污泥-秸秆混合基生物炭对土壤性质和植物生长的影响

刘凯传,刘佳欢,孙甲玉,李晓晨



污泥-秸秆混合基生物炭对土壤性质和植物生长的影响

刘凯传1,刘佳欢2,孙甲玉1,李晓晨1*

1. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 2. 山东农业大学资源与环境学院, 山东 泰安 271018

随着不合理的人类活动，土壤退化问题日益严重。使用污泥制备的生物炭虽然能减少污泥直接农用带来的环境风险，但其有机碳含量低，改良效果欠佳。本研究以污泥和秸秆为原料制备了污泥秸秆混合基生物炭，并采用黑麦草盆栽试验（120 d）研究了其对土壤性质和黑麦草生长的影响。结果表明秸秆的添加增加了生物炭中的有机碳含量、比表面积和孔径数量。添加30％秸秆的生物炭具有最大的吸附潜力；混合基生物炭促进了黑麦草的生长。施加了3％的SCBC30的黑麦草七日发芽率提高了23.53％，生物量提高66.67％；混合基生物炭提高了土壤的阳离子交换量、微生物量碳、碱解氮和速效磷的含量，在施加量为3%或者4％时效果最好。研究成果证实，污泥秸秆混合基生物炭能有效改善土壤环境，实现剩余污泥的合理回收利用，添加了30%的秸秆制备的生物炭在施加量为3%时，土壤改良效果最好。

污泥; 生物炭; 土壤性质; 黑麦草

日益严重的土壤退化会降低土地生产力，造成作物减产，引发水土流失，加剧温室效应[1]。因此，选择适宜的土壤改良剂以减缓土壤退化已经成为近些年来的研究热点。

污泥作为污水处理的副产物，含有丰富的有机碳、营养物质和无机盐成分，但污泥直接农用会导致重金属和有毒化合物进入土壤，有着巨大的环境风险。将污泥制备成生物炭可以有效的减少这种风险。已有研究表明，生物炭能够有效改善土壤物理、化学和生物特性[2]，增加土壤中速效养分的含量，促进根际微生物的生长[3-6]。但纯污泥制备的生物炭灰分含量过高，有机碳含量较低，而且重金属不能去除完全，大规模应用依然缺乏系统的研究[7]。

本研究的目的是以污泥和秸秆混合物来制备混合基生物炭，并探讨两种原料对生物炭性质的影响。以盆栽实验（120 d）的方式，研究不同混合比的生物炭在不同的施加量对黑麦草生长和土壤理化性质的影响，并尝试讨论其内在机制，确定最优组合。从而更加充分的了解以污泥和秸秆为原料的生物炭对植物生长、土壤性质改良及其影响机制，从而确定污泥秸秆混合基生物炭作为土壤改良剂的效果及其潜在的环境风险，为后续的大规模应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 污泥秸秆混合基生物炭的制备

本试验使用的玉米秸秆取自中国泰安市道朗镇。试验用污泥取自泰安市第一污水处理厂收集的，处理工艺为A2O。在室温下风干（约22 ℃）后，用粉磨机粉碎，并通过60目不锈钢筛网。最后，污泥和秸秆分别保存在干燥的容器中，以避免受潮影响使用。

污泥秸秆混合基生物炭的制备流程如下：

图 1 污泥秸秆混合基生物炭的制备流程

1.2 盆栽试验的设计

试验用土壤取自从山东农业大学南校区试验田，试验田位于山东省泰安市。土壤属于典型的棕壤，其性质见表1。

表 1 盆栽试验用土的物理和化学性质

Table 1 Chemical and physical properties of the soil used in the pot experiments

黑麦草盆栽试验于2017年2月28日开始，结束于同年6月30日，总历时120 d。具体的试验设计如下：每个花盆内置1000 g自然风干的土壤。将NCBC、SCBC10、SCBC50或SCBC50作为土壤改良剂分别按照1%、2%、3%、4%或5%的质量比添加到土壤中。对于每一组试验，设置5个平行组。另外，设置有5组没有添加生物炭的对照组。每盆放置30颗黑麦草种子，七天后，每盆保留20棵长势良好的幼苗。土壤和植物样本在按照测定方法分别进行初步处理后，进行下一步的分析。

1.4 试验样品的分析

1.4.1 植物样品分析收集到的黑麦草植株用去离子水仔细清洗，以除去附着的土壤，然后在80 ℃的条件下干燥，直到重量不再发生变化。计算此时黑麦草的生物量。

1.4.2 土壤样品分析阳离子交换量采用硫酸钡交换法测定，微生物量碳采用熏蒸法，碱解氮采用碱解扩散法测量，速效磷采用NaHCO3提取法来测定。

1.5 数据统计与分析

在盆栽试验和淋溶试验完成之后，差异性及回归方程使用Spssv.21来进行分析。图表制作采用Origin 8.0。

2 结果与分析

2.1 混合基生物炭的表征

秸秆污泥混合基生物炭的物理化学性质如表2所示。

表 2 污泥秸秆混合基生物炭的物理化学性质（<0.05）

Table 2 Physicochemical properties of sewage sludge–cornstalk–based biochar (SCBC)（P<0.05）

由表2可以看出，混合基生物炭中的Cd、Cu和Pb含量随着制备原料中污泥成分的增加而增加。纯污泥制备的NCBC中的重金属含量最高：Cu，32.1 mg·kg-1；Cd，1.81 mg·kg-1；Pb，26.1 mg·kg-1，依次减少了91.13%，21.36%和83.23%，远远低于原污泥中的重金属含量，符合农用的标准。

SCBC30的比表面积最大，达到493.21 m2·g-1也具有最高的碘值，表明其微孔数量是最多的，具有最高的潜在吸附能力。NCBC的比表面积是最小的。

混合基生物炭的含C量随着原料中秸秆的引入而增加，SCBC50的含C量最高，达到68.9%，比NCBC高出了138.4%。但同时，SCBC50的N和P含量是各组生物炭中最低的，N占1.76%，比NCBC减少了76.14%，P占1.76%，比NCBC减少了35.86%。

2.2 混合基生物炭对黑麦草生长的影响

图2显示了混合基生物炭对黑麦草生长特性的影响。

随着混合基生物炭的施加量从0增加到3%，七日发芽率相应增加，在3%时达到最大值。但随着施加量继续增加，又呈现了下降趋势。在施加量不超过3%的情况下，各组生物炭之间没有显示出显著的差异。但在4%和5%的施加量下，各组生物炭之间存在着显著的差异，SCBC30效果最好。施加了4%的SCBC30的试验组中，七日发芽率达到93.3%，比对照组增加了23.53%。

混合基生物炭增加了黑麦草的生物量。各组都在3%到4%的范围内达到最大值，SCBC30增加了依次增加66.77%，效果最好。NCBC的效果在各个施用量下都是最差的。同一施用量下，除了3%的施加量，其余的增产效果都是NCBC

图 2 黑麦草生长特性(P＜0.05)

2.3 混合基生物炭对阳离子交换量的影响

图3表明，混合基生物炭能够有效地增加土壤的阳离子交换量(CEC)，且增长程度和生物炭的施加量成显著的正相关。对照组的阳离子交换量为13.54，混合基生物炭的施加量从1%增加到5%，试验组的阳离子交换量增长率也从15%逐步超过100%，最大的增长了达到了108.82%，是在添加了5%的SCBC50的试验组中取得的。在相同的施加量下，各组混合基生物炭增加阳离子交换量的性能依次是：SCBC50>SCBC30>SCBC10>NCBC。

图 3 盆栽试验中的阳离子交换量(P＜0.05)

2.3 混合基生物炭对土壤养分的影响

图4是混合基生物炭对土壤速效养分的影响。

试验组中土壤碱解氮的含量显著高于对照组。除了SCBC30在4%的施加量下取得最大值，各组的碱解氮都和施加量呈显著正相关，在5%处值最大。在同一施加量下，1%、2%和3%处，各组的差别不大，但在4%处，SCBC30的效果显著高于其他组，而在5%处，SCBC50的效果则是最好的。

图 4 土壤速效养分(P＜0.05)

试验组中土壤速效磷的含量均高于对照组。在1%到3%的区间内，速效磷含量与生物炭的施加量呈现显著的正相关性，3%之后，随着生物炭添加量的继续增加，土壤速效磷的增长速度减慢，个别试验组甚至呈现出了下降的趋势。而在同一个施加量下，NCBC组均取得了最大的速效磷含量，但效果最好的3%施加量下，SCBC30组的速效磷含量和NCBC组的持平。

与对照组相比，微生物量碳(MBC)最初随着SCBC的添加比的增加而增加，在3%时取得较高值，随后呈现下降趋势。在3%的施加量之前，SCBC50的效果是最好的，但在4%和5%的施加量下，SCBC50的效果下降，此时SCBC10的效果最好。施加量为3%的SCBC30效果最为明显，比对照组提高了89.39%。

图 5 土壤微生物量碳(P＜0.05)

3 讨论

与秸秆相比，污泥中的灰分较多，有机碳含量较低，但N和P的含量较高，一般在3%左右。在混合基生物炭中引入了秸秆，能有效的增加混合基生物炭中的有机碳含量，但N和P的含量是有所下降的。但土壤中养分变化是极其复杂的过程，涉及多种化学反应，因此速效磷和速效氮含量也是增加的。生物炭的重金属含量符合农用标准，可以直接施加到土壤中而没有环境风险。

比表面积和碘值都在SCBC30处取得最大值，表明SCBC30具有最大的比表面积和微孔数量。而生物炭的多微孔和巨大的比表面积是其多种土壤改良性能的基础，因此，SCBC30具有较大的应用于土壤改良的潜力。

试验结果表明，混合基生物炭的添加能显著提高黑麦草七日发芽率，这可能是由于混合基生物炭通过调整土壤的孔隙度和渗透率，创造了更好的萌芽环境[8]。而过量的施加生物炭，会对土壤产生负面影响，会抑制种子的萌发，而生物炭中没除尽的有害物质同样会减少种子的发芽率，3%的施加量时，最有利于种子的萌发。

土壤阳离子交换能力(CEC)的增加可以改善土壤固定氮和钾离子的能力，提高土壤养分的维持能力，从而提高土壤肥力和土壤质量。生物炭对CEC改进的性能与土壤类型、生物炭的原料和生物炭的生产条件等因素有关[9]。生物炭本身具有较高的CEC值，而且当添加到土壤中时，生物炭可以通过氧化形成羰基和酚类。然而，在高有机质土壤中加入生物炭可能并不会对土壤CEC有显著的提高。本试验中，SCBC50对土壤阳离子交换量的提高效果最为明显，说明秸秆的添加能显著增加生物炭对低CEC土壤的改进能力。

污泥和秸秆制备成生物炭后，其中的氮元素和磷元素大部分保留了下来。这使得生物炭的氮磷含量很好，同时可以看出，原料中的污泥含量越高，制备成的混合基生物炭的氮磷含量也越高。但同时，并不是所有的土壤养分都可以用于植物生长。混合基生物炭的增加土壤中速效养分的机制不仅是因为含有较多的速效养分，更在于能够提高土壤中氮磷的生物有效性。而过量的添加生物炭，可能会影响土壤中与氮磷转化有关的酶的活性，以及破坏土壤化学环境，从而减少速效养分所占的比例，因此，在3%的施加量下，是最合适的。

微生物量质碳(MBC)主要来自植物废弃物分解、根分泌、土壤有机质和土壤微生物的水解。随着混合基生物炭的添加，MBC明显增加。一方面，混合基生物炭本身含有一定的微生物量碳。另一方面，混合基生物炭的添加可以改善土壤环境，促进植物生长。根系分泌物的增加可以促进土壤生物活性和土壤活性有机成分的增加[10]。3%的施加量时最合适的，SCBC50对微生物碳的促进效果最为明显。

4 结论

本研究中使用的混合基生物炭(SCBC)是用污泥和玉米秸秆的混合物作为原料制备的。利用黑麦草盆栽试验研究了SCBC对土壤性能和植物生长的影响。结果如下：

（1）混合基生物炭具有较大比表面积和微孔数量，其中SCBC30的数值最高，具有最大的吸附潜力。混合基生物炭的重金属含量均符合农用标准。与纯污泥制备的生物炭相比，秸秆的引入增加了生物炭中有机碳的含量；

（2）混合基生物炭能明显促进植物的生长发育。黑麦草的七日发芽率和生物量均显著提高。施加了3%的SCBC30后，发芽率增加了23.53%。生物量提高66.67%；

（3）混合基生物炭有效的改善了土壤的性质。土壤的阳离子交换量、有机碳、微生物量碳、碱解氮和速效磷的含量都显著提高，在施加量为3%或者4％时效果最好。

综上所述，混合基生物炭的添加能有混合基生物炭有效地改善了土壤质量，有利于植物的生长，表明了它作为土壤调节剂的潜力。其中，采用污泥和秸秆按照7:3比例制备的SCBC30，施加量为3%时，对土壤的改良效果是最好的。

[1] Barrow CJ. Biochar: Potential for countering land degradation and for improving agriculture[J]. Applied Geography, 2012, 34:21-28

[2] Lal R. Sequestering carbon in soils of agro-ecosystems[J]. Food Policy, 2011,36:33-39

[3] 张千丰,王光华.生物炭理化性质及对土壤改良效果的研究进展[J].土壤与作物,2012,1(4):219-226

[4] Novak JM, Watts DW, Laird DA,. Short-term C[O.sub.2] mineralization after additions of biochar and switchgrass to a Typic Kandiudult[J]. Geoderma, 2010,154:281-288

[5] Laird D, Fleming P, Wang BQ. Biochar Impact on Nutrient Leaching From a Midwestern Agricultural Soil[J]. Geoderma, 2010,158(3):436-442

[6] Grossman JM, Neill BE, Tsai SM,Amazonian anthrosols support similar microbial communities that differ distinctly from those extant in adjacent, unmodified soils of the same mineralogy[J]. Microbial Ecology, 2010,60(1):192-205

[7] Hossain MK, Strezov V, Nelson PF. Comparative Assessment of the Effect of Wastewater Sludge Biochar on Growth, Yield and Metal Bioaccumulation of Cherry Tomato[J]. Pedosphere, 2015,25(5):680-685

[8] Zhang A, Zhou X, LI M,. Impacts of biochar addition on soil dissolved organic matter characteristics in a wheat-maize rotation system in Loess Plateau of China[J]. Chemosphere, 2017,186(8):986-993

[9] Rigby H, Clarke B, Pritchard D,. A critical review of nitrogen mineralization in biosolids-amended soil, the associated fertilizer value for crop production and potential for emissions to the environment[J]. Science of The Total Environment, 2016,541:1310-1338

[10] Bai Y, Zang C, Gu M,. Sewage sludge as an initial fertility driver for rapid improvement of mudflat salt-soils[J]. Science of The Total Environment, 2017,578:47-55

Effect of Sludge-Straw Mixture Biochar on Soil Properties and Plant Growth

LIU Kai-chuan1, LIU Jia-huan2, SUN Jia-yu1, LI Xiao-chen1*

1.271018,2.271018,

With unreasonable human activities, soil degradation is becoming more and more serious. Sludge based biochar can effectively reduce the environmental risk caused by directly agricultural use of sludge, however, it is also restricted by its low organic carbon content and poor improvement effects. Thus, biochar was prepared from a mixture of sewage sludge and cornstalk (SCBC) in this study. The effects of SCBC on soil properties and plant growth were investigated by using ryegrass pot assays (120 d) cultured with different application rates. The results showed that the addition of straw significantly increased the organic carbon content, specific surface area and pore diameter of the SCBC. The biochar with 30% straw had the maximum adsorption potential. SCBC could effectively promote the growth of ryegrass. The SCBC30 with application rate of 3% increased 7-day germination rate by 23.53% and biomass by 66.67%. Mixed biochar increased soil cation exchange capacity, microbial biomass carbon, alkali-hydrolyzed nitrogen and rapidly available phosphorus, and was the best at 3% or 4%. The survey results indicated SCBC could effectively improve the soil environment and realize reasonable recycling of sludge. The best soil improvement effect was the SCBC with an application of 3%.

Sludge; biochar; soil property; ryegrass

S156.2

A

1000-2324(2018)06-1015-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.022

2017-10-02

2017-10-25

中国国家自然科学基金(41771502);山东省水利科技促进项目(SDSLKY201605);山东省自然科学基金培养项目(ZR2016EEP16)

刘凯传(1993-),男,在读硕士研究生,主要从事农业生态研究. E-mail:963079835@qq.com

Author for correspondence. E-mail:lixiaochen02@163.com