添加生物質炭對豬場廢水灌溉土壤養(yǎng)分狀況及鉛有效性的影響

王月清，趙京，黃玉茹，高青，孫向輝，蔡寒玉，崔世慧，杜臻杰*

添加生物質炭對豬場廢水灌溉土壤養(yǎng)分狀況及鉛有效性的影響

王月清1, 2，趙京3，黃玉茹5，高青1, 2，孫向輝3，蔡寒玉3，崔世慧4，杜臻杰1, 2*

（1.中國農業(yè)科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農業(yè)科學院 河南新鄉(xiāng)農業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站，河南 新鄉(xiāng) 453002；3.河南工學院 有機固廢處理與資源化實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453003；4.獲嘉縣農業(yè)農村局，河南 新鄉(xiāng) 453800；5.新鄉(xiāng)市環(huán)境保護科學設計研究院，河南 新鄉(xiāng) 453800）

【】為養(yǎng)豬廢水安全灌溉提供科學依據(jù)。試驗選取新鄉(xiāng)郊區(qū)農田0~20 cm表層土壤，采用PVC根箱法種植小麥，試驗設置4種水平的生物質炭添加量0%、0.5%、2%、5%（W0、W0.5、W2、W5）和對照CK（無作物和生物質炭）。測定了各處理根際和非根際土壤養(yǎng)分狀況與含鉛量，探討了處理間土壤養(yǎng)分狀況和鉛遷移規(guī)律的差異特征。與CK相比，施加生物質炭改善了土壤理化性狀，W2和W5處理顯著增加了土壤有機質量、堿解氮量、速效磷量與速效鉀量，尤其是非根際土壤的增幅更大。同時，施加生物質炭處理能夠降低土壤有效鉛量，W2和W5處理土壤有效鉛量降幅較大，達20.7%~33.3%，且非根際土壤有效鉛量顯著低于根際土壤。對于北方堿性土壤，灌溉養(yǎng)豬廢水時添加適量的生物質炭（W2），能夠改善土壤理化性質，降低鉛的生物有效性，減少向植物體內的遷移。

有效態(tài)鉛；生物質炭；養(yǎng)豬廢水；土壤養(yǎng)分狀況

0 引言

【研究意義】利用再生水、養(yǎng)殖廢水以及微咸水等替代水源進行灌溉是緩解農業(yè)用水緊缺的重要途徑[1]。隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖業(yè)由粗放型逐漸走向規(guī)模化和集約化。養(yǎng)殖過程中會產生大量的廢水，如果不經處理就恣意排放會對生態(tài)環(huán)境造成巨大污染。養(yǎng)殖廢水中含有一定量的氮、磷、鉀等作物生長必需的元素，用來灌溉不僅可以提高土壤養(yǎng)分、減少化學肥料的施用，同時也能在一定程度上緩解灌溉水源短缺的壓力[2-3]。值得關注的是，養(yǎng)殖廢水中還含有鉛鎘銅鋅等重金屬、病原體和鹽基離子，直接灌溉農田存在一定的環(huán)境風險[1]，鉛作為一種分布面積廣泛、危害程度極深的重金屬，一直備受關注。土壤中鉛主要是非代謝性的被動進入植物體內，能夠降低根細胞的有絲分裂速度，影響作物生長發(fā)育，導致其生長緩慢和中毒現(xiàn)象，同時鉛的半衰期較長，在食物鏈富集最終會危害人體健康[4]。因此，科學、合理、安全地利用養(yǎng)殖廢水，對緩解農業(yè)用水矛盾、提升地力水平以及保護生態(tài)環(huán)境都具有重要的現(xiàn)實意義。

生物質炭是有機質在厭氧環(huán)境中經過熱解形成的一種不完全燃燒產物即一類富炭、高芳香化和高穩(wěn)定性的固體產物，是黑炭的一種存在形式[5]。具有巨大的比表面積、豐富的孔隙結構以及大量的含氧活性基團，能夠作為土壤改良劑[6]，改善土壤理化性狀，使土壤有害物質降解或失活來提高土壤肥力[7]，鈍化土壤中重金屬從而降低其生物有效性[8]。【研究進展】研究發(fā)現(xiàn)，長期施用生物質炭能夠有效提高土壤孔隙度，改善土壤環(huán)境。施加生物質炭能夠提高土壤pH值，改善酸性土壤質量[9]。另有研究表明，生物質炭的添加可以有效增加土壤速效養(yǎng)分和有機碳的量[10-12]。除此之外，生物質炭由于其自身的特性，常被用作土壤重金屬的修復材料。【切入點】目前關于生物質炭對重金屬污染土壤修復方面的研究較多[13-15]，但在養(yǎng)豬廢水灌溉下施用生物質炭對小麥根際和非根際土壤理化性狀改善和重金屬遷移的研究較少[1]。【擬解決的關鍵問題】選取新鄉(xiāng)市郊區(qū)農田土壤，通過根箱試驗，研究生物質炭添加對豬場廢水灌溉根際和非根際土壤養(yǎng)分和有效態(tài)鉛量的影響和互作效應，以期為豬場廢水的農業(yè)安全利用提供科學依據(jù)和理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年11月6日—2019年2月2日在中國農業(yè)科學院農田灌溉所洪門野外科學觀測試驗站人工氣候室進行。試驗站地處北緯35°19＇，東經113°53＇，海拔73.2 m，多年平均氣溫14.1 ℃，無霜期210 d，日照時間2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm，豐水年與枯水年相差3~4倍，7—9月降水量占全年降水量的70%左右。多年平均蒸發(fā)量2 000 mm。

1.2 試驗材料

試驗土壤來自新鄉(xiāng)市郊區(qū)農田0~20 cm土壤，土壤類型為潮土。土壤性質基本理化質如表1所示。豬場廢水取自新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣某養(yǎng)殖場內的UASB升流式厭氧塔內，原液稀釋5倍后作為供試廢水澆灌根箱，供試廢水水質指標如表2所示。生物質炭購于河南省商丘市三利新能源有限公司，小麥秸稈生物炭的組分結構如表3所示。供試小麥品種為百農4919。

表1 供試土壤基本理化性質

表2 供試豬場廢水水質指標

表3 小麥秸稈生物質炭組分結構

1.3 試驗設計

試驗采用長14 cm、寬12 cm、高17 cm的PVC根箱進行試驗，沿長邊把根箱用300 目尼龍網分成5部分（5 cm：1 cm：2 cm：1 cm：5 cm），5 cm的部分為非根際，1 cm為過渡區(qū)，中間2 cm為根際，小麥種植于2 cm的根際部分[1]。供試生物炭為小麥秸稈生物質炭，試驗設置W0（不添加生物質炭）、W0.5（0.5%C）、W2（2%C）、W5（5%C）4個水平的生物質炭處理，每個處理設3個重復。同時設對照CK（不施用生物質炭、不種植作物）。供試土壤經過自然風干、破碎、然后過2 mm篩，每個根箱裝3 kg土，底肥添加量為1 g/kg的復合肥料（N、P2O5、K2O量分別為15%、25%、4%）和生物質炭充分混合后裝入根箱。裝土過程中把根際土、非根際土以及過渡區(qū)域土裝平，再分別加入300 mL去離子水靜置12 h。每盆播種8~10粒，播深5 cm。播后每隔2 d觀察出苗情況，并于出苗7 d后，每盆定株5棵。每隔2 d通過質量法來確定各處理間土壤的含水率，豬場廢水稀釋5倍后達到農田灌溉水質標準（GB5084—2005），再進行灌溉。CK的灌溉量保持土壤含水率在田間持水率的60%左右，持續(xù)90 d，總灌水量約為9 L/pot。

1.4 試驗指標測定

小麥生長90 d后，使用40 cm小型土鉆，在根際與非根際中分別取0~15 cm的土層，每采1個樣后，土鉆使用去離子水清洗擦拭干凈再使用。土樣自然風干，破碎備用。指標測定參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[16]。按1∶2.5的固液比制備土壤懸液，用電位法測定pH和Eh。土壤中有機質用重鉻酸鉀容量法測定。土壤堿解氮用堿解擴散法。土壤速效鉀用NH4AC提取—火焰光度法測定。土壤中有效態(tài)Pb用DTPA提取—原子吸收分光光度法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)通過SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析（顯著性水平為0.05），通過Origin 2018進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同生物質炭添加量土壤有機質的影響

圖1為根際與非根際有機質量。由圖1可知，與CK相比，W0處理根際土壤有機質量顯著降低了8.83%，非根際土壤有機質量無顯著差異；W0.5處理根際土壤有機質量與CK無顯著差異，W2和W5處理根際土壤有機質量顯著增加了15.17%和38.02%；W0.5、W2、W5處理非根際土壤有機質量也顯著增加了4.22%、28.95%、57.55%；表明隨著生物質炭施用量的不斷增加，各處理土壤中有機質量不斷增加。

與根際相比，W0、W0.5、W2、W5處理的非根際土壤有機質量顯著增加了9.21%、4.04%、11.97%、14.15%。

注 圖中不同的字母表示在0.05水平差異顯著。

2.2 不同生物質炭添加量對土壤速效養(yǎng)分的影響

2.2.1 不同生物質炭添加量對土壤堿解氮的影響

圖2為根際與非根際堿解氮量。由圖2可知，與CK相比，W0處理根際與非根際土壤堿解氮量顯著降低了11.63%和8.41%，W0.5處理根際土壤堿解氮量與CK相比無顯著差異，W2和W5處理根際土壤堿解氮量顯著增加了6.50%和13.67%；W0.5、W2、W5處理非根際土壤堿解氮量與CK相比顯著增加了21.38%、42.12%、55.45%。

與根際相比，W0、W0.5、W2、W5處理非根際土壤堿解氮量顯著增加了3.65%、20.84%、33.45%、36.75%。

圖2 根際與非根際堿解氮量

2.2.2 不同生物質炭添加量對根際和非根際土壤速效磷的影響

圖3為根際與根際速效磷量。由圖3可知，與CK相比，W0和W0.5處理根際土壤速效磷量顯著降低了15.90%和26.15%，非根際速效磷量顯著降低了13.52%和7.88%，W2和W5處理非根際土壤速效磷量顯著增加了11.59%和17.53%。

與根際相比，W0.5、W2、W5處理非根際土壤速效磷量顯著高出24.75%、10.77%、15.31%。

圖3 根際與非根際速效磷量

2.2.3 不同生物質炭添加量對土壤速效鉀的影響

圖4為根際與非根際速效鉀量，由圖4可知，與CK相比，W0.5處理根際土壤速效鉀量顯著降低了5.30%；W2和W5處理根際土壤速效鉀量顯著降增加了73.45%和24.43%，W0.5、W2、W5非根際土壤速效鉀量與CK相比分別增加了7.65%、70.72%、178.0%。

與根際相比，W0、W0.5、W2、W5處理非根際土壤速效鉀量差異顯著，W0.5和W5處理顯著高出根際土壤13.67%和123.1%；W0和W2處理顯著降低了6.04%和1.58%。W2處理根際的速效鉀量顯著高于W5處理，而非根際表現(xiàn)則恰好相反。

圖4 根際與非根際速效鉀量

2.3 不同生物質炭添加量對土壤有效鉛的影響

圖5為根際與非根際有效鉛量。由圖5可知，與CK相比，W0、W0.5、W2、W5處理根際土壤有效鉛量顯著降低了10.64%、19.49%、20.69%、21.98%，非根際土壤有效鉛量分別顯著降低了22.08%、30.90%、28.92%、33.33%。

與根際相比，W0、W0.5、W2、W5處理非根際土壤有效鉛量顯著降低了12.80%、14.18%、10.38%、14.54%。

圖5 根際與非根際有效鉛量

2.4 土壤養(yǎng)分狀況與有效鉛的相關性分析

2.4.1 根際土壤養(yǎng)分狀況與土壤有效鉛的相關性分析

根際土壤養(yǎng)分狀況與土壤有效鉛的相關性分析結果見表3。結果發(fā)現(xiàn)，根際土壤有效鉛量與有機質量及堿解氮量顯著負相關，而與速效磷量及速效鉀量相關性不顯著。速效磷量與有機質量正相關。各養(yǎng)分之間，速效鉀量與有機質量相關性不顯著，與速效磷量正相關。堿解氮量與有機質量極顯著性正相關，與速效磷量正相關，與速效鉀量正相關。

表3 根際土壤養(yǎng)分狀況與有效鉛的相關性分析結果

注 *表示在0.05水平上相關性顯著；**表示在0.01水平上相關性極顯著。下同。

表4 非根際土壤養(yǎng)分狀況與有效鉛的相關性分析結果

2.4.2 非根際土壤養(yǎng)分狀況與有效鉛的相關性分析

受根系、微生物狀況等影響，非根際土壤與根際土壤相比，土壤養(yǎng)分、有效鉛量及其效應關系有一定的差異。由表4可知，非根際土壤有效鉛量與有機質量、速效磷量、速效鉀量及堿解氮量之間均顯著負相關。各養(yǎng)分之間，非根際土壤速效磷量與有機質量極顯著正相關。速效鉀量與有機質量極顯著正相關，速效鉀量與速效磷量極顯著正相關。堿解氮量與速效鉀量極顯著正相關，堿解氮量與速效磷量極顯著正相關，堿解氮量與速效鉀量極顯著正相關。

3 討論

生物質炭能夠提高土壤有機質量[17-18]，在本試驗中，生物質炭處理的土壤有機質量的增加顯著，可能與其自身含碳量高有關，而且生物質炭通過微生物分解能夠形成腐殖質，也會導致土壤有機質量的增加。此外，生物質炭的高孔隙度和大比表面積等特性，能夠吸附固持土壤中易礦化的有機質，從而降低有機質的可利用性[19]。本試驗發(fā)現(xiàn)，施用生物質炭可以顯著改善根際和非根際養(yǎng)分狀況，其提高幅度與生物質炭的施用量顯著相關，這與前人研究結果[20-21]基本保持一致。而且，施加生物質炭對根際和非根際土壤速效養(yǎng)分也有不同程度的增加，尤其土壤速效鉀和速效磷。這與張祥等[22]研究結果一致。

值得關注的是，添加生物質炭后，非根際土壤與根際土壤相比，土壤養(yǎng)分、有效鉛量及其效應關系表現(xiàn)出較大的差異，尤其是在有效鉛量與速效養(yǎng)分量的相關性方面，根際土壤有效鉛量僅與有機質量、堿解氮量顯著負相關關系，而非根際土壤有效鉛量與有機質量、堿解氮量、速效磷量及速效鉀量之間均顯著負相關關系。土壤有機質中含有纖維素、腐殖質、類脂物質、甾類、維生素、萜類等多種物質，其中腐殖質在土壤中可以呈游離的腐殖酸和腐殖酸鹽類狀態(tài)存在，也可以呈凝膠狀與礦質黏粒緊密結合，成為重要的膠體物質，從而降低鉛的生物有效性[6]。肖亞濤等[23]研究表明，NO3--N在一定程度上降低土壤重金屬的生物有效性，冬小麥地上部組織和根系中的Cd量，這是由于在受重金屬脅迫后，冬小麥根系的轉錄組變化中苯丙生物合成，氮代謝通路較為活躍，差異表達基因顯著富集上調，這些通路與重金屬脅迫的響應、防御和解毒都密切相關。土壤中的磷與鉛可以通過吸附、溶解/沉淀機制形成難溶性的磷酸鉛類化合物，磷基材料修復土壤鉛甚至被美國環(huán)境保護署（USEPA）列為最好的修復土壤重金屬的管理措施[24]。而在本試驗中，根際土壤有效鉛量與速效磷量的相關性并不顯著，這可能是由于在根系附近的速效養(yǎng)分由于易被吸收，利用效率較高，發(fā)生沉淀反應的概率小所致。劉平等[25]研究表明，土壤中鉀元素尤其是速效鉀能夠影響鉛的有效性及其生物富集，鉀肥通過改變土壤中鉛的賦存形態(tài)來促進植物對鉛的吸收，如KCl可通過提高土壤中水溶性鉛和碳酸鹽態(tài)鉛量，來提高鉛的生物有效性，這與本研究結果并不一致。鉀肥改變重金屬形態(tài)的原因主要與其伴隨陰離子（Cl-和SO42-等）的交換、配位等反應有關[26]，但從生理學來看，K+是植物生長的必需元素，是植物遭遇脅迫時滲透調節(jié)的主要無機離子[27]，土壤速效鉀量的提高可能會促進植株滲透調節(jié)從而降低鉛的生物有效性。

此外，不少研究結果[28-29]表明，生物質炭能夠提高土壤pH值，然而本試驗中，施用生物質炭對土壤pH值影響并不顯著，根際pH值為8.35~8.42，非根際pH值8.23~8.28。而劉源等[1]研究中也發(fā)現(xiàn)，在堿性土壤中施加生物質炭，并未引起土壤pH值的顯著升高。而有機酸對土壤吸附能力取決于土壤和有機酸的性質及反應條件，一般在酸性條件下，有機酸可以增加土壤和礦物對重金屬離子吸附能力，但在北方pH值＞8的潮土反而會降低土壤和礦物對重金屬吸附能力[30]。基于前人研究結果和本試驗結果判斷，土壤中有效Pb的降低主要取決于生物質炭本身的特性。如巨大比表面積、富含羧基、酚羥基等含氧官能團等，使得其能夠與重金屬發(fā)生靜電吸附和絡合作用，從而降低土壤有效態(tài)重金屬的量。而本試驗結果根際有效Pb量顯著高于非根際，是受小麥根系對重金屬的吸收調控作用。

生物質炭可以有效降低堿性土壤中有效態(tài)重金屬量[31]，邵云等[32]研究表明，土壤中添加離子纖維素可以減少Pb向植株中遷移，在小麥植株中，Pb量表現(xiàn)為根＞莖葉＞籽粒。黃黎粵等[33]研究表明，施加生物質炭能夠有效降低小麥幼苗根系As、Cd和Pb的富集量，且隨著施用量的增加有害元素的富集量降低更為明顯。從試驗結果分析，生物質炭幾種不同施加量對有效鉛降低效果顯著，對土壤肥力指標的改善效果與施加量呈正比，從成本來看，W2處理的施用量更具有可行性。對于不同生物質炭的不同施加量，有待進一步研究。綜上，施加生物質炭能夠改善土壤理化性質，增加土壤速效養(yǎng)分，降低鉛的生物有效性，降低養(yǎng)豬廢水灌溉農田的環(huán)境風險。

4 結論

1）養(yǎng)豬廢水經過厭氧發(fā)酵后稀釋5倍（NH4+-N量在160mg/L左右、TP 80 mg/L左右、COD量180 mg/L左右）既能夠滿足農田灌溉標準，也為作物提供生長所需的養(yǎng)分；同時，施用0.5%~5%水平的小麥秸稈生物質炭，能夠顯著減少根際及非根際土壤中有效鉛的量。

2）施加生物質炭處理能夠提高土壤有機質、堿解氮、速效磷與速效鉀等的量，尤其是非根際土壤。

3）施加生物質炭處理能夠鈍化土壤中有效鉛，降低其生物有效性，減少鉛向植物體內遷移。

4）添加生物質炭后，根際土壤有效鉛量僅與有機質量、堿解氮量呈顯著負相關關系，而非根際土壤有效鉛量與有機質量、堿解氮量、速效磷量及速效鉀量之間均呈顯著負相關關系。土壤有機質量、堿解氮量、速效磷量以及速效鉀量的量在根際與非根際土壤中均呈顯著正相關關系（<0.05）。

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Amending Soil with Biochar Increases Soil Nutrients and Reduce Pb Mobility in Soil Irrigated with Piggery Wastewater

WANG Yueqing1,2, ZHAO Jing3, HUANG Yuru5, GAO Qing1,2,SUN Xianghui3, CAI Hanyu3, CUI Shihui4, DU Zhenjie1,2*

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China;2. Agriculture Water and Soil Environmental Field Science Research Station of Xinxiang City of Henan Province of CAAS,Xinxiang 453002, China; 3. Laboratory of Organic Solid Waste Treatment and Resource Utilization, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China; 4.Bureau of Agriculture and Rural Affairs, Huojia 453800, China;5. Xinxiang Research Academy of Environmental Science and Design, Xinxiang 453002, China)

Piggery wastewater is rich in organic matter and nutrients, and it can be used as a supplementary water source for irrigation. But it also contains various organic and inorganic contaminants, and irrigating with it risks soil and crop contamination. How to make most of the piggery wastewater while in the meantime ameliorating dissemination of its pollutants is thus critical to its safe use and has been studied intensively over the past decade.【】The objective of this paper is to study the feasibility and efficacy of using biochar amendment to improve soil nutrients and reducing Pb mobility in soil irrigated with piggery wastewater.【】The experiment was conducted in rhizobox and used winter wheat as the model plant. It consisted of four treatments with soil amended with biochar at a ratio of 0, 0.5%, 2% and 2.5% respectively; a treatment without fertilization was taken as the control. In each treatment, we measured the change in organic matter, available N, P and K, as well as mobile Pb in the rhizosphere and bulk soils.【】Biochar amendment improved physical properties of the soil. Compared with the control, amending the soil with 2% and 5% of biochar significantly increased the content of organic matter, available N, P and K, especially in the bulk soil, while in the meantime reducing the mobile Pb by 20.7%~33.3%. It was also found that Pb content in the rhizosphere was higher than that in the bulk soil, indicating that it was root uptake rather than Pb mobility that limited Pd uptake and its translocation in the plant.【】Biochar amendment of the alkaline soil irrigated with piggery wastewater as studied in this paper can improve physicochemical properties of the soil, and reduced Pb bioavailability thereby ameliorating its root uptake and translocation in winter wheat.

Pb bioavailability; biochar amendment; piggery wastewater; soil nutrients

X53

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020449

1672 - 3317（2021）03 - 0087 - 07

王月清, 趙京, 高青, 等. 添加生物質炭對豬場廢水灌溉土壤養(yǎng)分狀況及鉛有效性的影響[J]. 灌溉排水學報, 2020, 40(3): 87-93.

WANG Yueqing, ZHAO Jing, GAO Qing, et al. Amending Soil with Biochar Increases Soil Nutrients and Reduce Pb Mobility in Soil Irrigated with Piggery Wastewater [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 40(3): 87-93.

2020-08-07

國家自然科學基金項目（51779260，51879268，21906041）；河南省科技攻關項目（192102110051，202102110123）；中央級科研院所基本科研業(yè)務費（FIRI2017-11）；河南省高校重點科研項目（21B610004）

王月清（1994-），男，河南信陽人。主要從事土壤污染控制與修復研究。E-mail:wyqhn12@163.com

杜臻杰（1982-），男，河南新鄉(xiāng)人。副研究員，碩士生導師，博士，主要從事農業(yè)水土資源利用與環(huán)境方面的研究。E-mail: imdzj11@163.com

責任編輯：趙宇龍