泥處理組（HT）系列生物炭施入量為10%時上覆水TN含量平均值最低（不包括對照組），分別為0.53、0.88、2.15 mg/L；生物炭施入量LT與HT組為5%時上覆水TP去除率最高，分別為99.27%、92.61%，MT組為10%時上覆水TP去除率最高，為9765%；稻殼生物炭對不同營養(yǎng)底泥的pH值、電導(dǎo)率（electrical conductivity，簡稱EC）具有一定調(diào)節(jié)作用，但差異不明顯；可顯著提高底泥有機質(zhì)含量，全氮含量雖也有增加，但差異不顯著；能顯著增加底泥有效磷含量，降低堿解氮的損失；LT和MT系列施入生物炭后對千屈菜生長有一定促進作用，但差異不顯著，HT系列施入生物炭后對千屈菜生長產(chǎn)生明顯抑制作用。

關(guān)鍵詞： 稻殼基生物炭；底泥；千屈菜；理化性質(zhì)；上覆水；植物生長；影響

中圖分類號： X171.4 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0308-06

生物炭（biochar）是指在低氧或厭氧的條件下將含碳量豐富的生物質(zhì)在相對較低的溫度（<700 ℃）下熱解而得到的一種碳質(zhì)材料 ，具有堿性、微孔結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、吸附力強等特點[3-5]，在土壤改良、受污染環(huán)境修復(fù)等方面都具有較大潛力，已成為近年來的研究熱點[6-7]。在土壤改良方面，相關(guān)學(xué)者通過盆栽試驗[8-9]探討了生物炭對土壤養(yǎng)分狀況和作物生長的影響，以期提高土壤養(yǎng)分的有效性，增加植物吸收養(yǎng)分的效率，達到增產(chǎn)的目的。在環(huán)境修復(fù)方面，由于生物炭有著強大的吸附能力，可有效吸附水體中的氮、磷及有機物，并將其固持于底泥中，因而可將其作為底泥覆蓋材料，以達到原位修復(fù)富營養(yǎng)水體和污染底泥的目的[10-11]。然而關(guān)于生物炭對不同營養(yǎng)底泥和水生植物生長影響的研究較少。

當(dāng)前城市化進程的加快導(dǎo)致城市濕地的逐步萎縮以及結(jié)構(gòu)和功能嚴重破壞，城市濕地的恢復(fù)與重建是促進城市環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要手段[12]，水生植物兼具生態(tài)和景觀功能，水生植被的恢復(fù)往往是城市濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的前提，對底泥進行適當(dāng)改良，營造適宜的環(huán)境條件，是生態(tài)恢復(fù)的必要手段[13]。本研究通過模擬試驗，分析了不同添加量的生物炭對不同營養(yǎng)水平底泥理化性質(zhì)、上覆水及千屈菜生長的影響，以期達到促進植物生長、改善底泥營養(yǎng)狀況和環(huán)境修復(fù)的目的，為生物炭在受損濕地的植被恢復(fù)與環(huán)境修復(fù)過程中的使用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 植物材料 千屈菜（Lythrum salicaria）因其具有扦插成活率高及易于獲得長勢狀況一致幼苗的特點而被用作本試驗的植物材料。試驗前從扦插池選取基徑、株高等形態(tài)特征基本一致的千屈菜幼苗，將其連根挖起，并用自來水沖洗干凈，備用。

1.1.2 供試底泥 供試底泥分別為采自上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院水生植物資源圃的底泥和河道的黑臭底泥，將其自然風(fēng)干后碾碎過3目篩。以資源圃底泥為低營養(yǎng)底泥材料；資源圃底泥與黑臭底泥按質(zhì)量比1 ∶ 1完全混合，配制中營養(yǎng)底泥材料；黑臭底泥為高營養(yǎng)底泥材料。供試底泥與稻殼生物炭的理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

將3種不同營養(yǎng)類型底泥以完全混合方式添加稻殼基生物炭，形成生物炭與底泥質(zhì)量（干質(zhì)量）比分別為2.5%（T1）、5.0%（T2）、10%（T3）、20%（T4）的試驗處理，以沒有添加生物炭的處理作為試驗對照（T0，CK），高營養(yǎng)底泥生物炭基質(zhì)按生物炭濃度由低到高標記為（HT0、HT1、HT2、HT3、HT4），記為HT系列，低營養(yǎng)底泥組（LT）及中營養(yǎng)底泥組（MT）同理。將上述制備的底泥分別鋪設(shè)在口徑為 40 cm 的栽植筒中，鋪設(shè)厚度30 cm，加自來水至底泥含水率達[CM（25]到飽和，穩(wěn)定1 d后種植千屈菜幼苗（3株/栽植桶），繼續(xù)

穩(wěn)定1 d，加自來水至底泥以上5 cm處，試驗期間維持該水位，每個試驗處理設(shè)置3個重復(fù)。

試驗在塑料大棚內(nèi)進行，于2015年10月下旬開始至2016年3月上旬結(jié)束，共計140 d，試驗后15、30、45 d測定千屈菜株高，120 d測定萌芽數(shù)及地下部分生物干質(zhì)量；20、40、60、90、120 d用100 mL玻璃注射器采集栽植桶內(nèi)水樣，測定其化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，簡稱COD）及TN、TP含量等指標；試驗后0、60、120 d用口徑為40 mm的PVC管采集底泥樣品，經(jīng)風(fēng)干處理后測定其理化指標。

1.2.2 分析測試方法

水樣及底泥樣品的測定均按照國家或行業(yè)標準[14-15]進行；測定稻殼基生物炭pH值時，水炭質(zhì)量比為5 ∶ 1；測定電導(dǎo)率（EC）時，水炭質(zhì)量比為10 ∶ 1，其他指標測定方法參考底泥樣品的測定方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理、分析及作圖主要用SPSS 19.0進行獨立樣本t檢驗（samples t test）分析和各單因素方差分析（One-Way ANOVA），多重比較采用最小顯著差異法（LSD），用Excle 2010作圖，以“平均值±標準差”表示測量結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同營養(yǎng)底泥上覆水營養(yǎng)鹽變化endprint

稻殼基生物炭對不同營養(yǎng)底泥上覆水營養(yǎng)鹽含量的影響不同，在整個培養(yǎng)期間上覆水COD及TN、TP含量變化情況見圖1。上覆水COD的變化隨稻殼生物炭施入量的增加變化規(guī)律不明顯；TP含量整體上隨稻殼生物炭施入量的增加而增加，這與稻殼基生物炭自身磷的釋放有關(guān)。試驗培養(yǎng)期間，上覆水COD波動較大，無明顯規(guī)律，LT系列（LT0～LT4）上覆水COD的平均值分別為18.87、22.94、23.89、25.46、17.63 mg/L；MT系列（MT0～MT4）上覆水COD含量的平均值分別為36.79、53.55、36.32、33.01、37.45 mg/L；HT系列（HT0～HT4）上覆水COD含量的平均值分別為68.06、62.39、57.49、58.39、66.32 mg/L，與空白組比，在一定范圍內(nèi)，隨著底泥營養(yǎng)水平的提高，施入稻殼生物炭對底泥有機質(zhì)污染物釋放的抑制效果越來越明顯，而低營養(yǎng)底泥施入生物炭以后COD增加，可能是由于稻殼生物炭自身營養(yǎng)物質(zhì)的釋放。隨培養(yǎng)時間的延長，TN含量（除LT處理外）總體呈下降趨勢，而LT系列生物炭處理組在120 d時突然升高，可能是由于溫度升高致使底泥微生物活性增強，促進底泥氮素的釋放。LT系列（LT0～LT4）上覆水TN含量的平均值分別為0.49、080、0.64、0.53、0.61 mg/L；MT系列（MT0～MT4）上覆水TN含量的平均值分別為0.97、0.95、1.22、0.88、1.18 mg/L；HT系列（HT0～HT4）上覆水TN含量的平均值分別為2.91、2.64、233、215、2.74 mg/L，可見TN含量、COD有著相似的變化特征，一定范圍內(nèi)，隨著底泥營養(yǎng)水平的提高，施入稻殼生物炭對底泥氮素釋放的抑制效果越來越明顯，其中施入比例為10%的T3組TN含量最低，可能是稻殼生物炭與底泥混合的最佳比例。隨培養(yǎng)時間的延長TP的含量總體上呈降低趨勢，試驗后20～120 d，LT系列（LT0～LT4）TP含量的減少率分別為100%、9287%、99.27%、69.72%、45.08%；MT系列（MT0～MT4）TP含量的減少率分別為85.03%、84.94%、9561%、9765%、83.09%；HT系列（HT0～HT4）TP含量的降低率分別為77.47%、91.25%、92.61%、90.05%、69.73%；與空白組相比，稻殼生物炭的施入能促進底泥對上覆水TP的吸附，當(dāng)LT和HT組施入比例為5%、MT組施入比例為10%時吸附效果最好。

2.2 不同營養(yǎng)底泥理化性質(zhì)變化

2.2.1 不同營養(yǎng)底泥pH值和EC的變化

由圖2可知，LT系列的pH值整體上呈先升高后降低趨勢，MT、HT系列整體上呈下降趨勢；LT、MT、HT系列EC的變化，總體表現(xiàn)為培養(yǎng)后0～60 d迅速降低，之后逐漸趨于穩(wěn)定，表明稻殼生物炭對不同營養(yǎng)底泥pH值的影響不同，但對EC的影響基本相同。不同營養(yǎng)底泥pH值和EC隨稻殼生物炭施入量的增加呈無規(guī)律性變化，培養(yǎng)后60、120 d，中營養(yǎng)組（MT組）和高營養(yǎng)組（H組）營養(yǎng)底泥中施入稻殼生物炭的試驗組pH值整體上低于空白組，EC值高于空白組，但低營養(yǎng)組（LT組）EC值和pH值未表現(xiàn)出規(guī)律性變化，說明經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)，稻殼生物炭施入營養(yǎng)較高的底泥后，能降低底泥的pH值、提高底泥的EC值，對低營養(yǎng)底泥EC值和pH值調(diào)節(jié)作用的規(guī)律不明顯。

2.2.2 不同底泥有機質(zhì)含量的變化

由表2可知，培養(yǎng)期間LT系列的T0～T2處理不同營養(yǎng)底泥有機質(zhì)含量總體隨時間的延長呈上升趨勢，MT系列的T0～T2處理整體上呈先快速下降后趨于平穩(wěn)的趨勢，但LT、MT系列在稻殼生物炭施入量達10%后，有機質(zhì)含量呈先下降后上升的變化趨勢，HT系列的T0～T3處理呈先升高后降低的變化趨勢。在T1～T4處理間隨稻殼生物炭施入量的增加，底泥有機質(zhì)的含量明顯升高，且部分處理間具有顯著性差異，表明生物炭可以提高底泥有機質(zhì)含量。從表3可以看出，除對照外，底泥營養(yǎng)水平越高、稻殼生物炭施入量越高，則底泥有機質(zhì)流失量總體上越大。

2.2.3 不同營養(yǎng)底泥速效養(yǎng)分變化

如圖3所示，不同營養(yǎng)底泥有效磷含量在培養(yǎng)后0～60 d，有效磷含量迅速減少，培養(yǎng)后60～120 d有效磷含量又逐步升高；隨稻殼基生物炭施入量的增加，底泥有效磷含量升高，但經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定后各試驗組間沒有明顯差異，說明稻殼基生物炭中有效磷流失比較嚴重。底泥堿解氮含量隨時間的延長不斷減少，底泥營養(yǎng)水平越高，減少得越明顯，堿解氮含量不隨稻殼生物炭的施入比例呈規(guī)律性變化。從表4、表5可以看出，LT（除LT2、LT3外）、MT、HT系列底泥堿解氮釋放速率與空白組相比存在顯著性差異，MT與HT組的稻殼基生物炭施入量為20%、LT組

為2.5%時釋放速率最慢，但施入量的不同比例之間沒有顯著性差異，表明添加稻殼生物炭以后能有效降低底泥堿解氮釋放速率；培養(yǎng)后60～120 d有效磷累積速率除LT1、LT2和HT1外均與空白組存在顯著性差異， 稻殼生物炭施入比例越

高累積速率越明顯，部分處理間存在顯著性差異， 表明施入稻殼生物炭能提高有效磷的累積速率，且施入量越多，效果越明顯。

2.2.4 底泥全氮和全磷含量變化特征分析

從圖4可以看出，培養(yǎng)期間不同營養(yǎng)水平底泥的全氮含量隨時間的延長總體呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢；全磷含量隨時間變化總體呈現(xiàn)先快速降低然后逐漸穩(wěn)定的趨勢；底泥全氮、全磷含量隨稻殼生物炭施入量的增加總體呈上升趨勢，但沒有明顯差異。與培養(yǎng)開始時相比，培養(yǎng)結(jié)束時底泥全氮含量增加（除LT0處理外）、全磷含量降低。 從表6、表7可以看出，在LT系列中LT3處理全氮的平均累積速率最快，為4.77 mg/（kg·d）； 在MT系列中MT2處理全氮的平均累積速率最快，為 586 mg/（kg·d）；在HT系列中HT1處理全氮的平均累積速率最快，為4.22 mg/（kg·d）。不同營養(yǎng)水平底泥中隨稻殼生物炭的施入，底泥全磷的釋放速率總體上呈加快趨勢，LT系列中LT2、LT3、LT4處理與空白組（LT0）相比存在顯著性差異；MT系列中MT4處理與空白組（MT0）相比存在顯著性差異；HT系列中各底泥生物炭處理組與空白組均不存在顯著性差異。單因素方差（One-Way ANONA）分析顯示，LT系列生物炭處理組中LT1處理與其他試驗組間存在顯著性差異，MT系列與HT系列各生物炭處理組間不存在顯著性差異，表明稻殼生物炭對高營養(yǎng)底泥中磷的流失可能有一定的抑制效果，但有待進一步研究。endprint

2.3 不同營養(yǎng)水平底泥千屈菜生長特征變化

由表8可以看出，LT系列各底泥處理千屈菜的各項生長指標與空白組LT0相比，除LT3的株高增長量、LT2的萌芽數(shù)與空白組LT0存在顯著性差異外，其他均不存在顯著性差異；各生物炭處理組間的萌芽數(shù)除LT2與其他處理組間有顯著性差異外，其他各組間均沒有顯著差異，地下部分生物干質(zhì)量隨稻殼生物炭施入量的增加整體上呈上升趨勢。MT系列千屈菜[CM（25]各項生長指標與空白組MT0相比，均沒有顯著性差異，且

各生物炭處理間也不存在顯著性差異。HT系列千屈菜各項生長指標與空白組HT0相比顯示，株高增長量隨稻殼生物炭施入的增加整體上呈上升趨勢；萌芽數(shù)與對照組相比存在顯著性差異，但各生物炭處理組間差異不明顯，表明生物炭的施入可能抑制了千屈菜萌發(fā)；地下部分生物干質(zhì)量與空白組相比不存在顯著性差異，但低于空白組，各生物炭處理組間不存在顯著性差異，表明HT系列施入稻殼生物炭以后對千屈菜的生長有抑制作用。

比較3種不同底泥千屈菜的各項指標，MT系列千屈菜生長狀況最好。LT系列施入稻殼生物炭以后促進了千屈菜生長，HT系列施入稻殼生物炭以后抑制了千屈菜的生長。

3 討論與結(jié)論

3.1 生物炭對不同底泥上覆水營養(yǎng)鹽含量的影響

生物炭的多孔結(jié)構(gòu)及大的比表面積，使其具有強的吸附能力和大的吸附量的同時，可以明顯改變底泥質(zhì)地；一方面在一定程度上促使底泥營養(yǎng)元素釋放，另一方面對上覆水中的營養(yǎng)鹽具有吸附作用，因此，試驗初期上覆水TN含量總體呈下降趨勢、TP含量總體呈先升高后降低的趨勢。關(guān)于生物炭對上覆水的影響，研究較多的是生物炭覆蓋對底泥污染物釋放的抑制效果[11，16]，結(jié)果表明，生物炭對污染底泥總有機物及氮磷的抑制效果是明顯的，但因生物炭制備材料的不同而有所差異，這與本試驗的部分研究結(jié)果相似。究其機理，生物炭對上覆水COD、TN的吸附，可能主要依賴于較強的吸附能力和大的吸附容量[11，17]，其次生物炭大的比表面積豐富了底泥中微生物的多樣性[18]，促進了硝化、反硝化反應(yīng)，使上覆水中氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣，因此TN含量降低[15]；對上覆水TP的吸附機理是生物炭表面的官能團與磷酸鹽的結(jié)合強化了吸附作用，同時生物炭本身的靜電作用也會對帶負電的磷酸根產(chǎn)生吸附作用，使其對磷酸鹽具有較好的吸附效果[11，19]。

3.2 生物炭對不同底泥理化性質(zhì)的影響

研究指出，生物炭可提高土壤的pH值，因此可作酸性土壤的改良劑[20-21]。本試驗所用底泥均為堿性，培養(yǎng)后60～120 d，中高營養(yǎng)組施入生物炭以后底泥pH值不僅沒有提高，反而有降低趨勢，可能是稻殼生物炭富含有機質(zhì)，培養(yǎng)期間有機質(zhì)在微生物分解作用下生成各種有機酸，中和了生物炭及底泥的堿度。底泥pH值越低，在培養(yǎng)后60 d后底泥EC隨生物炭的施入量增加，上升得越明顯，其原因可能是生物炭本身所含有的Ca2+、Mg2+等鹽基離子[22-23]與堿性底泥中的OH-結(jié)合生成沉淀，從而降低了底泥中可溶性鹽的含量。

研究表明，使用生物炭可以促進土壤有機質(zhì)水平的提高[4-5]，這與本試驗部分研究結(jié)果相同，由于本試驗在完全淹水條件下進行，底泥有機質(zhì)含量隨營養(yǎng)水平和生物炭施入量的升高，流失速率加快，一方面由于有機質(zhì)含量因過剩而釋放，另一方面是有機質(zhì)的分解，但其分解機理目前還存在不同看法[24]，可能是高營養(yǎng)底泥的速效養(yǎng)分促進了微生物的活動、增加了微生物的活性，從而提高了對有機質(zhì)的分解速率。

生物炭具有大的比表面積，施入底泥后可以吸附多種離子，從而提高其對速效養(yǎng)分的固持能力[25]，培養(yǎng)后0～60 d，有效磷含量迅速降低，其主要是稻殼生物炭中磷的流失；培養(yǎng)后60～120 d，有效磷含量隨稻殼生物炭施入量的增加而增加；而堿解氮含量隨時間的延長一直減少，這一研究結(jié)果與惠錦卓等的結(jié)論[26]一致，原因可能是生物炭對養(yǎng)分的固持具有一定的選擇性，其表面不僅可以帶正電荷而且可以帶負電荷[25]，本研究中堿解氮的減少可能與這種吸附特性有關(guān)，雖然生物炭不能減少堿解氮的流失，但隨生物炭施入量的增加可以明顯降低堿解氮的流失速率，同時也能顯著提高有效磷的吸附速率，可能與生物炭較強的吸附能力和大的吸附容量有關(guān)。

生物炭的施入總體上提高了底泥中的全氮含量，這一結(jié)果與前人室內(nèi)栽培試驗結(jié)果[8]一致；由于稻殼生物炭磷含量較高，稻殼生物炭本身磷的流失占主導(dǎo)，對不同營養(yǎng)水平底泥中全磷釋放速率進行比較發(fā)現(xiàn)，整體上表現(xiàn)為營養(yǎng)水平越高磷的流失速率越慢，其可能原因是生物炭對底泥中磷的流失具有抑制效果，但仍須要進一步研究。

由于本試驗在完全淹水的條件下進行，與作物盆栽試驗相比[8-9]，生物炭對底泥和土壤理化性質(zhì)的影響有所差異，淹水條件下，底泥養(yǎng)分流失比較嚴重，生物炭的施入量對底泥理化性質(zhì)的影響規(guī)律不明顯；而未淹水條件下，生物炭施入量對土壤理化性質(zhì)的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

3.3 生物炭對植物生長特征的影響

據(jù)報道，生物炭對植物生長的影響不僅取決于土壤的肥力及性質(zhì)，而且還取決于植物的種類和生物炭的特性[23]。不同營養(yǎng)水平的底泥添加不同量的生物炭后，對千屈菜的生長并沒有明顯的影響，可能與生物炭的特性和植物的種類有關(guān)。Haefele等研究了稻殼基生物炭施入3種本底肥力懸殊的土壤后對作物產(chǎn)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在肥沃的土壤中施入稻殼生物炭以后，不僅沒有實現(xiàn)增產(chǎn)的目的，甚至還出現(xiàn)了減產(chǎn)的現(xiàn)象[27]，可能是因為大量施入生物炭后促進土壤肥力大幅提升，從而抑制了植物的生長[28]，對肥力較低的土壤，稻殼生物炭的添加促進了作物的增產(chǎn)，但效果并不顯著，這與本試驗的研究結(jié)果一致。同樣有研究表明，底泥中適宜的營養(yǎng)水平對水生植物的生長才是有利的[29]，從本試驗結(jié)果來看，MT系列因營養(yǎng)適中最利于千屈菜生長，可能與該機理有關(guān)。生物炭對植物生長影響的研究并沒有統(tǒng)一結(jié)論[8]，可能與植物種類、生物炭類型、底泥特征等眾多因素有關(guān)，具有較大的不確定性。因此，在利用生物炭進行底泥改良時，須要首先分析其主要障礙因子，選擇合適的生物炭種類，從而達到促進植物生長的目的。endprint

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