堿活化載鎂橘皮生物炭除磷后對土壤的改良作用

王波，羅婷，勾曦，唐勇，姜飛，吳桐，謝燕華,2*

（1.成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，成都 610059；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059）

眾所周知，過量的磷排入自然水體會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化[1]。目前，對水體中磷的去除方法主要有化學(xué)沉淀法、生物修復(fù)法和吸附法等[2]。其中，吸附法被認為是一種操作簡單的高效除磷技術(shù)[3]。但吸附除磷后的吸附劑含有大量的磷和有機物等物質(zhì)，若將其作為固體廢物進行處理，將額外增加處理成本，因此亟需尋找一種資源化利用方式對吸附除磷后的廢棄材料進行妥善處理。

生物炭是植物或動物生物質(zhì)熱解產(chǎn)物，具有表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、陽離子交換能力強、官能團豐富[4]等特點。生物炭可與土壤發(fā)生交互作用，改善土壤理化性質(zhì)和微生物生長條件以及保持土壤肥力，已被廣泛研究應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)和土壤改良[5-7]。由于生物炭呈負電性且缺乏金屬陽離子，導(dǎo)致其對磷酸鹽陰離子的吸附能力有限[8-9]。近年來，將各種金屬陽離子改性后的生物炭用于污水除磷，都表現(xiàn)出了良好的去除性能[10-11]，但將吸附除磷后的改性生物炭作為土壤改良劑進行資源化利用卻鮮有報道。本研究將吸附除磷后的載鎂橘皮生物炭（KMg-BC/P）用于土壤改良試驗，考察其對土壤理化性質(zhì)、各種形態(tài)磷含量、微生物群落結(jié)構(gòu)、酶活性以及植物生長的影響，以期為吸附除磷后吸附劑的資源化和無害化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗試劑

本試驗所使用的氨水、乙二胺四乙酸二鈉、無水乙醇、濃硫酸、抗壞血酸、酒石酸銻鉀、鉬酸銨、氟化鈉、乙酸銨、氟化銨、檸檬酸鈉、硼酸、高氯酸、硝酸、連二亞硫酸鈉、四硼酸鈉、氯化鈉、甲苯、硫酸鋁、苯酚等試劑均為分析純。

1.1.2 試驗土壤及植物

試驗土壤采自四川省成都市郊區(qū)某荒廢農(nóng)田的表層土（0～20 cm），將土壤樣品自然風干研碎過100目篩后，按照《土壤農(nóng)化分析》[12]中的方法測定其基礎(chǔ)理化性質(zhì)。

盆栽試驗植物選用大豆，因其具有發(fā)芽快、養(yǎng)護簡單、對磷元素敏感性強等特點。

1.2 試驗方法

1.2.1 KMg-BC/P的獲取

首先，將橘皮切成約1 cm×1 cm 的小塊，用去離子水洗凈烘干；然后準確稱取10 g 橘皮到250 mL 錐形瓶中，并置于溫度為25 ℃、轉(zhuǎn)速為200 r·min-1的振蕩器中，依次用100 mL質(zhì)量分數(shù)2.5%的KOH 溶液和100 mL 0.012 5 mol·L-1的 MgCl2溶液對其進行 2 h 的浸漬改性；隨后濾出置于烘箱中在60 ℃下烘干12 h；最后轉(zhuǎn)入坩堝，置于馬弗爐中，以10 ℃·min-1的速率升溫至600 ℃恒溫燒制2 h，冷卻后研磨過80 目篩制得堿活化載鎂橘皮生物炭（KMg-BC）。然后將一定量的KMg-BC 投加至體積為150 mL 的血清瓶中，隨后加入100 mL 含磷廢水（來源于磷化工企業(yè)經(jīng)前期處理后的生產(chǎn)廢水，其中主要污染物為磷和氨氮，含量分別約為1 000 mg·L-1和60 mg·L-1），將其放入溫度為25 ℃、轉(zhuǎn)速為200 r·min-1的水浴恒溫振蕩器中振蕩1 h，反應(yīng)結(jié)束后，濾出材料置于烘箱中在60 ℃下烘干12 h獲得KMg-BC/P。

表1 試驗材料基本理化性質(zhì)特征Table 1 The basic properities of the experimental material

1.2.2 土壤改良試驗

采用直徑12 cm、高12 cm 聚乙烯塑料盆，每盆裝土200 g，然后按照10 g·kg-1比例分別加入KMg-BC和KMg-BC/P 并與土壤充分混合，保持土壤含水率于22%左右，隨后按照每盆5 顆大豆的播種量將培育發(fā)芽的大豆種入土壤。為方便同時研究KMg-BC/P 改良土壤后對土壤和植物的影響，一共設(shè)置3 個試驗組，分別為土壤組（對照組）、土壤+KMg-BC 組、土壤+KMg-BC/P 組，每組設(shè)置4個樣盆，一個樣盆對應(yīng)一個培養(yǎng)時間。所有盆栽放于陽光充足的溫室中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)周期設(shè)置為60 d，每15 d 收集相應(yīng)培養(yǎng)時間樣盆中土壤和植物的數(shù)據(jù)，所有試驗設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 分析方法

土壤基本理化性質(zhì)測定參考《土壤農(nóng)化分析》[12]，土壤中不同形態(tài)無機磷含量的測定采用顧益初等[13]提出的石灰性土壤無機磷分級方法，土壤中不同活性有機磷含量的測定參照Bowman-Cole 法[14]，土壤微生物數(shù)量測定采用梯度稀釋平板涂布法[15]，土壤酶活性測定參照關(guān)松蔭等[16]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2010 軟件，采用Origin 8.5 軟件進行繪圖，采用SPSS 11.5 統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 KMg-BC/P對土壤理化性質(zhì)的影響

由表 2 可得，加入 KMg-BC 和 KMg-BC/P 后土壤的pH、有機質(zhì)含量、陽離子交換量、有效磷含量、總磷含量、磷素釋放量以及持水能力顯著增加；且隨培養(yǎng)時間的增加3 個試驗組土壤的陽離子交換量、有效磷、總磷和磷素釋放量呈不斷減小的趨勢，這可能是在沒有外來離子補充的情況下，大豆植株不斷消耗土壤中養(yǎng)分所致。土壤pH 常被看作土壤的主要變量，由表 2 可知，KMg-BC 和 KMg-BC/P 的加入將土壤由弱酸性調(diào)節(jié)到中性和弱堿性，改善了土壤pH值狀況，這與Zhao等[17]研究結(jié)果一致。因為KMg-BC和KMg-BC/P 本身堿性較強，并且還可以通過提高土壤堿基飽和、降低可交換鋁水平和消耗土壤質(zhì)子等作用提高土壤pH值。土壤陽離子交換量的大小是評價土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[15]，加入KMg-BC 和KMg-BC/P 改善了土壤可變電荷狀況，增加了土壤的陽離子交換量，主要是因為生物炭本身具有負電荷表面和一定的陰離子官能團[16]；而KMg-BC/P 不僅具有生物炭帶負電的特點，且還含有大量的磷酸鹽，其會在土壤中釋放出大量的含磷陰離子，使得土壤膠體吸附各種陽離子的總量增大[18-20]。土壤磷是植物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，由表2 可看出，加入KMg-BC 后土壤的有效磷、總磷和磷素釋放量略有增加，與未添加物質(zhì)的土壤相比分別增加了10.66%、9.25%和33.33%，主要是由于制備的KMg-BC 有大量的可溶性磷酸鹽殘留且KMg-BC 穩(wěn)定的理化性質(zhì)及強的抗分解、抗氧化能力保證了長效的磷素供應(yīng)，因此向土壤中添加KMg-BC 必然會造成磷素的累積，提升土壤磷素的釋放能力[21]；而加入KMg-BC/P 后土壤總磷、有效磷和磷素釋放量增加幅度較大，與未添加物質(zhì)的土壤相比分別增加了10 346.59%、340.28%和6 588.89%，這主要是因為KMg-BC/P 不僅具有KMg-BC 的特性，同時還吸附了廢水中大量磷酸鹽，將其施入土壤會比KMg-BC 更加顯著地增加土壤磷素的累積和提升磷素釋放能力。KMg-BC和KMg-BC/P加入土壤有效地提高了土壤有機質(zhì)含量和持水能力，這與張旭輝等[22]研究結(jié)果一致。因為KMg-BC 和KMg-BC/P本身含有一定量的有機質(zhì)，且具有豐富的孔隙。

2.2 KMg-BC/P對土壤中磷的影響

2.2.1 對土壤無機磷的影響

由表3 可知，向土壤中添加KMg-BC 后，在60 d的培養(yǎng)期內(nèi)，土壤中各形態(tài)無機磷含量變化不大，即KMg-BC 的添加并未顯著增加土壤中各種無機磷的含量，也未顯著促進各形態(tài)無機磷的相互轉(zhuǎn)化，這可能是由于添加生物炭量較少且培養(yǎng)時間較短。向土壤中添加KMg-BC/P 培養(yǎng)60 d 后，土壤中的Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P 含量都有顯著提高，分別是自然土壤的 13.22、27.82、5.91 倍和 2.05 倍，是添加 KMg-BC 后土壤的 14.07、23.94、6.38 倍和1.99 倍，這主要是由于KMg-BC/P 中吸附了大量的磷，與土壤進行混合后KMg-BC/P 中吸附的磷大量釋放進入土壤并在較短時間內(nèi)快速轉(zhuǎn)化成了Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P，從而顯著增加了土壤中高效磷源（Ca2-P）和緩效磷源（Ca8-P、Al-P 和Fe-P）的含量。而添加KMg-BC/P 培養(yǎng)60 d后，土壤中的O-P和Ca10-P的含量與其他兩組相比未發(fā)生明顯的變化，這可能是由于各種活性磷被植物快速吸收，且培養(yǎng)時間較短，其他形態(tài)的磷未轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的O-P 和Ca10-P。添加KMg-BC/P 的土壤在0～60 d 培養(yǎng)過程中高活性的Ca2-P 含量有逐漸降低的趨勢，而Ca8-P、Fe-P 和Al-P 的含量都有逐漸升高的趨勢，這是因為高活性的Ca2-P 在培養(yǎng)過程中會逐漸轉(zhuǎn)化成相對穩(wěn)定的Ca8-P、Fe-P和Al-P。

表2 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of different treatments on soil physical and chemical properties

2.2.2 對土壤有機磷的影響

由表4可知，隨著培養(yǎng)時間的增加，3個試驗組的活性有機磷（LOP）和中等活性有機磷（MLOP）含量均有一定增加，而高穩(wěn)定性有機磷（HROP）有一定減少。與起始時間相比，培養(yǎng)60 d 后，土壤組、土壤+KMg-BC 組和土壤+KMg-BC/P 組中的 LOP 分別增加了 33.27%、24.40% 和 56.06%，MLOP 分別增加了114.55%、136.60% 和 207.05%，HROP 分別減少了29.60%、43.41%和51.01%。這是由于植物中的磷主要以酯類或焦磷酸鹽等有機形態(tài)存在，而這些形態(tài)的磷素是LOP的主要組分，在低溫熱解炭化過程中植物體內(nèi)的磷素形態(tài)不易發(fā)生變化，因此添加KMg-BC 和KMg-BC/P 可直接提高土壤中 LOP 含量；KMg-BC 和KMg-BC/P 中含有豐富的鈣、鎂元素，其在土壤中以鹽基離子的形態(tài)存在，它們會與腐植酸絡(luò)合進而促進MLOP 的積累[21]。此外隨著培養(yǎng)時間的增加，土壤微生物數(shù)量增加、大豆根系生長以及磷酸酶活性增強，礦化作用加強，進而將穩(wěn)定的HROP 轉(zhuǎn)化為活性更高的LOP 和MLOP[23-24]，以供大豆幼苗和微生物生長所需。加入KMg-BC/P 后，土壤中LOP 和MLOP 的含量大于其他兩組，這可能是因為KMg-BC/P 本身含有的大量無機磷可以部分轉(zhuǎn)化為LOP 和MLOP[25]。加入KMg-BC 和 KMg-BC/P 后的土壤 HROP 減少量大于未添加材料的土壤，這主要是由于KMg-BC和KMg-BC/P能促進微生物和植物根系的生長從而加強對HROP的礦化作用。在培養(yǎng)時間內(nèi)，土壤組和土壤+KMg-BC組的中穩(wěn)定性有機磷（MROP）含量呈減少趨勢，這可能是因為兩對照組中土壤微生物和大豆根系的礦化作用會使MROP 不斷轉(zhuǎn)化為活性較強的有機磷[21]。而土壤+KMg-BC/P 組MROP 含量逐漸增加，主要是由于添加KMg-BC/P 的土壤中無機磷轉(zhuǎn)化成MROP的速率大于土壤微生物和大豆根系對MROP 的礦化作用，從而造成MROP的累積。

表3 各處理土壤不同形態(tài)無機磷含量（mg·kg-1）Table 3 Variation of inorganic phosphorus content in different treatments（mg·kg-1）

表4 各處理土壤不同形態(tài)有機磷含量（mg·kg-1）Table 4 Variation of soil organic phosphorus fraction contents in each treatment（mg·kg-1）

2.3 KMg-BC/P對土壤酶活性的影響

土壤堿性磷酸酶活性的強弱一定程度上反應(yīng)了土壤磷素狀況的好壞[26]。如圖1 所示，KMg-BC/P 的加入可有效提高土壤堿性磷酸酶活性。3 個試驗組中堿性磷酸酶活性隨著培養(yǎng)時間的增加而不斷增強，主要是因為隨著培養(yǎng)時間的增加，土壤微生物和大豆根系不斷生長，進而產(chǎn)生了大量的堿性磷酸酶[24]。土壤+KMg-BC/P和土壤+KMg-BC組堿性磷酸酶活性顯著強于土壤組，這可能是由于KMg-BC 和KMg-BC/P施入土壤進一步改善了土壤微生物生存環(huán)境，提高了土壤微生物數(shù)量，從而使得堿性磷酸酶的活性不斷增加[27-29]。

2.4 KMg-BC/P對土壤微生物的影響

如圖2 所示，培養(yǎng)60 d 后3 個試驗組土壤中細菌和真菌數(shù)量有一定變化。與土壤組相比，土壤+KMg-BC/P 和土壤+KMg-BC 組中細菌分別增加了6.93%和13.47%；對真菌而言，土壤+KMg-BC/P 組減少了8.41%，土壤+KMg-BC 組增加了5.07%。結(jié)果表明，加入KMg-BC 能同時促進土壤中細菌和真菌的生長繁殖；而加入KMg-BC/P 雖能促進土壤細菌的生長繁殖，但卻會抑制真菌的生長繁殖，這主要是因為KMg-BC/P 本身堿性略強，加入土壤后將土壤pH 調(diào)節(jié)成了弱堿性，在一定程度上抑制了真菌的生長繁殖，從而使土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)向以細菌為主的方向轉(zhuǎn)變[30]。培養(yǎng)60 d 后3 個試驗組土壤細菌的群落組成及物種豐度如圖3所示。3個試驗組中細菌以放線菌、變形菌、綠彎菌、酸桿菌為主，其他細菌所占比例較少，即3 個試驗組細菌種類沒有明顯變化。但結(jié)合土壤中各種細菌豐度分析發(fā)現(xiàn)，加入KMg-BC 后各細菌所占比例未發(fā)生明顯變化，而加入KMg-BC/P 后放線菌的豐度明顯增大，主要是由于KMg-BC/P 提供了大量的無機養(yǎng)分，促進了放線菌的生長繁殖[31]。培養(yǎng)60 d 后3 個試驗組土壤中真菌的群落組成及物種豐度如圖4所示。3個試驗組中，真菌以子囊菌為主，其他真菌所占比例較少，這可能是因為子囊菌門中部分真菌能促進大豆根系生長[32]；3 個試驗組真菌多樣性差別較大，加入KMg-BC 后真菌的數(shù)量和部分真菌（擔子菌、毛霉菌等）的豐度增加，主要是由于生物炭能促進真菌的生長繁殖[31]；加入KMg-BC/P 后土壤中真菌的多樣性和除子囊菌外其他種類真菌豐度降低，這可能是因為KMg-BC/P 改良土壤后的弱堿性土壤環(huán)境不適合除子囊菌外其他真菌的生長。

2.5 KMg-BC/P對大豆生長的影響

表5 不同處理對大豆生長的影響Table 5 Effects of different treatments on soybean growth

不同試驗組中大豆的發(fā)芽率如圖5所示。3個試驗組每個盆栽均播種5 顆大豆種子，經(jīng)培育7 d 后觀察發(fā)現(xiàn)，土壤組、土壤+KMg-BC 組和土壤+KMg-BC/P組的平均發(fā)芽率分別為80.00%、93.33%和100.00%，表明KMg-BC 和KMg-BC/P 可有效促進大豆種子的發(fā)芽。由表5可知，3個試驗組中大豆的植株高度、根長、葉片數(shù)均隨著培養(yǎng)時間的增加而不斷增加，培養(yǎng)60 d 后不同處理中以KMg-BC/P 處理組大豆的生長狀況最佳，與土壤組相比，株高增加9.41%、根長增加29.69%、葉片數(shù)增加57.14%、徑粗增加17.39%、鮮質(zhì)量增加41.93%；與土壤+KMg-BC 組相比，株高增加11.32%、根長增加8.34%、葉片數(shù)增加46.67%、徑粗增加3.85%、鮮質(zhì)量增加14.08%。由此可見，KMg-BC/P的加入可有效促進大豆的生長，這主要是由于KMg-BC/P 上吸附了廢水中大量的磷元素，將其施入土壤顯著提高了土壤中Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 等活性較強的無機磷含量，同時KMg-BC/P 還促進了高穩(wěn)定有機磷和中穩(wěn)定有機磷轉(zhuǎn)化為活性有機磷和中活性有機磷，從而增加了土壤中可被作物直接利用的營養(yǎng)元素的含量。此外KMg-BC/P 還具有很大的內(nèi)表面積，為養(yǎng)分吸附、保持水分和微生物群落生存提供了較大空間，從而改善了土壤理化性狀和微生物群落、土壤酶活性等環(huán)境條件，促進了作物的生長[33]。

3 結(jié)論

（1）KMg-BC/P 改良土壤能提高土壤的pH 值、有機質(zhì)含量、陽離子交換量、有效磷含量、總磷含量、磷素的釋放量以及持水性能；同時顯著增加土壤中高效磷源和緩效磷源的含量，提高土壤堿性磷酸酶活性，促進無機磷和低活性有機磷向高活性有機磷轉(zhuǎn)化；此外，其還能促進土壤中細菌的生長繁殖，降低真菌的多樣性，使土壤微生物群落向以細菌為主的方向轉(zhuǎn)變。

（2）在盆栽試驗中，用KMg-BC/P 改良過的土壤種植大豆能顯著促進大豆的生長，使大豆的發(fā)芽率、植株高度、根長、葉片數(shù)量、大豆植株鮮質(zhì)量和莖粗均優(yōu)于對照組。因此，KMg-BC/P 具有作為土壤改良劑的潛力。