碱活化载镁橘皮生物炭除磷后对土壤的改良作用

王波，罗婷，勾曦，唐勇，姜飞，吴桐，谢燕华,2*

（1.成都理工大学生态环境学院，成都 610059；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

众所周知，过量的磷排入自然水体会导致水体富营养化[1]。目前，对水体中磷的去除方法主要有化学沉淀法、生物修复法和吸附法等[2]。其中，吸附法被认为是一种操作简单的高效除磷技术[3]。但吸附除磷后的吸附剂含有大量的磷和有机物等物质，若将其作为固体废物进行处理，将额外增加处理成本，因此亟需寻找一种资源化利用方式对吸附除磷后的废弃材料进行妥善处理。

生物炭是植物或动物生物质热解产物，具有表面积大、孔隙结构发达、阳离子交换能力强、官能团丰富[4]等特点。生物炭可与土壤发生交互作用，改善土壤理化性质和微生物生长条件以及保持土壤肥力，已被广泛研究应用于环境修复和土壤改良[5-7]。由于生物炭呈负电性且缺乏金属阳离子，导致其对磷酸盐阴离子的吸附能力有限[8-9]。近年来，将各种金属阳离子改性后的生物炭用于污水除磷，都表现出了良好的去除性能[10-11]，但将吸附除磷后的改性生物炭作为土壤改良剂进行资源化利用却鲜有报道。本研究将吸附除磷后的载镁橘皮生物炭（KMg-BC/P）用于土壤改良试验，考察其对土壤理化性质、各种形态磷含量、微生物群落结构、酶活性以及植物生长的影响，以期为吸附除磷后吸附剂的资源化和无害化利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验试剂

本试验所使用的氨水、乙二胺四乙酸二钠、无水乙醇、浓硫酸、抗坏血酸、酒石酸锑钾、钼酸铵、氟化钠、乙酸铵、氟化铵、柠檬酸钠、硼酸、高氯酸、硝酸、连二亚硫酸钠、四硼酸钠、氯化钠、甲苯、硫酸铝、苯酚等试剂均为分析纯。

1.1.2 试验土壤及植物

试验土壤采自四川省成都市郊区某荒废农田的表层土（0～20 cm），将土壤样品自然风干研碎过100目筛后，按照《土壤农化分析》[12]中的方法测定其基础理化性质。

盆栽试验植物选用大豆，因其具有发芽快、养护简单、对磷元素敏感性强等特点。

1.2 试验方法

1.2.1 KMg-BC/P的获取

首先，将橘皮切成约1 cm×1 cm 的小块，用去离子水洗净烘干；然后准确称取10 g 橘皮到250 mL 锥形瓶中，并置于温度为25 ℃、转速为200 r·min-1的振荡器中，依次用100 mL质量分数2.5%的KOH 溶液和100 mL 0.012 5 mol·L-1的 MgCl2溶液对其进行 2 h 的浸渍改性；随后滤出置于烘箱中在60 ℃下烘干12 h；最后转入坩埚，置于马弗炉中，以10 ℃·min-1的速率升温至600 ℃恒温烧制2 h，冷却后研磨过80 目筛制得碱活化载镁橘皮生物炭（KMg-BC）。然后将一定量的KMg-BC 投加至体积为150 mL 的血清瓶中，随后加入100 mL 含磷废水（来源于磷化工企业经前期处理后的生产废水，其中主要污染物为磷和氨氮，含量分别约为1 000 mg·L-1和60 mg·L-1），将其放入温度为25 ℃、转速为200 r·min-1的水浴恒温振荡器中振荡1 h，反应结束后，滤出材料置于烘箱中在60 ℃下烘干12 h获得KMg-BC/P。

表1 试验材料基本理化性质特征Table 1 The basic properities of the experimental material

1.2.2 土壤改良试验

采用直径12 cm、高12 cm 聚乙烯塑料盆，每盆装土200 g，然后按照10 g·kg-1比例分别加入KMg-BC和KMg-BC/P 并与土壤充分混合，保持土壤含水率于22%左右，随后按照每盆5 颗大豆的播种量将培育发芽的大豆种入土壤。为方便同时研究KMg-BC/P 改良土壤后对土壤和植物的影响，一共设置3 个试验组，分别为土壤组（对照组）、土壤+KMg-BC 组、土壤+KMg-BC/P 组，每组设置4个样盆，一个样盆对应一个培养时间。所有盆栽放于阳光充足的温室中进行培养，培养周期设置为60 d，每15 d 收集相应培养时间样盆中土壤和植物的数据，所有试验设置3次重复。

1.3 分析方法

土壤基本理化性质测定参考《土壤农化分析》[12]，土壤中不同形态无机磷含量的测定采用顾益初等[13]提出的石灰性土壤无机磷分级方法，土壤中不同活性有机磷含量的测定参照Bowman-Cole 法[14]，土壤微生物数量测定采用梯度稀释平板涂布法[15]，土壤酶活性测定参照关松荫等[16]的方法。

1.4 数据处理

数据处理采用Microsoft Excel 2010 软件，采用Origin 8.5 软件进行绘图，采用SPSS 11.5 统计分析软件对数据进行差异显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 KMg-BC/P对土壤理化性质的影响

由表 2 可得，加入 KMg-BC 和 KMg-BC/P 后土壤的pH、有机质含量、阳离子交换量、有效磷含量、总磷含量、磷素释放量以及持水能力显著增加；且随培养时间的增加3 个试验组土壤的阳离子交换量、有效磷、总磷和磷素释放量呈不断减小的趋势，这可能是在没有外来离子补充的情况下，大豆植株不断消耗土壤中养分所致。土壤pH 常被看作土壤的主要变量，由表 2 可知，KMg-BC 和 KMg-BC/P 的加入将土壤由弱酸性调节到中性和弱碱性，改善了土壤pH值状况，这与Zhao等[17]研究结果一致。因为KMg-BC和KMg-BC/P 本身碱性较强，并且还可以通过提高土壤碱基饱和、降低可交换铝水平和消耗土壤质子等作用提高土壤pH值。土壤阳离子交换量的大小是评价土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依据[15]，加入KMg-BC 和KMg-BC/P 改善了土壤可变电荷状况，增加了土壤的阳离子交换量，主要是因为生物炭本身具有负电荷表面和一定的阴离子官能团[16]；而KMg-BC/P 不仅具有生物炭带负电的特点，且还含有大量的磷酸盐，其会在土壤中释放出大量的含磷阴离子，使得土壤胶体吸附各种阳离子的总量增大[18-20]。土壤磷是植物生长不可缺少的营养元素，由表2 可看出，加入KMg-BC 后土壤的有效磷、总磷和磷素释放量略有增加，与未添加物质的土壤相比分别增加了10.66%、9.25%和33.33%，主要是由于制备的KMg-BC 有大量的可溶性磷酸盐残留且KMg-BC 稳定的理化性质及强的抗分解、抗氧化能力保证了长效的磷素供应，因此向土壤中添加KMg-BC 必然会造成磷素的累积，提升土壤磷素的释放能力[21]；而加入KMg-BC/P 后土壤总磷、有效磷和磷素释放量增加幅度较大，与未添加物质的土壤相比分别增加了10 346.59%、340.28%和6 588.89%，这主要是因为KMg-BC/P 不仅具有KMg-BC 的特性，同时还吸附了废水中大量磷酸盐，将其施入土壤会比KMg-BC 更加显著地增加土壤磷素的累积和提升磷素释放能力。KMg-BC和KMg-BC/P加入土壤有效地提高了土壤有机质含量和持水能力，这与张旭辉等[22]研究结果一致。因为KMg-BC 和KMg-BC/P本身含有一定量的有机质，且具有丰富的孔隙。

2.2 KMg-BC/P对土壤中磷的影响

2.2.1 对土壤无机磷的影响

由表3 可知，向土壤中添加KMg-BC 后，在60 d的培养期内，土壤中各形态无机磷含量变化不大，即KMg-BC 的添加并未显著增加土壤中各种无机磷的含量，也未显著促进各形态无机磷的相互转化，这可能是由于添加生物炭量较少且培养时间较短。向土壤中添加KMg-BC/P 培养60 d 后，土壤中的Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P 含量都有显著提高，分别是自然土壤的 13.22、27.82、5.91 倍和 2.05 倍，是添加 KMg-BC 后土壤的 14.07、23.94、6.38 倍和1.99 倍，这主要是由于KMg-BC/P 中吸附了大量的磷，与土壤进行混合后KMg-BC/P 中吸附的磷大量释放进入土壤并在较短时间内快速转化成了Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P，从而显著增加了土壤中高效磷源（Ca2-P）和缓效磷源（Ca8-P、Al-P 和Fe-P）的含量。而添加KMg-BC/P 培养60 d后，土壤中的O-P和Ca10-P的含量与其他两组相比未发生明显的变化，这可能是由于各种活性磷被植物快速吸收，且培养时间较短，其他形态的磷未转化成稳定的O-P 和Ca10-P。添加KMg-BC/P 的土壤在0～60 d 培养过程中高活性的Ca2-P 含量有逐渐降低的趋势，而Ca8-P、Fe-P 和Al-P 的含量都有逐渐升高的趋势，这是因为高活性的Ca2-P 在培养过程中会逐渐转化成相对稳定的Ca8-P、Fe-P和Al-P。

表2 不同处理对土壤理化性质的影响Table 2 Effects of different treatments on soil physical and chemical properties

2.2.2 对土壤有机磷的影响

由表4可知，随着培养时间的增加，3个试验组的活性有机磷（LOP）和中等活性有机磷（MLOP）含量均有一定增加，而高稳定性有机磷（HROP）有一定减少。与起始时间相比，培养60 d 后，土壤组、土壤+KMg-BC 组和土壤+KMg-BC/P 组中的 LOP 分别增加了 33.27%、24.40% 和 56.06%，MLOP 分别增加了114.55%、136.60% 和 207.05%，HROP 分别减少了29.60%、43.41%和51.01%。这是由于植物中的磷主要以酯类或焦磷酸盐等有机形态存在，而这些形态的磷素是LOP的主要组分，在低温热解炭化过程中植物体内的磷素形态不易发生变化，因此添加KMg-BC 和KMg-BC/P 可直接提高土壤中 LOP 含量；KMg-BC 和KMg-BC/P 中含有丰富的钙、镁元素，其在土壤中以盐基离子的形态存在，它们会与腐植酸络合进而促进MLOP 的积累[21]。此外随着培养时间的增加，土壤微生物数量增加、大豆根系生长以及磷酸酶活性增强，矿化作用加强，进而将稳定的HROP 转化为活性更高的LOP 和MLOP[23-24]，以供大豆幼苗和微生物生长所需。加入KMg-BC/P 后，土壤中LOP 和MLOP 的含量大于其他两组，这可能是因为KMg-BC/P 本身含有的大量无机磷可以部分转化为LOP 和MLOP[25]。加入KMg-BC 和 KMg-BC/P 后的土壤 HROP 减少量大于未添加材料的土壤，这主要是由于KMg-BC和KMg-BC/P能促进微生物和植物根系的生长从而加强对HROP的矿化作用。在培养时间内，土壤组和土壤+KMg-BC组的中稳定性有机磷（MROP）含量呈减少趋势，这可能是因为两对照组中土壤微生物和大豆根系的矿化作用会使MROP 不断转化为活性较强的有机磷[21]。而土壤+KMg-BC/P 组MROP 含量逐渐增加，主要是由于添加KMg-BC/P 的土壤中无机磷转化成MROP的速率大于土壤微生物和大豆根系对MROP 的矿化作用，从而造成MROP的累积。

表3 各处理土壤不同形态无机磷含量（mg·kg-1）Table 3 Variation of inorganic phosphorus content in different treatments（mg·kg-1）

表4 各处理土壤不同形态有机磷含量（mg·kg-1）Table 4 Variation of soil organic phosphorus fraction contents in each treatment（mg·kg-1）

2.3 KMg-BC/P对土壤酶活性的影响

土壤碱性磷酸酶活性的强弱一定程度上反应了土壤磷素状况的好坏[26]。如图1 所示，KMg-BC/P 的加入可有效提高土壤碱性磷酸酶活性。3 个试验组中碱性磷酸酶活性随着培养时间的增加而不断增强，主要是因为随着培养时间的增加，土壤微生物和大豆根系不断生长，进而产生了大量的碱性磷酸酶[24]。土壤+KMg-BC/P和土壤+KMg-BC组碱性磷酸酶活性显著强于土壤组，这可能是由于KMg-BC 和KMg-BC/P施入土壤进一步改善了土壤微生物生存环境，提高了土壤微生物数量，从而使得碱性磷酸酶的活性不断增加[27-29]。

2.4 KMg-BC/P对土壤微生物的影响

如图2 所示，培养60 d 后3 个试验组土壤中细菌和真菌数量有一定变化。与土壤组相比，土壤+KMg-BC/P 和土壤+KMg-BC 组中细菌分别增加了6.93%和13.47%；对真菌而言，土壤+KMg-BC/P 组减少了8.41%，土壤+KMg-BC 组增加了5.07%。结果表明，加入KMg-BC 能同时促进土壤中细菌和真菌的生长繁殖；而加入KMg-BC/P 虽能促进土壤细菌的生长繁殖，但却会抑制真菌的生长繁殖，这主要是因为KMg-BC/P 本身碱性略强，加入土壤后将土壤pH 调节成了弱碱性，在一定程度上抑制了真菌的生长繁殖，从而使土壤微生物的群落结构向以细菌为主的方向转变[30]。培养60 d 后3 个试验组土壤细菌的群落组成及物种丰度如图3所示。3个试验组中细菌以放线菌、变形菌、绿弯菌、酸杆菌为主，其他细菌所占比例较少，即3 个试验组细菌种类没有明显变化。但结合土壤中各种细菌丰度分析发现，加入KMg-BC 后各细菌所占比例未发生明显变化，而加入KMg-BC/P 后放线菌的丰度明显增大，主要是由于KMg-BC/P 提供了大量的无机养分，促进了放线菌的生长繁殖[31]。培养60 d 后3 个试验组土壤中真菌的群落组成及物种丰度如图4所示。3个试验组中，真菌以子囊菌为主，其他真菌所占比例较少，这可能是因为子囊菌门中部分真菌能促进大豆根系生长[32]；3 个试验组真菌多样性差别较大，加入KMg-BC 后真菌的数量和部分真菌（担子菌、毛霉菌等）的丰度增加，主要是由于生物炭能促进真菌的生长繁殖[31]；加入KMg-BC/P 后土壤中真菌的多样性和除子囊菌外其他种类真菌丰度降低，这可能是因为KMg-BC/P 改良土壤后的弱碱性土壤环境不适合除子囊菌外其他真菌的生长。

2.5 KMg-BC/P对大豆生长的影响

表5 不同处理对大豆生长的影响Table 5 Effects of different treatments on soybean growth

不同试验组中大豆的发芽率如图5所示。3个试验组每个盆栽均播种5 颗大豆种子，经培育7 d 后观察发现，土壤组、土壤+KMg-BC 组和土壤+KMg-BC/P组的平均发芽率分别为80.00%、93.33%和100.00%，表明KMg-BC 和KMg-BC/P 可有效促进大豆种子的发芽。由表5可知，3个试验组中大豆的植株高度、根长、叶片数均随着培养时间的增加而不断增加，培养60 d 后不同处理中以KMg-BC/P 处理组大豆的生长状况最佳，与土壤组相比，株高增加9.41%、根长增加29.69%、叶片数增加57.14%、径粗增加17.39%、鲜质量增加41.93%；与土壤+KMg-BC 组相比，株高增加11.32%、根长增加8.34%、叶片数增加46.67%、径粗增加3.85%、鲜质量增加14.08%。由此可见，KMg-BC/P的加入可有效促进大豆的生长，这主要是由于KMg-BC/P 上吸附了废水中大量的磷元素，将其施入土壤显著提高了土壤中Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 等活性较强的无机磷含量，同时KMg-BC/P 还促进了高稳定有机磷和中稳定有机磷转化为活性有机磷和中活性有机磷，从而增加了土壤中可被作物直接利用的营养元素的含量。此外KMg-BC/P 还具有很大的内表面积，为养分吸附、保持水分和微生物群落生存提供了较大空间，从而改善了土壤理化性状和微生物群落、土壤酶活性等环境条件，促进了作物的生长[33]。

3 结论

（1）KMg-BC/P 改良土壤能提高土壤的pH 值、有机质含量、阳离子交换量、有效磷含量、总磷含量、磷素的释放量以及持水性能；同时显著增加土壤中高效磷源和缓效磷源的含量，提高土壤碱性磷酸酶活性，促进无机磷和低活性有机磷向高活性有机磷转化；此外，其还能促进土壤中细菌的生长繁殖，降低真菌的多样性，使土壤微生物群落向以细菌为主的方向转变。

（2）在盆栽试验中，用KMg-BC/P 改良过的土壤种植大豆能显著促进大豆的生长，使大豆的发芽率、植株高度、根长、叶片数量、大豆植株鲜质量和茎粗均优于对照组。因此，KMg-BC/P 具有作为土壤改良剂的潜力。