稻殼炭改良耕地土壤調(diào)控農(nóng)業(yè)面源污染的應用研究

劉 新，趙 珍，戴天磊，唐曉嵐，許夢文，張齊生

(南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210000)

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量含氮、磷污染物進入湖泊、河流，導致水體富營養(yǎng)化，其中以農(nóng)業(yè)流域性氮、磷面源污染尤為突出。據(jù)報道，我國有1/3以上的河流受到污染，約有50%的地區(qū)地下水存在不同程度的污染[1-3]。將農(nóng)業(yè)面源污染防治納入到水環(huán)境保護的措施中，才能從根本上解決我國的水污染問題。因此，在保證農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的前提條件下，強化新型農(nóng)業(yè)土壤改良技術(shù)，降低現(xiàn)行化肥農(nóng)藥的施用總量，源頭控制流域性氮、磷農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)，已成為當前非常重要和迫切的新課題。

生物炭是指生物有機質(zhì)在缺氧或低氧環(huán)境中經(jīng)過高溫熱解后形成的固體產(chǎn)物[4-6]，具有疏松多孔、比表面積大、吸附能力強等特點[7]，可改善土壤微生物的環(huán)境，在減少土壤養(yǎng)分流失、農(nóng)藥殘留，減緩溫室效應，提高肥料利用率，治理重金屬、有機物污染等方面具有積極作用[8-11]。目前，國內(nèi)外關(guān)于生物炭及其對土壤理化性質(zhì)的研究較多。Asai等[12]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能提高土壤飽和含水率；Uzoma等[13]研究表明，土壤pH值隨著生物炭施加量的增加而上升；Liu等[14]在水稻田中添加竹炭后，土壤中釋放的CH4量較未添加處理減少了51.1%；劉新源等[15]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可以顯著促進煙葉生長，提高煙草產(chǎn)質(zhì)量。但現(xiàn)階段研究多側(cè)重于生物炭對土壤單一方面的改良，而在生物炭對土壤-水體生態(tài)系統(tǒng)的影響、控制農(nóng)業(yè)面源污染方面研究報道較少。稻殼秸稈作為農(nóng)作物殘余物，其資源化利用具有良好的應用前景。鑒于此，對施用稻殼炭的土壤進行理化性質(zhì)[土壤溫度、pH值、有機質(zhì)含量、含水率、孔隙度、陽離子交換量(CEC)、鋁含量]分析，研究稻殼炭改良土壤的實際效果，確定最佳施用配比及區(qū)域施用布置方式，此外，監(jiān)測化學需氧量(COD)，總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)質(zhì)量濃度等指標的沿程變化情況，確定水體污染特征，以期在保證糧食產(chǎn)量的前提條件下，有效地控制農(nóng)業(yè)面源污染。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南京市溧水縣白馬鎮(zhèn)白龍村，農(nóng)業(yè)種植區(qū)域總面積13.33 hm2，土壤類型以壤土、砂壤土為主，土層深厚，富含有機質(zhì)，年均降雨量1 087.4 mm，光照充足，為亞熱帶季風氣候。研究區(qū)土壤基本理化性質(zhì)如表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

稻殼炭由安徽鑫泉米業(yè)有限公司提供，基本理化特性如表2。

表2 稻殼炭的基本理化性質(zhì)

1.3 試驗方法

供試水稻為南粳5055，于2013年5月24日播種，6月25日移栽，11月5日成熟，根據(jù)測土配方施肥結(jié)果，結(jié)合當?shù)赜袡C肥資源及用肥習慣，制定研究區(qū)作物有機種植、耕作、施肥方式。具體措施為：利用旋耕機將稻殼炭旋耕于表層土壤，旋耕深度為10～15 cm，試驗設(shè)置稻殼炭與純土(地表下1.5 m處的土壤)體積比為0.3∶15、0.6∶15、0.9∶15、1.2∶15、1.5∶15、3∶15、6∶15、9∶15、12∶15、15∶15(炭土比分別為0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)，以不添加稻殼炭(炭土比為0)處理為CK。

對有機種植區(qū)農(nóng)田徑流水體進行連續(xù)監(jiān)測，時間為2013年7月13日—10月11日，每5 d取樣一次，連續(xù)取樣19次，根據(jù)《水和廢水檢測分析方法》(第4版)對經(jīng)過作物種植和合理施肥后的農(nóng)田水進行檢測分析。在冬季小麥種植前進行土壤采樣，每個樣品取15～20個樣點，共取樣品70個。為了保證測試結(jié)果的準確性，選擇當?shù)貎珊贤痢ⅫS泥土2個典型土種作為參比樣制備基礎(chǔ)土樣。取樣點設(shè)置見表3。

表3 取樣點位置

1.4 測定項目及方法

土壤溫度用土壤溫度計(CEM DT-B1)測定；土壤pH值用電位法測定(水土比為2.5∶1)；有機質(zhì)含量用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定；土壤含水率用稱質(zhì)量法檢測；土壤孔隙度通過土壤容重和比重計算得到，參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[16]；土壤CEC用中性乙酸銨法(DB 33/T 966—2015)測定，土壤鋁含量用容量法(GB/T 5009.182—2003)測定。TN含量用堿性過硫酸鉀分光光度法(GB 11894—89)測定；NH3-N含量用水楊酸-次氯酸鹽光度法(HJ 536—2009)測定；TP含量用鉬酸鹽分光光度法(GB 11894—89)測定；COD用高錳酸鉀法(GB/T 15456—2008)測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和Origin 8.5進行處理，采用SPSS 13.0進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用稻殼炭對土壤的改良效果

2.1.1 溫度 由表4可知，當炭土比為0.02、0.04、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0時，各處理的平均土壤溫度較CK分別增加3.76%、7.71%、11.37%、14.35%、14.74%、19.65%、26.30%、28.90%。結(jié)果表明，添加稻殼炭提高了土壤溫度，且提高幅度隨稻殼炭添加比例的增大而增大。

表4 不同比例稻殼炭對日周期土壤溫度的影響 ℃

2.1.2 pH值 由圖1可知，當炭土比為0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4時，各處理的土壤pH值較CK分別增加0.20%、1.79%、1.98%、3.33%、3.89%、5.26%、7.29%，但差異不顯著。炭土比為0.6、0.8、1.0處理的土壤pH值較CK分別顯著增加13.56%、15.59%、18.83%。整體上，添加稻殼炭提高了土壤pH值，這可能是因為稻殼炭含有一定量的堿性物質(zhì)和鹽基陽離子，可以降低土壤酸度，增加土壤交換性鹽基數(shù)量和鹽基飽和度，從而提高酸性土壤的pH值[17-18]。

不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著，下同圖1 不同比例稻殼炭對土壤pH值的影響

2.1.3 有機質(zhì) 由圖2可知，炭土比為0.4、0.6、0.8、1.0處理的土壤有機質(zhì)含量較CK分別顯著增加25.65%、43.11%、50.44%、58.64%，說明在土壤中加入稻殼炭可以增加土壤中有機質(zhì)的含量，即稻殼炭對土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為促進作用。土壤有機質(zhì)含量是土壤肥力及環(huán)境質(zhì)量情況的一個重要表征，保持土壤中較高的有機質(zhì)含量是土地持續(xù)利用和作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的先決條件[19]。土壤有機質(zhì)來源于土壤微生物和土壤動物及其分泌物，包括腐殖物質(zhì)、有機殘體和微生物，其含量僅1%～3%，但對土壤性狀的影響極大[20]，這為稻殼炭改良土壤、提高作物產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。

圖2 不同比例稻殼炭對土壤有機質(zhì)含量的影響

2.1.4 含水率 由圖3可知，炭土比<0.6處理的土壤含水率與CK均無顯著差異，炭土比為0.6、0.8、1.0處理的土壤含水率較CK分別顯著增加19.60%、24.80%、28.00%。稻殼炭表面富含豐富羧基、羥基等親水基團，施入土壤后，水分散失較慢，土壤含水率增加，從而有助于作物的生長。此外，稻殼炭覆蓋在土壤表面會對光能的吸收和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響，減少土壤與大氣之間的熱能交換，降低太陽的地表直接輻射量，從而減少水分的蒸散損失。

圖3 不同比例稻殼炭對土壤含水率的影響

2.1.5 孔隙度 由圖4可知，炭土比為0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4處理的土壤孔隙度較CK分別增加了5.30%、9.09%、15.39%、13.99%、18.88%、20.28%、25.87%，但均無顯著差異，炭土比為0.6、0.8、1.0處理的土壤孔隙度分別顯著增加54.55%、71.33%、86.71%，即土壤孔隙度隨稻殼炭施用比例的增加呈增加趨勢。

圖4 不同比例稻殼炭對土壤孔隙度的影響

2.1.6 CEC 由圖5可知，與CK相比，炭土比為0.02、0.04、0.06、0.08處理的土壤CEC并未顯著增加，炭土比為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0處理的土壤CEC分別顯著增加33.75%、37.13%、40.50%、65.50%、109.00%、122.00%。土壤CEC可在一定程度上反映土壤的保肥、供肥能力，一般認為，當土壤CEC>20 cmol/kg時，土壤的保肥供肥能力較強；當土壤CEC在10～20 cmol/kg時，土壤的保肥供肥能力中等[21-22]。炭土比大于0.1時，其土壤CEC均大于10 cmol/kg，且在炭土比為0.6時，土壤CEC較CK顯著增加，說明加入稻殼炭可以提高土壤的保肥、供肥能力。

圖5 不同比例稻殼炭對土壤CEC的影響

2.1.7 鋁含量 由圖6可知，土壤中鋁含量隨稻殼炭添加比例的增大而減小，炭土比為0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0處理的土壤鋁含量較CK分別降低0.16%、0.31%、0.47%、0.78%、0.94%、1.72%、3.13%、4.84%、6.56%、6.88%，且炭土比為0.6、0.8、1.0處理與CK差異顯著。鋁毒是酸性土壤地區(qū)作物生長不良的主要原因，稻殼炭可以減少土壤中交換性鋁、可溶性鋁等有毒形態(tài)鋁的含量，進而降低酸性土壤中鋁的活性，減小可溶態(tài)鋁由陸地向地表水的遷移量，有利于保護地表水體、緩解酸性土壤鋁對植物的毒害。

圖6 不同比例稻殼炭對土壤鋁含量的影響

2.2 施用稻殼炭對徑流水體氮、磷質(zhì)量濃度的影響

由圖7可以看出，總體上，T1、T2、T3、C1采樣點TN、TP、NH3-N質(zhì)量濃度及COD隨水稻生育進程的推進呈下降趨勢，7月為施肥時期，故水體中TN、TP、NH3-N質(zhì)量濃度及COD突然上升，隨后又逐漸降低。經(jīng)過一個作物生長周期后，有機種植區(qū)排水口(C1)TN質(zhì)量濃度由最高值4.67 mg/L降為0.81 mg/L，降低了82.66%，TP質(zhì)量濃度由0.124 mg/L減少為0.012 mg/L，降低了90.32%，NH3-N質(zhì)量濃度由0.254 mg/L降為0.042 mg/L，降低了83.46%，COD由6.68 mg/L降為2.65 mg/L，降低了60.33%。可見，農(nóng)田水中氮、磷等污染物主要來自于肥料，施用稻殼炭后，土壤中的氮、磷大部分供于植物生長，流失到水體中的量減少，即稻殼炭可明顯改善土壤面源污染。

圖7 不同比例稻殼炭對徑流水體TN、TP、NH3-N質(zhì)量濃度及COD的影響

3 結(jié)論與討論

生物炭是生物質(zhì)在缺氧條件下，經(jīng)高溫熱裂解后形成的多孔、高CEC、低容重類物質(zhì)，對土壤性狀改良、環(huán)境污染修復、作物生長等方面都有一定的積極作用[23]。農(nóng)作物秸稈材料制成的生物炭，因其灰分含量高，在農(nóng)業(yè)上應用前景較好，施入土壤后，生物炭覆蓋在土壤表面，減少了土壤與大氣之間的熱交換，生物炭覆蓋在土壤表面會使土壤溫度變化緩和，緩解作物因氣候激變導致的傷害。本研究中，不同添加比例稻殼炭處理的土壤溫度較CK有不同程度的提高，這與目前多數(shù)研究結(jié)果[23-24]一致。Novak等[25]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭中含有礦質(zhì)元素(K、Ca、Mg)，溶于水后顯堿性，能置換土壤的一部分H+，從而使土壤的pH值變大，本研究中，炭土比為0.6、0.8、1.0處理的pH值較CK顯著增大13.56%～18.83%，本研究與其研究結(jié)果一致。生物炭對土壤含水率的影響源于其多微孔結(jié)構(gòu)，本研究中，炭土比為0.6、0.8、1.0處理的土壤含水率較CK顯著增加19.60%～28.00%，即施用生物炭后可以增加土壤持水率，提高土壤含水量及降水的滲入量，這與Oguntunde等[26]研究結(jié)果一致。此外，生物炭含有豐富的有機碳，施用生物炭可以增加土壤有機質(zhì)含量，本研究結(jié)果與唐光木等[27]、郭大勇等[28]研究結(jié)果一致。

參考文獻:

[1] 王金鳳.城市備用水源地選擇與保護研究[D]．揚州:揚州大學,2012.

[2] Sun B,Zhang L X,Yang L Z,etal.Agricultural non-point source pollution in China:Causes and mitigation measures[J].Ambio,2012,41(4):370-379.

[3] Guo L．Doing battle with the green monster of Taihu lake[J].Science,2007，317:1166.

[4] 章芹,朱永恒.當前農(nóng)業(yè)面源污染的主要形式及綜合治理措施[J].現(xiàn)代農(nóng)村科技(資源與環(huán)境),2011(16)：56-58．

[5] Hossain M K,Strezov V,Chan K Y,etal.Influence of pyrolysis temperature on production and nutrient properties of wastewater sludge biochar[J].Journal of Environmental Management,2011,92(1):223-228.

[6] Lehmann J.A handful of carbon[J].Nature,2007,447(7141):143-144.

[7] Viger M,Hancock R D,Miglietta F,etal.An investigation into the reactions of biochar in soil[J].Soil Research,2010,48(7):501-515.

[8] Lu H F,Muhammad S L,Liu X Y.Changes in soil microbial community structure and enzyme activity with amendment of biochar-manure compost and pyroligneous solution in a saline soil from central China[J].European Journal of Soil Biology,2015,70:67-76.

[9] Kei M,Toshitatsu M,Yasuo H,etal．Removal of nitrate-nitrogen from drinking water using bamboo powder charcoal[J]．Bioresource Technology,2004,95:255-257.

[10] Steiner C,Glaser B,Teixeira W G,etal.Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and chareola[J].Soil Science and Plant Nutrition,2008,171: 893-899.

[11] Mchenry M P.Soil organic carbon,biochar,and applicable research results for increasing farm productivity under Australian agricultural conditions[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2010,42(10): 1187-1199.

[12] Asai H,Samson B K,Stephan H M,etal.Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos:Soil physical properties,leaf SPAD and grain yield[J].Field Crops Research,2009,111(1):81-84．

[13] Uzoma K C,Inoue M,Andry H,etal．Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition[J].Soil Use and Management,2011,27(2): 205-212.

[14] Liu Y,Yang M,Wu Y,etal.Reducing CH4and CO2emissions from waterlogged paddy soil with biochar[J].Journal of Soils and Sediments,2011,11(6):930-939．

[15] 劉新源,劉國順,劉宏恩,等.生物炭施用量對煙葉生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學,2014,43(2)：58-62.

[16] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,2000.

[17] 范弟武,李秀芝,黃斌,等.稻殼秸稈炭施加對設(shè)施土壤的改良效果[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報,2016,32(2):345-350.

[18] 張祥,王典,姜存?zhèn)},等.生物炭及其對酸性土壤改良的研究進展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學,2013,52(5):997-1000.

[19] 趙明松,張甘霖,李德成,等.江蘇省土壤有機質(zhì)變異及其主要影響因素[J].生態(tài)學報,2013,33(16):5058-5066.

[20] Benjamin S,Balwant S.Agronomic performance of a high ash biochar in two contrasting soil[J].Agriculture Ecosystems and Evironment,2014,191:99-107.

[21] Roelck M,Han Y,Schleef K H,etal.Recent trends and recom-mendations for nitrogen fertilization in intensive agriculture in eastern China[J].Pedosphere,2004,14(4):449-460.

[22] 林志靈,王靜,張楊珠.不同施肥結(jié)構(gòu)對稻田土壤CEC和土壤酸性的影響[J].土壤通報,2011,42(1):42-45.

[23] 翁福軍,盧樹昌.生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應用的研究進展與前景[J].北方園藝,2015(8)：199-203.

[24] 魏春輝,任奕林,劉峰,等.生物炭及生物炭基肥在農(nóng)業(yè)中的應用研究進展[J].河南農(nóng)業(yè)科學,2016,45(3):14-19.

[25] Novak J M,Busscher W J,Laird D L,etal.Impact to biochar amendment on fetility of a southeastern coastal plain soil[J].Soil Science,2009,174(2):105-112.

[26] Oguntunde P G,Abiodun B J,Ajayi A E.Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J].Joumal of Plant Nutrient and Soil Science,2008,171(4):591-596.

[27] 唐光木,葛春輝,徐萬里．施用生物黑炭對新疆灰漠土肥力與玉米生長的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2011,30(9):1797-1802.

[28] 郭大勇,尚東耀,王旭剛,等.改性生物炭對玉米生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收和土壤理化性狀的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學,2017,46(2):22-27.

[29] Yuan J H,Xu R K,Zhang H.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J].Bioresource Technology,2011,102(3):3488-3497．

[30] Hua L,Wu W X,Liu Y,etal.Reduction of nitrogen loss and Cu and Zn mobility during sludge composting with bamboo charcoal amendment[J].Environmental Science and Pollution Research,2009,16(1):1-9.

[31] 周珊,陳斌,王佳瑩,等.改性竹炭對氨氮的吸附性能研究[J].浙江大學學報(農(nóng)業(yè)與生命科學版),2007,33(5):584-590．

[32] Kimetuj M,Lehmann J.Stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organic carbon contents[J].Australian Journal of Soil Research,2010,48(6):577-585．

[33] 宋延靜,龔駿.施用生物質(zhì)炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響[J].魯東大學學報(自然科學版),2010，26(4):361-365.

[34] 尹秀玲,張璐,賈麗,等.玉米秸稈生物炭對暗棕壤性質(zhì)和氮磷吸附特性的影響[J].吉林農(nóng)業(yè)大學學報,2016,38(4):439-445.

[35] 邢英,李心清,王兵,等.生物炭對黃壤中氮淋溶影響：室內(nèi)土柱模擬[J].生態(tài)學雜志,2011,30(11)：2483-2488.