雞糞生物炭對土壤銅和鋅形態(tài)及植物吸收的影響

張藝騰，范禹博，徐笑天，張秀芳，李明堂

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

隨著養(yǎng)雞業(yè)的迅速發(fā)展，雞糞產(chǎn)量急劇增加。另外飼料添加劑中過多的Cu和Zn難以被吸收利用，導(dǎo)致雞糞中含有大量的Cu和Zn，有研究調(diào)查我國多個地區(qū)雞糞中Cu和Zn含量，其最高值分別可達(dá)到 775 mg·kg-1和 688 mg·kg-1[1]。張妍等[2]分別研究表明，土壤中有效態(tài)Cu和Zn的含量隨著雞糞添加量的增加而增加，當(dāng)雞糞添加量為222 g·kg-1時有效態(tài)Cu與Zn可分別增加到119.8 mg·kg-1和215.1 mg·kg-1。因此雞糞的不當(dāng)處理和利用會產(chǎn)生Cu和Zn的污染風(fēng)險。

雞糞的資源化利用主要為好氧堆肥，由于堆肥過程中臭味難以控制，場地需求大，并且在低溫期較長的東北地區(qū)還存在堆肥成本高、腐熟率低和重金屬固定效果差的問題[3]，因此迫切需要新的雞糞資源化利用途徑。由于生物炭不僅具有固碳減排的作用，還可以固定土壤中的重金屬[4]，因此國內(nèi)外學(xué)者逐漸開展了利用雞糞制備生物炭的研究。Subedi等[5]研究將雞糞以400℃和600℃為制備溫度制備成生物炭，發(fā)現(xiàn)400℃制備的雞糞生物炭相對于對照與600℃制備的雞糞生物炭可以有效地提高土壤養(yǎng)分的有效性從而顯著增加作物的生物量。侯艷偉等[6]探究雞糞生物炭施入紅壤后對土壤性質(zhì)與重金屬形態(tài)的變化情況，結(jié)果說明生物炭能夠提高土壤有機質(zhì)，增加Cu與Zn的生物有效性比例，降低Cd與Pb的生物有效性比例。Gaskin等[7]研究表明禽類糞便在制備成生物炭后還可以大量保留其中營養(yǎng)物質(zhì)，成為雞糞資源化利用的一個方向，但Khan等[8]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的制備能夠使其中重金屬的濃度得到一定的富集，施入環(huán)境中會有一定的釋放風(fēng)險。

目前對雞糞生物炭實際應(yīng)用效果的研究較少，尤其是在具有高溫、高濕和自然干擾小的塑料大棚內(nèi)的重金屬釋放以及對植物生長的影響等的研究鮮有報道。因此本文研究了在塑料大棚環(huán)境中土壤培養(yǎng)和小白菜盆栽條件下施用雞糞生物炭對空白土壤和添加鹿糞的土壤Cu和Zn有效態(tài)、賦存形態(tài)以及對小白菜生長和吸收Cu和Zn的影響，以期為科學(xué)合理利用雞糞生物炭提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

雞糞和鹿糞由吉林省長春市某養(yǎng)殖場提供，經(jīng)自然風(fēng)干過10目篩裝于自封袋中干燥保藏。雞糞以15℃·min-1升溫速率在300℃下熱解2 h，冷卻后過20目篩作為試驗用生物炭。低溫制備生物炭的基本特征為：pH 值 10.19，EC 值 3.19 mS·cm-1，灰分含量30.27%，比表面積1.8 m2·g-1，C、H、N元素含量分別為24.01%、1.23%和0.66%，Cu和Zn總量分別為101.67 mg·kg-1和 364.17 mg·kg-1，有效態(tài)含量分別為 7.28 mg·kg-1和 89.33 mg·kg-1。鹿糞的基本特征為：pH值7.59，EC 值 6.96 mS·cm-1，C、H、N 元素含量分別為31.47%、4.69%和2.40%，Cu和Zn總量分別為85.33 mg·kg-1和 159.83 mg·kg-1，有效態(tài)含量分別為 7.30 mg·kg-1和68.55 mg·kg-1。

供試土壤為黑鈣土，取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地，土壤pH值為6.35，EC值60.1 μS·cm-1，有機質(zhì)含量23.45 g·kg-1，Cu和Zn含量分別為27.88 mg·kg-1和84.22 mg·kg-1。實驗用土均經(jīng)過自然風(fēng)干，除去雜物，過5 mm篩。供試小白菜為吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的耐熱型雜交小白菜。

1.2 溫室大棚培養(yǎng)試驗

取20 kg土樣裝入規(guī)格為60 cm×30 cm×25 cm的樹脂培養(yǎng)盆中，處理分為：添加2%雞糞生物炭（B）、添加5%鹿糞（DM）、添加5%鹿糞和2%雞糞生物炭（DM+B），并以無任何添加的空白土壤作為對照（CK）。每種處理做6個平行，共24盆，一半用于土壤培養(yǎng)試驗，一半用于小白菜盆栽實驗。

土壤培養(yǎng)試驗：將土壤含水量調(diào)整至田間持水量的60%（田間持水量為33.25%），在溫室大棚內(nèi)培養(yǎng)，每日補充一次水分，培養(yǎng)60 d，每盆每30 d按五點法取一次土樣，制備成混合樣，用于測定土壤中的Cu和Zn。

小白菜盆栽試驗：每盆取間隔相同的14個點，每個點播種三顆小白菜種子，出苗后選取14株長勢相近的小白菜，培養(yǎng)時間從播種后開始計算，培養(yǎng)30 d后收獲，然后以相同的方式重新種植小白菜。小白菜培養(yǎng)過程中不施肥，不打農(nóng)藥，每日補充一次水分。每次收獲時取走所有的植株，并采集根際土壤。莖葉和根部經(jīng)清洗后在105℃烘箱中殺青30 min，再降低至75℃烘干到恒質(zhì)量，稱量各干質(zhì)量后快速研磨裝入自封袋于干燥器中保存待測，土壤樣品均自然風(fēng)干過篩，用于測定Cu和Zn。

培養(yǎng)實驗在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室大棚中進行，培養(yǎng)時間為2017年5—7月，大棚內(nèi)溫度變化幅度為20～35℃。

1.3 測定方法

土壤有效態(tài)Cu和Zn按照NY/T 890—2004標(biāo)準(zhǔn)中的DTPA-TEA浸提法進行提取，土壤重金屬形態(tài)分布采用歐共體物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)局提出的BCR逐級提取法。Cu和Zn含量均使用原子吸收分光光度計測定。樣品pH與EC值采用酸度計與電導(dǎo)率儀進行測定[9]?；曳譁y定參考GT/T 17664—1999標(biāo)準(zhǔn)，將生物炭平鋪于陶瓷坩堝底部后置于馬弗爐內(nèi)750℃灰化6 h，灰分的質(zhì)量與灰化前生物炭質(zhì)量的比值即為灰分所占比例。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件和Origin 2017軟件進行數(shù)據(jù)處理及繪圖，結(jié)合SPSS 21.0處理數(shù)據(jù)間顯著性分析。

根富集系數(shù)=植株重金屬含量（mg·kg-1）/土壤重金屬含量（mg·kg-1）

表1 雞糞生物炭對土壤pH的影響Table1 Effects of biochar prepared from chicken manure on soil pH

2 結(jié)果與分析

2.1 雞糞生物炭施用對土壤pH的影響

土壤培養(yǎng)和小白菜盆栽實驗中各處理組土壤pH變化情況如表1所示。從表中可以看出添加生物炭可以提高空白土壤及添加鹿糞土壤的pH值，種植小白菜后根際土壤pH值均高于土壤培養(yǎng)期間所采集的土壤且隨種植時間的延長pH值逐漸增加，盆栽培養(yǎng)收獲兩次后添加雞糞生物炭pH值分別提高了0.67（B）和0.56（DM+B）。

2.2 雞糞生物炭施用對土壤有效態(tài)Cu和Zn含量的影響

土培與盆栽試驗各處理組有效態(tài)Cu和Zn含量變化如圖1所示。土壤培養(yǎng)30 d后，雞糞生物炭的添加可以顯著降低土壤中有效態(tài)Cu的含量，相比于空白土壤與添加鹿糞土壤，雞糞生物炭的施用使有效態(tài)Cu含量分別下降了32.62%與16.26%，土壤培養(yǎng)60 d后有效態(tài)Cu含量均會有小幅上升，但添加雞糞生物炭依然可以使空白土壤與添加鹿糞土壤有效態(tài)Cu含量分別降低31.15%和25.68%，而且添加生物炭的土壤經(jīng)過60 d培養(yǎng)后有效態(tài)Cu含量相對于0 d也有明顯降低，分別降低了29.80%（B）和10.37%（DM+B），而空白土壤與添加鹿糞土壤皆超出0 d時含量。盆栽組經(jīng)過一次種植后，添加生物炭土壤可以使空白土壤有效態(tài)Cu含量降低30.36%，而鹿糞土壤施用雞糞生物炭后變化無明顯差異。經(jīng)過第二次種植后，施用雞糞生物炭的土壤有效態(tài)Cu含量分別降低了37.36%（B）與7.20%（DM+B）。相對于盆栽培養(yǎng)，土壤初始時有效態(tài)Cu含量經(jīng)過兩次種植后各培養(yǎng)分別降低了29.84%（CK）、57.25%（B）、52.56%（DM）和 51.64%（DM+B）。

雞糞生物炭施入土壤使土壤培養(yǎng)中有效態(tài)Zn含量分別增加了6.19 mg·kg-1（B）和4.95 mg·kg-1（DM+B），土壤培養(yǎng)30 d與0 d相比添加雞糞生物炭使得空白土壤與添加鹿糞土壤有效態(tài)Zn濃度明顯降低，降低幅度分別為61.41%（B）和53.17%（DM+B）。土壤培養(yǎng)60 d后各培養(yǎng)有效態(tài)Zn含量均明顯回升，且添加雞糞生物炭有效態(tài)Zn含量仍高于空白土壤與添加鹿糞土壤中含量，但添加雞糞生物炭可以使鹿糞土壤有效態(tài)Zn含量保持在培養(yǎng)前左右，而鹿糞土壤培養(yǎng)60 d后有效態(tài)Zn含量上漲61.42%。盆栽培養(yǎng)經(jīng)一次種植與初始相比添加雞糞生物炭土壤的有效態(tài)Zn含量也會有較大幅度下降，第二次種植結(jié)束后有效態(tài)Zn含量未出現(xiàn)較大回升，添加雞糞生物質(zhì)炭土壤有效態(tài)Zn含量還會略高于空白土壤與添加鹿糞土壤。

圖1 溫室中土壤培養(yǎng)和小白菜盆栽下生物炭對土壤有效態(tài)Cu和Zn含量的影響Figure1 Effects of biochar on available Cu and Zn conten in soil under greenhouse soil culture and bok choy pot experiments

2.3 生物炭施用對重金屬賦存形態(tài)的影響

土壤中Cu、Zn賦存形態(tài)分布如圖2所示。土壤培養(yǎng)30 d后添加雞糞生物炭對空白土壤與添加鹿糞土壤中酸溶態(tài)與可還原態(tài)Cu的影響不大，但能夠降低可氧化態(tài)Cu所占比例，提高殘渣態(tài)比例。土壤培養(yǎng)60 d后添加雞糞生物炭可使空白土壤與添加鹿糞土壤中酸溶態(tài)與可還原態(tài)Cu所占比例之和均降低1.91%，添加雞糞生物炭殘渣態(tài)Cu所占比例也有所提高，相比于空白土壤（85.38%）與添加鹿糞土壤（88.12%），添加生物炭殘渣態(tài)比例可以達(dá)到87.19%（B）與89.57%（DM+B）。盆栽培養(yǎng)經(jīng)一次種植后所有培養(yǎng)Cu的前三種形態(tài)所占比例之和均有明顯增長，而添加雞糞生物炭處理前三種形態(tài)比例之和要低于空白土壤與添加鹿糞土壤。經(jīng)第二次種植后各培養(yǎng)Cu的前三種比例之和有明顯下降，殘渣態(tài)Cu比例明顯提升，相比于空白土壤（87.73%）與添加鹿糞土壤（91.62%）添加生物炭后殘渣態(tài)Cu所占比例能夠達(dá)到90.01%（B）、92.43%（DM+B）。

添加雞糞生物炭能夠明顯提升土壤中酸溶態(tài)與可還原態(tài)Zn所占比例，土壤培養(yǎng)30 d與0 d相比添加生物炭處理后的空白土壤與添加鹿糞土壤中酸溶態(tài)與可還原態(tài)Zn所占比例之和分別下降了7.41%、2.11%。土壤培養(yǎng)60 d與0 d相比空白土壤與添加鹿糞土壤酸溶態(tài)與可還原態(tài)Zn所占比例之和均有所升高，而添加生物炭之后該兩種形態(tài)百分比含量均有所下降。盆栽培養(yǎng)經(jīng)兩次種植后酸溶態(tài)Zn所占比例均有明顯下降，殘渣態(tài)Zn比例逐漸升高分別從初始的81.95%（CK）、68.19%（B）、76.50%（DM）和 67.49%（DM+B）提高到 84.41%（CK）、76.52%（B）、78.36%（DM）和74.46%（DM+B）。

2.4 雞糞生物炭施用對小白菜Cu和Zn吸收的影響

小白菜莖葉與根部Cu、Zn含量如圖3所示，一次盆栽結(jié)束后，施用雞糞生物炭后小白菜根部Cu和Zn濃度相比于空白土壤與添加鹿糞土壤種植小白菜根部含量要有所降低，其中Cu含量降低了25.42%（B）與4.88%（DM+B），Zn含量降低了19.42%（B）與6.30%（DM+B）。相對于空白土壤添加雞糞生物炭會提高小白菜莖葉部Cu、Zn含量，而對于鹿糞土壤小白菜的莖葉部沒有顯著影響。二次盆栽結(jié)束后，添加雞糞生物炭不僅能夠有效地降低空白土壤與添加鹿糞土壤小白菜根部Cu、Zn含量，還能夠使莖葉部Cu、Zn含量顯著降低。通過表2對小白菜的根富集系數(shù)分析得出，添加雞糞生物炭可以使空白土壤與添加鹿糞土壤培養(yǎng)的小白菜Cu、Zn的根富集系數(shù)降低。

圖2 溫室中土壤培養(yǎng)和小白菜盆栽下生物炭對土壤Cu和Zn賦存形態(tài)的影響Figure2 Effects of biochar on a Cu and Zn chemical speciation under soil culture and bok choy pot experiments in greenhouse

2.5 雞糞生物炭施用對小白菜干質(zhì)量的影響

盆栽試驗中小白菜的干重變化如表3所示，單獨添加鹿糞和雞糞生物炭都可以促進小白菜的莖葉和根部干質(zhì)量，但鹿糞的促進作用明顯好于雞糞生物質(zhì)炭，雞糞生物質(zhì)炭的施用并不能增加添加鹿糞土壤中小白菜的莖葉和根部干質(zhì)量。以上結(jié)果表明在土壤營養(yǎng)元素和有機質(zhì)缺乏時雞糞生物質(zhì)炭對小白菜的干質(zhì)量促進作用明顯，但在營養(yǎng)豐富和有機質(zhì)含量充足時，雞糞生物炭的促進作用會受到影響。

表2 生物炭對小白菜根富集系數(shù)的影響Table2 Effects of biochar on root bioaccumulation of bok choy

3 討論

雞糞生物炭灰分中堿性礦物質(zhì)元素會使生物質(zhì)炭呈堿性，能夠有效提高土壤pH值[10-11]，通過種植后pH值提升更明顯，這可能是因為生物炭的施用可以增加土壤中硝態(tài)氮的含量[12]，從而使根系分泌出OH-或致根際pH值升高[13]，經(jīng)過60 d培養(yǎng)后添加雞糞生物炭能夠降低空白土壤與添加鹿糞土壤中有效態(tài)Cu含量，增加土壤中有效態(tài)Zn含量，但施用雞糞生物炭能夠減少鹿糞土壤隨培養(yǎng)時間增加所釋放的有效態(tài)Zn含量。說明雞糞生物炭對Cu具有較強固定作用，而雞糞生物炭本身的有效態(tài)Zn含量高，雖然在培養(yǎng)結(jié)束后含量大幅減少，但仍稍高于對照組，因此存在一定的使用風(fēng)險，經(jīng)過兩次種植后土壤中有效態(tài)Cu與Zn出現(xiàn)了明顯的降低，可能是因為植物的生長需求以及根系生態(tài)系統(tǒng)作用。Park等[14]研究發(fā)現(xiàn)施入雞糞生物炭的土壤能夠顯著降低土壤中硝酸銨提取態(tài)Cu、Pb、Cd的濃度，起到一定的穩(wěn)固作用，這取決于生物炭較大的比表面積及其表面所含有的豐富有機基團對重金屬擁有良好的吸附能力[15-16]。生物炭施入能提高土壤pH值從而加強對重金屬的吸附與離子間交換作用，其表面的含氧官能團又可與重金屬產(chǎn)生絡(luò)合作用[17-18]，另外土壤pH上升導(dǎo)致重金屬形成金屬氫氧化物、磷酸鹽或碳酸鹽沉淀[19]，Houben等[20]研究生物炭施入對重金屬污染土壤的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭剛施入導(dǎo)致土壤pH值提高，從而使得土壤氯化鈣提取態(tài)重金屬的含量降低，且隨生物炭施入量的增加這種酸中和能力作用也隨之加強。也有國內(nèi)外學(xué)者研究表明，生物炭灰分中的一些元素對重金屬起到共沉淀作用，形成例如Zn3（PO4）2·4H2O等較為穩(wěn)定的產(chǎn)物[21-22]。在培養(yǎng)期間Cu和Zn含量呈先降低后回升的趨勢，主要因為土壤中施入像畜禽糞便生物炭這種外加重金屬時，隨著土壤環(huán)境的變化重金屬會在土壤中得到一定的活化[23]。

圖3 生物炭對小白菜莖葉和根部Cu和Zn含量的影響Figure3 Effects of biochar on Cu and Zn content in stems and leaves of bok choy

表3 生物炭對小白菜干質(zhì)量的影響（g·pot-1）Table3 Effects of biochar on the dry weight of bok choy（g·pot-1）

土壤中重金屬的賦存形態(tài)也是影響重金屬生物有效性的因素之一[24]，其中酸溶態(tài)與可還原態(tài)是植物較容易利用的形態(tài)，而可氧化態(tài)和殘渣態(tài)為植物較難利用的形態(tài)。添加生物炭能夠提高Zn的酸溶態(tài)和可還原態(tài)，降低Cu前三種形態(tài)所占比例之和，但隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤培養(yǎng)中Zn的前兩種形態(tài)所占比例之和均呈先降低后又有所升高的趨勢，其中添加鹿糞土壤前兩種形態(tài)所占比例之和明顯高于初始時比例，而施用雞糞生物炭后可以使添加鹿糞土壤中該兩種形態(tài)比例之和停留于培養(yǎng)初始時的比例附近。另外施用雞糞生物炭能夠使空白土壤與添加鹿糞土壤殘渣態(tài)的比例得到提高，降低根富集系數(shù)，說明生物炭處理能夠有效控制土壤Cu和Zn向植物體根部轉(zhuǎn)移。王鳳等[25]在室溫條件下通過向土壤中施用不同比例生物炭來探究生物炭對土壤中Cd的賦存形態(tài)變化以及對盆栽所種植油菜的富集與轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響，結(jié)果表明隨著生物炭施入比例的提高，土壤中Cd的賦存逐漸向生物難以利用的形態(tài)轉(zhuǎn)化。另外與空白對照相比施加生物炭處理后油菜的富集系數(shù)有所下降，說明生物炭能較好地阻止Cd進入植物體。Houben等[26]在受重金屬污染的土壤中施用生物炭和石灰，發(fā)現(xiàn)生物炭施用比例為10%時能夠有效減少油菜幼苗中重金屬含量且產(chǎn)量相比石灰處理增加兩倍，而無添加的對照處理植物均死亡。

由于鹿糞往往被人們應(yīng)用到蔬菜種植中，因此本文研究了鹿糞及鹿糞和生物炭混合施用下小白菜的生長和對Cu、Zn的吸收，結(jié)果表明單獨添加鹿糞和雞糞生物炭均能明顯促進小白菜的生長，增加小白菜干質(zhì)量。與單獨添加鹿糞土壤相比，雞糞生物炭和鹿糞混合施用對小白菜各部分的干質(zhì)量沒有馬上產(chǎn)生促進作用，隨培養(yǎng)時間延長作用越明顯。在土壤營養(yǎng)元素和有機質(zhì)缺乏時雞糞生物炭對小白菜的干質(zhì)量促進作用明顯，但在營養(yǎng)豐富和有機質(zhì)含量充足時，雞糞生物炭的促進作用會受到影響，這可能是生物炭施入土壤后以緩釋的方式促進植物的生長[27]。

4 結(jié)論

（1）低溫制備的雞糞生物炭在有無植物生長的情況下均能有效提高土壤pH值。施用雞糞生物炭能夠降低空白土壤與添加鹿糞土壤中有效態(tài)Cu含量，同時控制鹿糞土壤中有效態(tài)Zn的釋放，使酸溶態(tài)、可還原態(tài)與可氧化態(tài)Cu比例降低。另外，提高了施加生物炭處理自身的可氧化態(tài)與殘渣態(tài)Zn比例，但有效態(tài)Zn與Zn的前兩種賦存形態(tài)仍高于對照處理，雖然土壤對兩者的環(huán)境容量較大，在高pH、高有機質(zhì)的土壤中少量施用含Cu與Zn的生物炭不會造成太大的環(huán)境風(fēng)險，但在低pH、低有機質(zhì)地區(qū)還會存在一定的潛在風(fēng)險。

（2）施用雞糞生物炭可以使小白菜根部Cu和Zn含量顯著減少，降低根部重金屬富集系數(shù)，二次盆栽結(jié)束后施用雞糞生物炭能夠降低莖葉部Cu和Zn含量。添加生物炭明顯促進空白土壤小白菜的生長，而對添加鹿糞的土壤中小白菜的干質(zhì)量沒有馬上起到明顯的促進作用，但隨培養(yǎng)時間延長作用越明顯。