水分調(diào)節(jié)對施用生物炭的重金屬污染土壤速效養(yǎng)分的影響研究

張 蘭，夏紅霞，朱啟紅，夏洋漪，李 強，呂偉國

（1.重慶化工職業(yè)學(xué)院，重慶長壽 401228；2.重慶文理學(xué)院重慶市環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重點實驗室，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]、促進植物生長[5]。為此，相關(guān)研究者進行了大量研究工作，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物、氣體、土壤養(yǎng)分和水分等，為土壤微生物的生長提供良好的環(huán)境[8]；而且，進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)，促進土壤團聚體的形成，加深土壤顏色，進而提高土壤溫度[9]，并通過提高土壤pH 和有機質(zhì)含量，促進土壤可交換態(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]。當土壤中水分過多時，會促進土壤肥分、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，當土壤中水分較少時，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，還會導(dǎo)致作物自身水分、養(yǎng)分不足而枯萎死亡[12]。只有當作物在土壤中得到所需量的水分時，作物才能正常生長，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，利用生物炭可修復(fù)污染土壤或改良低產(chǎn)地，通過調(diào)節(jié)土壤水分也可以改善土壤理化性質(zhì)，進而促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但現(xiàn)有研究僅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象，通過實驗探究水分調(diào)節(jié)措施對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，土壤類型為水稻土?，F(xiàn)場采樣時，采樣深度為0～20 cm，同時在現(xiàn)場測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 實驗方法

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，用高純水補充水分至田間持水量的75%，密封、陳化4周后進行水分調(diào)節(jié)實驗。

分別取2.0 kg陳化后的土壤于塑料燒杯中，根據(jù)前期測試的土壤田間持水量，用高純水補充土壤含水量至實驗設(shè)置要求，充分混勻、密封后置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)。為保持各實驗組土壤水分含量恒定，通過稱重法每2天補充一次水分。實驗設(shè)計共六組：CK（無添加水，對照）、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)測試與計算，對照組（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)計分析。

1.3 測定方法

土壤pH 采用pH 計測定，土壤陽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，土壤堿解氮測定采用擴散吸收法，土壤速效鉀采用中性乙酸銨浸提-火焰光度計法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析作圖，SPSS 20.0進行單因素方差分析，顯著性檢驗水平均設(shè)為0.05，圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）。

2 實驗結(jié)果

2.1 水分對施用生物炭土壤陽離子交換量（CEC）的影響

陽離子交換量（CEC）是評價土壤肥力的重要指標，土壤可交換養(yǎng)分的吸收和供應(yīng)能力可以由CEC來體現(xiàn)[18]。增加土壤CEC含量，可以提高對植物養(yǎng)分的供應(yīng)量[19]。水分調(diào)節(jié)措施對施用生物炭土壤陽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，可增加土壤陽離子交換量含量；但進一步增加土壤水分含量則會降低供試土壤陽離子交換量含量。尤其是土壤水分含量為100%田間持水量時，土壤陽離子交換量只有51.04 cmol/kg，比對照低30.2%，與對照相比差異極其顯著（P＜0.01）。實驗結(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 陽離子交換量的變化

2.2 水分對施用生物炭土壤pH的影響

pH 值是表征土壤性質(zhì)的重要指標之一，對土壤養(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)措施對施用生物炭土壤pH的影響如圖2所示。由圖2可知，在整個實驗期間，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，且與對照相比差異也不顯著（P＞0.05）。實驗結(jié)果還顯示，供試土壤pH 隨土壤水分含量增大并無明顯變化趨勢，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，較長時間淹水，會導(dǎo)致土壤pH持續(xù)下降。

圖2 土壤pH的變化

2.3 水分對施用生物炭土壤速效磷的影響

土壤中的磷分為速效磷、緩效磷或無效磷[22]，速效磷是當季農(nóng)作物吸磷的主要來源。水分調(diào)節(jié)措施對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；但進一步增加土壤水分含量，則會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，供試土壤速效磷含量為34.12 mg/kg，比對照低12.7%，與對照相比差異顯著（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。本實驗結(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 水分對施用生物炭土壤速效鉀的影響

鉀是植物生長所必須的大量營養(yǎng)元素之一[24]，且鉀在土壤中具有較強的移動性，很容易淋溶流失[25]。土壤中對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；但進一步增加土壤水分含量，則會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，土壤速效磷含量為18.0 mg/kg，比對照低31.3%，與對照相比差異極其顯著（P＜0.01），實驗結(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，這說明在土壤鉀素耗竭的情況下，適當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)境和植物正常生長發(fā)育所必需的營養(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態(tài)變化[30]。水分調(diào)節(jié)措施對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照低21.5%，與對照相比差異顯著（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。實驗結(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，供試土壤堿解氮降低值并不明顯；隨著土壤含水量進一步增加，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所需的營養(yǎng)物質(zhì)[33]。有研究表明，在土壤水分不足的情況下，會減緩?fù)寥烙袡C質(zhì)的礦化過程，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]，水分是促進土壤中離子釋放的良好溶劑[35]。本實驗中，適量增加土壤水分含量，可增加供試土壤陽離子交換量；但進一步增加土壤含水量則會降低陽離子交換量，尤其是100%田間持水量條件下土壤陽離子交換量比對照小30.2%，與對照相比差異極其顯著（P＜0.01）。生物炭施入土壤后，會增加土壤孔隙度，其表面會形成羰基、酚基、醌基等官能團，增加對土壤陽離子的吸附能力[36]。當適量增加土壤水分時，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，進而增加土壤陽離子交換量。但當土壤水分增加到一定程度時，則會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對水的排斥性，減緩了生物炭表面被氧化的趨勢[37]，降低了生物炭表面離子交換和吸收的位點，生物炭表面電荷量密度下降，會降低土壤CEC含量[38]。

向土壤中施用生物炭，可以提高土壤pH 值[39]。這是因為向土壤中施用生物炭后，土壤中部分酸性物質(zhì)被生物炭中和，土壤溶液中堿性基團如氫氧根離子、硅酸根離子、碳酸根離子逐漸增多[37]，增加了土壤pH 值；同時，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質(zhì)表面的負電荷增加，增加了對土壤金屬離子的吸附能力[40]。在本實驗中，土壤pH 隨田間持水量的增大并無顯著變化，與對照相比差異也不顯著（P＞0.05）。這主要是因為土壤水分會影響酸、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值一般會隨土壤含水率增加而有提高[41]，但本實驗所用水為高純水，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)會消耗H+，使得土壤pH 逐漸升高[43]。同時，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會減少，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]。實驗結(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；但過量增加土壤含水量則會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照低31.3%、土壤速效磷含量比對照低12.7%，與對照相比差異均顯著（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，這是因為生物有機質(zhì)在厭氧高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)變?yōu)樯锾亢螅锾恐懈缓扇苄缘V物養(yǎng)分[46]，生物質(zhì)中的鉀在生物質(zhì)裂解過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)分以無機離子形態(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，生物炭內(nèi)部孔隙以及表面吸附的養(yǎng)分物質(zhì)會被釋放出來，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)境會使土壤死亡的微生物分解而釋放出磷，進而增加土壤速效磷含量[53]。但當土壤水分含量進一步增加，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)，增加土壤水分會使土壤磷酸酶活性下降，降低有機磷酯水解成無機磷酸的量。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)；但過量的灌水量會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作物生長和產(chǎn)量都具有顯著影響[55]。實驗結(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照，但在土壤含水量增加較少時，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)，生物炭對土壤中的NH4+和NO3-具有非常強的吸附特性，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，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一步增加，將逐漸破壞生物炭和土壤顆粒對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，進而降低土壤堿解氮含量。

4 結(jié) 論

實驗結(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；但當土壤水分含量增加到一定量時，再提高土壤含水量則會降低土壤速效養(yǎng)分含量。因此，在利用生物炭修復(fù)污染土壤時，可通過調(diào)節(jié)土壤水分含量，增加施用生物炭土壤肥力。