污泥-秸稈混合基生物炭對(duì)土壤性質(zhì)和植物生長(zhǎng)的影響

劉凱傳,劉佳歡,孫甲玉,李曉晨

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污泥-秸稈混合基生物炭對(duì)土壤性質(zhì)和植物生長(zhǎng)的影響

劉凱傳1,劉佳歡2,孫甲玉1,李曉晨1*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 山東 泰安 271018

隨著不合理的人類活動(dòng)，土壤退化問(wèn)題日益嚴(yán)重。使用污泥制備的生物炭雖然能減少污泥直接農(nóng)用帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，但其有機(jī)碳含量低，改良效果欠佳。本研究以污泥和秸稈為原料制備了污泥秸稈混合基生物炭，并采用黑麥草盆栽試驗(yàn)（120 d）研究了其對(duì)土壤性質(zhì)和黑麥草生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明秸稈的添加增加了生物炭中的有機(jī)碳含量、比表面積和孔徑數(shù)量。添加30％秸稈的生物炭具有最大的吸附潛力；混合基生物炭促進(jìn)了黑麥草的生長(zhǎng)。施加了3％的SCBC30的黑麥草七日發(fā)芽率提高了23.53％，生物量提高66.67％；混合基生物炭提高了土壤的陽(yáng)離子交換量、微生物量碳、堿解氮和速效磷的含量，在施加量為3%或者4％時(shí)效果最好。研究成果證實(shí)，污泥秸稈混合基生物炭能有效改善土壤環(huán)境，實(shí)現(xiàn)剩余污泥的合理回收利用，添加了30%的秸稈制備的生物炭在施加量為3%時(shí)，土壤改良效果最好。

污泥; 生物炭; 土壤性質(zhì); 黑麥草

日益嚴(yán)重的土壤退化會(huì)降低土地生產(chǎn)力，造成作物減產(chǎn)，引發(fā)水土流失，加劇溫室效應(yīng)[1]。因此，選擇適宜的土壤改良劑以減緩?fù)寥劳嘶呀?jīng)成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，含有豐富的有機(jī)碳、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽成分，但污泥直接農(nóng)用會(huì)導(dǎo)致重金屬和有毒化合物進(jìn)入土壤，有著巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。將污泥制備成生物炭可以有效的減少這種風(fēng)險(xiǎn)。已有研究表明，生物炭能夠有效改善土壤物理、化學(xué)和生物特性[2]，增加土壤中速效養(yǎng)分的含量，促進(jìn)根際微生物的生長(zhǎng)[3-6]。但純污泥制備的生物炭灰分含量過(guò)高，有機(jī)碳含量較低，而且重金屬不能去除完全，大規(guī)模應(yīng)用依然缺乏系統(tǒng)的研究[7]。

本研究的目的是以污泥和秸稈混合物來(lái)制備混合基生物炭，并探討兩種原料對(duì)生物炭性質(zhì)的影響。以盆栽實(shí)驗(yàn)（120 d）的方式，研究不同混合比的生物炭在不同的施加量對(duì)黑麥草生長(zhǎng)和土壤理化性質(zhì)的影響，并嘗試討論其內(nèi)在機(jī)制，確定最優(yōu)組合。從而更加充分的了解以污泥和秸稈為原料的生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)、土壤性質(zhì)改良及其影響機(jī)制，從而確定污泥秸稈混合基生物炭作為土壤改良劑的效果及其潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)的大規(guī)模應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 污泥秸稈混合基生物炭的制備

本試驗(yàn)使用的玉米秸稈取自中國(guó)泰安市道朗鎮(zhèn)。試驗(yàn)用污泥取自泰安市第一污水處理廠收集的，處理工藝為A2O。在室溫下風(fēng)干（約22 ℃）后，用粉磨機(jī)粉碎，并通過(guò)60目不銹鋼篩網(wǎng)。最后，污泥和秸稈分別保存在干燥的容器中，以避免受潮影響使用。

污泥秸稈混合基生物炭的制備流程如下：

圖 1 污泥秸稈混合基生物炭的制備流程

1.2 盆栽試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用土壤取自從山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)試驗(yàn)田，試驗(yàn)田位于山東省泰安市。土壤屬于典型的棕壤，其性質(zhì)見(jiàn)表1。

表 1 盆栽試驗(yàn)用土的物理和化學(xué)性質(zhì)

Table 1 Chemical and physical properties of the soil used in the pot experiments

黑麥草盆栽試驗(yàn)于2017年2月28日開(kāi)始，結(jié)束于同年6月30日，總歷時(shí)120 d。具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：每個(gè)花盆內(nèi)置1000 g自然風(fēng)干的土壤。將NCBC、SCBC10、SCBC50或SCBC50作為土壤改良劑分別按照1%、2%、3%、4%或5%的質(zhì)量比添加到土壤中。對(duì)于每一組試驗(yàn)，設(shè)置5個(gè)平行組。另外，設(shè)置有5組沒(méi)有添加生物炭的對(duì)照組。每盆放置30顆黑麥草種子，七天后，每盆保留20棵長(zhǎng)勢(shì)良好的幼苗。土壤和植物樣本在按照測(cè)定方法分別進(jìn)行初步處理后，進(jìn)行下一步的分析。

1.4 試驗(yàn)樣品的分析

1.4.1 植物樣品分析收集到的黑麥草植株用去離子水仔細(xì)清洗，以除去附著的土壤，然后在80 ℃的條件下干燥，直到重量不再發(fā)生變化。計(jì)算此時(shí)黑麥草的生物量。

1.4.2 土壤樣品分析陽(yáng)離子交換量采用硫酸鋇交換法測(cè)定，微生物量碳采用熏蒸法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)量，速效磷采用NaHCO3提取法來(lái)測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

在盆栽試驗(yàn)和淋溶試驗(yàn)完成之后，差異性及回歸方程使用Spssv.21來(lái)進(jìn)行分析。圖表制作采用Origin 8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合基生物炭的表征

秸稈污泥混合基生物炭的物理化學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表 2 污泥秸稈混合基生物炭的物理化學(xué)性質(zhì)（<0.05）

Table 2 Physicochemical properties of sewage sludge–cornstalk–based biochar (SCBC)（P<0.05）

由表2可以看出，混合基生物炭中的Cd、Cu和Pb含量隨著制備原料中污泥成分的增加而增加。純污泥制備的NCBC中的重金屬含量最高：Cu，32.1 mg·kg-1；Cd，1.81 mg·kg-1；Pb，26.1 mg·kg-1，依次減少了91.13%，21.36%和83.23%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原污泥中的重金屬含量，符合農(nóng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

SCBC30的比表面積最大，達(dá)到493.21 m2·g-1也具有最高的碘值，表明其微孔數(shù)量是最多的，具有最高的潛在吸附能力。NCBC的比表面積是最小的。

混合基生物炭的含C量隨著原料中秸稈的引入而增加，SCBC50的含C量最高，達(dá)到68.9%，比NCBC高出了138.4%。但同時(shí)，SCBC50的N和P含量是各組生物炭中最低的，N占1.76%，比NCBC減少了76.14%，P占1.76%，比NCBC減少了35.86%。

2.2 混合基生物炭對(duì)黑麥草生長(zhǎng)的影響

圖2顯示了混合基生物炭對(duì)黑麥草生長(zhǎng)特性的影響。

隨著混合基生物炭的施加量從0增加到3%，七日發(fā)芽率相應(yīng)增加，在3%時(shí)達(dá)到最大值。但隨著施加量繼續(xù)增加，又呈現(xiàn)了下降趨勢(shì)。在施加量不超過(guò)3%的情況下，各組生物炭之間沒(méi)有顯示出顯著的差異。但在4%和5%的施加量下，各組生物炭之間存在著顯著的差異，SCBC30效果最好。施加了4%的SCBC30的試驗(yàn)組中，七日發(fā)芽率達(dá)到93.3%，比對(duì)照組增加了23.53%。

混合基生物炭增加了黑麥草的生物量。各組都在3%到4%的范圍內(nèi)達(dá)到最大值，SCBC30增加了依次增加66.77%，效果最好。NCBC的效果在各個(gè)施用量下都是最差的。同一施用量下，除了3%的施加量，其余的增產(chǎn)效果都是NCBC

圖 2 黑麥草生長(zhǎng)特性(P＜0.05)

2.3 混合基生物炭對(duì)陽(yáng)離子交換量的影響

圖3表明，混合基生物炭能夠有效地增加土壤的陽(yáng)離子交換量(CEC)，且增長(zhǎng)程度和生物炭的施加量成顯著的正相關(guān)。對(duì)照組的陽(yáng)離子交換量為13.54，混合基生物炭的施加量從1%增加到5%，試驗(yàn)組的陽(yáng)離子交換量增長(zhǎng)率也從15%逐步超過(guò)100%，最大的增長(zhǎng)了達(dá)到了108.82%，是在添加了5%的SCBC50的試驗(yàn)組中取得的。在相同的施加量下，各組混合基生物炭增加陽(yáng)離子交換量的性能依次是：SCBC50>SCBC30>SCBC10>NCBC。

圖 3 盆栽試驗(yàn)中的陽(yáng)離子交換量(P＜0.05)

2.3 混合基生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

圖4是混合基生物炭對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響。

試驗(yàn)組中土壤堿解氮的含量顯著高于對(duì)照組。除了SCBC30在4%的施加量下取得最大值，各組的堿解氮都和施加量呈顯著正相關(guān)，在5%處值最大。在同一施加量下，1%、2%和3%處，各組的差別不大，但在4%處，SCBC30的效果顯著高于其他組，而在5%處，SCBC50的效果則是最好的。

圖 4 土壤速效養(yǎng)分(P＜0.05)

試驗(yàn)組中土壤速效磷的含量均高于對(duì)照組。在1%到3%的區(qū)間內(nèi)，速效磷含量與生物炭的施加量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，3%之后，隨著生物炭添加量的繼續(xù)增加，土壤速效磷的增長(zhǎng)速度減慢，個(gè)別試驗(yàn)組甚至呈現(xiàn)出了下降的趨勢(shì)。而在同一個(gè)施加量下，NCBC組均取得了最大的速效磷含量，但效果最好的3%施加量下，SCBC30組的速效磷含量和NCBC組的持平。

與對(duì)照組相比，微生物量碳(MBC)最初隨著SCBC的添加比的增加而增加，在3%時(shí)取得較高值，隨后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在3%的施加量之前，SCBC50的效果是最好的，但在4%和5%的施加量下，SCBC50的效果下降，此時(shí)SCBC10的效果最好。施加量為3%的SCBC30效果最為明顯，比對(duì)照組提高了89.39%。

圖 5 土壤微生物量碳(P＜0.05)

3 討論

與秸稈相比，污泥中的灰分較多，有機(jī)碳含量較低，但N和P的含量較高，一般在3%左右。在混合基生物炭中引入了秸稈，能有效的增加混合基生物炭中的有機(jī)碳含量，但N和P的含量是有所下降的。但土壤中養(yǎng)分變化是極其復(fù)雜的過(guò)程，涉及多種化學(xué)反應(yīng)，因此速效磷和速效氮含量也是增加的。生物炭的重金屬含量符合農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，可以直接施加到土壤中而沒(méi)有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

比表面積和碘值都在SCBC30處取得最大值，表明SCBC30具有最大的比表面積和微孔數(shù)量。而生物炭的多微孔和巨大的比表面積是其多種土壤改良性能的基礎(chǔ)，因此，SCBC30具有較大的應(yīng)用于土壤改良的潛力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，混合基生物炭的添加能顯著提高黑麥草七日發(fā)芽率，這可能是由于混合基生物炭通過(guò)調(diào)整土壤的孔隙度和滲透率，創(chuàng)造了更好的萌芽環(huán)境[8]。而過(guò)量的施加生物炭，會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生負(fù)面影響，會(huì)抑制種子的萌發(fā)，而生物炭中沒(méi)除盡的有害物質(zhì)同樣會(huì)減少種子的發(fā)芽率，3%的施加量時(shí)，最有利于種子的萌發(fā)。

土壤陽(yáng)離子交換能力(CEC)的增加可以改善土壤固定氮和鉀離子的能力，提高土壤養(yǎng)分的維持能力，從而提高土壤肥力和土壤質(zhì)量。生物炭對(duì)CEC改進(jìn)的性能與土壤類型、生物炭的原料和生物炭的生產(chǎn)條件等因素有關(guān)[9]。生物炭本身具有較高的CEC值，而且當(dāng)添加到土壤中時(shí)，生物炭可以通過(guò)氧化形成羰基和酚類。然而，在高有機(jī)質(zhì)土壤中加入生物炭可能并不會(huì)對(duì)土壤CEC有顯著的提高。本試驗(yàn)中，SCBC50對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量的提高效果最為明顯，說(shuō)明秸稈的添加能顯著增加生物炭對(duì)低CEC土壤的改進(jìn)能力。

污泥和秸稈制備成生物炭后，其中的氮元素和磷元素大部分保留了下來(lái)。這使得生物炭的氮磷含量很好，同時(shí)可以看出，原料中的污泥含量越高，制備成的混合基生物炭的氮磷含量也越高。但同時(shí)，并不是所有的土壤養(yǎng)分都可以用于植物生長(zhǎng)?；旌匣锾康脑黾油寥乐兴傩юB(yǎng)分的機(jī)制不僅是因?yàn)楹休^多的速效養(yǎng)分，更在于能夠提高土壤中氮磷的生物有效性。而過(guò)量的添加生物炭，可能會(huì)影響土壤中與氮磷轉(zhuǎn)化有關(guān)的酶的活性，以及破壞土壤化學(xué)環(huán)境，從而減少速效養(yǎng)分所占的比例，因此，在3%的施加量下，是最合適的。

微生物量質(zhì)碳(MBC)主要來(lái)自植物廢棄物分解、根分泌、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤微生物的水解。隨著混合基生物炭的添加，MBC明顯增加。一方面，混合基生物炭本身含有一定的微生物量碳。另一方面，混合基生物炭的添加可以改善土壤環(huán)境，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。根系分泌物的增加可以促進(jìn)土壤生物活性和土壤活性有機(jī)成分的增加[10]。3%的施加量時(shí)最合適的，SCBC50對(duì)微生物碳的促進(jìn)效果最為明顯。

4 結(jié)論

本研究中使用的混合基生物炭(SCBC)是用污泥和玉米秸稈的混合物作為原料制備的。利用黑麥草盆栽試驗(yàn)研究了SCBC對(duì)土壤性能和植物生長(zhǎng)的影響。結(jié)果如下：

（1）混合基生物炭具有較大比表面積和微孔數(shù)量，其中SCBC30的數(shù)值最高，具有最大的吸附潛力?；旌匣锾康闹亟饘俸烤限r(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。與純污泥制備的生物炭相比，秸稈的引入增加了生物炭中有機(jī)碳的含量；

（2）混合基生物炭能明顯促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。黑麥草的七日發(fā)芽率和生物量均顯著提高。施加了3%的SCBC30后，發(fā)芽率增加了23.53%。生物量提高66.67%；

（3）混合基生物炭有效的改善了土壤的性質(zhì)。土壤的陽(yáng)離子交換量、有機(jī)碳、微生物量碳、堿解氮和速效磷的含量都顯著提高，在施加量為3%或者4％時(shí)效果最好。

綜上所述，混合基生物炭的添加能有混合基生物炭有效地改善了土壤質(zhì)量，有利于植物的生長(zhǎng)，表明了它作為土壤調(diào)節(jié)劑的潛力。其中，采用污泥和秸稈按照7:3比例制備的SCBC30，施加量為3%時(shí)，對(duì)土壤的改良效果是最好的。

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Effect of Sludge-Straw Mixture Biochar on Soil Properties and Plant Growth

LIU Kai-chuan1, LIU Jia-huan2, SUN Jia-yu1, LI Xiao-chen1*

1.271018,2.271018,

With unreasonable human activities, soil degradation is becoming more and more serious. Sludge based biochar can effectively reduce the environmental risk caused by directly agricultural use of sludge, however, it is also restricted by its low organic carbon content and poor improvement effects. Thus, biochar was prepared from a mixture of sewage sludge and cornstalk (SCBC) in this study. The effects of SCBC on soil properties and plant growth were investigated by using ryegrass pot assays (120 d) cultured with different application rates. The results showed that the addition of straw significantly increased the organic carbon content, specific surface area and pore diameter of the SCBC. The biochar with 30% straw had the maximum adsorption potential. SCBC could effectively promote the growth of ryegrass. The SCBC30 with application rate of 3% increased 7-day germination rate by 23.53% and biomass by 66.67%. Mixed biochar increased soil cation exchange capacity, microbial biomass carbon, alkali-hydrolyzed nitrogen and rapidly available phosphorus, and was the best at 3% or 4%. The survey results indicated SCBC could effectively improve the soil environment and realize reasonable recycling of sludge. The best soil improvement effect was the SCBC with an application of 3%.

Sludge; biochar; soil property; ryegrass

S156.2

A

1000-2324(2018)06-1015-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.022

2017-10-02

2017-10-25

中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(41771502);山東省水利科技促進(jìn)項(xiàng)目(SDSLKY201605);山東省自然科學(xué)基金培養(yǎng)項(xiàng)目(ZR2016EEP16)

劉凱傳(1993-),男,在讀碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)研究. E-mail:963079835@qq.com

Author for correspondence. E-mail:lixiaochen02@163.com