生物質炭對黑土吸附-解吸硝態(tài)氮性能的影響

王　冰，趙閃閃，秦治家，高　強，婁玉杰，劉淑霞*

（1.吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春130118；2.吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，長春130118；3.吉林省東遼縣足民農業(yè)站，吉林東遼136615；4.吉林農業(yè)大學動物科技學院，長春130118）

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生物質炭對黑土吸附-解吸硝態(tài)氮性能的影響

王冰1，2，趙閃閃1，2，秦治家3，高強1，2，婁玉杰4，劉淑霞1，2*

（1.吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春130118；2.吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，長春130118；3.吉林省東遼縣足民農業(yè)站，吉林東遼136615；4.吉林農業(yè)大學動物科技學院，長春130118）

摘要：為了探討生物質炭對黑土吸附-解吸硝態(tài)氮性能的影響，減少黑土中硝態(tài)氮的淋失、提高氮肥利用率以及為農業(yè)廢棄物資源化利用提供理論依據，?用培養(yǎng)試驗，應用Langmujr方程和Freund1jch方程，研究了添加不同來源（玉米秸稈、稻殼、松木）和不同添加比例（0.6％、1.2％、3.6％、6％）生物質炭對黑土中硝態(tài)氮（NO-3-N）的吸附和解吸特征。結果表明，施用生物質炭可增加黑土對NO-3-N的吸附量，且三種生物質炭的添加比例為3.6％時，土壤對NO-3-N的吸附量最大；施用玉米秸稈生物質炭的黑土對NO-3-N的吸附量最大（實際最大吸附量為0.929 mg.g-1），施用松木生物質炭的黑土對NO-3-N的吸附量最小（實際最大吸附量為0.578 mg. g-1）。施用生物質炭可降低黑土對NO-3-N的解吸率，且三種生物質炭的添加比例為3.6％時，土壤對NO-3-N的解吸率最低；添加玉米秸稈生物質炭的黑土對NO-3-N的解吸率最低，添加松木生物質炭的黑土對NO-3-N的解吸率最高。不同生物質炭對NO-3-N的吸附能力表現為玉米秸稈>稻殼>松木；對其解吸能力表現為玉米秸稈<稻殼<松木。生物質炭及添加生物質炭的黑土對NO-3-N的吸附過程符合Langmujr方程。

關鍵詞：玉米秸稈生物質炭；稻殼生物質炭；松木生物質炭；硝態(tài)氮；吸附；解吸

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氮肥的過量施用和較低的利用率，使得農田土壤中的氮素隨灌溉和降水以可溶性銨態(tài)氮（NH+4-N）和硝態(tài)氮（NO-3-N）的形式淋失[1]，其中硝態(tài)氮的淋失被認為是旱地農田氮素損失的主要途徑之一[2]，也是引起地下水硝態(tài)氮污染的重要原因[3]。因此，提高土壤對氮的吸附，是減少氮素淋失、降低水體富營養(yǎng)化的重要途徑[4]。

近年來，生物質炭（Bjochar）得到了國內外的廣泛關注，它是秸稈、稻殼、木屑等農業(yè)廢料或生活垃圾[5]在低氧或缺氧件下，?熱解炭化產生的一類高度芳香化固態(tài)物質[6]。研究指出，生物質炭具有較大的比表面積和較高的電荷密度且孔隙結構發(fā)達[7]，將其施入土壤中，不僅可以變廢為寶，還能降低土壤容重、提高土壤孔隙度、增強土壤保水保肥能力[8]，且能促進土壤團聚體的形成，增加土壤穩(wěn)定性并提高土壤對養(yǎng)分的吸附能力[9]。

已有大量研究表明[10-12]生物質炭對水體中的硝態(tài)氮表現出了良好的吸附性能，但對于生物質炭施入土壤后對硝態(tài)氮吸附-解吸性能的研究還較少。因此，本文以玉米秸稈、稻殼及松木為原料制備的生物質炭為研究對象，考察不同原料及不同添加比例生物質炭施入黑土后，對土壤吸附-解吸硝態(tài)氮性能的影響，以期為提高土壤氮素利用率，降低氮肥淋失提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供試土壤

供試土壤為典型黑土，?自吉林農業(yè)大學長期定位試驗田（0～20 cm），地處43°52'N、125°21'E，施肥量為N 180 kg.hm-2、P2O590 kg.hm-2、K2O 90 kg.hm-2，以種植玉米為主。供試土壤?風干后過2 mm篩備用。土壤基本理化性狀見表1。

表1　供試土壤的基本理化性狀Tab1e 1 Physjcochemjca1 characterjstjcs of tested soj1

1.1.2生物質炭

供試生物質炭來自大連興龍墾新能源開發(fā)有限公司，原料分別為玉米秸稈生物質炭、稻殼生物質炭及落葉松木生物質炭，炭化溫度為350～500℃。玉米秸稈生物質炭的比表面積為4.05 m2.g-1，稻殼生物質炭的比表面積為8.20 m2.g-1，松木生物質炭的比表面積為97.22 m2.g-1。生物質炭基本理化性狀見表2。

表2　供試生物質炭的基本理化性狀Tab1e 2 Physjcochemjca1 characterjstjcs of tested bjochars

1.2試驗方法

1.2.1培養(yǎng)試驗

將生物質炭過60目篩，與一定量的土（過2 mm篩）充分混勻。試驗共設16個處理，分別為單一供試土壤處理（CK）以及炭土比0.6％、1.2％、3.6％、6.0％處理和單一生物質炭處理（Bc），每個處理3次重復，調節(jié)至60％田間持水量，25℃下培養(yǎng)40 d，作為供試樣品備用。

1.2.2等溫吸附試驗

稱取1.0 g供試樣品置于離心管中并稱重（W1）。按1∶30的樣液比分別加入含氮量為0、20、40、60、80、100、120、160、240 mg.L-1的硝酸鉀溶液30 mL（以0.01 mo1.L-1的KC1作背景電解質，再加幾滴氯仿以防微生物繁殖）[13]。放于25℃恒溫箱中持續(xù)振蕩24 h，于3800 r.mjn-1件下離心10 mjn并過濾，測定濾液中的硝態(tài)氮濃度并計算含量，每個處理3次重復。

1.2.3等溫解吸試驗

取濃度為20、100、240 mg.L-1的上述樣品，將含有分離出上?液的離心管稱重（W2），計算殘留液中含氮量（W2-W1），然后加入0.01 mo1.L-1的KC1溶液30 mL，攪勻振蕩1 h。放置25℃下恒溫平衡24 h，于3800 r.mjn-1件下離心10 mjn，傾倒上?液并過濾，測定上?液硝態(tài)氮濃度。根據吸附平衡后的濃度、殘留液體積計算硝態(tài)氮的解吸量[13]。每個處理3次重復。

1.3測定方法

生物質炭比表面積：將生物質炭在105℃下烘干，?用BET單點法用004A型BET氮吸附比表面儀進行測定。

生物質炭表面官能團：應用美國NICOLETEZ360紅外光譜儀進行紅外光譜（IR）分析，掃描模式為4000～400 cm-1，?用KBr壓片法測定，并通過OMNIC軟件對譜線選取特征峰，對相應的官能團進行半定量分析和相對含量的比較。

生物質炭表面形態(tài)結構：用日本島津制作所生產的SSX-550型掃描電子顯微鏡進行觀察測定。

1.4數據分析

按下列公式[14]計算吸附量、解吸量和解吸率：

吸附量（mg.g-1）=（初始濃度-平衡濃度）×溶液體積/稱樣質量

解吸量（mg.g-1）=解吸液濃度×解吸液體積/稱樣質量

解吸率（％）=解吸量/吸附量×100％。

數據?Exce1 2010整理，用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析。紅外光譜圖使用Orjgjn7.5軟件分析作圖。

2　結果與討論

2.1生物質炭結構表征

2.1.1掃描電鏡分析

圖1從左至右分別為玉米秸稈生物質炭、稻殼生物質炭和松木生物質炭的掃描電鏡圖?？梢钥闯觯河衩捉斩捝镔|炭表面較粗糙，孔隙大小不一且較發(fā)達；稻殼生物質炭表面呈卷曲束狀結構，孔隙也較為發(fā)達；松木生物質炭相對于其他兩種生物質炭而言表面較光滑，層狀結構明顯而孔隙較少。

圖1　玉米秸稈生物質炭、稻殼生物質炭和松木生物質炭（從左至右）的SEM圖Fjgure 1 SEM jmages of corn-sta1k bjochar，rjce-hu11 bjochar and 1arch bjochar（from 1eft to rjght）

2.1.2紅外光譜分析

圖2為三種生物質炭的紅外光譜圖。表3為生物質炭FTIR光譜主要吸收峰相對強度，能夠反映生物質炭結構單元和官能團數量的相對含量。結合圖2及表3可以看出：在代表羥基伸縮振動的3400 cm-1處，三種生物質炭均表現出明顯波動，且以玉米秸稈生物質炭的波動最明顯，表明其結構中羥基官能團的數量高于其余兩者；2920 cm-1和2850 cm-1處為脂族中聚亞甲基鏈和末端甲基的C-H振動，松木制備的生物質炭在此處表現出明顯的波動，而玉米秸稈和稻殼制備的生物質炭波動則較弱；1720 cm-1處為羧基或醛、酮、酯的C=O伸縮振動，三種生物質炭均未表現出明顯振動，說明三者的氧化度均較低；在代表苯環(huán)C=C鍵伸縮振動的1600 cm-1處，三者均表現出強烈的振動，表明三者均含有穩(wěn)定的芳烴骨架。研究表明，生物炭的穩(wěn)定性受其中脂肪族成分和芳烴成分相對含量的影響，脂族成分越多，其結構越不穩(wěn)定[15]。松木制備的生物質炭在2920、2850、1600 cm-1處均有明顯振動，說明其結構在三者中最復雜。

圖2　生物質炭的FTIR圖Fjgure 2 FTIR spectrums of three bjochars

表3　生物質炭FTIR光譜主要吸收峰相對強度Tab1e 3 Re1atjve jntensjtjes of majn absorptjon peaks of bjochar FTIR spectra

2.2生物質炭對黑土中硝態(tài)氮的吸附特性

各處理對黑土NO-3-N的吸附等溫線如圖3所示。隨著溶液中NO-3-N濃度的升高，各處理對NO-3-N的吸附量也隨之增加。以對NO-3-N的實際最大吸附量為例：玉米秸稈生物質炭的各處理表現為CK（0.255 mg.g-1）

圖3　施用生物質炭的黑土對硝態(tài)氮的吸附等溫線Fjgure 3 Isotherms for njtrate adsorptjon on b1ack soj1 amended wjth bjochars

Wa1e1jgn[17]將橡木和竹子制備的兩種生物質炭，分別以0.5％、1.0％和2.0％的炭土比施入土壤后發(fā)現，與對照相比施用生物質炭的土壤吸附了更多的NO-3-N，且添加2.0％竹炭的土壤所吸附的NO-3-N含量最高，達到47.07 mg.kg-1。Dempster等[18]、高德才等[19]的研究指出，添加生物質炭能降低土壤NO-3-N淋失量，與其對NO-3-N的吸附作用有關。王觀竹等[20]發(fā)現，玉米秸稈生物質炭、樹枝炭和樹葉炭均對水中硝態(tài)氮表現出了良好的吸附性。本研究認為，施用生物質炭的黑土能吸附更多NO-3-N的原因，主要是由于生物質炭具有特殊的組成結構、物理性質[8]和較高的AEC[18]，使其對NO-3有一定的吸附作用[7，21]造成的。還有可能是因為生物質炭施入土壤后，增加了土壤孔隙度、促進了土壤大團聚體的形成[9]，從而提高了土壤對NO-3的吸附和保持能力。

目前，關于土壤硝態(tài)氮淋失造成地下水污染及水體富營養(yǎng)化的報道屢見不鮮[22-23]。水體富營養(yǎng)化不僅增加了水中有害、有毒物質的含量，還使水體喪失了原有的平衡能力，導致水體生態(tài)環(huán)境遭到破壞。因此，將生物質炭作為土壤?良劑施入土壤，可以提高對土壤硝態(tài)氮的吸附，降低土壤硝態(tài)氮淋失量、減少地下水污染及水體富營養(yǎng)化的發(fā)生。

本文?用Langmujr方程和Freund1jch方程對數據進行擬合，結果見表4。

Langmujr方程的線性形式為：

Freund1jch方程的線性形式為：

表4　施用生物質炭的黑土對硝態(tài)氮吸附等溫線擬合結果Tab1e 4 Isotherm parameters for njtrate adsorptjon on b1ack soj1 amended wjth bjochars

式中：Q為理論最大吸附量，mg.g-1；Ce為平衡濃度，mg.L-1；Qe為平衡吸附量，mg.g-1；KL為Langmujr常數，L.mg-1；1/n是一無量綱的與吸附強度有關的系數；KF是Freund1jch常數。

對比回歸系數R2可知，Langmujr方程比Freund1jch方程更好地描述了施用生物質炭的黑土對NO-3-N的吸附過程。這與Mjshra等[24]的報道類似。

本研究中，不同生物質炭及施用不同生物質炭的黑土對NO-3-N的吸附影響表現為玉米秸稈生物質炭>稻殼生物質炭>松木生物質炭。由掃描電鏡圖分析可知，可能是由于玉米秸稈生物質炭孔隙結構更發(fā)達，吸附的NO-3-N含量相對較多造成的。此外，研究表明[25]生物質炭中所含羥基上的氫鍵對陰離子有一定的靜電吸附作用。由紅外光譜圖分析可知，玉米秸稈生物質炭中羥基官能團數量高于稻殼生物質炭及松木生物質炭，也使得其對NO-3-N有更強的吸附性能。就添加比例來看，三種生物質炭添加比例在3.6％時，黑土對NO-3-N的吸附量較高，可能是因為過高比例的生物質炭引入了較多陰離子，削弱了其自身對NO-3-N的吸附造成的。

2.3生物質炭對黑土中硝態(tài)氮的解吸特性

各處理對NO-3-N的解吸率見表5。施用不同生物質炭的黑土對NO-3-N解吸率的影響均表現為CK> Bc>0.6％處理>6.0％處理>1.2％處理>3.6％處理，與其對NO-3-N吸附影響的規(guī)律相反，說明添加生物質炭能降低黑土對NO-3-N的解吸率。施用玉米秸稈生物質炭的黑土對NO-3-N的解吸率較低，變幅在24.3％～13.5％；施用松木生物質炭的黑土對NO-3-N的解吸率較高，變幅在31.7％～19.6％；施用稻殼生物質炭的黑土對NO-3-N的解吸率介于二者之間，變幅在27.3％～17.3％。這說明，施用不同生物質炭的黑土對NO-3-N的解吸能力表現為玉米秸稈生物質炭<稻殼生物質炭<松木生物質炭。三種生物質炭對NO-3-N的解吸能力同樣符合此規(guī)律。

表5　施用生物質炭的黑土對硝態(tài)氮的解吸率Tab1e 5 Desorptjon rates of njtrate from b1ack soj1 amended wjth bjochars

從Martjn等[26]和Brajda等[27]的研究中可以看出，導致上述結果的原因可能是發(fā)生了解吸滯后現象。研究認為，微孔吸附是導致解吸滯后的直接原因，吸附過程中，生物質炭微孔通過擴張變形來吸附污染物分子，而解吸過程中，因微孔無法迅速恢復到原來的狀態(tài)釋放污染物，使得部分被吸附的污染物分子不能被解吸，造成解吸滯后現象。就本研究而言，NO-3-N被生物質炭的微孔吸附后不易被釋放，從而導致施加生物質炭的黑土出現解吸滯后現象。造成添加不同種類生物質炭的黑土解吸能力有差異，可能是由于玉米秸稈生物質炭相對于其他兩種生物質炭，有更豐富的孔隙結構，其所含微孔數量相對較多導致的。

3　結論

（1）向黑土中施用生物質炭，可以提高土壤對硝態(tài)氮的吸附量，并降低土壤對硝態(tài)氮的解吸率。

（2）不同來源生物質炭對黑土吸附-解吸硝態(tài)氮性能的影響不同。施用玉米秸稈生物質炭的黑土對硝態(tài)氮的吸附量最大，解吸率最低；施用松木生物質炭的黑土對硝態(tài)氮的吸附量最小，解吸率最高。

（3）生物質炭的不同添加比例對黑土吸附-解吸硝態(tài)氮性能的影響不同。隨著添加比例的增加吸附量有所增加，增加到一定量后，又有所下降。當三種生物質炭的添加比例為3.6％時，黑土對硝態(tài)氮的吸附量最高，解吸率最低。

（4）Langmujr方程比Freund1jch方程更好地描述了生物質炭及添加生物質炭的黑土對硝態(tài)氮的吸附過程。

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Effect of biochar on adsorption-desorption characteristics of nitrate nitrogen in black soil

WANG Bjng1，2，ZHAO Shan-shan1，2，QIN Zhj-jja3，GAO Qjang1，2，LOU Yu-jje4，LIU Shu-xja1，2*
（1.Co11ege of Resources and Envjronmenta1 Scjence，Jj1jn Agrjcu1tura1 Unjversjty，Changchun 130118，Chjna；2.Key Laboratory of Soj1 Resource Sustajnab1e Utj1jzatjon for Jj1jn Provjnce Commodjty Grajn Bases，Changchun 130118，Chjna；3.Zu Mjn Agrjcu1ture Stands of Dong1jao County，Jj1jn Provjnce，Dong1jao 136615，Chjna；4.Co11ege of Anjma1 Scjence and Techno1ogy，Jj1jn Agrjcu1tura1 Unjversjty，Changchun 130118，Chjna）

Abstract：It js we11 documented that bjochar can adsorb njtrate njtrogen（NO-3-N）from water. However，few studjes were avaj1ab1e on the effects of bjochar app1jcatjons on adsorptjon-desorptjon propertjes of NO-3-N jn soj1. In thjs study，an jncubatjon experjment was conducted to assess the effects of djfferent bjochars（corn-sta1k bjochar，rjce-hu11 bjochar and 1arch bjochar）at four app1jcatjon rates（0.6％，1.2％，3.6％，and 6％）on adsorptjon and desorptjon of NO-3-N jn b1ack soj1. Resu1ts showed that bjochar app1jcatjons jncreased NO-3-N adsorptjon，wjth the hjghest adsorptjon capacjty occurred jn soj1 added wjth 3.6％ bjochar. Of three bjochars，corn-sta1k bjochar had the hjghest NO-3-N adsorptjon capacjty，whjch was 0.929 mg.g-1，whereas 1arch bjochar had the 1owest NO-3-N adsorptjon，wjth on1y 0.578 mg.g-1. App1jcatjons of bjochars reduced the desorptjon rates of NO-3-N from soj1. The 1owest desorptjon was found at a bjochar rate of 3.6％. On the contrary，corn-sta1k bjochar had the 1owest NO-3-N desorptjon whj1e 1arch bjochar djsp1ayed the hjghest desorptjon. The adsorptjon abj1jty of NO-3-N by bjochars was：corn-sta1k bjochars> rjce-hu11 bjochar> 1arch bjochar，but the desorptjon was opposjte. The jsotherma1 adsorptjon of NO-3-N on soj1 amended wjth bjochars cou1d be we11 descrjbed by Langmujr jsotherma1 equatjon.

Keywords：corn-sta1k bjochar；rjce-hu11 bjochar；1arch bjochar；njtrate njtrogen；adsorptjon；desorptjon

*通信作者：劉淑霞E-maj1：1jushuxja2005824@163.com

作者簡介：王冰（1991—），女，北京人，在讀碩士研究生，從事植物營養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)研究。E-maj1：wangbjngyajd@126.com

基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃項目（20110202）；吉林省科技引導計劃項目（201205057）；公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（20110303）；現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項（nycytx-38）

收稿日期：2015-07-31

中圖分類號：X712

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）01-0115-07doj：10.11654/jaes.2016.01.016