鐵改性生物炭制備及其對(duì)磷的吸附和有效性

關(guān)鍵詞： 鐵改性生物炭；矮牽牛；土壤磷； 磷吸附；磷解吸

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，同時(shí)也是水體富營養(yǎng)化的主要影響因素之一。

在園林綠化管理中，為了確保植物景觀效果，往往會(huì)施加大量含磷復(fù)合肥，而能被植物吸收的磷元素僅占5%～30%[1?2]。盈余的磷則通過地表徑流、滲漏等方式流失到水環(huán)境中[3]，極易對(duì)脆弱的城市景觀水體造成污染。因此，如何有效減少磷對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響成為防止環(huán)境惡化的關(guān)鍵。

生物炭以其較大的比表面積、較高的離子交換量以及豐富的化學(xué)官能團(tuán)而備受關(guān)注[4?5]。通過物理化學(xué)吸附和解吸過程，生物炭能夠改變磷的循環(huán)和有效性[6]。然而，普通生物炭對(duì)磷的吸附能力很大程度上受自身理化性質(zhì)的影響，吸附容量相對(duì)較低[7]，而且不同類型的生物炭表現(xiàn)出較大差異。前人研究表明，水稻秸稈炭對(duì)土壤磷的吸附有一定的提升效果，并隨添加量的增加而增強(qiáng)，而核桃殼炭和木質(zhì)炭對(duì)土壤磷的吸附能力幾乎沒有影響，甚至可能將本身攜帶的磷釋放至溶液中[8]。相反，對(duì)生物炭進(jìn)行鐵改性可有效提升其對(duì)磷的吸附能力[ 9 ? 1 0 ]。前人以FeCl₃ 分別對(duì)毛藻生物炭[11]、小麥秸稈生物炭[12]、麻根生物炭[13]、污泥生物炭[14]、玉米秸稈生物炭[15]進(jìn)行改性，均顯著增強(qiáng)其對(duì)磷酸鹽的吸附能力。

以往的研究多集中在普通生物炭對(duì)磷的吸附和解吸性能，或鐵改性生物炭在廢水磷處理的應(yīng)用上[16?18]，但對(duì)鐵改性生物炭對(duì)土壤磷的吸附?解吸能力的影響以及其作為土壤固磷材料的研究報(bào)道相對(duì)較少。本研究探究常見3 種生物炭 （水稻秸稈炭、核桃殼炭、木質(zhì)炭） 改性后的理化性質(zhì)及其對(duì)土壤磷的吸附?解吸能力的影響，旨在探明其對(duì)土壤磷的固儲(chǔ)與緩釋能力，為園林土壤磷固儲(chǔ)及釋放、研制新型炭基緩釋肥料提供高性能材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試生物炭：核桃殼炭 （WSB，在限氧條件下400℃ 熱解2 h，廣東廣森炭業(yè)科技有限公司）、水稻秸稈炭 （RSB，在限氧條件下400℃ 熱解2 h，河南立澤環(huán)?？萍加邢薰荆?、木質(zhì)炭 （WB，在限氧條件下400℃ 熱解2 h，大連群芳園藝有限公司）。

供試土壤：園林綠地土壤采集于廣州市海珠濕地一期 （113°20′58′′E，23°4′58′′N） 的0—30 cm表層土壤，經(jīng)自然風(fēng)干后進(jìn)行粉碎，過1 . 0 m m篩備用。供試土壤pH 值、電導(dǎo)率 （EC）、有機(jī)質(zhì)含量分別為5.5、0.02 mS/cm、16.6 g/kg，土壤全氮、全磷、全鉀含量分別為1.03、0.53、33.31 g/kg，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為71.0、8.4、88.6 mg/kg。

供試植物： 矮牽牛幼苗 （穴盤苗） 的株高為（3.5±0.5） cm，冠幅為（8.3±0.7） cm。

1.2 鐵改性生物炭和富磷鐵改性生物炭的制備

鐵改性生物炭制備：取10 g 供試生物炭 （WSB、RSB、WB） 浸泡于100 mL HCl （1 mol/L） 中1 h，加入蒸餾水過濾直至濾液呈中性，將生物炭在烘箱中75℃ 烘干，將烘干的生物炭加入到1 mol/L 的FeCl₃溶液中 （鐵與生物炭的質(zhì)量比分別為0.28、0.56、0.84），磁力攪拌器攪拌1 h，隨后靜置18 h。過濾、烘干后移入瓷坩堝置于300℃ 馬弗爐中煅燒2 h，即得到鐵改性生物炭[9]，分別記為WSB-0.28、WSB-0.56、WSB-0.84、RSB-0.28、RSB-0.56、RSB-0.84、WB-0.28、WB-0.56、WB-0.84。

富磷鐵改性核桃殼炭 （WSB-0.28+P） 的制備：在5 g WSB-0.28 中加入25 mL KH₂PO₄ 溶液 （263 mg/L），在25℃ 下以200 r/min 的轉(zhuǎn)速恒溫振蕩24 h 后，經(jīng)4000 r/min 離心3 min，過濾后，于80℃ 烘干制得。

1.3 試驗(yàn)方法

吸附試驗(yàn)：準(zhǔn)確稱取供試土壤1.25 g 置于50 mL的離心管中，分別按照2%、4%、6% （w/w） 比例添加制備的鐵改性生物炭，混合均勻，以添加未改性生物炭的處理為對(duì)照 （CK），每個(gè)處理3 次重復(fù)。隨后，向各處理中分別加入25 mL KH₂PO₄ 溶液 （含磷量為60 mg/L，濃度選擇參考代銀分等[18]），分別在25℃ 下以200 r/min 的轉(zhuǎn)速振蕩24 h 后，經(jīng)4000 r/min離心3 min 后過濾，測(cè)定上清液磷濃度，計(jì)算磷的吸附量[18]。

解吸試驗(yàn)：吸附試驗(yàn)傾出上清液后，用25 mL飽和NaCl 溶液加入到殘余土樣，充分?jǐn)嚢柰翗又镣耆鶆颍?000 r/min 離心3 min，傾出上清液，重復(fù)操作1 次以洗去游離的KH₂PO₄，然后加入25 mL0.01 mol/L 的KCl 溶液，在25℃ 下以200 r/min 轉(zhuǎn)速振蕩平衡24 h，經(jīng)4000 r/min 離心3 min、過濾，測(cè)定上清液中磷濃度，計(jì)算磷的解吸量[19]。

盆栽試驗(yàn)：試驗(yàn)于2022 年8—9 月在廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院科研樓天臺(tái)進(jìn)行，培養(yǎng)周期為35 天。將矮牽牛幼苗移栽至裝有0.3 kg （干重） 蛭石和陶粒的種植盆中，其中蛭石∶陶粒質(zhì)量比=3∶1。每盆種植1 株，每周施加25 mL 缺磷的霍格蘭氏營養(yǎng)液，每隔1 天澆水25 mL。以穴施的方式分別將WSB-0.28 （T1）、WSB-0.28+P （T2） 施于矮牽牛幼苗的根系周圍，每次3 g，施用兩次 （總添加量為2%），每次間隔7 天（圖1）。以不施加生物炭的處理為對(duì)照組 （CK），每個(gè)處理重復(fù)10盆。第35 天時(shí)測(cè)量矮牽牛幼苗的株高、冠幅、SPAD、葉量、花量等生長指標(biāo)，并對(duì)矮牽牛進(jìn)行破壞性采樣，將其分成地上和地下兩部分，用自來水徹底清洗干凈后轉(zhuǎn)入烘箱烘干至恒重，測(cè)定其地上、地下部分的干重。

1.4 理化特性測(cè)定方法

1.4.1 生物炭表征 采用高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 （SEM，Merlin，Zeiss，德國） 觀察生物炭表面形貌；采用能譜儀 （X-MaxN20 雙探測(cè)器系統(tǒng)，牛津儀器公司，英國） 測(cè)定生物炭表面某點(diǎn)位的元素組成；采用紅外光譜儀 （FTIR，VERTEX 33，Buker，德國） 測(cè)定生物炭的表面官能團(tuán)[20]；采用X 射線衍射儀 （ XRD，X'Pert PRO MRD，PANalytical，荷蘭） 測(cè)定生物炭樣品的晶體結(jié)構(gòu)[13]；采用全自動(dòng)比表面積及孔徑測(cè)試儀（ BET，ASAP 2460/2020，麥克，美國）測(cè)定生物炭樣品的比表面積；采用元素分析儀 （VarioEL cube，Elementar，德國） 測(cè)定生物炭中C、H、N、S 元素的含量[20]。

1.4.2 吸附解吸試驗(yàn)水溶液中磷的測(cè)定 參考《水質(zhì)總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》（GB 11893-89），采用鉬酸銨分光光度法檢測(cè)。

1.4.3 矮牽牛生長指標(biāo) 株高和冠幅用直尺進(jìn)行測(cè)定，葉片相對(duì)葉綠素含量 （SPAD） 使用便攜式葉綠素?zé)晒夥治鰞x[SPAD-502 Plus CHLOROPHYLL METER，Konica Minolta （China） Investment Co.，Ltd.，Shanghai]進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

參考彭啟超等[21]、田雪等[22]方法計(jì)算土壤中磷的吸附量、解吸量及解吸率。

式中，Q₂為平衡時(shí)土壤中磷的解吸量 （μg/g），C為解吸平衡液中磷的濃度 （μg/mL），V 為平衡液體積（mL），m 為土壤質(zhì)量 （g）。

解吸率=土壤中磷的解吸量/吸附量×100%。

利用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)初步分析和繪圖，采用IBMSPSS Statistics 20.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不同處理的磷含量進(jìn)行單因素方差分析，并采用Duncan 法進(jìn)行兩兩比較。采用jade 6.0 分析XRD 數(shù)據(jù)，并采用Origin 2018 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵改性生物炭的表征

2.1.1 改性生物炭的形貌分析 掃描電鏡結(jié)果顯示，WSB、RSB 和WB 在改性前形貌特征差異明顯，WSB 具有較多細(xì)小的微孔，RSB 和WB 孔道排列均勻且孔徑較大，其中WB 的孔徑更小（圖2）。所有改性生物炭表面形態(tài)較改性前均發(fā)生明顯變化，除RSB-0.56、RSB-0.84 外，其他改性生物炭表面均勻形成了一層顆粒結(jié)構(gòu)，說明鐵元素成功負(fù)載到了這些生物炭表面。相比于其他材料處理生物炭，鐵改性WB 表面顆粒更加均勻、密集，其中WB-0.84最為致密。特別的，鐵改性WSB 表面形成了大顆粒的物質(zhì)。

能譜儀分析結(jié)果 （表1） 顯示，相對(duì)于未改性生物炭，3 種鐵改性生物炭的碳質(zhì)量百分比均大幅下降（21%～60%），O 和Fe 的質(zhì)量百分比多上升 （?14%～171%），說明改性生物炭負(fù)載了鐵的氧化物和羥基氧化物[9]。

2.1.2 鐵改性對(duì)比表面積的影響 比表面積測(cè)定結(jié)果顯示，改性前，WSB的比表面積最大 （26.7 m²/g），孔徑最小 （1.9 nm）；RSB的比表面積 （13.4 m²/g）次之，但是平均孔徑最大（13.3 nm）；WB 比表面積最?。?.5 m²/g） （表1），與掃描電鏡表征結(jié)果一致。

在改性后，WSB 比表面積變小平均孔徑變大，結(jié)合掃描電鏡表征中鐵改性WSB 表面和孔隙被大量顆粒狀物質(zhì)覆蓋，推測(cè)是因?yàn)檫^量的鐵堵塞孔隙，導(dǎo)致比表面積急劇減小[ 2 3 ]。而RSB 和WB 在改性后， 比表面積增大， 可能是鹽酸預(yù)處理去除了RSB 和WB 含有的部分雜質(zhì)和灰分，使得RSB 和WB 產(chǎn)生了大量孔道，進(jìn)而大幅提高了生物炭的比表面積[24]。

2.1.3 鐵改性對(duì)生物炭元素含量的影響 元素分析結(jié)果表明，較改性前，改性后3 種生物炭的碳含量顯著降低了11%～53%，C/N 均降低；WSB 和WB的H 含量分別顯著降低了27%～45%、38%～60%（表2）。研究指出，土壤C/N 過大，會(huì)減慢微生物的分解礦化作用，還會(huì)消耗土壤有效N 素，因此施入土壤的材料需要考慮合適的C/N，一般認(rèn)為最適合的C/N 為25∶1[25]。雖然改性后生物炭C/N 均有所降低，但多數(shù)鐵改性生物炭的C/N 仍大于25，這意味著過量施加鐵改性生物炭依然可能會(huì)降低土壤N 的有效性，影響作物的氮素營養(yǎng)。H/C 代表了生物炭的芳香性，比值越小表示芳香性越強(qiáng)，生物炭結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[26]。檢測(cè)結(jié)果表明，鐵改性WSB 的H/C 值最小，說明鐵改性WSB 的芳香性最強(qiáng)，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

2.1.4 鐵改性對(duì)生物炭功能鍵數(shù)量的影響 FTIR分析結(jié)果表明，3 種生物炭在鐵改性后羥基 （3000～3665 cm^?1）、芳香碳上的C＝C、C＝O （1627 cm^?1） 和Si_―O_―Si （466 cm^?1） 振動(dòng)峰強(qiáng)度均顯著增加（圖3）。WSB-0.28 表面羥基和C＝C 雙鍵數(shù)量顯著高于WSB-0.56 和WSB-0.84，可能是因?yàn)樵诟男赃^程中，WSB表面形成了大量的羥基和C＝C 雙鍵，由于鐵炭比為0.28 時(shí)的溶液中鐵離子總量少，溶液體系氧化性較弱，對(duì)WSB 表面的羥基和C＝C 雙鍵的破壞較小，所以最終形成的WSB-0.28 表面官能團(tuán)更豐富。此外，在592 cm^?1 位置出現(xiàn)了新峰，此處對(duì)應(yīng)于Fe_―O的伸縮振動(dòng)[27] （圖3a），進(jìn)一步說明鐵的氧化物成功負(fù)載在生物炭表面。在鐵改性WSB中，WSB-0.84的Fe_―O 振動(dòng)峰強(qiáng)度略高于WSB-0.28 和WSB-0.56。在鐵改性RSB 中，RSB-0.28、RSB-0.56 和RSB-0.84 的Fe_―O 振動(dòng)峰強(qiáng)度大致相當(dāng)，且明顯弱于其他兩種生物炭，說明鐵改性RSB 表面附著的鐵氧化物更少（圖3b），與掃描電鏡表征結(jié)果一致。在鐵改性WB 中，WB-0.28 的Fe_―O 振動(dòng)峰強(qiáng)度明顯高于WB-0.56 和WB-0.84 （圖3c），與掃描電鏡表征結(jié)果不同，可能是由于有一定的鐵元素附著在WB-0.28孔隙中。

2.1.5 鐵改性對(duì)生物炭負(fù)載物形態(tài)的影響 對(duì)鐵改性前后生物炭進(jìn)行XRD 分析以確定其所負(fù)載物質(zhì)的形態(tài)（圖4）。通過在jade6.0 進(jìn)行物相檢索，所有鐵改性生物炭表面活性組分主要以Fe₂O₃ （PDF#89-0597） 形式存在，進(jìn)一步確定了FTIR 表征中鐵氧化物的形態(tài)。具體而言，在鐵改性WSB 中，WSB-0.56和WSB-0.84 的Fe₂O₃ 衍射峰強(qiáng)度相當(dāng)，且略高于WSB-0.28。在鐵改性RSB 中，RSB-0.56 和RSB-0.84 的Fe₂O₃ 衍射峰強(qiáng)度遠(yuǎn)低于RSB-0.28，說明RSB-0.56 和RSB-0.84 中的Fe₂O₃ 更少，與SEM 和FTIR 表征結(jié)果一致。在鐵改性WB 中，WB-0.28 的Fe₂O₃ 衍射峰強(qiáng)度略高于WB-0.56 和WB-0.84，與FTIR 表征結(jié)果一致而與SEM 表征結(jié)果不同，進(jìn)一步證實(shí)可能有一定的Fe₂O₃ 附著在WB-0.28 孔隙中。

2.2 鐵改性生物炭對(duì)土壤磷吸附解吸特性的影響

添加鐵改性WSB 處理土壤對(duì)磷的吸收量為309～933 μg/g，是未改性WSB 處理 （99～121 μg/g） 的3.3～9.9 倍（圖5），說明鐵改性WSB 顯著提高了土壤對(duì)磷的吸附能力。在相同生物炭添加量下，WSB-0.28 處理土壤對(duì)磷的吸收量顯著高于WSB-0.56 和WSB-0.84 處理 （Plt;0.05）。當(dāng)生物炭添加量由2% 增加到4% 時(shí)，WSB-0.28 和WSB-0.56 處理土壤對(duì)磷的吸附量分別增加了108、122 μg/g，但添加量增加至6% 時(shí)，土壤對(duì)磷的吸附量再無顯著提升 （Pgt;0.05）；而WSB-0.84 處理土壤對(duì)磷的吸附量隨著生物炭添加量的增加而顯著增加 （Plt;0.05）。在解吸方面，鐵改性WSB 處理土壤對(duì)磷的解吸量為40～71 μg/g，是WSB 處理的1.5～2.9 倍；在相同生物炭添加量下，WSB-0.28 處理土壤對(duì)磷的解吸量均顯著低于WSB-0.56 和WSB-0.84 處理 （Plt;0.05）。鐵改性WSB 處理土壤磷的解吸率為5%～18%，是WSB 處理的10%～44%，其中WSB-0.28 處理土壤對(duì)磷的解吸率最低（5%），低于WSB-0.56 （12%～18%） 和WSB-0.84 處理 （10%～15%），僅添加量為6% 的WSB-0.84 處理未達(dá)顯著水平（Pgt;0.05）。

由圖6 可以看出，所有RSB 處理土壤對(duì)磷的吸附量均隨著生物炭添加量的增加而顯著增加 （Plt;0.05）。鐵改性RSB 處理土壤對(duì)磷的吸附量為435～1168 μg/g，是未改性RSB 處理（112～271 μg/g） 的3.1～6.1 倍（圖6），說明鐵改性RSB 顯著提高了土壤對(duì)磷的吸附能力。在相同生物炭添加量下，RSB-0.56處理土壤對(duì)磷的吸附量顯著高于RSB-0.28 和RSB-0.84 處理 （Plt;0.05），顯示了最高的磷吸附能力。生物炭添加比例為2% 和4% 時(shí)，鐵改性與未改性RSB處理土壤對(duì)磷的解吸量沒有顯著差異。生物炭添加量為6% 時(shí)，未改性RSB 處理土壤磷的解吸量顯著高于3 個(gè)改性RSB 處理，其中，RSB-0.28 比RSB-0.56 處理顯著高，且顯著高于RSB-0.84 處理，RSB-0.84 處理也顯著高于RSB-0.56 處理。鐵改性RSB處理組土壤解吸率為2%～10%，是RSB 處理組（32%～43%） 的4%～31%，其中添加量為6% 的RSB-0.56 處理組最低 （僅為2%）。

鐵改性WB 處理土壤對(duì)磷的吸附量為385～1000μg/g，是未改性WB處理 （49～128μg/g） 的6～11倍，說明鐵改性WB顯著提高了土壤對(duì)磷的吸附能力。在相同生物炭添加量下，WB-0.56 處理土壤對(duì)磷的吸附量顯著高于WB-0.28 和WB-0.84 處理（圖7，Plt;0.05）。所有鐵改性WB 處理土壤對(duì)磷的吸附量均隨著生物炭添加量的增加而顯著增加 （Plt;0.05）。在解吸方面，鐵改性WB 處理土壤對(duì)磷的解吸量為69～93 μg/g，是WB 處理 （39～50 μg/g） 的1.6～2.0 倍。在相同生物炭添加量下，WB-0.84 處理土壤對(duì)磷的解吸量均高于WB-0.28 和WB-0.56 處理，僅6% 添加量的效果達(dá)顯著水平 （Plt;0.05）。而鐵改性WB 處理土壤解吸率為8%～19%，是WB 處理（68%～93%） 的8%～29%，其中6% WB-0.56 處理土壤對(duì)磷的解吸率最低。

在3個(gè)添加比例下，RSB 對(duì)磷的吸附量和解吸量都高于WSB 和WB，其中吸附量差異均達(dá)顯著水平 （Plt;0.05）。在鐵炭比為0.28 時(shí)，3個(gè)添加比例下的WSB對(duì)磷的吸附量均顯著高于RSB 和WB，對(duì)磷的解吸量除添加比例為2% 外，均低于RSB 和WB（Plt;0.05）。在鐵炭比為0.56 和0.84 時(shí)，在3 個(gè)添加比例下RSB 對(duì)磷的吸附量均顯著高于WSB 和WB，而解吸率均低于WSB 和WB （Plt;0.05）。

綜上所述，在鐵炭比為0.56 和0.84 時(shí)，鐵改性RSB 處理的土壤對(duì)磷的吸附能力最強(qiáng)，且與添加量呈正相關(guān)關(guān)系，鐵改性WB 次之。而鐵改性WB 處理土壤對(duì)磷的解吸量和解吸率高于其他生物炭。特別的，WSB-0.28 處理土壤對(duì)磷的吸附能力顯著優(yōu)于WSB-0.56 處理和WSB-0.84 處理。

2.3 富磷鐵改性生物炭對(duì)矮牽牛幼苗生長的影響

吸附解吸試驗(yàn)證明，鐵改性生物炭在吸附一定的磷后，能夠釋放出一部分磷，但是解吸率偏低，特別是WSB-0.28 處理。為初步探索其是否能在實(shí)際應(yīng)用中釋放出磷供植物生長，將WSB-0.28 進(jìn)行富磷處理，添加至栽培基質(zhì)中，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。在生長35 天后 （表3），與不施生物炭組相比，添加WSB-0.28 處理 （T1） 的矮牽牛在株高、葉片數(shù)、花數(shù)及葉干重分別增長了8%、8%、12%、11%，說明添加WSB-0.28 對(duì)矮牽牛生長有一定的促進(jìn)作用。與T1 相比，WSB-0.28+P 處理 （T2） 的矮牽牛株高、冠幅、葉片數(shù)、花數(shù)、葉干重、根干重分別增長9%、36%、64%、91%、156%、146%，同時(shí)矮牽牛葉片的相對(duì)葉綠素含量明顯提高，表明T2 處理矮牽牛的生長勢(shì)較優(yōu)的主要原因可能與WSB-0.28+P 中釋放的磷有關(guān)。

3 討論

3.1 鐵改性對(duì)3種生物炭理化性質(zhì)的影響

鐵改性對(duì)3種生物炭的理化性質(zhì)影響顯著。在鹽酸預(yù)處理作用下，生物炭表面基團(tuán)容易質(zhì)子化，從而增加了生物炭的正吸附位，提高了生物炭對(duì)磷的吸附能力[28]。此外，鐵改性后，鐵被成功加載到生物炭表面和孔隙結(jié)構(gòu)中，形成了一層薄薄的氧化鐵層，使得生物炭的表面變得粗糙，從而增加生物炭上的吸附位點(diǎn)，提高離子交換能力[29?31]。

3.2 3種生物炭改性前后對(duì)土壤磷吸附量的影響

生物炭對(duì)磷酸根的吸附主要受物理化學(xué)作用的影響。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)為磷酸根離子提供了吸附位點(diǎn)，使得磷酸根離子能夠在生物炭表面發(fā)生物理沉淀。同時(shí)，生物炭表面的官能團(tuán)也可與磷酸根離子間通過氫鍵、配位基交換等化學(xué)作用產(chǎn)生吸附[7]。本研究中，添加RSB 的土壤對(duì)磷的吸附有一定的提升效果，并且這一效果隨添加量的增加而逐漸增強(qiáng)。相反，添加WSB 和WB 的土壤對(duì)磷的吸附能力幾乎沒有影響，與羅元等[32]、連神海等[8]研究結(jié)果一致。這可能與RSB 理化性質(zhì)有關(guān)，其表面粗糙多孔，比表面積較大[ 8 ]，而WSB和WB表面孔隙較少，比表面積較小[33]。因此，對(duì)于不同材質(zhì)的生物炭，需要進(jìn)一步深入探究其本身特性。

大量研究表明，鐵改性顯著提升了生物炭對(duì)磷的吸附能力。在吳超等[11]的研究中，經(jīng)過FeCl₃ 改性的毛藻生物炭在添加量為10g/L 時(shí)，其對(duì)磷酸鹽的單位吸附量可達(dá)18.09 mg/g。該研究指出，改性后的生物炭表面微孔結(jié)構(gòu)和Fe—O 等多種官能團(tuán)是其對(duì)磷酸鹽吸附的主要原因。類似地，蔣旭濤[ 12 ]通過FeCl₃ 改性小麥秸稈生物炭，其對(duì)磷酸鹽的單位吸附量可達(dá)10.1 mg/g，相較于改性前增加了19.4 倍。改性后主要是化學(xué)吸附，進(jìn)一步增加了其吸附容量。王娜娜等[13]以FeCl₃ 對(duì)麻根生物炭進(jìn)行改性后，生物炭對(duì)磷酸鹽最大吸附容量達(dá)到6.9 mg/kg。該研究發(fā)現(xiàn)，改性后生物炭表面增加了更多的吸附位點(diǎn)，并與FeOOH 之間形成的氫鍵是磷酸鹽吸附能力提升的關(guān)鍵因素。本研究結(jié)果表明，添加鐵改性生物炭能夠顯著提升土壤對(duì)磷的吸附能力，同時(shí)顯著降低解吸率，這使添加鐵改性生物炭的土壤具有更好的調(diào)控磷的能力。值得注意的是，在低添加量時(shí)，WSB-0.28 處理表現(xiàn)出對(duì)磷的最強(qiáng)吸附能力。在本研究中，結(jié)合表征分析結(jié)果，可以推測(cè)鐵改性生物炭對(duì)磷酸鹽吸附能力的提升主要源于其表面負(fù)載了Fe₂O₃，改善了生物炭表面性能，增加了活性吸附點(diǎn)位，從而增強(qiáng)吸附能力，這與李廣柱等[10]、魏存等[23]的研究結(jié)果一致。

3.3 富磷鐵改性核桃殼炭對(duì)矮牽牛生長的影響

改性后的生物炭顯著提高了對(duì)磷的吸附能力，這些改性生物炭一旦施加到土壤中，便能夠有效吸附大量磷元素，從而減少了園林綠地養(yǎng)護(hù)中磷肥的流失[34]。尤其是富磷的改性生物炭，更可作為一種緩釋肥料，有助于提高土壤中磷供給。目前，關(guān)于改性生物炭作為磷肥的研究相對(duì)有限，而已有的研究主要集中于鎂改性方面，對(duì)于鐵改性的報(bào)道相對(duì)較少[35]。Wan 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，載磷改性生物炭復(fù)合材料可促進(jìn)生菜幼苗的生長。同樣，載磷的鎂改性生物炭也可顯著促進(jìn)黑麥草6 號(hào)幼苗的生長[36]。本研究通過試驗(yàn)證明了富磷鐵改性生物炭對(duì)植物的生長同樣具有顯著的促進(jìn)作用，為其作為緩釋肥料、增強(qiáng)土壤肥力的理論基礎(chǔ)提供了支持。

4 結(jié)論

鐵改性方法有效提高了生物炭中功能團(tuán)的數(shù)量，增加吸附位點(diǎn)，進(jìn)而提升了其對(duì)磷的吸附和固儲(chǔ)能力。鐵改性生物炭施入土壤后，顯著提升了土壤對(duì)磷的吸附能力，增強(qiáng)土壤固磷作用，提高土壤磷供給，促進(jìn)植物生長。核桃殼、水稻秸稈、木質(zhì)生物炭鐵改性的最佳鐵/生物炭比為0.28、0.56、0.56。