水稻秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附影響的研究①

張 樸，李仁英,2*，吳洪生，李 霖，羅晶晶，汪方圓，高雅曉玲，肖 城，張 錢(qián)

?

水稻秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附影響的研究①

張 樸1，李仁英1,2*，吳洪生1，李 霖1，羅晶晶1，汪方圓1，高雅曉玲1，肖 城1，張 錢(qián)1

(1 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008)

以水稻秸稈為原料，分析了不同熱解溫度下所制備的生物質(zhì)炭的性質(zhì)，并采用批處理法，分析了生物質(zhì)炭添加量和不同熱解溫度制備的生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附特性的影響。結(jié)果表明：隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭的碳化程度、比表面積和磷含量增加。添加生物質(zhì)炭顯著減少了土壤對(duì)磷的吸附量，而且隨著生物質(zhì)炭熱解溫度的增加，土壤對(duì)磷的吸附量顯著增加。Langmuir方程和Freundlich方程都能夠較好地?cái)M合添加生物質(zhì)炭土壤的磷等溫吸附曲線(xiàn)。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可較好地描述添加生物質(zhì)炭土壤的磷吸附動(dòng)力學(xué)行為。通過(guò)以上研究結(jié)果可知，水稻秸稈生物質(zhì)炭可以減少土壤對(duì)磷的吸附并增加土壤有效磷的含量，因此在土壤磷肥肥效改良方面具有一定的應(yīng)用潛力。

水稻秸稈；生物質(zhì)炭；熱解溫度；磷；吸附

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素。由于土壤黏粒和無(wú)定形氧化物對(duì)磷具有較強(qiáng)的吸附與化學(xué)固定作用，土壤溶液的磷濃度一般都很低，大部分磷在土壤中以難溶性化合物形態(tài)存在[1]，磷肥的當(dāng)季植物利用率一般不超過(guò)20%[2]。如何提高土壤中的磷肥有效性是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。

生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)在限氧或無(wú)氧條件下，熱解形成的富碳材料[3]。生物質(zhì)炭獨(dú)特的多孔狀結(jié)構(gòu)使其在土壤改良、污染治理、固碳減排等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。有研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)磷吸附及磷有效性能產(chǎn)生一定的影響，其效應(yīng)取決于生物質(zhì)炭的來(lái)源、熱解溫度等因素[4-5]。郎印海等[6]研究發(fā)現(xiàn)，施用柚子皮制備的生物質(zhì)炭減少了土壤對(duì)磷的吸附，且吸附量隨生物質(zhì)炭添加量的增加而降低。代銀分等[4]的研究表明，生物質(zhì)炭添加到土壤中，減少了土壤對(duì)磷的吸附，5種原料制備的生物質(zhì)炭對(duì)磷的最大吸附量依次為：水葫蘆＞秸稈＞竹子＞松針＞核桃殼。生物質(zhì)炭除了影響土壤對(duì)磷的吸附外，還通過(guò)改變土壤磷的形態(tài)而影響土壤磷的有效性。有研究表明，添加水稻秸稈生物質(zhì)炭能夠顯著提高水稻土的Olsen-P含量[7]。生物質(zhì)炭制備的熱解溫度對(duì)生物質(zhì)炭吸附磷有明顯的影響。張璐等[8]報(bào)道，隨著熱解溫度的升高，所制備的生物質(zhì)炭對(duì)溶液磷的吸附量增大[8]；而施川等[5]發(fā)現(xiàn)，污泥生物質(zhì)炭的磷吸附量在一定溫度范圍內(nèi)隨著熱解溫度的升高而增加，而超過(guò)一定溫度后其吸附量轉(zhuǎn)而降低。這些研究表明，可通過(guò)選擇生物質(zhì)炭原料類(lèi)型以及熱解溫度而得到合適的生物質(zhì)炭，以用于增加土壤磷的有效性。

江蘇是我國(guó)水稻的主要種植區(qū)之一，近年全省水稻種植面積在3 300萬(wàn)畝左右，每年都會(huì)產(chǎn)出大量水稻秸稈，如何處理水稻秸稈已成為一大問(wèn)題。雖然已有以秸稈為原料制備生物質(zhì)炭，并將生物質(zhì)炭用于環(huán)境污染治理和改善土壤理化性質(zhì)等方面的研究，但關(guān)于水稻秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附固定的影響有待進(jìn)一步研究。本文以水稻秸稈為原料在不同熱解溫度下制備生物質(zhì)炭，研究生物質(zhì)炭類(lèi)型(熱解溫度)和用量對(duì)土壤磷吸附等溫線(xiàn)以及吸附動(dòng)力學(xué)的影響，以期為生物質(zhì)炭用于提高土壤磷肥利用率的技術(shù)途徑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤采自南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站表層水稻土(0 ~ 20 cm)。土壤自然風(fēng)干，揀去枯枝落葉和小石子后，過(guò)2 mm篩備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)按照常規(guī)方法測(cè)定[9]。供試土壤pH為6.8、有機(jī)質(zhì)含量為9.28 g/kg、全氮含量為1.06 g/kg、有效磷為6.89 mg/kg、速效鉀為62.8 mg/kg。

生物質(zhì)炭的制備：生物質(zhì)炭原料為水稻秸稈，取自南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站。將水稻秸稈洗凈、烘干、研磨過(guò)2 mm篩, 于105 ℃下干燥 24 h，然后將水稻秸稈粉末裝入容量為260 g的瓷罐中，再放置于溫度分別為 450，500和 600 ℃的馬弗爐中熱解1 h，待冷卻至室溫后取出, 研磨過(guò)0.25 mm篩。將生物質(zhì)炭于1 L 1 mol/L HCl中浸泡1 h，然后用蒸餾水沖洗過(guò)濾，直至過(guò)濾液呈中性(這一步是為了除去生物質(zhì)炭中的灰分)，然后置于75 ℃烘箱中烘干，放入真空干燥器中備用。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)的測(cè)定 生物質(zhì)炭的有機(jī)碳含量(TOC)采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測(cè)定；生物質(zhì)炭樣品用硫酸和過(guò)氧化氫消解后，其總磷含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，總氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定。

1.2.2 生物質(zhì)炭的陽(yáng)離子交換量(CEC) 按 Gaskin等[10]的方法進(jìn)行測(cè)定。稱(chēng)取過(guò) 0.25 mm 篩的生物質(zhì)炭0.500 g，先用 100 ml 去離子水分 5次淋洗，每次 20 ml，目的是為了減少炭中可溶性鹽的干擾；然后用100 ml pH = 7.0 的1 mol/L乙酸鈉溶液淋洗生物質(zhì)炭5 次，每次 20 ml，確?？山粨Q位點(diǎn)被 Na+飽和；再用100 ml 的無(wú)水乙醇淋洗生物質(zhì)炭 5 次，每次 20 ml，以洗去多余的 Na+；最后用 100 ml pH = 7.0 的1 mol/L乙酸銨溶液淋洗生物質(zhì)炭 5 次，每次 20 ml，收集濾液并用火焰光度計(jì)測(cè)定溶液中的 Na+濃度，根據(jù) Na+濃度計(jì)算生物質(zhì)炭的 CEC。

1.2.3 生物質(zhì)炭比表面積 采用全自動(dòng)物理化學(xué)吸附儀(Autosorb-1，Quantachrome，美國(guó))測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 生物質(zhì)炭熱解溫度對(duì)土壤磷吸附量的影響 準(zhǔn)確稱(chēng)取過(guò)10目的風(fēng)干土1.25 g于50 ml離心管中，按照質(zhì)量比0%(BC0)和4%(BC4)添加不同熱解溫度(450、500和600 ℃)下制備的生物質(zhì)炭，各加入25 ml含磷為60 mg/L的KH2PO4溶液(以0.01 mol/L KCl為平衡電解質(zhì)，調(diào)節(jié)pH為7.0左右)，每管加 2 滴甲苯以抑制微生物活性。分別在25 ℃下以230 r/min的振速恒溫振蕩24 h后，離心、過(guò)濾，用鉬藍(lán)比色法測(cè)定濾液中磷的濃度。

1.3.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附等溫線(xiàn)的影響 準(zhǔn)確稱(chēng)取過(guò)10目的風(fēng)干土1.25 g于50 ml離心管中，按照質(zhì)量比為0(BC0)、2%(BC2)、4%(BC4)、8%(BC8)分別加入高溫(600 ℃)制備的生物質(zhì)炭，混勻后，分別加入25 ml 含磷量為0、20、40、60、80、100、120、160 mg/L的KH2PO4溶液(以0.01 mol/LKCl為平衡電解質(zhì)，調(diào)節(jié) pH為7.0左右 )，每管加 2 滴甲苯以抑制微生物活性。分別在25 ℃下以230 r/min的振速恒溫振蕩24 h后，離心、過(guò)濾，用鉬藍(lán)比色法測(cè)定濾液中磷的濃度。

1.3.3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附動(dòng)力學(xué)的影響 準(zhǔn)確稱(chēng)取過(guò)10目的風(fēng)干土1.25 g于50 ml的離心管中，按照質(zhì)量比分別為0、2%、4%、8% 加入高溫(600 ℃)制備的生物質(zhì)炭，加入25 ml含磷為20 mg/L的KH2PO4溶液(以0.01 mol/LKCl為平衡電解質(zhì)，調(diào)節(jié)pH為7左右)，每管加 2 滴甲苯以抑制微生物活性。在25 ℃恒溫振蕩器中以 230 r/min振蕩0、0.25、0.5、1、2、4、8、12、24、48 h后，離心、過(guò)濾，用鉬藍(lán)比色法測(cè)定濾液中磷的濃度。

1.4 計(jì)算方法

土壤對(duì)磷吸附容量(e)的計(jì)算方法：

式中：e為土壤對(duì)磷的吸附量(mg/kg)；為溶液的體積(ml)；為土壤質(zhì)量(g)；0和e分別為溶液中磷的初始濃度和平衡濃度(mg/L)

Langmuir方程：

Freundlich方程：

式中：e指達(dá)到吸附平衡時(shí)土壤對(duì)磷的吸附量(mg/g)；m為最大吸附量(mg/g)；e是指平衡溶液中磷的濃度(mg/L)；L、F、均為常數(shù)。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程：

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程：

式中：e、t分別為吸附平衡及時(shí)刻的吸附量(mg/g)；1、2均為速率常數(shù)，單位分別為h-1、g/(mg·h)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進(jìn)行處理和擬合，用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件，采用單因素方差分析比較處理間的差異顯著性(＜0.05，LSD 檢驗(yàn))。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭的表征

水稻秸稈生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。由表1可知，熱解溫度影響了生物質(zhì)炭的有機(jī)碳含量、陽(yáng)離子交換量、總磷、總氮及比表面積等基本理化性質(zhì)。隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭中的有機(jī)碳含量不斷增加，而陽(yáng)離子交換量則不斷降低。生物質(zhì)炭中的總磷含量隨著熱解溫度升高而增加，而總氮含量則相對(duì)穩(wěn)定，基本不受熱解溫度的影響。隨著熱解溫度的增加，生物質(zhì)炭的比表面積增加。

表1 生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)

2.2 不同熱解溫度生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附的影響

由圖1可知，生物質(zhì)炭的添加顯著減少了土壤對(duì)磷的吸附(<0.05)。與對(duì)照相比(未添加生物質(zhì)炭)，添加450 ℃和500 ℃制備的生物質(zhì)炭分別使土壤磷的吸附量顯著降低6%、3%(<0.05)，因此生物質(zhì)炭的添加對(duì)土壤磷吸附具有抑制作用。不同熱解溫度制備的生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷的吸附量隨著熱解溫度的增加顯著增加。添加熱解溫度為600 ℃的生物質(zhì)炭后土壤磷吸附量比添加450 ℃生物質(zhì)炭的顯著增加4.43%(<0.05)，說(shuō)明熱解溫度越低，所制備的生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附的抑制作用越明顯。

(圖中小寫(xiě)字母不同表示不同處理間差異達(dá)到P<0.05顯著水平)

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附等溫線(xiàn)的影響

由圖2可知，土壤對(duì)磷的吸附量隨著平衡溶液中磷濃度的增大而增加，最大吸附量達(dá)到800 mg/kg。在平衡溶液磷濃度小于70 mg/L時(shí)，生物質(zhì)炭添加量對(duì)土壤磷吸附無(wú)顯著影響；在平衡溶液磷濃度大于90 mg/L時(shí)，添加生物質(zhì)炭降低了土壤對(duì)磷的吸附量，且生物質(zhì)炭添加量為4% 時(shí)，土壤對(duì)磷的吸附量最低；在平衡溶液磷濃度達(dá)到120 mg/L左右時(shí)，生物質(zhì)炭添加8%(BC8)時(shí)，土壤對(duì)磷的吸附量最低。

圖2 生物質(zhì)炭對(duì)磷吸附等溫線(xiàn)的影響

為了更好地描述土壤對(duì)磷的吸附特征，揭示土壤磷的吸附量與平衡溶液中磷濃度之間的關(guān)系以及生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附的影響，本文采用Langmuir (方程2)和Freundlich(方程3)等溫吸附方程分別對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)如表2所示。由表2可知，除了BC8處理，Langmuir方程和Freundlich方程都能較好地描述生物質(zhì)炭添加條件下土壤對(duì)磷的吸附行為，擬合系數(shù)達(dá)到極顯著水平(<0.01或< 0.001)。

2.4 生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附動(dòng)力學(xué)的影響

添加生物質(zhì)炭條件下，土壤對(duì)磷的吸附量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖3。由圖3可知，在初始10 h內(nèi)，土壤對(duì)磷的吸附速率較快，之后便趨于緩慢，24 h后磷的吸附量不再明顯增加，達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。圖3也表明，添加生物質(zhì)炭抑制了土壤對(duì)磷的吸附。達(dá)到吸附平衡時(shí)，添加2%(BC2)、4%(BC4)和8%(BC8)生物質(zhì)炭的土壤對(duì)磷的吸附量與未添加生物質(zhì)炭土壤(CK)相比分別減少了1.45%、2.17% 和2.54%。

表2 水稻秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附的等溫方程參數(shù)的影響

注：**表示<0.01顯著水平；***表示<0.001顯著水平，下同。

吸附動(dòng)力學(xué)主要用來(lái)描述吸附劑吸附溶質(zhì)速率的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)更好地理解吸附機(jī)理有著重要的作用。為了分析不同生物質(zhì)炭添加量對(duì)土壤磷吸附速率的影響，探討其可能的吸附機(jī)理，分別用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(方程4)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(方程5)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合(表3)。

從表3可以看出，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程都能很好地描述添加生物質(zhì)炭土壤對(duì)磷吸附的動(dòng)力學(xué)行為。對(duì)于CK和BC2處理，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)(2)大于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。通過(guò)模型計(jì)算的理論平衡吸附量(e,cal)與試驗(yàn)結(jié)果(e,exp)比較接近，表明準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能更好地描述生物質(zhì)炭添加土壤對(duì)磷的吸附過(guò)程。

3 討論

關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附影響的研究，目前主要集中于生物質(zhì)炭的原料來(lái)源、熱解溫度及添加量等方面。張璐等[8]研究表明隨著生物質(zhì)炭熱解溫度的升高，所得的生物質(zhì)炭對(duì)水溶液中磷的吸附量增加。Hollister等[11]也得到了相似的結(jié)果，即較高溫度制備的生物質(zhì)炭對(duì)磷的吸附量也較高。本研究的結(jié)果也表明隨著熱解溫度的增加，生物質(zhì)炭對(duì)磷的吸附量增加。本研究表明隨著生物質(zhì)炭熱解溫度增高，其比表面積增大(表1)，這可能是生物質(zhì)炭熱解溫度升高引起土壤磷吸附量增加的原因。王震宇等[12]也認(rèn)為隨著熱解溫度升高，生物質(zhì)炭碳化程度增加和比表面積增大等因素是導(dǎo)致不同熱解溫度生物質(zhì)炭上鎘吸附能力差異的原因。但王章鴻等[13]報(bào)道，在一定溫度范圍內(nèi)隨著熱解溫度的增加，生物質(zhì)炭對(duì)溶液中磷的吸附量增加，但當(dāng)達(dá)到500 ℃以后，繼續(xù)增溫，磷的吸附量反而降低。這說(shuō)明生物質(zhì)炭對(duì)磷吸附的影響不僅與生物質(zhì)炭的熱解溫度有關(guān)，還可能與溫度的增加方式及生物質(zhì)炭原料來(lái)源有關(guān)。

本研究中Langmuir方程和Freundlich方程較好地?cái)M合生物質(zhì)炭添加條件下土壤對(duì)磷的吸附行為，這說(shuō)明在水稻秸稈生物質(zhì)炭存在下，土壤對(duì)磷的吸附是多層吸附，在高濃度時(shí)，吸附容量會(huì)持續(xù)增加。此外，通過(guò)Langmuir模型計(jì)算得到的參數(shù)表明，m隨著生物質(zhì)炭添加量的增大而減小，說(shuō)明生物質(zhì)炭的添加抑制了土壤對(duì)磷的吸附，且隨著添加量的增加，抑制作用更明顯。Freundlich模型能反映吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的多層吸附行為，同時(shí)吸附表面也存在著一定的不均勻性[14]，F(xiàn)reundlich方程中非線(xiàn)性反映了吸附質(zhì)吸附位點(diǎn)能量分布特征。本研究中值均小于1，這表明在添加生物質(zhì)炭的土壤中磷吸附位點(diǎn)的分布具有異質(zhì)性，土壤對(duì)磷的吸附呈非線(xiàn)性。

本研究中，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程都能很好地描述添加生物質(zhì)炭土壤對(duì)磷吸附的動(dòng)力學(xué)行為。對(duì)于CK和BC2處理，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)(2)大于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。有學(xué)者研究認(rèn)為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程包含了外部膜擴(kuò)散、表面吸附和粒子內(nèi)擴(kuò)散等，化學(xué)鍵的形成是影響準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附作用的主要因子，說(shuō)明該吸附過(guò)程主要以化學(xué)吸附為主[15]，具體原因尚需進(jìn)一步探討。

本研究還發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭添加到土壤中抑制了土壤對(duì)磷的吸附，在磷濃度較高的情況下這種抑制作用更加明顯。這個(gè)結(jié)果也被其他研究者所證實(shí)[4,6]。生物質(zhì)炭抑制土壤磷吸附的可能原因有以下幾個(gè)方面：①解熱后，生物質(zhì)炭中的PO43-增加[16]，當(dāng)加入土壤中時(shí)，生物質(zhì)炭中的部分磷元素會(huì)釋放出來(lái)，占據(jù)一部分土壤磷的吸附位點(diǎn)，從而減弱土壤對(duì)磷元素的吸附。在本研究中，水稻秸稈生物質(zhì)炭的磷含量在0.581 ~ 0.922 mg/kg之間(表2)，這使生物質(zhì)炭釋放磷元素成為可能；②土壤添加生物質(zhì)炭后干擾了土壤鐵鋁氧化物對(duì)磷的吸附，從而減少土壤對(duì)磷的吸附；③生物質(zhì)炭有較高的陽(yáng)離子交換量，土壤中添加生物質(zhì)炭后可通過(guò)增加陽(yáng)離子交換能力或影響與磷相互作用的陽(yáng)離子活性而改變磷的有效性，從而間接影響對(duì)磷的吸附量[17]。

生物質(zhì)炭的用量也會(huì)影響土壤對(duì)磷的吸附。隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷吸附量減少。周麗麗等[18]也得出類(lèi)似的結(jié)果，即土壤有效磷含量隨生物質(zhì)炭施入量增大而依次增加，且均明顯高于對(duì)照處理 20% 以上。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能是水稻秸稈生物質(zhì)炭本身含有一定的磷(表2)，隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，輸入到土壤中的磷相應(yīng)增加，且磷在生物質(zhì)炭中主要以無(wú)機(jī)磷存在[19]，因此添加量越多，越不利于磷的吸附，相應(yīng)地有效性增加。蘇倩等[20]研究表明，施用生物質(zhì)炭使土壤水溶性磷、速效磷及全磷含量顯著增加，顯著提高土壤磷素含量及其有效性。侯建偉等[21]報(bào)道，施用生物質(zhì)炭后，沙土中的有效磷含量增加323%。這些研究結(jié)果都表明生物質(zhì)炭增加了土壤磷的有效性。

綜上所述，熱解溫度的升高能提高所獲得生物質(zhì)炭的碳化程度，增大比表面積，從而影響土壤對(duì)磷的吸附。生物質(zhì)炭本身含有一定的磷，因而同時(shí)可以利用生物質(zhì)炭增加土壤磷的有效性。由于水稻秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物，容易獲得，因此水稻秸稈生物質(zhì)炭在改善土壤磷肥有效性方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

制備生物質(zhì)炭的熱解溫度能影響其本身的理化性質(zhì)，提高碳化程度，增大比表面積和磷含量。水稻秸稈生物質(zhì)炭能顯著降低土壤磷的吸附量，但吸附量隨著生物質(zhì)炭熱解溫度的升高而增加。加入水稻秸稈生物質(zhì)炭土壤磷等溫吸附曲線(xiàn)符合Langmuir方程和 Freundlich方程，且土壤對(duì)磷的最大吸附量隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而減小。添加生物質(zhì)炭的土壤磷吸附動(dòng)力行為符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

[1] 葛順?lè)? 周樂(lè), 門(mén)永閣, 等. 添加不同碳源對(duì)蘋(píng)果園土壤氮磷淋溶損失的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2013, 27(2): 31–35

[2] 李春越, 王益, 黨廷輝, 等. 不同施肥配比對(duì)土壤磷素固液相分配及組分的影響[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011, 31(2): 265–270

[3] Lehmann J, Gaunt J, Rondon M. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems–A review[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2006, 11(2): 395–419

[4] 代銀分, 李永梅, 范茂攀, 等. 不同原料生物炭對(duì)磷的吸附解吸能力及其對(duì)土壤磷吸附解析的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 36(5): 345–351

[5] 施川, 張盼月, 郭建斌, 等. 污泥生物炭的磷吸附特性[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2016, 10(12): 7202–7208

[6] 郎印海, 王慧, 劉偉. 柚皮生物炭對(duì)土壤中磷吸附能力的影響[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 45(4): 78–84

[7] 巢軍委, 王建國(guó), 戴敏, 等. 生物炭對(duì)水稻土 Olsen-P 的影響[J]. 土壤, 2015, 47(4): 670–674

[8] 張璐, 賈麗, 陸文龍, 等. 不同碳化溫度下玉米秸稈生物炭的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其對(duì)氮磷的吸附特性[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 53(4): 802–808

[9] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1999

[10] Gaskin J W, Steiner C, Harris K, et al. Effect of low temperature pyrolysis conditions on biochar for agricultural use[J]. Transactions of American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2008, 51(6): 2061–2069

[11] Hollister C C, Bisogni J J, Lehmann J. Ammonium, nitrate, and phosphate sorption to and solute leaching from biochars prepared from corn stover(L.) and oak wood (spp) [J]. Journal of Environmental Quality, 2013, 42(1): 137–144

[12] 王震宇, 劉國(guó)成, 李鋒民, 等. 不同熱解溫度生物炭對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附特性[J]. 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(12): 4735– 4744

[13] 王章鴻, 郭海艷, 沈飛, 等. 熱解條件對(duì)生物炭性質(zhì)和氮、磷吸附性能的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(9): 2805–2812

[14] 張曉蕾, 薛文平, 徐恒振, 等. 近海沉積物對(duì)糞固醇的等溫吸附和熱力學(xué)研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(10): 3547–3553

[15] 鄭祥, 雷洋, 陳迪, 等. 納米TiO2對(duì)模型病毒-f2噬菌體的吸附特性[J]. 中國(guó)科學(xué): 化學(xué), 2013(5): 610–617

[16] Gundale M J, Deluca T H. Temperature and substrate influence the chemical properties of charcoal in the ponderosa pine/Douglas-fir ecosystem[J]. Forest Ecology and Management, 2006, 231: 86–93

[17] Lehmann J, Joseph S. Biochar for environmental manage-ment: science, technology and implementation[M]. London: Earthscan Publications Ltd, 2009: 251–270

[18] 周麗麗, 李婧楠, 米彩紅, 等. 秸稈生物炭輸入對(duì)凍融期棕壤磷有效性的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2017, 54(1): 171–179

[19] Hossain M K, Strezov V, Chan K Y, et al. Influence of pyrolysis temperature on production and nutrient properties of wastewater sludge biochar[J]. Journal of Environmental Management, 2011, 92(1): 223–228

[20] 蘇倩, 侯振安, 趙靚, 等. 生物炭對(duì)土壤磷素和棉花養(yǎng)分吸收的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2014, 20(3): 642–650

[21] 侯建偉, 索全義, 梁桓, 等. 有機(jī)物料對(duì)沙蒿生物炭改良沙土中有效養(yǎng)分的增效作用[J]. 土壤, 2016, 48(3): 463–467

Effect of Rice Straw Biochar on Phosphorus Adsorption in Paddy Soil

ZHANG Pu1, LI Renying1,2*, WU Hongsheng1, LI Lin1, LUO Jingjing1, WANG Fangyuan1,GAO Yaxiaoling1, XIAO Cheng1, ZHANG Qian1

(1 Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology / Department of Agricultural Resources and Environment, College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science &Technology, Nanjing 210044, China; 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Properties of rice straw biochars made under different temperatures were analysed and effects of biochars addition amount on Phosphorus (P) adsorption in a paddy soil were investigated by batch method. The results showed that carbonization degree, specific surface area and P concentration of biochar increased with the increase of pyrolysis temperature. Compared with the control (without biochar), biochar addition reduced P adsorption by inhibiting P adsorption to soil. Moreover, P adsorption of rice straw biochar was affected significantly by the pyrolysis temperature, which increased with the increase of pyrolysis temperature. Langmuir and Freundlich isotherm equations well described P adsorption isotherm behavior, and Pseudo first-and second-order kinetics well described the behavior of P adsorption kinetics in soils amended with rice straw biochar. Overall, rice straw biochar could improve phosphorus availability in soil through reducing P adsorption in soil and introducing additional P to soil, therefore, it has a great potential in improving phosphorus fertility in soils.

Rice straw; Biochar; Pyrolysis temperature; Phosphorus; Adsorption

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.006

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20141479)、十二五環(huán)?？萍贾卮笏畬?zhuān)項(xiàng)子課題項(xiàng)目(2015ZX07204-002)、南京信息工程大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目和土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(Y052010018)資助。

(ryli75@163.com)

張樸(1991—)，男，江蘇宜興人，碩士研究生，主要從事土壤重金屬污染及修復(fù)方面的研究。E-mail: 835187965@qq.com

S156.2

A