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(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

眾所周知，過量的磷排入自然水體會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化[1]。目前，對(duì)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(rèn)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(jī)物等物質(zhì)，若將其作為固體廢物進(jìn)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(duì)吸附除磷后的廢棄材料進(jìn)行妥善處理。

生物炭是植物或動(dòng)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(dá)、陽離子交換能力強(qiáng)、官能團(tuán)豐富[4]等特點(diǎn)。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(fù)電性且缺乏金屬陽離子，導(dǎo)致其對(duì)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(jìn)行資源化利用卻鮮有報(bào)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(yàn)，考察其對(duì)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(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)試劑

本試驗(yàn)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(yàn)土壤及植物

試驗(yàn)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(fēng)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(yàn)植物選用大豆，因其具有發(fā)芽快、養(yǎng)護(hù)簡單、對(duì)磷元素敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)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(zhǔn)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?jǐn)?shù)2.5%的KOH 溶液和100 mL 0.012 5 mol·L-1的 MgCl2溶液對(duì)其進(jìn)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?zé)? 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(yàn)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(yàn)

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(shí)研究KMg-BC/P 改良土壤后對(duì)土壤和植物的影響，一共設(shè)置3 個(gè)試驗(yàn)組，分別為土壤組（對(duì)照組）、土壤+KMg-BC 組、土壤+KMg-BC/P 組，每組設(shè)置4個(gè)樣盆，一個(gè)樣盆對(duì)應(yīng)一個(gè)培養(yǎng)時(shí)間。所有盆栽放于陽光充足的溫室中進(jìn)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(shí)間樣盆中土壤和植物的數(shù)據(jù)，所有試驗(yàn)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(jī)磷含量的測定采用顧益初等[13]提出的石灰性土壤無機(jī)磷分級(jí)方法，土壤中不同活性有機(jī)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(jìn)行繪圖，采用SPSS 11.5 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 KMg-BC/P對(duì)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(jī)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(shí)間的增加3 個(gè)試驗(yàn)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(bǔ)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?yàn)镵Mg-BC和KMg-BC/P 本身堿性較強(qiáng)，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(píng)價(jià)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?yàn)樯锾勘旧砭哂胸?fù)電荷表面和一定的陰離子官能團(tuán)[16]；而KMg-BC/P 不僅具有生物炭帶負(fù)電的特點(diǎn)，且還含有大量的磷酸鹽，其會(huì)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(qiáng)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(huì)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?yàn)镵Mg-BC/P 不僅具有KMg-BC 的特性，同時(shí)還吸附了廢水中大量磷酸鹽，將其施入土壤會(huì)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(jī)質(zhì)含量和持水能力，這與張旭輝等[22]研究結(jié)果一致。因?yàn)镵Mg-BC 和KMg-BC/P本身含有一定量的有機(jī)質(zhì)，且具有豐富的孔隙。

2.2 KMg-BC/P對(duì)土壤中磷的影響

2.2.1 對(duì)土壤無機(jī)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(jī)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(jī)磷的含量，也未顯著促進(jìn)各形態(tài)無機(jī)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(shí)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(jìn)行混合后KMg-BC/P 中吸附的磷大量釋放進(jìn)入土壤并在較短時(shí)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(shí)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?yàn)楦呋钚缘腃a2-P 在培養(yǎng)過程中會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化成相對(duì)穩(wěn)定的Ca8-P、Fe-P和Al-P。

表2 不同處理對(duì)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(duì)土壤有機(jī)磷的影響

由表4可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，3個(gè)試驗(yàn)組的活性有機(jī)磷（LOP）和中等活性有機(jī)磷（MLOP）含量均有一定增加，而高穩(wěn)定性有機(jī)磷（HROP）有一定減少。與起始時(shí)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(jī)形態(tài)存在，而這些形態(tài)的磷素是LOP的主要組分，在低溫?zé)峤馓炕^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(huì)與腐植酸絡(luò)合進(jìn)而促進(jìn)MLOP 的積累[21]。此外隨著培養(yǎng)時(shí)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(qiáng)，礦化作用加強(qiáng)，進(jìn)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?yàn)镵Mg-BC/P 本身含有的大量無機(jī)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(jìn)微生物和植物根系的生長從而加強(qiáng)對(duì)HROP的礦化作用。在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，土壤組和土壤+KMg-BC組的中穩(wěn)定性有機(jī)磷（MROP）含量呈減少趨勢，這可能是因?yàn)閮蓪?duì)照組中土壤微生物和大豆根系的礦化作用會(huì)使MROP 不斷轉(zhuǎn)化為活性較強(qiáng)的有機(jī)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(jī)磷轉(zhuǎn)化成MROP的速率大于土壤微生物和大豆根系對(duì)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(jī)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(jī)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(duì)土壤酶活性的影響

土壤堿性磷酸酶活性的強(qiáng)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(gè)試驗(yàn)組中堿性磷酸酶活性隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而不斷增強(qiáng)，主要是因?yàn)殡S著培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤微生物和大豆根系不斷生長，進(jìn)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(qiáng)于土壤組，這可能是由于KMg-BC 和KMg-BC/P施入土壤進(jìn)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(duì)土壤微生物的影響

如圖2 所示，培養(yǎng)60 d 后3 個(gè)試驗(yàn)組土壤中細(xì)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(xì)菌分別增加了6.93%和13.47%；對(duì)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(shí)促進(jìn)土壤中細(xì)菌和真菌的生長繁殖；而加入KMg-BC/P 雖能促進(jìn)土壤細(xì)菌的生長繁殖，但卻會(huì)抑制真菌的生長繁殖，這主要是因?yàn)镵Mg-BC/P 本身堿性略強(qiáng)，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(xì)菌為主的方向轉(zhuǎn)變[30]。培養(yǎng)60 d 后3 個(gè)試驗(yàn)組土壤細(xì)菌的群落組成及物種豐度如圖3所示。3個(gè)試驗(yàn)組中細(xì)菌以放線菌、變形菌、綠彎菌、酸桿菌為主，其他細(xì)菌所占比例較少，即3 個(gè)試驗(yàn)組細(xì)菌種類沒有明顯變化。但結(jié)合土壤中各種細(xì)菌豐度分析發(fā)現(xiàn)，加入KMg-BC 后各細(xì)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(jī)養(yǎng)分，促進(jìn)了放線菌的生長繁殖[31]。培養(yǎng)60 d 后3 個(gè)試驗(yàn)組土壤中真菌的群落組成及物種豐度如圖4所示。3個(gè)試驗(yàn)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?yàn)樽幽揖T中部分真菌能促進(jìn)大豆根系生長[32]；3 個(gè)試驗(yàn)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(dān)子菌、毛霉菌等）的豐度增加，主要是由于生物炭能促進(jìn)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?yàn)镵Mg-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(duì)大豆生長的影響

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

不同試驗(yàn)組中大豆的發(fā)芽率如圖5所示。3個(gè)試驗(yàn)組每個(gè)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(jìn)大豆種子的發(fā)芽。由表5可知，3個(gè)試驗(yàn)組中大豆的植株高度、根長、葉片數(shù)均隨著培養(yǎng)時(shí)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(jìn)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(qiáng)的無機(jī)磷含量，同時(shí)KMg-BC/P 還促進(jìn)了高穩(wěn)定有機(jī)磷和中穩(wěn)定有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為活性有機(jī)磷和中活性有機(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)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(jìn)無機(jī)磷和低活性有機(jī)磷向高活性有機(jī)磷轉(zhuǎn)化；此外，其還能促進(jìn)土壤中細(xì)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(xì)菌為主的方向轉(zhuǎn)變。

（2）在盆栽試驗(yàn)中，用KMg-BC/P 改良過的土壤種植大豆能顯著促進(jìn)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(duì)照組。因此，KMg-BC/P 具有作為土壤改良劑的潛力。