玉米秸稈炭對土壤中氮、磷淋溶的影響

謝沂希，楊婉儷，劉 慧，陳艷秋，謝尚春

(1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院，四川 成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院，成都 溫江 611130)

農(nóng)業(yè)面源污染是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動引起的氮、磷、農(nóng)藥等污染物以廣域的、低濃度、分散的形式，從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向水體遷移擴散的過程[1]。近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活需求的不斷提高，促使農(nóng)業(yè)產(chǎn)出增加，由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展擴大而導致農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)象逐年加重。據(jù)估算，目前我國水體氮磷污染物主來自工業(yè)、生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染的大約各占1/3。而我國湖泊的氮、磷50%以上來自于農(nóng)業(yè)面源污染[2]。我國化肥使用量大、利用效率低，導致剩余部分的氮、磷營養(yǎng)元素通過地表徑流、土壤滲濾進入河流、湖泊等水域，造成水體富營養(yǎng)化和地下水受到污染。大量的氮肥使用還會加快土壤中有機碳的消耗，降低有機質活性和土壤的供氮能力[1]。此外，農(nóng)業(yè)面源污染也直接導致了土壤環(huán)境的破壞，造成土壤結構板結、酸化，降低了土壤質量，損害土壤的生產(chǎn)功能、自凈功能、調節(jié)功能等[3]，間接影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質量。因此，保護生態(tài)環(huán)境，減少農(nóng)業(yè)面源污染已刻不容緩。

目前，控制農(nóng)業(yè)面源污染的技術主要包括水肥控制法、種植制度優(yōu)化法、人工濕地及生態(tài)帶攔截技術、秸稈還田和土壤改良技術等[4-6]。國內外研究發(fā)現(xiàn)一種新興的功能材料—生物質炭(Biocahr)，這種材料可被用作土壤改良劑來改善土壤的通透性和持留氮磷養(yǎng)分，以保持土壤氮磷含量、提高養(yǎng)分利用率和減少土壤中氮磷養(yǎng)分的淋溶損失。生物質炭具有非常豐富的孔隙結構、巨大的比表面積和大量的表面含氧基團，使得其具有強大的吸附能力和離子交換能力，在增加土壤碳庫儲量、改善土壤質量、提高作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮重要作用[7-8]。

截止目前，生物炭的生態(tài)環(huán)境效應正受到越來越多的關注。有研究表明隨生物炭添加量的增加，TN的淋失總量逐漸下降[9]。也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭與暗棕壤混合，隨著生物炭添加量的增加，暗棕壤對氮、磷的吸附速率常數(shù)增大，對氮、磷的飽和吸附量增加，從而增強了暗棕壤對氮、磷的固定能力[10]。另一方面，生物質炭可與土壤中微生物相互作用從而影響土壤中養(yǎng)分的遷移轉化，還可直接吸附土壤中養(yǎng)分和水分，延緩養(yǎng)分的淋出[9,12]。但由于受生物質炭的制備原料、實驗土壤、施用量和實驗方法等因素差異的影響，研究結果不盡相同。有研究者發(fā)現(xiàn)生物質炭的不合理利用還可能帶來環(huán)境風險，加上生物炭施用的不可逆性，所以，在土壤中大量、長期的施用生物炭前還需進行進一步的探究，確保生物炭的環(huán)境效應[13]。

另外，生物質炭制備成本低，制備材料來源廣泛，植物秸稈、廢棄木材及生活垃圾中的有機廢物都可以用來生產(chǎn)生物炭。我國農(nóng)作物質秸稈資源豐富，秸稈年產(chǎn)量高達8億多t[9]，農(nóng)作物秸稈不僅具備熱值高的特性，還含有多種可被利用的有用成分，是一種寶貴的可再生資源。因此，對秸稈進行有效的處理及利用，對解決人類資源、環(huán)境和發(fā)展之間的關系問題具有重大的意義。綜合農(nóng)業(yè)污染面源的現(xiàn)狀以及生物質炭的環(huán)境效應，因此，本研究以玉米秸稈為原料，在450℃下制備生物質炭，并將其添加到土壤中，在實驗室開展生物質炭對土壤氮、磷淋溶的影響研究，為玉米秸稈炭在農(nóng)業(yè)面源污染控制中的應用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 試驗土壤 采自四川省成都市榿泉鎮(zhèn)，自然風干，研磨過2mm(10目)篩備用，土壤基本性質見表1。

表1 土壤基本理化性質

1.1.2 試驗生物質炭 采自四川省成都市榿泉鎮(zhèn)的玉米秸稈，洗凈，自然風干，用粉碎機將秸稈粉碎，在105 ℃條件下，將玉米秸稈粉末烘干至恒重，稱取一定重量的秸稈粉末裝入坩堝中，加蓋密封，置于馬弗爐中于 450 ℃下碳化2h，使秸稈受熱均勻、碳化充分。碳化結束，冷卻至室溫后取出，碾碎，過篩，儲存于塑料密封袋中備用。

1.2 實驗方法

1.2.1 土柱淋溶實驗 土柱分為5個處理：650g風干土未添加生物炭，標記為CK；4個各650g風干土中生物炭添加量分別為1%、2%、3%和5%(質量分數(shù))的處理，分別記為C1、C2、C3和C5；每個處理設2個重復。

土柱實驗裝置如圖1所示。模擬試驗采用PVC 圓柱管作為淋濾土柱，高30cm，內徑6cm，先在柱底墊一層濾網(wǎng)(防止土壤沖出堵塞出口)，然后裝填用1mol/L的HCl和蒸餾水反復洗凈并干燥后的石英砂于淋溶柱底部(厚約2cm)。然后加一層定性濾紙，防止顆粒滲漏，之后均勻的裝入上述添加有秸稈炭的混合土樣，土壤容重約為1.15g/cm3，加蓋濾網(wǎng)，繼而裝填石英砂(厚約1cm)。

每個土柱中加入216mg的氯化銨和75mg磷酸二氫鉀，所施用的氮、磷量分別為200kg/hm2和60kg/hm2，加入去離子水至土柱飽和，下端無液體淋出。平衡3d后，用輸液裝置模擬室內降水，每隔24h淋溶一次，每次降水150mL，共進行6次淋溶，每次降雨強度為10mm/h且均在溫室下進行，所淋洗的水總量約為成都市7月降水量，用廣口瓶接收裝置下端出口的淋出液，測定淋溶液的體積、pH、TN以及TP值。

1.2.2 樣品測定 ①土壤：基本理化性質參照《土壤農(nóng)化分析》測定[14]。②生物炭：pH值，以炭與去離子水以1∶20的質量比例浸提后采用酸度儀(PHSJ-3F型)測定；紅外光譜分析：取適量固體干燥粉末樣品以重量比1∶100的比例與無水KBr一起在瑪瑙碾缽中混合均勻，壓片后在紅外光譜儀上測定，以不放樣品時的KBr薄片作為背景。③淋溶液：pH值采用酸度計測定；TN的測定是將采集的淋濾液樣品經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾后采用元素分析法(Shimadzu TOC-VCPH元素儀)測定；TP的測定是在120～124℃的條件下用過硫酸鉀作氧化劑消解水樣將其他形態(tài)的磷酸鹽轉化為正磷酸鹽后，用鉬銻抗分光光度法(V5000型可見分光光度計)進行測定。TN和TP淋溶量分別為淋溶液中 TN和TP濃度與淋溶體積的乘積(mg)，而TN和TP累積淋溶量則分別為TN和TP淋溶量的累積加和。

圖1 土柱模型

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 20.0分析處理軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果

2.1 生物炭基本理化性質

圖2為玉米秸稈炭紅外光譜圖，圖中可以看出生物炭的主要官能團，波數(shù)3436.09cm-1處出現(xiàn)酚羥基或醇羥基的伸縮振動寬峰，波數(shù)1626.21cm-1處出現(xiàn)C=O或者芳香骨架的伸縮振動，波數(shù)1384.57cm-1處出現(xiàn)O—H和C—H彎曲振動，波數(shù)1049.11cm-1處出現(xiàn)C—O的伸縮振動吸收峰,波數(shù)472.69cm-1處出現(xiàn)C—C的伸縮振動吸收峰。紅外光譜表明，在炭化后的玉米秸稈炭具芳香結構，在生物或非生物作用下可形成羧基官能團，對生物質炭自身的陽離子交換量影響較大，施入土壤后在形成有機-無機復合體和提高陽離子吸附量等方面有著重要作用，可提高土壤的陰離子交換量[19]。生物炭pH值為10.45，灰分25.77%。

圖2 生物炭的紅外光譜

2.2 不同生物炭添加量處理的土壤淋溶液指標

從表2可以看出，淋溶結束時，CK、C1、C2、C3和C5處理的土柱累積淋溶量分別為861.5、844.5、851.5、844.5、830.0mL，C2處理組的淋溶液體積與CK相比差異不顯著(P>0.05)，其余處理的土柱淋溶液體積則比對照顯著減少(P<0.05)；與CK相比，C1、C2、C3、C5處理TN的累積淋失量分別增加了41.79、47.02、51.80、62.77mg(P<0.05)；與CK相比，C1、C2、C3、C5處理TP的累積淋失量分別增加了0.16、0.69、1.27、3.22mg，即淋出液TP的累積淋失量CK0.05)，其余處理的土柱淋溶液TP的累積淋失量則比對照顯著增加(P<0.05)。

表2 不同生物炭添加量處理的土壤淋溶液指標

注：不同字母表示在P<0.05水平上存在顯著性差異。

2.3 生物炭對土壤淋溶液體積及pH值的影響

如圖3所示，結果表明，整個淋溶過程中各處理收集的淋溶液體積略有不同，添加適量生物炭后，土壤水分的淋失有降低的趨勢，這可能是由于生物炭疏松多孔，比表面積大，可以吸附較多的水分，提高了土壤的持水性能。隨著淋洗時間的增加，各處理pH在前4次淋洗過程中均顯著增加，后逐漸趨于穩(wěn)定。整個觀測期內，6次淋洗液pH值的均值大小基本為：CK

圖3 不同處理土壤淋溶液的累積體積與pH值

2.4 生物炭對土壤淋溶液中TN濃度和累積淋失量的影響

如圖4所示，總體上，隨著淋洗次數(shù)增加，各處理的TN濃度逐漸下降，并在第1次淋溶時，不同處理的淋溶液中TN濃度達到峰值，在第2次淋溶時各處理的TN濃度下降最明顯。在各個淋溶階段，C1、C2、C3、C5處理的淋出液中TN濃度均高于CK，淋出液的TN的累積淋失量隨著玉米秸稈炭用量的增加而增加(P<0.05)。總體上看，隨著玉米秸稈炭施用量的增加，土壤淋出液的TN濃度和累積淋失量增加。

圖4 不同處理土壤淋溶液的TN濃度和累積淋失量的變化

2.5 生物炭對土壤淋溶液中TP濃度和累積淋失量的影響

如圖5所示，不同處理下淋出液的TP濃度隨著淋洗次數(shù)的增加而呈上升趨勢，在第3次淋洗過程中各處理的TP濃度上升幅度最大。在6次淋溶中，C1、C2、C3、C5處理淋出液的TP濃度均高于CK，淋出液的TP濃度隨著玉米秸稈炭用量的增加而增大。與CK相比，C5處理的TP濃度增加最顯著，C1、C2、C3處理淋洗液中TP濃度隨淋洗次數(shù)的變化規(guī)律基本一致?？傮w上看，隨著玉米秸稈炭施用量的增加，土壤淋出液的TP濃度和累積淋失量增加。

圖5 不同處理土壤淋溶液的TP濃度和累積淋失量的變化

3 討論

3.1 生物炭對土壤淋溶液體積與pH值的影響

添加適量生物炭后，土壤水分的淋失有降低的趨勢，說明生物炭能提高土壤持水能力，減少降雨時由于淋溶作用產(chǎn)生水分的淋失，降低地下水的潛在污染風險。生物炭疏松多孔，比表面積大，吸附較多的水分[15]。同時，生物炭施入土壤后，經(jīng)過微生物對其表面的促進氧化，含氧官能團增加，陽離子交換量(CEC)增大，疏水性降低，從而增加了土壤的持水能力。另外，隨著生物炭添加量的增加，淋溶液pH值逐漸升高，以5%生物炭添加量的土柱最大。這主要是由于生物炭本身含有大量的灰分元素如Na、K、Ca、Mg等，這些元素以氧化物或碳酸鹽形式存在，溶水后呈堿性，施入土壤可提高土壤鹽基飽和度，從而提高了土壤的pH值[16-17]。因此，在土壤中施入適量生物炭可以改善土壤的保水性能和提高酸性土壤的酸堿度。

3.2 生物炭對土壤中氮淋溶損失的影響

在實驗觀測期間，添加生物炭增大了淋溶液中TN濃度，與其他研究結果相似[18]。也有研究表明，添加生物炭減少了土壤氮素的淋失，添加量越大氮素累積淋失量越小[12,19]，與本研究結果不一致。受到土壤質地的影響，加入生物炭對不同質地土壤中可溶態(tài)養(yǎng)分的影響不同，添加生物炭促進質地較粗土壤的保肥能力，卻不利于質地較為粘細土壤硝態(tài)氮養(yǎng)分的保持[20]。本次實驗采用的土壤樣品粘性較強，可能是造成氮素淋失增大的原因之一。另外，生物炭的施用量也會影響生物炭對土壤中氮的固持作用。周志紅等研究表明，50t·ha-1和100t·ha-1的生物炭施用量顯著降低了黑鈣和紫色土中氮的淋失，而當施用量為10t·ha-1時促進了氮的淋失[21]?；蒎\卓等按照1%、2%、5%、10%的比例在淤灌土中添加生物炭進行土柱淋溶實驗，結果表明10%的處理顯著減少銨態(tài)氮的淋溶損失量，其它處理則顯著增加了銨態(tài)氮的淋溶損失量[22]?？梢娺m量的生物炭施用量才能有效減少土壤氮素的淋失。本研究中生物炭施入土壤后使土壤中有機氮含量升高，在未種植植物的條件下，有機氮除少部分可能會被土壤微生物礦化，大部分進入土壤孔隙水中全部淋失，對淋濾液中總氮淋失量貢獻較大。

3.3 生物炭對土壤中磷淋溶損失的影響

在本試驗中，生物炭促進磷淋失的作用強于對磷的固持作用，導致該現(xiàn)象的原因可能有：一是生物炭改善了土壤的物理結構，淋濾方式由原來的徑流變?yōu)闈B透[26]。二是生物炭自身磷含量較高，施入土壤后直接增加了土壤中的磷含量[27]。對于同類型的生物質材料，制得生物炭的總磷及可提取態(tài)磷的含量通常隨著炭化溫度的升高而降低[28]。三是因為生物炭的施用使土壤的pH值顯著升高，進而提高了土壤中磷素的有效性及磷活化系數(shù)，促進磷素的淋失[29-30]。

4 結論

(1)添加玉米生物炭后，與對照相比，向土壤添加1%、2%、3%和5%生物炭，TP淋溶量分別增加0.16、0.69、1.27、3.22mg，TN淋溶量分別增加了41.79、47.02、51.80、62.77mg。

(2)在土壤中施用生物炭，可能會增加環(huán)境風險。研究結果僅是室內土柱模擬試驗得出，不能完全代表大田實際情況，加上生物炭種類、土壤類型或生物炭添加比例等因素可能會對試驗結果產(chǎn)生影響，所以生物炭的應用效益還需進一步研究。