KOH改性生物炭修復As污染土壤的最佳環(huán)境條件研究

馬茹茹，閆衛(wèi)軍，高建軍

(山西晉環(huán)科源環(huán)境資源科技有限公司，山西 太原 030024)

引 言

生物炭是在缺氧條件下以及在低氧下熱解炭化得到的一種碳含量非常豐富、性質也非常穩(wěn)定的物質，如以作物秸稈、木屑、動物糞便等為原料生產的生物炭[1]。生物炭根據不同原生質來源分為木制炭、稻殼類炭、秸稈類炭和竹類來源的炭等。由于研究年代不同，所使用炭的名稱也不盡相同[2]。

土壤中加入生物炭后改善了有機質含量和土壤肥力，其耐降解的特性延長了碳在土壤中的降解時間，還有助于作物生長、土壤改良劑修復污染、減少溫室氣體排放等作用[3]。因此，近年來越來越多的學者開始研究不同的的生物質生產的生物炭，并且將其運用到修復障礙性土壤、改良土壤環(huán)境、提高作物產量等方面[4-5]。我國生物炭生產資源豐富，在農業(yè)土壤環(huán)境中的應用越來越受到重視，因此研究人員通過調控KOH改性生物炭的培養(yǎng)條件，以期探尋KOH改性生物炭最適環(huán)境條件下的修復效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

KOH改性生物炭：玉米秸稈堿化浸漬處理：將10 g過20目篩的秸稈放入250 mL 燒杯中，并添加150 mL 15%的KOH靜置24 h，每8 h 攪拌一次，過濾，用去離子水沖洗表面殘留的KOH，經85 ℃烘干后，于馬弗爐(450 ℃，2 h)熱解，熱解結束過60目篩得到KOH改性生物炭。

土壤：供試土壤樣品采集于山西省某污灌區(qū)，將所采集的土壤樣品風干后充分混合均勻，去除土壤中的植物殘體和石子磚塊等雜物。

作物：油菜，品種為：四月慢。

1.2 試驗設計

本實驗通過調控環(huán)境因子來確定KOH改性生物炭對污染土壤中對As的最佳的修復效果。分別設置了5個環(huán)境因子pH、溫度(T)、土壤含水率、有機質含量、全氮含量。每個因子設置3個處理，試驗設3次重復。

將污灌區(qū)風干研磨之后土壤混合均勻，過2 mm篩備用，將過篩之后的土壤樣品裝到花盆中。購買市售油菜種子，挑選飽滿均一無明顯損傷的種子在10%的H2O2消毒半小時，用蒸餾水沖洗干凈后浸泡在飽和CaSO4中2 h，用自來水和蒸餾水沖洗干凈后待用。將處理好的油菜種子種植到花盆中，每盆中種植10顆種子，待發(fā)芽記錄發(fā)芽率后，間苗至5株，每天早晚2次稱重添加水分，保持土壤濕度。植物生長40 d后收割植物。

1) 不同溫度培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

將播種好油菜籽的花盆置于培養(yǎng)箱中，分別設置15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃培養(yǎng)40 d，分別于培養(yǎng)10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，檢測土壤中總砷的濃度。

2) 不同pH培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

將已經過2 mm篩的土壤裝到花盆中，共設置4個實驗組，分別設置每個實驗組土壤pH為4.5、5.5、6.5、7.5，調好pH后將油菜籽播種到花盆中，并將花盆置于溫室大棚中培養(yǎng)40 d，分別于培養(yǎng)10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，檢測土壤中總砷的濃度。

3) 不同水分培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

將已經過2 mm篩的土壤裝到花盆中，共設置4個實驗組，分別設置每個實驗組土壤含水量為10%、15%、20%、25%，調好含水量后將油菜籽播種到花盆中，并將花盆置于溫室大棚中培養(yǎng)40 d，分別于培養(yǎng)10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，檢測土壤中總砷的濃度。

4) 不同有機質含量培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

將已經過2 mm篩的土壤裝到花盆中，共設置4個實驗組，分別設置每個實驗組土壤有機質含量為10 g/kg、16 g/kg、22 g/kg、28 g/kg，調好有機質含量后將油菜籽播種到花盆中，并將花盆置于溫室大棚中培養(yǎng)40 d，分別于培養(yǎng)10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，檢測土壤中總砷的濃度。

5) 不同全氮含量培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

將已經過2 mm篩的土壤裝到花盆中，共設置4個實驗組，分別設置每個實驗組土壤全氮含量為0.75 g/kg、0.85 g/kg、1.10 g/kg、1.25 g/kg，調好全氮含量后將油菜籽播種到花盆中，并將花盆置于溫室大棚中培養(yǎng)40 d，分別于培養(yǎng)10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，檢測土壤中總砷的濃度。

1.3 測試方法

土壤pH 值采用酸度計(雷磁pHS-3C，上海精密科學儀器有限公司)測定，m(土)∶V(水)=1∶5；有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用1 mol/L醋酸銨浸提-火焰光度計法；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；陽離子交換總量采用乙酸鈉-火焰光度法測定；土壤砷形態(tài)采用Tessier 五步連續(xù)提取法浸提，ICPAES測定；土壤微生物群落結構分析采用磷脂脂肪酸(PLFA)法。

2 結果分析

2.1 不同pH培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

土壤pH值是土壤的重要理化屬性，直接影響重金屬在農田系統(tǒng)中的移動性和有效性。而生物炭中K、Na等灰分元素呈可溶態(tài)，添加到土壤后提高酸性土壤的鹽基飽和度，從而降低土壤中交換性H+和Al3+水平，以提高土壤pH。大量實驗表明，施用生物炭可以提高土壤pH，提高土壤團聚性。

如圖1所示，通過調節(jié)土壤pH培養(yǎng)40 d，土壤中總砷濃度總體變化呈現隨培養(yǎng)時間的增長逐漸降低的趨勢。在0 d～10 d，油菜開始生長，初期4個不同處理的土壤總砷含量減少量基本相近，減少3.07%～3.86%；10 d～20 d，油菜快速生長，土壤中的一部分砷通過生物積累快速的積累在油菜中，使得土壤中的總砷的含量逐漸減少，與試驗初期土壤中的總砷含量相比較pH4.5、pH5.5、pH6.5、pH7.5分別減少 5.45%、9.04%、7.05%、11.90%；20 d～30 d，四個處理的土壤中的總砷分別減少7.96%、18.67%、29.22%、31.61%；30 d～40 d，四個處理的土壤中的總砷分別減少9.34%、24.76%、37.02%、40.01%，綜上所述，四個處理在20 d～40 d隨著時間增長，土壤總砷減少量逐漸增加，此外隨著pH升高土壤總砷減少量逐漸增加。

因此，KOH改性生物炭修復土壤中總砷的最適pH=7.5。

圖1 不同pH培養(yǎng)條件下土壤總砷濃度變化

2.2 不同含水率培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

如圖2所示，土壤保水性取決于土壤空隙的分布和連通性，而它在很大程度上受土壤粒徑(紋理)，結構特征(聚集)和土壤有機質含量的限制。生物炭高的表面積也可以導致土壤持水力上升，當生物炭加入土壤后，土壤表面積的增加，對土壤微生物群落結構和土壤整體吸附能力有限，隨后會提高土壤的保水性。

圖2 不同含水率培養(yǎng)條件下土壤總砷濃度變化

通過分別調節(jié)土壤含水率為10%、15%、20%、25%，土壤中總砷的濃度基本呈現隨培養(yǎng)時間的增加逐漸減少的趨勢。0 d～10 d，油菜逐漸生長，初期四個處理經培養(yǎng)10 d后，與試驗初期土壤總砷相比總砷含量減少1.35%～3.50%；培養(yǎng)10 d～20 d后土壤含水率為10%、15%、20%、25%與試驗初期總砷相比分別減少6.97%、5.14%、4.66%、5.45%；培養(yǎng)20 d～30 d后四個處理與初期總砷相比分別減少21.34%、20.78%、25.24%、25.08%；培養(yǎng)30 d～40 d后四個處理與初期總砷相比分別減少32.64%、31.73%、34.47%、33.28%。因此，隨培養(yǎng)時間的增加每個處理土壤總砷含量減少，而且當培養(yǎng)時間在20 d～40 d，四個處理的總砷減少量分別為含水率20%>含水率25%>含水率10%>含水率15%。

因此，KOH改性生物炭修復中土壤總砷的最適含水率為20%～25%。

2.3 不同溫度培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

如圖3所示，通過分別調節(jié)培養(yǎng)溫度為15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃，土壤中總砷的濃度基本呈現隨培養(yǎng)時間的增加逐漸減少的趨勢。0 d～10 d，油菜逐漸生長，初期四個處理經培養(yǎng)10 d后，與試驗初期土壤總砷相比總砷含量減少1.04%～2.03%；四個不同處理培養(yǎng)10 d～20 d后與試驗初期總砷相比分別減少4.42%、5.14%、5.53%、4.74%；培養(yǎng)20 d～30 d后四個處理與初期總砷相比分別減少5.69%、23.41%、25.48%、21.82%；培養(yǎng)30 d～40 d后四個處理與初期總砷相比分別減少10.27%、31.61%、38.77%、35.55%。綜上，因此，KOH改性生物炭修復土壤總砷的最適溫度為20 ℃～30 ℃。

圖3 不同溫度培養(yǎng)條件下土壤總砷濃度變化

2.4 不同有機質含量培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

如圖4所示，通過分別調節(jié)培養(yǎng)土壤有機質含量為10 g/kg、16 g/kg、22 g/kg、28 g/kg，土壤中總砷的濃度基本呈現隨培養(yǎng)時間的增加逐漸減少的趨勢。0 d～10 d，油菜逐漸生長，初期四個處理經培養(yǎng)10 d后，與試驗初期土壤總砷相比含量減少1.35%～2.31%；四個不同處理培養(yǎng)10 d～20 d后與試驗初期總砷相比分別減少3.90%、4.74%、5.29%、7.48%；培養(yǎng)20 d～30 d后四個處理與初期總砷相比分別減少16.76%、22.85%、25.64%、23.13%；培養(yǎng)30 d～40 d后四個處理與初期總砷相比分別減少23.49%、35.95%、43.87%、39.25%。綜上，當有機質含量少于22 g/kg時隨著培養(yǎng)土壤中有機質含量的增加，土壤中總砷含量逐漸減少；當有機質含量高于22 g/kg時，土壤中總砷含量增加，因此，KOH改性生物炭修復土壤總砷的最適有機質含量為16 g/kg～28 g/kg。

圖4 不同有機質含量培養(yǎng)條件下土壤總砷濃度變化

2.5 不同全氮含量培養(yǎng)下KOH改性生物炭對污染土壤中砷的修復效果

如圖5所示，生物炭可以減少鹽分的淋失(特別是硝酸鹽的淋失)和污染物在根際區(qū)的運移。養(yǎng)分淋失的減少可以提高養(yǎng)分的利用效率，并使得水分和養(yǎng)分保留在根際。生物炭能夠增加土壤內部的表面活性區(qū)域，降低了水分向根際下方的流失，從而增加了植物對水的使用高效率，最終增加植物對養(yǎng)分的利用率來增強作物的增長。生物炭長時間在土壤中停留能使有機物和農藥更好的分解及降解。營養(yǎng)物質濃度的增加提高了植物根部對它們吸收的可能性，從而也就降低了這些營養(yǎng)物質淋失導致地表水和地下水的風險。

圖5 不同全氮含量培養(yǎng)條件下土壤總砷濃度變化

通過分別調節(jié)培養(yǎng)土壤全氮含量為0.75 g/kg、0.85 g/kg、1.10 g/kg、1.25 g/kg，土壤中總砷的濃度基本呈現隨培養(yǎng)時間的增加逐漸減少的趨勢。0 d～10 d，油菜逐漸生長，初期四個處理經培養(yǎng)10 d后，與試驗初期土壤總砷相比含量減少0.64%～1.00%；四個不同處理培養(yǎng)10 d～20 d后與試驗初期總砷相比分別減少6.01%、6.33%、7.52%、7.25%；培養(yǎng)20 d～30 d后四個處理與初期總砷相比分別減少21.62%、22.65%、25.28%、23.01%；培養(yǎng)30 d～40 d后四個處理與初期總砷相比分別減少32.01%、33.64%、41.04%、38.06%。綜上，當全氮含量少于1.10 g/kg時隨著培養(yǎng)土壤中全氮含量的增加，土壤中總砷含量逐漸減少；當全氮含量高于1.10 g/kg時，土壤中總砷含量增加。

因此，KOH改性生物炭修復土壤總砷的最適全氮含量為0.85 g/kg～1.25 g/kg。

3 結論

因此通過控制KOH改性生物炭的環(huán)境因子，探索出KOH改性生物炭最佳的修復土壤中總砷的環(huán)境條件為：KOH改性生物炭修復土壤中總砷的最適pH=7.5；適含水率為20%～25%；最適溫度為20 ℃～30 ℃；最適有機質含量為16 g/kg～28 g/kg；最適全氮含量為0.85 g/kg～1.25g/kg。