不同pH條件下生物炭對不同土壤磷素淋失累積量的影響

＊邱宇輝 高良敏 張振 趙興蘭 張海強 慕明

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院 安徽 232001）

農(nóng)業(yè)面源污染是許多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國家面臨的主要問題之一[1-2]，我國有許多不同的農(nóng)田土壤類型，不同土壤類型和河流的基本理化性質(zhì)存在差異性[3-4]。梁駿等[5]研究發(fā)現(xiàn)當酸雨pH＞3.5時，土壤的鹽基量主要由土壤的pH制約，主要作用是緩沖。

磷（P）是作物發(fā)育所必需的元素之一，在作物產(chǎn)量和質(zhì)量中具有非常重要的作用[6]，同時磷也是水體富營養(yǎng)化的主要限制因子[7]。張永蘭等人[8]發(fā)現(xiàn)，0～20cm土層中無機磷的含量占土壤總磷的90%以上。經(jīng)過10年左右的長期施肥，菜地土壤無機磷的積累速率約為100mg/kg·a，土壤總磷含量增加約1000mg/kg。Goyette等人指出，從1901年到2011年，北美中部和圣勞倫斯河東部76個次級流域的凈人為磷輸入增加了3.1倍。由于磷肥的大量施用，在1991年達到峰值，各子流域之間的變化幅度很大。

近年來，農(nóng)業(yè)與環(huán)境領(lǐng)域的科學家廣泛關(guān)注生物炭增強土壤肥力方面的研究[9]。生物炭是一種黑碳（Black carbon）。它是一種高度芳香的富碳物質(zhì)。生物炭具有較高的孔隙度、堿度和有機碳含量，并且具有較強的吸收污染物和改善土壤結(jié)構(gòu)的能力，因此它被廣泛應用于土壤環(huán)境的恢復[10-11]。Brassard等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)在土壤中施用生物炭可以顯著改其土壤理化性質(zhì)，防止土壤肥力退化。研究人員采用室內(nèi)土柱模擬試驗，用草酸配制模擬酸雨，探究在酸雨條件下的生物炭對土壤pH和磷素動態(tài)變化的影響，旨在為生物炭提高土壤緩沖能力和降低磷素的淋失方面的研究提供參考。

1.材料與方法

(1)供試材料

土樣來源于淮河流域阜陽市S1（115°96′95″，32°61′44″）、六安市S2（116°2′1.84″，32°33″16.73″）、阜陽市S3（115°59′36″，32°33′35″），按照S形5點采樣法，土壤采樣器被用來收集土壤樣本。土壤樣品自下而上分層取樣。每層分為0～20cm、20～40cm和40～60cm共3個層面，剔除土壤樣品中的石粒、草根等雜質(zhì)。土壤基本的理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

生物炭取自淮河北岸懷遠縣水稻秸稈，水稻秸稈經(jīng)過馬弗爐400℃鍛燒2h，再經(jīng)過研磨后制得。通過SEM觀察可知生物炭的平均粒徑分布為5.66μm，最小值為1.39μm，最大值為16.76μm，中值為4.12μm，粒徑主要集中為2～6μm。

(2)試驗設計

①土柱裝填

將內(nèi)徑D為9cm、高為150cm的PVC管作為淋溶柱，樣品為三種不同地區(qū)的土樣，分別編號為S1、S2、S3。試驗分為4種處理方式，其處理方式以S1為例說明，見表2。厚度為5cm的紗布作為濾網(wǎng)放置于PVC管的底部，再放厚度為10cm的石英砂作為承托層，防止土壤顆粒流失；分別將CK組和BC組的土樣按原位土0～60cm劃分為三層，深度自下而上，每層土的質(zhì)量在2.5kg左右，每層厚度為20cm；最上層放厚度為10cm的石英砂，可以防止進水時對土柱淋溶的影響并且起到進水均勻的效果，使土柱整體更加穩(wěn)定。PVC管的管口用尼龍布蓋好，防止空氣中的物質(zhì)對該試驗的影響。

表2 土壤樣品處理方式及其編號

②淋溶試驗

近年來，淮河流域阜陽市和六安市的降雨量為1000～1200mm，試驗模擬兩年的最大降雨量，即2400mm?？鄢?0%地表徑流的降雨水后，剩余的雨水70%為下滲降雨量，通過換算每個淋濾柱的淋洗量為6L。試驗采用動態(tài)間隔淋洗模式，第一次先加1000mL的蒸餾水用于將土壤浸潤，配置pH=5和pH=7的草酸（H2C2O4）溶液作為模擬降雨溶液，之后每隔2～6天分別加500mL pH=5和pH=7的草酸溶液模擬持續(xù)降雨和間歇降雨，每次用1000mL的燒杯收集淋洗液。

2.結(jié)果與分析

(1)不同pH條件下的生物炭對三種土壤TP的影響

整體上加入生物炭的BC組中TP的質(zhì)量濃度大部分比未加生物炭的CK組中的低，前期兩次的累積淋失量均比后期的大，前期與中期累積淋失量，中期與后期累積淋失量均有顯著差異（p＜0.01），模擬降雨pH=5淋溶得到的溶液的TP質(zhì)量濃度比模擬降雨pH=7淋溶得到的溶液的高。這說明酸雨會破壞土壤，導致土壤中更多磷流失。S1中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的3.53倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的1.35倍；S2中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的1.95倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的1.96倍；S3中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的2.67倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的1.42倍。這說明了生物炭在土壤淋溶過程中對磷素的淋失有抑制效果，增強土壤的肥力。生物炭對三種土壤中總磷的影響，見圖1。

圖1 生物炭對三種土壤中總磷的影響

(2)不同pH條件下生物炭對不同土壤DTP的影響

整體上三種不同土壤中CK組的DTP累積淋失質(zhì)量濃度均比BC組的高，前期淋失累積量與中期，中期淋失累積量與后期，前期淋失累積量與后期均有顯著性差異（p＜0.01）。模擬降雨pH=5淋溶得到的溶液的DTP質(zhì)量濃度比模擬降雨pH=7淋溶得到的溶液的高，這就說明酸雨會破壞土壤，導致土壤中更多磷流失。S1中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的1.17倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的2.32倍；S2中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的1.41倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的3.45倍；S3中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的1.45倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的1.41倍。這說明了生物炭在土壤淋溶過程中對磷素的淋失有抑制效果，增強土壤的肥力。生物炭對三種不同土壤中溶解性總磷的影響，見圖2。

圖2 生物炭對三種不同土壤中溶解性總磷的影響

(3)不同pH條件下生物炭對不同土壤SRP的影響

整體上加入生物炭的BC組中SRP的質(zhì)量濃度大部分比未加生物炭的CK組中的低，前期兩次的累積淋失量均比后期的大，前期與中期累積淋失量，中期與后期累積淋失量均有顯著差異（p＜0.01），模擬降雨pH=5淋溶得到的溶液的TP質(zhì)量濃度比模擬降雨pH=7淋溶得到的溶液的高。這說明酸雨會破壞土壤，導致土壤中更多磷流失。S1中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的2.83倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的1.89倍；S2中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的1.68倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的1.54倍；S3中CK1中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC1的3.47倍，CK2中期的淋失累積質(zhì)量濃度為BC2的3.06倍。這說明了生物炭在土壤淋溶過程中對磷素的淋失有抑制效果，增強土壤的肥力。生物炭對三種不同土壤中溶解性活性磷的影響，見圖3。

圖3 生物炭對三種不同土壤中溶解性活性磷的影響

3.討論

土壤特性和磷肥施用灌水影響土壤磷素淋溶，研究土壤類型的不同磷肥品種磷素淋溶的特性，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的磷肥的有效利用及制訂相應的策略具有重要意義[14-17]。研究發(fā)現(xiàn)[18-19]，土壤磷素滲漏的遷移可能增大水體富營養(yǎng)化，土壤磷素流失的另一種形式是淋溶流失。

土壤中磷素的轉(zhuǎn)化是通過沉淀、解吸礦化和固定、溶解吸附來實現(xiàn)的[20]，生物炭具有許多官能團和超大的比表面積，土壤對磷元素的吸附能力的提高可以施入生物炭[21-22]，同時，酸性土壤中的pH可以施入生物炭得以改善。

4.結(jié)論

在pH=5和pH=7的條件下，三種不同土壤中模擬降雨pH=5淋溶得到的溶液的TP、DTP、SRP質(zhì)量濃度均比模擬降雨pH=7淋溶得到的溶液的質(zhì)量濃度高，說明酸雨會破壞土壤，導致土壤中更多的磷元素流失。

三種不同土壤的TP、DTP和SRP在不同pH條件下的影響程度是不同的，并且三種不同土壤CK組中TP、DTP和SRP的質(zhì)量濃度值均顯著高于BC組，這說明了采用生物炭混入土壤中能夠抑制土壤中磷元素的淋失，增強土壤保肥能力。