稻壳炭改良耕地土壤调控农业面源污染的应用研究

刘 新，赵 珍，戴天磊，唐晓岚，许梦文，张齐生

(南京林业大学，江苏 南京 210000)

近年来，随着工农业的快速发展，大量含氮、磷污染物进入湖泊、河流，导致水体富营养化，其中以农业流域性氮、磷面源污染尤为突出。据报道，我国有1/3以上的河流受到污染，约有50%的地区地下水存在不同程度的污染[1-3]。将农业面源污染防治纳入到水环境保护的措施中，才能从根本上解决我国的水污染问题。因此，在保证农作物产量和质量的前提条件下，强化新型农业土壤改良技术，降低现行化肥农药的施用总量，源头控制流域性氮、磷农业面源污染的关键技术的开发，已成为当前非常重要和迫切的新课题。

生物炭是指生物有机质在缺氧或低氧环境中经过高温热解后形成的固体产物[4-6]，具有疏松多孔、比表面积大、吸附能力强等特点[7]，可改善土壤微生物的环境，在减少土壤养分流失、农药残留，减缓温室效应，提高肥料利用率，治理重金属、有机物污染等方面具有积极作用[8-11]。目前，国内外关于生物炭及其对土壤理化性质的研究较多。Asai等[12]研究发现，生物炭能提高土壤饱和含水率；Uzoma等[13]研究表明，土壤pH值随着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，土壤中释放的CH4量较未添加处理减少了51.1%；刘新源等[15]研究发现，施用生物炭可以显著促进烟叶生长，提高烟草产质量。但现阶段研究多侧重于生物炭对土壤单一方面的改良，而在生物炭对土壤-水体生态系统的影响、控制农业面源污染方面研究报道较少。稻壳秸秆作为农作物残余物，其资源化利用具有良好的应用前景。鉴于此，对施用稻壳炭的土壤进行理化性质[土壤温度、pH值、有机质含量、含水率、孔隙度、阳离子交换量(CEC)、铝含量]分析，研究稻壳炭改良土壤的实际效果，确定最佳施用配比及区域施用布置方式，此外，监测化学需氧量(COD)，总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)质量浓度等指标的沿程变化情况，确定水体污染特征，以期在保证粮食产量的前提条件下，有效地控制农业面源污染。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于南京市溧水县白马镇白龙村，农业种植区域总面积13.33 hm2，土壤类型以壤土、砂壤土为主，土层深厚，富含有机质，年均降雨量1 087.4 mm，光照充足，为亚热带季风气候。研究区土壤基本理化性质如表1。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.2 试验材料

稻壳炭由安徽鑫泉米业有限公司提供，基本理化特性如表2。

表2 稻壳炭的基本理化性质

1.3 试验方法

供试水稻为南粳5055，于2013年5月24日播种，6月25日移栽，11月5日成熟，根据测土配方施肥结果，结合当地有机肥资源及用肥习惯，制定研究区作物有机种植、耕作、施肥方式。具体措施为：利用旋耕机将稻壳炭旋耕于表层土壤，旋耕深度为10～15 cm，试验设置稻壳炭与纯土(地表下1.5 m处的土壤)体积比为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(炭土比分别为0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)，以不添加稻壳炭(炭土比为0)处理为CK。

对有机种植区农田径流水体进行连续监测，时间为2013年7月13日—10月11日，每5 d取样一次，连续取样19次，根据《水和废水检测分析方法》(第4版)对经过作物种植和合理施肥后的农田水进行检测分析。在冬季小麦种植前进行土壤采样，每个样品取15～20个样点，共取样品70个。为了保证测试结果的准确性，选择当地两合土、黄泥土2个典型土种作为参比样制备基础土样。取样点设置见表3。

表3 取样点位置

1.4 测定项目及方法

土壤温度用土壤温度计(CEM DT-B1)测定；土壤pH值用电位法测定(水土比为2.5∶1)；有机质含量用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定；土壤含水率用称质量法检测；土壤孔隙度通过土壤容重和比重计算得到，参照《土壤农业化学分析方法》[16]；土壤CEC用中性乙酸铵法(DB 33/T 966—2015)测定，土壤铝含量用容量法(GB/T 5009.182—2003)测定。TN含量用碱性过硫酸钾分光光度法(GB 11894—89)测定；NH3-N含量用水杨酸-次氯酸盐光度法(HJ 536—2009)测定；TP含量用钼酸盐分光光度法(GB 11894—89)测定；COD用高锰酸钾法(GB/T 15456—2008)测定。

1.5 数据处理

数据采用Excel 2010和Origin 8.5进行处理，采用SPSS 13.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 施用稻壳炭对土壤的改良效果

2.1.1 温度 由表4可知，当炭土比为0.02、0.04、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0时，各处理的平均土壤温度较CK分别增加3.76%、7.71%、11.37%、14.35%、14.74%、19.65%、26.30%、28.90%。结果表明，添加稻壳炭提高了土壤温度，且提高幅度随稻壳炭添加比例的增大而增大。

表4 不同比例稻壳炭对日周期土壤温度的影响 ℃

2.1.2 pH值 由图1可知，当炭土比为0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4时，各处理的土壤pH值较CK分别增加0.20%、1.79%、1.98%、3.33%、3.89%、5.26%、7.29%，但差异不显著。炭土比为0.6、0.8、1.0处理的土壤pH值较CK分别显著增加13.56%、15.59%、18.83%。整体上，添加稻壳炭提高了土壤pH值，这可能是因为稻壳炭含有一定量的碱性物质和盐基阳离子，可以降低土壤酸度，增加土壤交换性盐基数量和盐基饱和度，从而提高酸性土壤的pH值[17-18]。

不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著，下同图1 不同比例稻壳炭对土壤pH值的影响

2.1.3 有机质 由图2可知，炭土比为0.4、0.6、0.8、1.0处理的土壤有机质含量较CK分别显著增加25.65%、43.11%、50.44%、58.64%，说明在土壤中加入稻壳炭可以增加土壤中有机质的含量，即稻壳炭对土壤有机质含量表现为促进作用。土壤有机质含量是土壤肥力及环境质量情况的一个重要表征，保持土壤中较高的有机质含量是土地持续利用和作物高产稳产的先决条件[19]。土壤有机质来源于土壤微生物和土壤动物及其分泌物，包括腐殖物质、有机残体和微生物，其含量仅1%～3%，但对土壤性状的影响极大[20]，这为稻壳炭改良土壤、提高作物产量奠定了基础。

图2 不同比例稻壳炭对土壤有机质含量的影响

2.1.4 含水率 由图3可知，炭土比<0.6处理的土壤含水率与CK均无显著差异，炭土比为0.6、0.8、1.0处理的土壤含水率较CK分别显著增加19.60%、24.80%、28.00%。稻壳炭表面富含丰富羧基、羟基等亲水基团，施入土壤后，水分散失较慢，土壤含水率增加，从而有助于作物的生长。此外，稻壳炭覆盖在土壤表面会对光能的吸收和转换产生影响，减少土壤与大气之间的热能交换，降低太阳的地表直接辐射量，从而减少水分的蒸散损失。

图3 不同比例稻壳炭对土壤含水率的影响

2.1.5 孔隙度 由图4可知，炭土比为0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4处理的土壤孔隙度较CK分别增加了5.30%、9.09%、15.39%、13.99%、18.88%、20.28%、25.87%，但均无显著差异，炭土比为0.6、0.8、1.0处理的土壤孔隙度分别显著增加54.55%、71.33%、86.71%，即土壤孔隙度随稻壳炭施用比例的增加呈增加趋势。

图4 不同比例稻壳炭对土壤孔隙度的影响

2.1.6 CEC 由图5可知，与CK相比，炭土比为0.02、0.04、0.06、0.08处理的土壤CEC并未显著增加，炭土比为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0处理的土壤CEC分别显著增加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，一般认为，当土壤CEC>20 cmol/kg时，土壤的保肥供肥能力较强；当土壤CEC在10～20 cmol/kg时，土壤的保肥供肥能力中等[21-22]。炭土比大于0.1时，其土壤CEC均大于10 cmol/kg，且在炭土比为0.6时，土壤CEC较CK显著增加，说明加入稻壳炭可以提高土壤的保肥、供肥能力。

图5 不同比例稻壳炭对土壤CEC的影响

2.1.7 铝含量 由图6可知，土壤中铝含量随稻壳炭添加比例的增大而减小，炭土比为0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0处理的土壤铝含量较CK分别降低0.16%、0.31%、0.47%、0.78%、0.94%、1.72%、3.13%、4.84%、6.56%、6.88%，且炭土比为0.6、0.8、1.0处理与CK差异显著。铝毒是酸性土壤地区作物生长不良的主要原因，稻壳炭可以减少土壤中交换性铝、可溶性铝等有毒形态铝的含量，进而降低酸性土壤中铝的活性，减小可溶态铝由陆地向地表水的迁移量，有利于保护地表水体、缓解酸性土壤铝对植物的毒害。

图6 不同比例稻壳炭对土壤铝含量的影响

2.2 施用稻壳炭对径流水体氮、磷质量浓度的影响

由图7可以看出，总体上，T1、T2、T3、C1采样点TN、TP、NH3-N质量浓度及COD随水稻生育进程的推进呈下降趋势，7月为施肥时期，故水体中TN、TP、NH3-N质量浓度及COD突然上升，随后又逐渐降低。经过一个作物生长周期后，有机种植区排水口(C1)TN质量浓度由最高值4.67 mg/L降为0.81 mg/L，降低了82.66%，TP质量浓度由0.124 mg/L减少为0.012 mg/L，降低了90.32%，NH3-N质量浓度由0.254 mg/L降为0.042 mg/L，降低了83.46%，COD由6.68 mg/L降为2.65 mg/L，降低了60.33%。可见，农田水中氮、磷等污染物主要来自于肥料，施用稻壳炭后，土壤中的氮、磷大部分供于植物生长，流失到水体中的量减少，即稻壳炭可明显改善土壤面源污染。

图7 不同比例稻壳炭对径流水体TN、TP、NH3-N质量浓度及COD的影响

3 结论与讨论

生物炭是生物质在缺氧条件下，经高温热裂解后形成的多孔、高CEC、低容重类物质，对土壤性状改良、环境污染修复、作物生长等方面都有一定的积极作用[23]。农作物秸秆材料制成的生物炭，因其灰分含量高，在农业上应用前景较好，施入土壤后，生物炭覆盖在土壤表面，减少了土壤与大气之间的热交换，生物炭覆盖在土壤表面会使土壤温度变化缓和，缓解作物因气候激变导致的伤害。本研究中，不同添加比例稻壳炭处理的土壤温度较CK有不同程度的提高，这与目前多数研究结果[23-24]一致。Novak等[25]研究发现，生物炭中含有矿质元素(K、Ca、Mg)，溶于水后显碱性，能置换土壤的一部分H+，从而使土壤的pH值变大，本研究中，炭土比为0.6、0.8、1.0处理的pH值较CK显著增大13.56%～18.83%，本研究与其研究结果一致。生物炭对土壤含水率的影响源于其多微孔结构，本研究中，炭土比为0.6、0.8、1.0处理的土壤含水率较CK显著增加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渗入量，这与Oguntunde等[26]研究结果一致。此外，生物炭含有丰富的有机碳，施用生物炭可以增加土壤有机质含量，本研究结果与唐光木等[27]、郭大勇等[28]研究结果一致。

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