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(xué)院，四川 成都 610041；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)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(dòng)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(kuò)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(kuò)大而導(dǎo)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(dǎo)致剩余部分的氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素通過地表徑流、土壤滲濾進(jìn)入河流、湖泊等水域，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化和地下水受到污染。大量的氮肥使用還會(huì)加快土壤中有機(jī)碳的消耗，降低有機(jī)質(zhì)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(dǎo)致了土壤環(huán)境的破壞，造成土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)、酸化，降低了土壤質(zhì)量，損害土壤的生產(chǎn)功能、自凈功能、調(diào)節(jié)功能等[3]，間接影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，保護(hù)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(shù)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(shù)、秸稈還田和土壤改良技術(shù)等[4-6]。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)一種新興的功能材料—生物質(zhì)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(zhì)炭具有非常豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和大量的表面含氧基團(tuán)，使得其具有強(qiáng)大的吸附能力和離子交換能力，在增加土壤碳庫儲(chǔ)量、改善土壤質(zhì)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(yīng)正受到越來越多的關(guān)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(duì)氮、磷的吸附速率常數(shù)增大，對(duì)氮、磷的飽和吸附量增加，從而增強(qiáng)了暗棕壤對(duì)氮、磷的固定能力[10]。另一方面，生物質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)炭的制備原料、實(shí)驗(yàn)土壤、施用量和實(shí)驗(yàn)方法等因素差異的影響，研究結(jié)果不盡相同。有研究者發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的不合理利用還可能帶來環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，加上生物炭施用的不可逆性，所以，在土壤中大量、長(zhǎng)期的施用生物炭前還需進(jìn)行進(jìn)一步的探究，確保生物炭的環(huán)境效應(yīng)[13]。

另外，生物質(zhì)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(jī)廢物都可以用來生產(chǎn)生物炭。我國農(nóng)作物質(zhì)秸稈資源豐富，秸稈年產(chǎn)量高達(dá)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(duì)秸稈進(jìn)行有效的處理及利用，對(duì)解決人類資源、環(huán)境和發(fā)展之間的關(guān)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(zhì)炭的環(huán)境效應(yīng)，因此，本研究以玉米秸稈為原料，在450℃下制備生物質(zhì)炭，并將其添加到土壤中，在實(shí)驗(yàn)室開展生物質(zhì)炭對(duì)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(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

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

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.1.2 試驗(yàn)生物質(zhì)炭 采自四川省成都市榿泉鎮(zhèn)的玉米秸稈，洗凈，自然風(fēng)干，用粉碎機(jī)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(jié)束，冷卻至室溫后取出，碾碎，過篩，儲(chǔ)存于塑料密封袋中備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 土柱淋溶實(shí)驗(yàn) 土柱分為5個(gè)處理：650g風(fēng)干土未添加生物炭，標(biāo)記為CK；4個(gè)各650g風(fēng)干土中生物炭添加量分別為1%、2%、3%和5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的處理，分別記為C1、C2、C3和C5；每個(gè)處理設(shè)2個(gè)重復(fù)。

土柱實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。模擬試驗(yàn)采用PVC 圓柱管作為淋濾土柱，高30cm，內(nèi)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(fù)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(gè)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(nèi)降水，每隔24h淋溶一次，每次降水150mL，共進(jìn)行6次淋溶，每次降雨強(qiáng)度為10mm/h且均在溫室下進(jìn)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(cè)定淋溶液的體積、pH、TN以及TP值。

1.2.2 樣品測(cè)定 ①土壤：基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》測(cè)定[14]。②生物炭：pH值，以炭與去離子水以1∶20的質(zhì)量比例浸提后采用酸度儀(PHSJ-3F型)測(cè)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(cè)定，以不放樣品時(shí)的KBr薄片作為背景。③淋溶液：pH值采用酸度計(jì)測(cè)定；TN的測(cè)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(cè)定；TP的測(cè)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(zhuǎn)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(jì))進(jìn)行測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果

2.1 生物炭基本理化性質(zhì)

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(tuán)，波數(shù)3436.09cm-1處出現(xiàn)酚羥基或醇羥基的伸縮振動(dòng)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(dòng)，波數(shù)1384.57cm-1處出現(xiàn)O—H和C—H彎曲振動(dòng)，波數(shù)1049.11cm-1處出現(xiàn)C—O的伸縮振動(dòng)吸收峰,波數(shù)472.69cm-1處出現(xiàn)C—C的伸縮振動(dòng)吸收峰。紅外光譜表明，在炭化后的玉米秸稈炭具芳香結(jié)構(gòu)，在生物或非生物作用下可形成羧基官能團(tuán)，對(duì)生物質(zhì)炭自身的陽離子交換量影響較大，施入土壤后在形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)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(biāo)

從表2可以看出，淋溶結(jié)束時(shí)，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(duì)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(duì)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(biāo)

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(duì)土壤淋溶液體積及pH值的影響

如圖3所示，結(jié)果表明，整個(gè)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(shì)，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(shí)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(gè)觀測(cè)期內(nèi)，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(duì)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(shí)，不同處理的淋溶液中TN濃度達(dá)到峰值，在第2次淋溶時(shí)各處理的TN濃度下降最明顯。在各個(gè)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)?？傮w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(duì)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(shì)，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(duì)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(shì)，說明生物炭能提高土壤持水能力，減少降雨時(shí)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(fēng)險(xiǎn)。生物炭疏松多孔，比表面積大，吸附較多的水分[15]。同時(shí)，生物炭施入土壤后，經(jīng)過微生物對(duì)其表面的促進(jìn)氧化，含氧官能團(tuán)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(duì)土壤中氮淋溶損失的影響

在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)期間，添加生物炭增大了淋溶液中TN濃度，與其他研究結(jié)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(jié)果不一致。受到土壤質(zhì)地的影響，加入生物炭對(duì)不同質(zhì)地土壤中可溶態(tài)養(yǎng)分的影響不同，添加生物炭促進(jìn)質(zhì)地較粗土壤的保肥能力，卻不利于質(zhì)地較為粘細(xì)土壤硝態(tài)氮養(yǎng)分的保持[20]。本次實(shí)驗(yàn)采用的土壤樣品粘性較強(qiáng)，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(huì)影響生物炭對(duì)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(dāng)施用量為10t·ha-1時(shí)促進(jìn)了氮的淋失[21]。惠錦卓等按照1%、2%、5%、10%的比例在淤灌土中添加生物炭進(jìn)行土柱淋溶實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(jī)氮含量升高，在未種植植物的條件下，有機(jī)氮除少部分可能會(huì)被土壤微生物礦化，大部分進(jìn)入土壤孔隙水中全部淋失，對(duì)淋濾液中總氮淋失量貢獻(xiàn)較大。

3.3 生物炭對(duì)土壤中磷淋溶損失的影響

在本試驗(yàn)中，生物炭促進(jìn)磷淋失的作用強(qiáng)于對(duì)磷的固持作用，導(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(duì)于同類型的生物質(zhì)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?yàn)樯锾康氖┯檬雇寥赖膒H值顯著升高，進(jìn)而提高了土壤中磷素的有效性及磷活化系數(shù)，促進(jìn)磷素的淋失[29-30]。

4 結(jié)論

(1)添加玉米生物炭后，與對(duì)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(huì)增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果僅是室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)得出，不能完全代表大田實(shí)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(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，所以生物炭的應(yīng)用效益還需進(jìn)一步研究。