胡雯娟 劉海琴 張晉華 張志勇#

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014； 2.南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

城市不同土地類型受地表徑流沖刷帶來的污染物是城市非點(diǎn)源污染的重要來源，近年來，城市非點(diǎn)源污染及其對(duì)城市水體環(huán)境的影響問題日益突出。目前，河岸植被緩沖帶(以下簡(jiǎn)稱緩沖帶)對(duì)徑流污染物的截留轉(zhuǎn)化在農(nóng)業(yè)面源污染防控或治理方面已取得了重要的進(jìn)展[1]。緩沖帶是水域與陸地的過渡帶，具有重要的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[2-3]。一般緩沖帶設(shè)置在沿河區(qū)域和集水區(qū)的源頭，相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，10 m寬的緩沖帶可以去除75%的氮和95%的磷[4]。而對(duì)于城市地表水體周邊區(qū)域，由于土地資源有限，有必要減小緩沖帶寬度，同時(shí)確保其對(duì)污染物的攔截效果。

生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，施加到土壤后可以降低土壤容重和硬度，增大土壤孔隙度，從而增加土壤的持水能力和改善水分入滲特征[5]。近年來，碳納米管因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能被成功地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于環(huán)境領(lǐng)域，隨著環(huán)境分子科學(xué)的快速發(fā)展，納米材料在環(huán)境修復(fù)和水污染治理研究中的應(yīng)用越來越受到重視[6]。

生物炭與納米碳常被用作土壤改良劑，但其運(yùn)用在減少城市非點(diǎn)源污染方面的研究甚少，本研究通過向土壤中添加一定比例生物炭、納米碳，并種植西伯利亞鳶尾(IrissibiricaL.)模擬緩沖帶，探究其對(duì)地表徑流中氮、磷等污染物的截留去除效果及主要機(jī)理，以期為城市地表徑流污染的有效削減提供技術(shù)與理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用土壤取自耕作稻田，風(fēng)干后過2 mm篩，土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)

生物炭為秸稈生物炭，理化性質(zhì)見表2；納米碳為多壁碳納米管，內(nèi)徑3～5 nm、外徑8～12 nm，使用的碳納米管是由甲烷經(jīng)過化學(xué)氣相沉淀法[7]制備而成，本底不含氮、磷。

表2 生物炭理化性質(zhì)

參照無(wú)錫市濱湖區(qū)各下墊面地表徑流中污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果，取各污染物濃度最大值，向自來水中分別加入鄰苯二甲酸氫鉀(分析純)、磷酸二氫鉀(分析純)和硝酸銨(分析純)配制模擬徑流，各項(xiàng)指標(biāo)見表3。

表3 模擬徑流參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用工程塑料制成圖1所示圓柱形裝置，承托層高于地面20 cm便于收集出水水樣，分別向10kg土壤中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、15%、20%的生物炭(記為J-10、J-15、J-20)和0.1%、0.5%、0.7%的納米碳(記為N-0.1、N-0.5、N-0.7)，混合均勻后置于實(shí)驗(yàn)裝置中形成緩沖帶基質(zhì)(以下簡(jiǎn)稱J基質(zhì)與N基質(zhì))，底部鋪設(shè)一層100目尼龍網(wǎng)，以防基質(zhì)漏出，并設(shè)置只有土壤的空白對(duì)照(CK)，共7組實(shí)驗(yàn)處理。裝置放在高度為85 cm的鐵架旁，鐵架上方放置水桶并連接出水管。每個(gè)處理種植西伯利亞鳶尾5～6棵，生物量為(63.34±0.31) g，培養(yǎng)1個(gè)月后開始實(shí)驗(yàn)，前期每組設(shè)4個(gè)重復(fù)，其中1個(gè)用于正式實(shí)驗(yàn)前補(bǔ)苗以及植物本底氮、磷檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，打開出水閥門，水桶中的模擬徑流沿出水管流至基質(zhì)中，每隔3天實(shí)驗(yàn)進(jìn)水一次，每次每個(gè)處理實(shí)際進(jìn)水5 L(模擬暴雨強(qiáng)度下每平方米緩沖帶可承受的20 min內(nèi)的徑流總量)，從第8次開始進(jìn)水間隔變?yōu)? d，共進(jìn)水11次，為防止實(shí)驗(yàn)多次進(jìn)水對(duì)植物根系及表層土壤的擾動(dòng)，在土壤表面鋪一層粒徑6～8 mm的鵝卵石。使用1 L量杯承接出水水樣，混勻后檢測(cè)TN、TP、COD指標(biāo)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢測(cè)土壤中的TN、TP、氨氮及硝態(tài)氮指標(biāo)；檢測(cè)植物中的TN、TP指標(biāo)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.3 分析方法

TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，TP、氨氮使用SKALAR SAN++連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定，COD采用重鉻酸鉀法，具體參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[8]128，133進(jìn)行測(cè)定。含水率采用烘干稱重法測(cè)定[8]289。pH采用電位法測(cè)定(土水質(zhì)量比為1.0∶2.5)[9]，TN采用凱氏定氮法[10]測(cè)定，氨氮采用靛酚藍(lán)比色法[8]159測(cè)定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法[11]測(cè)定，TP采用酸溶鉬銻抗比色法[8]168測(cè)定。植物TN采用混合催化劑硫酸消化凱氏滴定法測(cè)定，植物TP采用硫酸高氯酸消煮鉬銻抗比色法[8]314測(cè)定。根際土壤樣品進(jìn)行DNA抽提、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增和Illumina Miseq測(cè)序。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬徑流入滲速率

實(shí)驗(yàn)前兩次進(jìn)水各處理模擬徑流入滲速率均達(dá)到300 mL/min，這歸因于此時(shí)土壤較為松散。從第3次進(jìn)水開始，J基質(zhì)模擬徑流入滲速率隨生物炭添加量增加而出現(xiàn)明顯的梯度，J-10、J-15、J-20徑流入滲速率分別為240、270、280 mL/min，且隨進(jìn)水次數(shù)的增加模擬徑流入滲速率基本保持不變。自第3次進(jìn)水，N基質(zhì)和CK模擬徑流入滲速率則逐漸降低，第7次出水時(shí)間明顯延遲，10 min左右CK和N-0.1開始出水，模擬徑流入滲速率為50 mL/min；分別到20、24 min時(shí)N-0.5和N-0.7開始出水，模擬徑流入滲速率為20 mL/min。N基質(zhì)模擬徑流入滲速率明顯低于J基質(zhì)，是由于納米碳質(zhì)量輕，體積小，容易隨基質(zhì)中的水流下移至出水口造成出水堵塞，另外，納米碳可填充土壤中孔隙使其比CK更加密實(shí)，阻擋徑流下滲。

2.2 TN的去除效果

由于土壤中硝態(tài)氮在進(jìn)水初期有淋溶現(xiàn)象，在正式評(píng)估實(shí)驗(yàn)效果前預(yù)運(yùn)行穩(wěn)定1周。

圖2中，第1至5次實(shí)驗(yàn)進(jìn)水期間各處理對(duì)TN去除率大體呈逐漸上升趨勢(shì)；J-20對(duì)TN的去除率在第5次進(jìn)水時(shí)達(dá)到最高值，為51.70%，N-0.7在第4次進(jìn)水時(shí)達(dá)到最高值，為57.41%。從第7次進(jìn)水結(jié)果發(fā)現(xiàn)，J基質(zhì)中生物炭添加量越高TN去除率下降幅度越大，與此同時(shí)N基質(zhì)對(duì)TN的去除率也發(fā)生了驟降，可能是基質(zhì)對(duì)TN的吸附隨模擬徑流的入滲發(fā)生了解吸作用?？紤]TN吸附量已達(dá)到飽和，將此后進(jìn)水時(shí)間間隔調(diào)整為7 d，發(fā)現(xiàn)這段實(shí)驗(yàn)過程中各處理的TN去除率又有所升高，且J-15對(duì)TN的去除率大體高于其他處理。

圖2 基質(zhì)對(duì)TN的去除率及累積攔截量Fig.2 Removal rate and cumulative interception of TN by each matrix

2.3 TP的去除效果

實(shí)驗(yàn)初期TP的去除率相差較小(見圖3)，隨著進(jìn)水次數(shù)的增加，J基質(zhì)間TP去除率差異顯著增大(P<0.05)，生物炭添加量越大，TP去除率越低。生物炭本身含有較多的有效磷，在多次進(jìn)水過程中，土壤及生物炭中有效磷逐漸析出[15]，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出水中TP的濃度升高。

圖3 基質(zhì)對(duì)TP的去除率及累積攔截量Fig.3 Removal rate and cumulative interception of TP by each matrix

有研究指出，納米碳在吸附土壤速效磷的同時(shí)，還可以膠結(jié)吸附含大量磷素的土壤細(xì)顆粒，從而使磷在土壤中留存[16]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，N基質(zhì)對(duì)TP的去除率為77.01%～93.53%，第2至8次進(jìn)水，N-0.7對(duì)TP的去除率顯著高于CK(P<0.05)，但是自第9次進(jìn)水起，N基質(zhì)對(duì)TP的去除效果并不優(yōu)于CK，且結(jié)合模擬徑流入滲速率等情況發(fā)現(xiàn)其并不適用于實(shí)際工程。

2.4 COD的去除效果

由圖4可知，J-20對(duì)于COD的去除率最高可達(dá)到97.50%，累積攔截量最高達(dá)3 369.25 mg；N-0.7對(duì)COD去除率最高為84.20%，最高累積攔截量為2 593.5 mg。J基質(zhì)COD去除率整體高于N基質(zhì)。生物炭的碳骨架有較好的持水性和通氣性，為微生物的繁衍提供良好的生存環(huán)境，同時(shí)生物炭也可以為微生物的生存提供充足的碳源。

圖4 基質(zhì)對(duì)COD的去除率及累積攔截量

2.5 土壤理化指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)前后對(duì)土壤進(jìn)行理化指標(biāo)檢測(cè)，具體結(jié)果見表4。納米碳主要成分為碳，生物炭中因含礦物離子，例如Ca2+、Mg2+等，添加后可增加土壤pH。實(shí)驗(yàn)前土壤硝態(tài)氮為21.86 mg/kg，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后各處理中硝態(tài)氮含量降低至原來的1/6～1/5，氨氮相對(duì)有所升高，TP含量有略微下降。

表4 土壤理化指標(biāo)1)

2.6 植物基本指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)植物株高、根長(zhǎng)、生物量以及TN、TP總量等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表5。生物量表現(xiàn)為J-15>J-20>J-10>CK>N-0.7>N-0.5>N-0.1。N基質(zhì)植物TN、TP含量顯著低于J基質(zhì)及CK(P<0.05)，由此可見N基質(zhì)對(duì)西伯利亞鳶尾的生長(zhǎng)并沒有促進(jìn)作用；反觀J基質(zhì)的各處理中根長(zhǎng)、生物量以及TN、TP總量均顯著高于CK(P<0.05)，可見生物炭促進(jìn)了西伯利亞鳶尾對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，促進(jìn)其生長(zhǎng)。

表5 植物指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)期間各基質(zhì)中植物生長(zhǎng)吸收的氮、磷質(zhì)量見表6，結(jié)合11次模擬徑流攔截實(shí)驗(yàn)中緩沖帶對(duì)氮、磷的攔截總量和表4、表5分析緩沖帶去除氮、磷的主要途徑。表4顯示實(shí)驗(yàn)后基質(zhì)中TN、TP含量大體有所下降，J-15與J-20的TN下降較多，通過表5發(fā)現(xiàn)植物對(duì)TN的吸收量相對(duì)較高。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第7次，出水氮、磷明顯升高，說明攔截凈化實(shí)驗(yàn)過程中基質(zhì)的吸附和解吸作用同時(shí)存在，但最終基質(zhì)對(duì)氮、磷的吸附量小于解吸量，而后西伯利亞鳶尾的生長(zhǎng)對(duì)氮、磷的吸附利用以及基質(zhì)中微生物硝化與反硝化作用減少了出水氮、磷濃度。由此可以推斷在模擬徑流流經(jīng)緩沖帶的短時(shí)間內(nèi)，首先是基質(zhì)對(duì)氮、磷進(jìn)行吸附貯存，隨后因西伯利亞鳶尾對(duì)養(yǎng)分的吸收和微生物的共同作用才使得下一次徑流入滲時(shí)基質(zhì)又具有了吸附氮、磷的能力。因此，在J-15與J-20中植物生長(zhǎng)對(duì)氮、磷的吸收利用是最終去除模擬徑流中氮、磷的主要途徑，基質(zhì)吸附則是去除模擬徑流中氮、磷的重要途徑，植物對(duì)氮、磷的吸收利用亦是保證基質(zhì)可以長(zhǎng)期吸附外來氮、磷的關(guān)鍵。通過比較表6中基質(zhì)間氮、磷攔截量和植物吸收氮、磷量發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加生物炭明顯增加了西伯利亞鳶尾對(duì)氮、磷的吸收量，且大體隨生物炭添加量增加而增加。相反地，納米碳對(duì)西伯利亞鳶尾吸收氮、磷并沒有起到正面作用。

表6 實(shí)驗(yàn)期間緩沖帶吸收TN、TP總量

2.7 土壤微生物群落多樣性

表7列出了各處理的Alpha多樣性指數(shù)，樣本覆蓋范圍均在97%以上，與CK相比，J基質(zhì)微生物群落多樣性增加，且與生物炭的添加量大體呈正相關(guān)；N基質(zhì)隨著納米碳的增加，微生物群落多樣性降低。群落豐富度結(jié)果顯示，N-0.7基質(zhì)群落豐富度顯著較低。

表7 Alpha多樣性指數(shù)1)

OGUNTUNDE等[17]研究發(fā)現(xiàn)因生物炭的添加，土壤環(huán)境發(fā)生改變，更有利于土壤微生物群落的繁殖，主要是由于生物炭處理中碳的穩(wěn)定性和土壤中有效氮的增加促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)繁殖；在添加生物炭的處理中，微生物活性高，可有效提高氮等營(yíng)養(yǎng)素的周轉(zhuǎn)率，從而可以減少氮的浸出[18]。生物炭可以提高土壤持水性和pH，這是影響土壤微生物群落的重要因素。FOWLES[19]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以增加植物根際微生物群落，以及促進(jìn)相關(guān)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，本次研究結(jié)果與之吻合。CHUNG等[20]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的多壁碳納米管(質(zhì)量濃度≥500 μg/g)可能會(huì)降低土壤中的微生物活性和生物量，本研究中0.7%的納米碳添加量顯著降低了土壤中微生物的豐富度和種類。

微生物是基質(zhì)中重要的組成部分，既可以改善土壤肥力，又可以作為養(yǎng)分儲(chǔ)存庫(kù)并促進(jìn)植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。微生物多樣性降低會(huì)通過抑制土壤氮素釋放影響植物生長(zhǎng)[21]，另一些研究表明微生物對(duì)植物水分的利用有顯著影響[22]。緩沖帶植被是對(duì)徑流中氮、磷去除的重要手段，因此緩沖帶土壤微生物多樣性以及植被的生長(zhǎng)對(duì)攔截去除徑流氮、磷污染物具有重要的意義。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜合緩沖帶對(duì)模擬徑流污染物的去除效果、對(duì)植物生長(zhǎng)情況的影響以及微生物群落特征，15%～20%生物炭添加量是緩沖帶最佳基質(zhì)配置參數(shù)，此結(jié)果將為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考。