秸稈改良茶園土壤對氮磷吸附特性的研究

陸文龍+趙標+五毛毛+郭景海

摘要：為探討秸稈不同處理方式對茶園土壤氮磷吸附特性，將破碎秸稈、腐熟秸稈和秸稈炭添加到茶園土壤中，研究了秸稈還田后對茶園土壤氮磷吸附特征的影響。結果表明，不同處理的秸稈添加茶園土壤對銨態氮吸附速率和吸附量大小均為秸稈炭>破碎秸稈>腐熟秸稈；對磷酸根吸附速率和吸附量大小均為秸稈炭>破碎秸稈，腐熟秸稈對磷酸根負吸附。Freundlich方程能更好地描述銨態氮和磷酸根的吸附熱力學過程，吸附動力學都符合偽二階動力學方程。

關鍵詞：秸稈；茶園；土壤；氮磷；吸附

中圖分類號： S156文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0238-03

我國的秸稈資源豐富，但只有一少部分被有效利用，將秸稈作為廢棄物還田，就可以使農田秸稈資源化，為創造良好的生態和經濟效益提供新途徑。秸稈還田不但增加土壤肥力，同時對土壤中氮、磷和鉀的徑流損失有不同程度的抑制作用[1]。本研究以小麥秸稈為原料，將秸稈分別處理為破碎秸稈、腐熟秸稈和秸稈炭，根據重慶北碚縉云山實際種茶情況，將3種秸稈添加到茶園土壤中，了解秸稈不同處理方式對茶園土壤氮磷吸附特征的影響。

1材料與方法

1.1供試土壤和材料

試驗用土壤采自重慶北碚縉云山茶園，屬于暗棕壤，其基本理化性質見表1。

1.2試驗設計

所用盆缽體積為0.1 m3，每缽裝土4 kg，試驗共設4個處理：（1）對照，不添加秸稈；（2）添加破碎秸稈；（3）添加腐熟秸稈；（4）添加秸稈炭。其中破碎秸稈、腐熟秸稈和秸稈炭均按等碳量（3 g/kg 土）添加，使土壤C/N比在20～30之間[2]。按表2用量將秸稈混入土壤，混勻，置于恒溫培養箱中，在 25 ℃ 恒溫、相對濕度為65%的條件下，放置30 d，使土壤與秸稈在微生物作用下充分結合[3]，然后風干、過篩備用。

1.3試驗方法

1.3.1吸附動力學試驗稱取0.80 g土壤樣品于體積

平衡濃度=（投加量-上清液質量）/溶液體積。

1.3.2吸附熱力學試驗稱取0.20 g土壤樣品（6個）于 50 mL 離心管中，分別加入10 mL濃度分別為1、5、10、20、50、100 mg/L的KH2PO4或NH4Cl溶液（以0.01 mol/L KCl溶液作背景電解質），于恒溫振蕩器內（200 r/min，25 ℃）振蕩 24 h，測定P或N的濃度。每個處理設置3個平行。

2結果與分析

2.1秸稈不同處理方式對茶園土壤銨態氮吸附特征的影響

由圖1可見，對土壤銨態氮吸附平衡時間的影響順序為秸稈炭<破碎秸稈<對照<腐熟秸稈。

采用偽一階動力學方程和偽二階動力學方程擬合秸稈不同處理方式條件下茶園土壤對銨態氮吸附動力學數據[5]，表3結果表明，偽二階動力學方程能更好地描述添加不同方式處理秸稈的土壤對銨態氮的吸附動力學過程。偽二階動力學方程中的速率常數K2與吸附速率有關[6]，因此，K2越大吸附速率越大，通過比較K2得到不同處理方式土壤對銨態氮的吸附速率大小為秸稈炭>破碎秸稈>對照>腐熟秸稈。

2.1.1吸附熱力學特征圖2是經不同方式處理的秸稈對茶園土壤銨態氮的吸附等溫線的影響。

濃度較低時，破碎秸稈和腐熟秸稈吸附性能差，隨著平衡濃度升高，土壤對銨態氮的吸附量迅速增加。

采用Langmuir和Freundlich吸附等溫式擬合經不同方式處理的秸稈對土壤銨態氮吸附熱力學影響的數據，表4結果表明，Freundlich方程能更好地描述不同秸稈處理條件下土壤對銨態氮的吸附熱力學特征，表明添加了不同處理秸稈的土壤對銨態氮的吸附可能是多分子層吸附過程[7]。表4秸稈不同處理條件下土壤對銨態氮的吸附熱力學模型擬合參數

秸稈不同處理Langmuir模型Freundlich模型KL（L/mmol）qm（mmol/g）r2KF[（mmol/g）·（L/mmol）1/n]nr2對照3.6×10-30.112 30.573 84.7×10-21.683 10.992 4破碎秸稈4.3×10-30.141 20.805 75.1×10-21.967 50.994 3腐熟秸稈2.5×10-40.131 10.665 55.9×10-30.703 90.996 2秸稈炭1.1×10-30.150 40.913 88.8×10-15.062 00.995 4

2.2秸稈不同處理方式對茶園土壤磷酸根吸附特征的影響

2.2.1吸附動力學特征圖3是經不同方式處理的秸稈對茶園土壤磷酸根吸附動力學曲線的影響。由圖3可見，不同方式處理的秸稈減弱了土壤對磷酸根的吸附，使吸附平衡時間延長，與銨態氮的吸附相似。

將試驗所得數據分別用偽一階動力學方程和偽二階動力學方程進行擬合，表5結果表明，偽二階動力學方程能更好地描述秸稈不同處理方式條件下土壤對磷酸根的吸附動力學過程。根據動力學方程中的速率常數K2，吸附速率大小為秸稈炭>破碎秸稈>對照。

2.2.2吸附熱力學特征圖4是經不同方式處理的秸稈對茶園土壤磷酸根的吸附等溫線的影響。由圖4可見，隨磷酸根初始濃度的增加，經不同方式處理的秸稈存在時土壤對磷酸根的吸附量增大。

表5秸稈不同處理方式條件下土壤對磷酸根的

吸附動力學模型擬合參數

秸稈不同

處理偽一階動力學模型偽二階動力學模型K1（min）r2K2（g·mmol/min）r2對照1.9×10-20.327 14.3×10-20.988 3破碎秸稈2.9×10-20.587 44.9×10-20.995 0腐熟秸稈————秸稈炭4.2×10-20.857 46.5×10-20.992 9endprint

將所得吸附熱力學數據分別用Langmuir和Freundlich方程擬合，表6結果表明，Freundlich方程能較好地描述秸稈存在時土壤磷酸根的吸附熱力學過程，同銨態氮相似，磷酸根也是多分子層吸附。由圖4和表6中的qm和KF可知，經不同方式處理的秸稈存在時土壤對磷酸根的吸附量為秸稈炭>破表6秸稈不同處理方式條件下土壤對磷酸根的吸附熱力學模型擬合參數

秸稈不同處理Langmuir模型Freundlich模型KL（L/mmol）qm（mmol/g）r2KF[（mmol/g）·（L/mmol）1/n]nr2對照1.1×10-21.560.624 13.3×10-21.659 70.998 4破碎秸稈1.2×10-22.030.839 75.6×10-21.865 10.965 5腐熟秸稈——————秸稈炭1.5×10-22.330.869 08.5×10-23.912 40.988 9

碎秸稈。

由圖1和圖3可知，腐熟秸稈、破碎秸稈和秸稈炭對銨態氮的吸附平衡時間分別為24、12、6 h，對磷酸根吸附平衡時間分別為14、11、5 h。當有不同方式處理的秸稈存在時，土壤銨態氮的吸附平衡時間大于磷酸根吸附平衡時間，這可能由于多糖的糖苷鍵更容易與磷酸根結合[8]，土壤對磷酸根的吸附速率比銨態氮大。

3討論

秸稈炭處理的茶園土壤對銨態氮的吸附平衡時間縮短，這可能與秸稈炭表面粗糙、具有較大表面積而提高了秸稈炭的吸附性能有關，也可能秸稈炭具有較多的酚羥基或醇羥基，增加了秸稈炭的吸附[9]；破碎秸稈表面比較粗糙，比秸稈炭表面積小，吸附性能弱于秸稈炭；腐熟秸稈表面規則，不利于銨態氮吸附，吸附平衡時間延長。同樣秸稈炭具有較大表面積，而破碎秸稈表面比較粗糙，比秸稈炭表面積小，減弱了對磷的吸附性能。腐熟秸稈對磷酸根出現顯著負吸附，可能是由于腐熟秸稈中磷以活性較高的形態存在，有較強的釋放作用[10]。

經不同方式處理的秸稈添加茶園土壤后對銨態氮和磷酸根的吸附指數n在2～10之間的吸附反應易于進行[11]，秸稈炭處理吸附指數n>2，表明對銨態氮和磷酸根的吸附易于進行；而對照、破碎秸稈和腐熟秸稈處理吸附指數n﹤2，表明對銨態氮和磷酸根的吸附不易進行，吸附量小。

Freundlich方程都能更好地描述銨態氮和磷酸根的吸附熱力學過程，Freundlich模型描述的是多分子層吸附，在吸附質濃度較高時吸附量會持續增加。Ussiri等研究了4種秸稈對水溶液中銨態氮的吸附過程，這些過程均可以用Freundlich模型描述，并認為其在秸稈表面的多分子層吸附可能與秸稈存在的纖維素有關[12]；West等研究認為秸稈中纖維素的多糖與陽離子發生吸附反應[13]；戴靜等認為多糖的糖苷鍵以共價鍵形式與銨態氮結合，而被固定在層間位置[14]。

4結論

吸附試驗表明，經不同方式處理的秸稈存在時，改良茶園土壤對銨態氮吸附速率和吸附量大小都為秸稈炭>破碎秸稈>腐熟秸稈；對磷酸根吸附速率和吸附量大小都為為秸稈炭>破碎秸稈，秸稈炭吸附效果好，且吸附過程是多分子層吸附。

參考文獻：

[1]王建英，邢鵬遠，袁海萍. 我國農業面源污染原因分析及防治對策[J]. 現代農業科技，2012（11）：216-217，223.

[2]Martens D A. Plant residue biochemistry regulates soil carbon cycling and carbon sequestration[J]. Soil & Tillage Research，2000，32（3）：361-369.

[3]Hamdan R，El-Rirai H M，Cheesman A W，et al. Linking phosphorus sequestration to carbon humification in wetland soils by 31P and 13C NMR spectroscopy[J]. Environmental Science & Technology，2012，46（9）：4775-4782.

[4]Steiner C，Das K C，Melear N，et al. Reducing nitrogen loss during poultry litter composting using biochar[J]. Journal of Environmental Quality，2010，39（4）：1236-1242.

[5]王立春，謝佳貴，秦裕波，等. 測土配方施肥方法研究[J]. 土壤通報，2008，39（4）：865-870.

[6]何緒生，張樹清，佘雕，等. 生物炭對土壤肥料的作用及未來研究[J]. 中國農學通報，2011，27（15）：16-25.

[7]Taghizadeh-Toosi A，Clough T J，Sherlock R R，et al. Biochar adsorbed ammonia is bioavailable[J]. Plant and Soil，2012，350（1/2）：57-69.

[8]李力，陸宇超. 玉米秸稈生物炭對Cd（Ⅱ）的吸附機理研究[J]. 農業環境科學學報，2012，31（11）：2277-2283.

[9]韓春麗，劉梅，張旺鋒，等. 連作棉田土壤剖面鉀含量變化特征及對不同耕作方式的響應[J]. 中國農業科學，2010，43（14）：2913-2922.

[10]李瑋，張佳寶，張叢志. 秸稈還田方式和氮肥類型對黃淮海平原夏玉米土壤呼吸的影響[J]. 中國生態農業學報，2012，20（7）：842-849.

[11]Daum D，Schenk M K. Influence of nutrient solution pH on N2O and N2 emissions from a soilless culture system[J]. Plant and Soil，1998，203（2）：279-288.

[12]Ussiri D A，Lal R，Jarecki M K. Nitrous oxide and methane emissions from long-term tillage under a continuous corn cropping system in Ohio[J]. Soil & Tillage Research，2009，104（2）：247-255.

[13]West T O，Marland G A. Synthesis of carbon sequestration，carbon emissions，and net carbon flux in agriculture：comparing tillage practices in the United States[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2002，91（1/3）：217-232.

[14]戴靜，劉陽生. 四種原料熱解產生的生物炭的吸附特性研究[J]. 北京大學學報（自然科學版），2013，49（6）：1075-1082.伏簫諾，趙志忠，吳丹，等. 海南島八門灣紅樹林沉積物重金屬有效態空間分異特征 [J]. 江蘇農業科學，2017，45（12）：241-245.endprint