水分调节对施用生物炭的重金属污染土壤速效养分的影响研究

2022-04-14夏红霞朱启红夏洋漪吕伟国

节水灌溉 2022年4期

张兰，夏红霞，朱启红，夏洋漪，李强，吕伟国

（1.重庆化工职业学院，重庆长寿 401228；2.重庆文理学院重庆市环境材料与修复技术重点实验室，重庆永川 402168）

生物炭是生物质在缺氧或厌氧条件下通过高温热解后形成的固态产品，具有巨大的表面积和内部空隙[1]，施用土壤后不仅可以直接吸附固定土壤污染物质[2]，还可以改善土壤理化性质[3]、减少养分流失[4]、促进植物生长[5]。为此，相关研究者进行了大量研究工作，已取得显著研究成果[6]。卜晓莉[7]研究发现，生物炭多孔的结构可吸附大量的可溶性有机物、气体、土壤养分和水分等，为土壤微生物的生长提供良好的环境[8]；而且，进入到土壤的生物炭可与土壤结合，改变土壤的通气结构，促进土壤团聚体的形成，加深土壤颜色，进而提高土壤温度[9]，并通过提高土壤pH 和有机质含量，促进土壤可交换态重金属向碳酸盐结合态、铁锰氧化结合态和有机态转化，降低土壤重金属活性。

水分是农业生产的主要限制因素，它不仅在作物新陈代谢中起着举足轻重的作用，其含量多少还影响着土壤养分的释放和迁移[10]。当土壤中水分过多时，会促进土壤肥分、矿物质等随渗漏而流失，甚至造成渍害和土壤退化[11]。反之，当土壤中水分较少时，不仅土壤肥分不能被溶解为溶液，而且不易被作物根系所吸收，还会导致作物自身水分、养分不足而枯萎死亡[12]。只有当作物在土壤中得到所需量的水分时，作物才能正常生长，并能使其他的增产措施较充分地发挥作用[13]。王鼎新[14]研究发现，提高灌水量有利于增加土壤硝态氮含量，且土壤含水量与土壤硝态氮呈正相关关系。葛新伟[15]研究也发现，增加灌水量，葡萄园土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量发生变化明显；并随灌水量增加，土壤中速效养分加速向深层土迁移。

由此可见，利用生物炭可修复污染土壤或改良低产地，通过调节土壤水分也可以改善土壤理化性质，进而促进农业生产，但现有研究仅限于利用单一生物炭修复污染土壤/改良低产地，或者单一利用水分调节措施改善土壤养分，尚未见到有关利用水分调节措施和生物炭联合影响重金属污染土壤速效养分方面的研究。为此，本研究以已施用生物炭的重金属污染土壤为研究对象，通过实验探究水分调节措施对施用生物炭重金属污染土壤速效养分的影响，旨在为利用水分调节措施进一步提高生物炭修复重金属污染土壤效果提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

土壤：供试土壤取自重庆市永川区某乡镇未受污染的土壤，土壤类型为水稻土。现场采样时，采样深度为0～20 cm，同时在现场测试供试土壤的田间持水量。

生物炭：供试生物炭为自制酒糟生物炭，采用限氧热解法制备[16]。

1.2 实验方法

称取采集的土壤样品40 kg 盛于大塑料桶中，以CuSO4作为添加的外源重金属，添加浓度为254.18 mg/kg，充分混匀后钝化2 周；再添加400.0 g 自制酒糟生物炭充分混匀，用高纯水补充水分至田间持水量的75%，密封、陈化4周后进行水分调节实验。

分别取2.0 kg陈化后的土壤于塑料烧杯中，根据前期测试的土壤田间持水量，用高纯水补充土壤含水量至实验设置要求，充分混匀、密封后置于恒温恒湿培养箱中进行培养。为保持各实验组土壤水分含量恒定，通过称重法每2天补充一次水分。实验设计共六组：CK（无添加水，对照）、C1(36%田间持水量)、C2(52%田间持水量)、C3(68%田间持水量)、C4(84%田间持水量)和C5（100%田间持水量）。经测试与计算，对照组（CK）土壤水分含量为田间持水量的23.6%。培养30天后，取上层土壤测定其速效养分含量。每一处理均重复3次，取其平均值用于统计分析。

1.3 测定方法

土壤pH 采用pH 计测定，土壤阳离子交换量采用离子交换法，土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法，土壤碱解氮测定采用扩散吸收法，土壤速效钾采用中性乙酸铵浸提-火焰光度计法[17]。

1.4 数据处理分析

采用Excel 软件对实验数据进行统计分析作图，SPSS 20.0进行单因素方差分析，显著性检验水平均设为0.05，图中不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。

2 实验结果

2.1 水分对施用生物炭土壤阳离子交换量（CEC）的影响

阳离子交换量（CEC）是评价土壤肥力的重要指标，土壤可交换养分的吸收和供应能力可以由CEC来体现[18]。增加土壤CEC含量，可以提高对植物养分的供应量[19]。水分调节措施对施用生物炭土壤阳离子交换量的影响如图1所示。由图1可知，适量增加土壤水分含量，可增加土壤阳离子交换量含量；但进一步增加土壤水分含量则会降低供试土壤阳离子交换量含量。尤其是土壤水分含量为100%田间持水量时，土壤阳离子交换量只有51.04 cmol/kg，比对照低30.2%，与对照相比差异极其显著（P＜0.01）。实验结果还显示，不同水分处理间也存在较大差异，供试土壤中阳离子交换量随土壤含水量增大而逐渐降低，且各处理间差异显著（P＜0.05）。

图1 阳离子交换量的变化

2.2 水分对施用生物炭土壤pH的影响

pH 值是表征土壤性质的重要指标之一，对土壤养分的有效利用性、土壤有毒物质的生物毒性以及土壤微生物群落结构变化具有重要影响[20]。水分调节措施对施用生物炭土壤pH的影响如图2所示。由图2可知，在整个实验期间，水分调节措施虽然可以改变供试土壤pH 值，但其变化未呈规律性，且与对照相比差异也不显著（P＞0.05）。实验结果还显示，供试土壤pH 随土壤水分含量增大并无明显变化趋势，且不同水分处理间土壤pH 值变化不明显。但顾志光等[21]研究表明，较长时间淹水，会导致土壤pH持续下降。

图2 土壤pH的变化

2.3 水分对施用生物炭土壤速效磷的影响

土壤中的磷分为速效磷、缓效磷或无效磷[22]，速效磷是当季农作物吸磷的主要来源。水分调节措施对施用生物炭土壤速效磷的影响如图3所示。由图3可知，少量增加土壤水分含量，可增加供试土壤速效磷含量；但进一步增加土壤水分含量，则会降低供试土壤速效磷含量；尤其是土壤水分含量为100%田间持水量时，供试土壤速效磷含量为34.12 mg/kg，比对照低12.7%，与对照相比差异显著（P＜0.05），这与杨玥[23]的研究结果相似。杨玥[23]研究结果表明，适量灌水有利于增加土壤速效磷含量。这表明，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。本实验结果还显示，不同水分调节措施下，各处理间土壤速效磷含量也存在较大差异。与水分含量为36%田间持水量处理相比，土壤水分含量为田间持水量的84%、100%处理土壤速效磷含量分别低于14.4% 和17.8%，与对照相比差异显著（P＜0.05）。

图3 土壤速效磷的变化

2.4 水分对施用生物炭土壤速效钾的影响

钾是植物生长所必须的大量营养元素之一[24]，且钾在土壤中具有较强的移动性，很容易淋溶流失[25]。土壤中对植物最有效的钾为速效钾，其含量直接反映了土壤钾素的供应水平[26]。水分调节措施对施用生物炭土壤速效钾的影响如图4所示。由图4可知，少量增加土壤水分含量，可增加供试土壤速效钾含量；但进一步增加土壤水分含量，则会降低供试土壤速效钾含量；尤其是水分含量为100%田间持水量时，土壤速效磷含量为18.0 mg/kg，比对照低31.3%，与对照相比差异极其显著（P＜0.01），实验结果还显示，不同处理间土壤速效钾含量也存在较大差异。土壤水分含量为土壤田间持水量的36%、52%以及68%处理土壤速效钾含量均高于对照，而土壤水分含量为田间持水量的84%、100%处理土壤速效钾含量则低于对照。土壤水分含量为36%田间持水量的供试土壤速效钾含量，比水分含量为100%田间持水量的土壤高64.4%，差异极其显著（P＜0.01），这与王浩[27]的研究结果相似。王浩等[27]研究结果表明，土壤水分对土壤速效钾的影响总体表现为随土壤水分增加，土壤速效钾含量显著下降。但霍娜[28]研究表明，在不施钾肥条件下，土壤速效钾随灌水量增加而增加，这说明在土壤钾素耗竭的情况下，适当增加灌水量可以缓解土壤钾素的亏缺。

图4 土壤速效钾的变化

2.5 水分对施用生物炭土壤碱解氮的影响

氮是土壤环境和植物正常生长发育所必需的营养元素[29]。土壤中的碱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动态变化[30]。水分调节措施对施用生物炭土壤碱解氮的影响如图5所示。由图5可知，不同水分条件下施用生物炭土壤碱解氮含量均低于对照；尤其是在水分含量为100%田间持水量条件下，供试土壤碱解氮含量比对照低21.5%，与对照相比差异显著（P＜0.05）。这表明，增加土壤水分含量，可降低施用生物炭土壤碱解氮含量。实验结果还显示，不同水分处理组间土壤碱解氮含量也存在较大区别。供试土壤碱解氮含量随土壤水分含量增大而减少，但在土壤含水量增加较少时，供试土壤碱解氮降低值并不明显；随着土壤含水量进一步增加，土壤碱解氮才明显降低。

图5 土壤碱解氮的变化

3 分析与讨论

水是土壤物理、化学和生物过程中不可或缺的介质，它在调节土壤环境中起着至关重要的作用[31]。土壤水分是植物根系与土壤之间的重要介质，是植物生长的重要限制因子[32]，植物根系不仅从土壤中吸收水分，还从土壤中吸收植物生长所需的营养物质[33]。有研究表明，在土壤水分不足的情况下，会减缓土壤有机质的矿化过程，降低土壤养分向速效养分的转化速度，减少土壤有效养分含量[34]，水分是促进土壤中离子释放的良好溶剂[35]。本实验中，适量增加土壤水分含量，可增加供试土壤阳离子交换量；但进一步增加土壤含水量则会降低阳离子交换量，尤其是100%田间持水量条件下土壤阳离子交换量比对照小30.2%，与对照相比差异极其显著（P＜0.01）。生物炭施入土壤后，会增加土壤孔隙度，其表面会形成羰基、酚基、醌基等官能团，增加对土壤阳离子的吸附能力[36]。当适量增加土壤水分时，可以增加土壤和生物炭表面吸附的矿质元素和活化态元素的释放，进而增加土壤阳离子交换量。但当土壤水分增加到一定程度时，则会降低了土壤的孔隙度和通气孔隙，并因生物炭表面疏水性的脂族官能团对水的排斥性，减缓了生物炭表面被氧化的趋势[37]，降低了生物炭表面离子交换和吸收的位点，生物炭表面电荷量密度下降，会降低土壤CEC含量[38]。

向土壤中施用生物炭，可以提高土壤pH 值[39]。这是因为向土壤中施用生物炭后，土壤中部分酸性物质被生物炭中和，土壤溶液中碱性基团如氢氧根离子、硅酸根离子、碳酸根离子逐渐增多[37]，增加了土壤pH 值；同时，随着土壤pH 值增加，土壤粘土矿物、水合氧化物以及土壤有机质表面的负电荷增加，增加了对土壤金属离子的吸附能力[40]。在本实验中，土壤pH 随田间持水量的增大并无显著变化，与对照相比差异也不显著（P＞0.05）。这主要是因为土壤水分会影响酸、碱离子在土壤固相和液相之间的分配，从而影响土壤pH。土壤pH值一般会随土壤含水率增加而有提高[41]，但本实验所用水为高纯水，所加入的水量也较少。供试土壤在加入的高纯水作用下，生物炭以及土壤颗粒内部以及表面吸附的盐基离子(如K+、Ca2+、Mg2+等)和交换性铝、H+会有部分释放[42]，并与土壤中自由水结合，抑制离子交换性水平，维持H+浓度和盐基饱和度，进而使土壤pH 随变化较小。在田间持水量为68%之后，pH略有增加。这是由于持水量的增加，土壤由氧化状态向还原状态转变，土壤发生还原反应会消耗H+，使得土壤pH 逐渐升高[43]。同时，持水量的增加使土壤黏粒浓度降低，吸附性H+与电极表面接触的机会减少，亦可增加土壤pH值[44]。

土壤速效钾、速效磷含量可以直接反映土壤可供植物利用的钾素和磷素含量水平，在土壤养分循环与利用中占有十分重要的地位，能直接反映土壤的肥力状况[45]。实验结果显示，适量增加土壤水分含量，可以增加施用生物炭土壤速效磷、速效钾含量；但过量增加土壤含水量则会降低供试土壤速效钾、速效磷含量，尤其是在84%田间持水量条件下，供试土壤速效钾含量比对照低31.3%、土壤速效磷含量比对照低12.7%，与对照相比差异均显著（P＜0.01）。适量增加土壤水分，可增加供试土壤速效钾、速效磷含量，这是因为生物有机质在厌氧高温环境下转变为生物炭后，生物炭中富含可溶性矿物养分[46]，生物质中的钾在生物质裂解过程中大多以可溶性形态被保留在生物炭中[47]，将生物炭施入土壤后，能迅速増加土壤速效钾含量。葛银凤等[48]也研究发现，生物炭能够增大土壤速效钾、速效磷的含量，这部分养分以无机离子形态被保存，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，生物炭内部孔隙以及表面吸附的养分物质会被释放出来，这部分养分溶解于土壤水溶液中，增加了土壤速效钾、速效磷含量[51,52]。此外，土壤因淹水造成的厌氧环境会使土壤死亡的微生物分解而释放出磷，进而增加土壤速效磷含量[53]。但当土壤水分含量进一步增加，在水分作用下速效钾、速效磷的淋溶流失更加明显，土壤表层速效钾、速效磷含量会降低。吴瑞等[54]研究发现，土壤水分显著影响土壤速效磷淋溶流失，且随着水分增加而增加。王改玲等[53]研究发现，增加土壤水分会使土壤磷酸酶活性下降，降低有机磷酯水解成无机磷酸的量。王琴等[50]研究也发现，在一定灌水量条件下，土壤速效钾量与灌水量明显正相关；但过量的灌水量会加大速效钾从土壤胶体上的解离，加速速效钾淋溶流失。

土壤水分与氮素水平对作物生长和产量都具有显著影响[55]。实验结果显示，不同水分条件下施用生物炭土壤碱解氮含量均低于对照，但在土壤含水量增加较少时，供试土壤碱解氮减少量并不明显。这表明，增加土壤水分含量可降低施用生物炭土壤碱解氮含量，但与土壤含水量关系紧密。史宏志等[56]研究发现，在0～20cm土层灌水处理土壤碱解氮含量均低于不灌水处理，且土壤碱解氮含量随灌水量增加而逐渐降低。Lehman 等［22］研究发现，生物炭对土壤中的NH4+和NO3-具有非常强的吸附特性，可有效降低土壤氨态氮的挥发，显著减少土壤养分淋失。因此，在少量增加土壤含水量时，并不能明显降低供试土壤碱解氮含量。但随着土壤含水量进一步增加，将逐渐破坏生物炭和土壤颗粒对NH4+和NO3-的吸附平衡，导致被生物炭和土壤颗粒吸附的NH4+和NO3-解吸而流失，进而降低土壤碱解氮含量。