張 蘭，夏紅霞，朱啟紅，夏洋漪，李 強(qiáng)，呂偉國(guó)

（1.重慶化工職業(yè)學(xué)院，重慶長(zhǎng)壽 401228；2.重慶文理學(xué)院重慶市環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶永川 402168）

生物炭是生物質(zhì)在缺氧或厭氧條件下通過(guò)高溫?zé)峤夂笮纬傻墓虘B(tài)產(chǎn)品，具有巨大的表面積和內(nèi)部空隙[1]，施用土壤后不僅可以直接吸附固定土壤污染物質(zhì)[2]，還可以改善土壤理化性質(zhì)[3]、減少養(yǎng)分流失[4]、促進(jìn)植物生長(zhǎng)[5]。為此，相關(guān)研究者進(jìn)行了大量研究工作，已取得顯著研究成果[6]。卜曉莉[7]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭多孔的結(jié)構(gòu)可吸附大量的可溶性有機(jī)物、氣體、土壤養(yǎng)分和水分等，為土壤微生物的生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境[8]；而且，進(jìn)入到土壤的生物炭可與土壤結(jié)合，改變土壤的通氣結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，加深土壤顏色，進(jìn)而提高土壤溫度[9]，并通過(guò)提高土壤pH 和有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)土壤可交換態(tài)重金屬向碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)和有機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化，降低土壤重金屬活性。

水分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素，它不僅在作物新陳代謝中起著舉足輕重的作用，其含量多少還影響著土壤養(yǎng)分的釋放和遷移[10]。當(dāng)土壤中水分過(guò)多時(shí)，會(huì)促進(jìn)土壤肥分、礦物質(zhì)等隨滲漏而流失，甚至造成漬害和土壤退化[11]。反之，當(dāng)土壤中水分較少時(shí)，不僅土壤肥分不能被溶解為溶液，而且不易被作物根系所吸收，還會(huì)導(dǎo)致作物自身水分、養(yǎng)分不足而枯萎死亡[12]。只有當(dāng)作物在土壤中得到所需量的水分時(shí)，作物才能正常生長(zhǎng)，并能使其他的增產(chǎn)措施較充分地發(fā)揮作用[13]。王鼎新[14]研究發(fā)現(xiàn)，提高灌水量有利于增加土壤硝態(tài)氮含量，且土壤含水量與土壤硝態(tài)氮呈正相關(guān)關(guān)系。葛新偉[15]研究也發(fā)現(xiàn)，增加灌水量，葡萄園土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量發(fā)生變化明顯；并隨灌水量增加，土壤中速效養(yǎng)分加速向深層土遷移。

由此可見(jiàn)，利用生物炭可修復(fù)污染土壤或改良低產(chǎn)地，通過(guò)調(diào)節(jié)土壤水分也可以改善土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但現(xiàn)有研究?jī)H限于利用單一生物炭修復(fù)污染土壤/改良低產(chǎn)地，或者單一利用水分調(diào)節(jié)措施改善土壤養(yǎng)分，尚未見(jiàn)到有關(guān)利用水分調(diào)節(jié)措施和生物炭聯(lián)合影響重金屬污染土壤速效養(yǎng)分方面的研究。為此，本研究以已施用生物炭的重金屬污染土壤為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究水分調(diào)節(jié)措施對(duì)施用生物炭重金屬污染土壤速效養(yǎng)分的影響，旨在為利用水分調(diào)節(jié)措施進(jìn)一步提高生物炭修復(fù)重金屬污染土壤效果提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤：供試土壤取自重慶市永川區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)未受污染的土壤，土壤類(lèi)型為水稻土?，F(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)，采樣深度為0～20 cm，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試供試土壤的田間持水量。

生物炭：供試生物炭為自制酒糟生物炭，采用限氧熱解法制備[16]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取采集的土壤樣品40 kg 盛于大塑料桶中，以CuSO4作為添加的外源重金屬，添加濃度為254.18 mg/kg，充分混勻后鈍化2 周；再添加400.0 g 自制酒糟生物炭充分混勻，用高純水補(bǔ)充水分至田間持水量的75%，密封、陳化4周后進(jìn)行水分調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。

分別取2.0 kg陳化后的土壤于塑料燒杯中，根據(jù)前期測(cè)試的土壤田間持水量，用高純水補(bǔ)充土壤含水量至實(shí)驗(yàn)設(shè)置要求，充分混勻、密封后置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。為保持各實(shí)驗(yàn)組土壤水分含量恒定，通過(guò)稱重法每2天補(bǔ)充一次水分。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)共六組：CK（無(wú)添加水，對(duì)照）、C1(36%田間持水量)、C2(52%田間持水量)、C3(68%田間持水量)、C4(84%田間持水量)和C5（100%田間持水量）。經(jīng)測(cè)試與計(jì)算，對(duì)照組（CK）土壤水分含量為田間持水量的23.6%。培養(yǎng)30天后，取上層土壤測(cè)定其速效養(yǎng)分含量。每一處理均重復(fù)3次，取其平均值用于統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 測(cè)定方法

土壤pH 采用pH 計(jì)測(cè)定，土壤陽(yáng)離子交換量采用離子交換法，土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法，土壤堿解氮測(cè)定采用擴(kuò)散吸收法，土壤速效鉀采用中性乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析作圖，SPSS 20.0進(jìn)行單因素方差分析，顯著性檢驗(yàn)水平均設(shè)為0.05，圖中不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 水分對(duì)施用生物炭土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）的影響

陽(yáng)離子交換量（CEC）是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，土壤可交換養(yǎng)分的吸收和供應(yīng)能力可以由CEC來(lái)體現(xiàn)[18]。增加土壤CEC含量，可以提高對(duì)植物養(yǎng)分的供應(yīng)量[19]。水分調(diào)節(jié)措施對(duì)施用生物炭土壤陽(yáng)離子交換量的影響如圖1所示。由圖1可知，適量增加土壤水分含量，可增加土壤陽(yáng)離子交換量含量；但進(jìn)一步增加土壤水分含量則會(huì)降低供試土壤陽(yáng)離子交換量含量。尤其是土壤水分含量為100%田間持水量時(shí)，土壤陽(yáng)離子交換量只有51.04 cmol/kg，比對(duì)照低30.2%，與對(duì)照相比差異極其顯著（P＜0.01）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，不同水分處理間也存在較大差異，供試土壤中陽(yáng)離子交換量隨土壤含水量增大而逐漸降低，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。

圖1 陽(yáng)離子交換量的變化

2.2 水分對(duì)施用生物炭土壤pH的影響

pH 值是表征土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，對(duì)土壤養(yǎng)分的有效利用性、土壤有毒物質(zhì)的生物毒性以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化具有重要影響[20]。水分調(diào)節(jié)措施對(duì)施用生物炭土壤pH的影響如圖2所示。由圖2可知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，水分調(diào)節(jié)措施雖然可以改變供試土壤pH 值，但其變化未呈規(guī)律性，且與對(duì)照相比差異也不顯著（P＞0.05）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，供試土壤pH 隨土壤水分含量增大并無(wú)明顯變化趨勢(shì)，且不同水分處理間土壤pH 值變化不明顯。但顧志光等[21]研究表明，較長(zhǎng)時(shí)間淹水，會(huì)導(dǎo)致土壤pH持續(xù)下降。

圖2 土壤pH的變化

2.3 水分對(duì)施用生物炭土壤速效磷的影響

土壤中的磷分為速效磷、緩效磷或無(wú)效磷[22]，速效磷是當(dāng)季農(nóng)作物吸磷的主要來(lái)源。水分調(diào)節(jié)措施對(duì)施用生物炭土壤速效磷的影響如圖3所示。由圖3可知，少量增加土壤水分含量，可增加供試土壤速效磷含量；但進(jìn)一步增加土壤水分含量，則會(huì)降低供試土壤速效磷含量；尤其是土壤水分含量為100%田間持水量時(shí)，供試土壤速效磷含量為34.12 mg/kg，比對(duì)照低12.7%，與對(duì)照相比差異顯著（P＜0.05），這與楊玥[23]的研究結(jié)果相似。楊玥[23]研究結(jié)果表明，適量灌水有利于增加土壤速效磷含量。這表明，在一定程度上增加施用生物炭土壤水分含量，可增加施用生物炭土壤速效磷含量。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，不同水分調(diào)節(jié)措施下，各處理間土壤速效磷含量也存在較大差異。與水分含量為36%田間持水量處理相比，土壤水分含量為田間持水量的84%、100%處理土壤速效磷含量分別低于14.4% 和17.8%，與對(duì)照相比差異顯著（P＜0.05）。

圖3 土壤速效磷的變化

2.4 水分對(duì)施用生物炭土壤速效鉀的影響

鉀是植物生長(zhǎng)所必須的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一[24]，且鉀在土壤中具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，很容易淋溶流失[25]。土壤中對(duì)植物最有效的鉀為速效鉀，其含量直接反映了土壤鉀素的供應(yīng)水平[26]。水分調(diào)節(jié)措施對(duì)施用生物炭土壤速效鉀的影響如圖4所示。由圖4可知，少量增加土壤水分含量，可增加供試土壤速效鉀含量；但進(jìn)一步增加土壤水分含量，則會(huì)降低供試土壤速效鉀含量；尤其是水分含量為100%田間持水量時(shí)，土壤速效磷含量為18.0 mg/kg，比對(duì)照低31.3%，與對(duì)照相比差異極其顯著（P＜0.01），實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，不同處理間土壤速效鉀含量也存在較大差異。土壤水分含量為土壤田間持水量的36%、52%以及68%處理土壤速效鉀含量均高于對(duì)照，而土壤水分含量為田間持水量的84%、100%處理土壤速效鉀含量則低于對(duì)照。土壤水分含量為36%田間持水量的供試土壤速效鉀含量，比水分含量為100%田間持水量的土壤高64.4%，差異極其顯著（P＜0.01），這與王浩[27]的研究結(jié)果相似。王浩等[27]研究結(jié)果表明，土壤水分對(duì)土壤速效鉀的影響總體表現(xiàn)為隨土壤水分增加，土壤速效鉀含量顯著下降。但霍娜[28]研究表明，在不施鉀肥條件下，土壤速效鉀隨灌水量增加而增加，這說(shuō)明在土壤鉀素耗竭的情況下，適當(dāng)增加灌水量可以緩解土壤鉀素的虧缺。

圖4 土壤速效鉀的變化

2.5 水分對(duì)施用生物炭土壤堿解氮的影響

氮是土壤環(huán)境和植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素[29]。土壤中的堿解氮是最容易被植物吸收的氮素，也可以有效反映土壤氮素的動(dòng)態(tài)變化[30]。水分調(diào)節(jié)措施對(duì)施用生物炭土壤堿解氮的影響如圖5所示。由圖5可知，不同水分條件下施用生物炭土壤堿解氮含量均低于對(duì)照；尤其是在水分含量為100%田間持水量條件下，供試土壤堿解氮含量比對(duì)照低21.5%，與對(duì)照相比差異顯著（P＜0.05）。這表明，增加土壤水分含量，可降低施用生物炭土壤堿解氮含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，不同水分處理組間土壤堿解氮含量也存在較大區(qū)別。供試土壤堿解氮含量隨土壤水分含量增大而減少，但在土壤含水量增加較少時(shí)，供試土壤堿解氮降低值并不明顯；隨著土壤含水量進(jìn)一步增加，土壤堿解氮才明顯降低。

圖5 土壤堿解氮的變化

3 分析與討論

水是土壤物理、化學(xué)和生物過(guò)程中不可或缺的介質(zhì)，它在調(diào)節(jié)土壤環(huán)境中起著至關(guān)重要的作用[31]。土壤水分是植物根系與土壤之間的重要介質(zhì)，是植物生長(zhǎng)的重要限制因子[32]，植物根系不僅從土壤中吸收水分，還從土壤中吸收植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[33]。有研究表明，在土壤水分不足的情況下，會(huì)減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程，降低土壤養(yǎng)分向速效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速度，減少土壤有效養(yǎng)分含量[34]，水分是促進(jìn)土壤中離子釋放的良好溶劑[35]。本實(shí)驗(yàn)中，適量增加土壤水分含量，可增加供試土壤陽(yáng)離子交換量；但進(jìn)一步增加土壤含水量則會(huì)降低陽(yáng)離子交換量，尤其是100%田間持水量條件下土壤陽(yáng)離子交換量比對(duì)照小30.2%，與對(duì)照相比差異極其顯著（P＜0.01）。生物炭施入土壤后，會(huì)增加土壤孔隙度，其表面會(huì)形成羰基、酚基、醌基等官能團(tuán)，增加對(duì)土壤陽(yáng)離子的吸附能力[36]。當(dāng)適量增加土壤水分時(shí)，可以增加土壤和生物炭表面吸附的礦質(zhì)元素和活化態(tài)元素的釋放，進(jìn)而增加土壤陽(yáng)離子交換量。但當(dāng)土壤水分增加到一定程度時(shí)，則會(huì)降低了土壤的孔隙度和通氣孔隙，并因生物炭表面疏水性的脂族官能團(tuán)對(duì)水的排斥性，減緩了生物炭表面被氧化的趨勢(shì)[37]，降低了生物炭表面離子交換和吸收的位點(diǎn)，生物炭表面電荷量密度下降，會(huì)降低土壤CEC含量[38]。

向土壤中施用生物炭，可以提高土壤pH 值[39]。這是因?yàn)橄蛲寥乐惺┯蒙锾亢螅寥乐胁糠炙嵝晕镔|(zhì)被生物炭中和，土壤溶液中堿性基團(tuán)如氫氧根離子、硅酸根離子、碳酸根離子逐漸增多[37]，增加了土壤pH 值；同時(shí)，隨著土壤pH 值增加，土壤粘土礦物、水合氧化物以及土壤有機(jī)質(zhì)表面的負(fù)電荷增加，增加了對(duì)土壤金屬離子的吸附能力[40]。在本實(shí)驗(yàn)中，土壤pH 隨田間持水量的增大并無(wú)顯著變化，與對(duì)照相比差異也不顯著（P＞0.05）。這主要是因?yàn)橥寥浪謺?huì)影響酸、堿離子在土壤固相和液相之間的分配，從而影響土壤pH。土壤pH值一般會(huì)隨土壤含水率增加而有提高[41]，但本實(shí)驗(yàn)所用水為高純水，所加入的水量也較少。供試土壤在加入的高純水作用下，生物炭以及土壤顆粒內(nèi)部以及表面吸附的鹽基離子(如K+、Ca2+、Mg2+等)和交換性鋁、H+會(huì)有部分釋放[42]，并與土壤中自由水結(jié)合，抑制離子交換性水平，維持H+濃度和鹽基飽和度，進(jìn)而使土壤pH 隨變化較小。在田間持水量為68%之后，pH略有增加。這是由于持水量的增加，土壤由氧化狀態(tài)向還原狀態(tài)轉(zhuǎn)變，土壤發(fā)生還原反應(yīng)會(huì)消耗H+，使得土壤pH 逐漸升高[43]。同時(shí)，持水量的增加使土壤黏粒濃度降低，吸附性H+與電極表面接觸的機(jī)會(huì)減少，亦可增加土壤pH值[44]。

土壤速效鉀、速效磷含量可以直接反映土壤可供植物利用的鉀素和磷素含量水平，在土壤養(yǎng)分循環(huán)與利用中占有十分重要的地位，能直接反映土壤的肥力狀況[45]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，適量增加土壤水分含量，可以增加施用生物炭土壤速效磷、速效鉀含量；但過(guò)量增加土壤含水量則會(huì)降低供試土壤速效鉀、速效磷含量，尤其是在84%田間持水量條件下，供試土壤速效鉀含量比對(duì)照低31.3%、土壤速效磷含量比對(duì)照低12.7%，與對(duì)照相比差異均顯著（P＜0.01）。適量增加土壤水分，可增加供試土壤速效鉀、速效磷含量，這是因?yàn)樯镉袡C(jī)質(zhì)在厭氧高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)變?yōu)樯锾亢?，生物炭中富含可溶性礦物養(yǎng)分[46]，生物質(zhì)中的鉀在生物質(zhì)裂解過(guò)程中大多以可溶性形態(tài)被保留在生物炭中[47]，將生物炭施入土壤后，能迅速増加土壤速效鉀含量。葛銀鳳等[48]也研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠增大土壤速效鉀、速效磷的含量，這部分養(yǎng)分以無(wú)機(jī)離子形態(tài)被保存，能被植物直接吸收利用[49,50]。土壤水分含量增加，可降低生物炭吸附性，生物炭?jī)?nèi)部孔隙以及表面吸附的養(yǎng)分物質(zhì)會(huì)被釋放出來(lái)，這部分養(yǎng)分溶解于土壤水溶液中，增加了土壤速效鉀、速效磷含量[51,52]。此外，土壤因淹水造成的厭氧環(huán)境會(huì)使土壤死亡的微生物分解而釋放出磷，進(jìn)而增加土壤速效磷含量[53]。但當(dāng)土壤水分含量進(jìn)一步增加，在水分作用下速效鉀、速效磷的淋溶流失更加明顯，土壤表層速效鉀、速效磷含量會(huì)降低。吳瑞等[54]研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分顯著影響土壤速效磷淋溶流失，且隨著水分增加而增加。王改玲等[53]研究發(fā)現(xiàn)，增加土壤水分會(huì)使土壤磷酸酶活性下降，降低有機(jī)磷酯水解成無(wú)機(jī)磷酸的量。王琴等[50]研究也發(fā)現(xiàn)，在一定灌水量條件下，土壤速效鉀量與灌水量明顯正相關(guān)；但過(guò)量的灌水量會(huì)加大速效鉀從土壤膠體上的解離，加速速效鉀淋溶流失。

土壤水分與氮素水平對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量都具有顯著影響[55]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同水分條件下施用生物炭土壤堿解氮含量均低于對(duì)照，但在土壤含水量增加較少時(shí)，供試土壤堿解氮減少量并不明顯。這表明，增加土壤水分含量可降低施用生物炭土壤堿解氮含量，但與土壤含水量關(guān)系緊密。史宏志等[56]研究發(fā)現(xiàn)，在0～20cm土層灌水處理土壤堿解氮含量均低于不灌水處理，且土壤堿解氮含量隨灌水量增加而逐漸降低。Lehman 等［22］研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)土壤中的NH4+和NO3-具有非常強(qiáng)的吸附特性，可有效降低土壤氨態(tài)氮的揮發(fā)，顯著減少土壤養(yǎng)分淋失。因此，在少量增加土壤含水量時(shí)，并不能明顯降低供試土壤堿解氮含量。但隨著土壤含水量進(jìn)一步增加，將逐漸破壞生物炭和土壤顆粒對(duì)NH4+和NO3-的吸附平衡，導(dǎo)致被生物炭和土壤顆粒吸附的NH4+和NO3-解吸而流失，進(jìn)而降低土壤堿解氮含量。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，適量增加施用生物炭土壤水分含量，可提高施用生物炭土壤陽(yáng)離子交換量、土壤速效磷、速效鉀和堿解氮含量，提高土壤肥力；但當(dāng)土壤水分含量增加到一定量時(shí)，再提高土壤含水量則會(huì)降低土壤速效養(yǎng)分含量。因此，在利用生物炭修復(fù)污染土壤時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤水分含量，增加施用生物炭土壤肥力。