生物炭與納米碳對模擬植被緩沖帶截留氮、磷污染物的影響研究*

胡雯娟 劉海琴 張晉華 張志勇#

(1.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，農業部長江下游平原農業環境重點實驗室，江蘇 南京 210014； 2.南京理工大學環境與生物工程學院，江蘇 南京 210094)

城市不同土地類型受地表徑流沖刷帶來的污染物是城市非點源污染的重要來源，近年來，城市非點源污染及其對城市水體環境的影響問題日益突出。目前，河岸植被緩沖帶(以下簡稱緩沖帶)對徑流污染物的截留轉化在農業面源污染防控或治理方面已取得了重要的進展[1]。緩沖帶是水域與陸地的過渡帶，具有重要的生態服務價值[2-3]。一般緩沖帶設置在沿河區域和集水區的源頭，相關實驗發現，10 m寬的緩沖帶可以去除75%的氮和95%的磷[4]。而對于城市地表水體周邊區域，由于土地資源有限，有必要減小緩沖帶寬度，同時確保其對污染物的攔截效果。

生物炭具有發達的孔隙結構，施加到土壤后可以降低土壤容重和硬度，增大土壤孔隙度，從而增加土壤的持水能力和改善水分入滲特征[5]。近年來，碳納米管因其優異的結構和性能被成功地應用于各個領域。對于環境領域，隨著環境分子科學的快速發展，納米材料在環境修復和水污染治理研究中的應用越來越受到重視[6]。

生物炭與納米碳常被用作土壤改良劑，但其運用在減少城市非點源污染方面的研究甚少，本研究通過向土壤中添加一定比例生物炭、納米碳，并種植西伯利亞鳶尾(IrissibiricaL.)模擬緩沖帶，探究其對地表徑流中氮、磷等污染物的截留去除效果及主要機理，以期為城市地表徑流污染的有效削減提供技術與理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用土壤取自耕作稻田，風干后過2 mm篩，土壤理化性質見表1。

表1 土壤理化性質

生物炭為秸稈生物炭，理化性質見表2；納米碳為多壁碳納米管，內徑3～5 nm、外徑8～12 nm，使用的碳納米管是由甲烷經過化學氣相沉淀法[7]制備而成，本底不含氮、磷。

表2 生物炭理化性質

參照無錫市濱湖區各下墊面地表徑流中污染物監測結果，取各污染物濃度最大值，向自來水中分別加入鄰苯二甲酸氫鉀(分析純)、磷酸二氫鉀(分析純)和硝酸銨(分析純)配制模擬徑流，各項指標見表3。

表3 模擬徑流參數

1.2 實驗方法

采用工程塑料制成圖1所示圓柱形裝置，承托層高于地面20 cm便于收集出水水樣，分別向10kg土壤中添加質量分數為10%、15%、20%的生物炭(記為J-10、J-15、J-20)和0.1%、0.5%、0.7%的納米碳(記為N-0.1、N-0.5、N-0.7)，混合均勻后置于實驗裝置中形成緩沖帶基質(以下簡稱J基質與N基質)，底部鋪設一層100目尼龍網，以防基質漏出，并設置只有土壤的空白對照(CK)，共7組實驗處理。裝置放在高度為85 cm的鐵架旁，鐵架上方放置水桶并連接出水管。每個處理種植西伯利亞鳶尾5～6棵，生物量為(63.34±0.31) g，培養1個月后開始實驗，前期每組設4個重復，其中1個用于正式實驗前補苗以及植物本底氮、磷檢測。實驗開始時，打開出水閥門，水桶中的模擬徑流沿出水管流至基質中，每隔3天實驗進水一次，每次每個處理實際進水5 L(模擬暴雨強度下每平方米緩沖帶可承受的20 min內的徑流總量)，從第8次開始進水間隔變為7 d，共進水11次，為防止實驗多次進水對植物根系及表層土壤的擾動，在土壤表面鋪一層粒徑6～8 mm的鵝卵石。使用1 L量杯承接出水水樣，混勻后檢測TN、TP、COD指標；實驗結束后檢測土壤中的TN、TP、氨氮及硝態氮指標；檢測植物中的TN、TP指標。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.3 分析方法

TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP、氨氮使用SKALAR SAN++連續流動分析儀測定，COD采用重鉻酸鉀法，具體參照《土壤農業化學分析方法》[8]128，133進行測定。含水率采用烘干稱重法測定[8]289。pH采用電位法測定(土水質量比為1.0∶2.5)[9]，TN采用凱氏定氮法[10]測定，氨氮采用靛酚藍比色法[8]159測定，硝態氮采用紫外分光光度法[11]測定，TP采用酸溶鉬銻抗比色法[8]168測定。植物TN采用混合催化劑硫酸消化凱氏滴定法測定，植物TP采用硫酸高氯酸消煮鉬銻抗比色法[8]314測定。根際土壤樣品進行DNA抽提、聚合酶鏈式反應(PCR)擴增和Illumina Miseq測序。

2 結果與討論

2.1 模擬徑流入滲速率

實驗前兩次進水各處理模擬徑流入滲速率均達到300 mL/min，這歸因于此時土壤較為松散。從第3次進水開始，J基質模擬徑流入滲速率隨生物炭添加量增加而出現明顯的梯度，J-10、J-15、J-20徑流入滲速率分別為240、270、280 mL/min，且隨進水次數的增加模擬徑流入滲速率基本保持不變。自第3次進水，N基質和CK模擬徑流入滲速率則逐漸降低，第7次出水時間明顯延遲，10 min左右CK和N-0.1開始出水，模擬徑流入滲速率為50 mL/min；分別到20、24 min時N-0.5和N-0.7開始出水，模擬徑流入滲速率為20 mL/min。N基質模擬徑流入滲速率明顯低于J基質，是由于納米碳質量輕，體積小，容易隨基質中的水流下移至出水口造成出水堵塞，另外，納米碳可填充土壤中孔隙使其比CK更加密實，阻擋徑流下滲。

2.2 TN的去除效果

由于土壤中硝態氮在進水初期有淋溶現象，在正式評估實驗效果前預運行穩定1周。

圖2中，第1至5次實驗進水期間各處理對TN去除率大體呈逐漸上升趨勢；J-20對TN的去除率在第5次進水時達到最高值，為51.70%，N-0.7在第4次進水時達到最高值，為57.41%。從第7次進水結果發現，J基質中生物炭添加量越高TN去除率下降幅度越大，與此同時N基質對TN的去除率也發生了驟降，可能是基質對TN的吸附隨模擬徑流的入滲發生了解吸作用。考慮TN吸附量已達到飽和，將此后進水時間間隔調整為7 d，發現這段實驗過程中各處理的TN去除率又有所升高，且J-15對TN的去除率大體高于其他處理。

圖2 基質對TN的去除率及累積攔截量Fig.2 Removal rate and cumulative interception of TN by each matrix

2.3 TP的去除效果

實驗初期TP的去除率相差較小(見圖3)，隨著進水次數的增加，J基質間TP去除率差異顯著增大(P<0.05)，生物炭添加量越大，TP去除率越低。生物炭本身含有較多的有效磷，在多次進水過程中，土壤及生物炭中有效磷逐漸析出[15]，導致實驗出水中TP的濃度升高。

圖3 基質對TP的去除率及累積攔截量Fig.3 Removal rate and cumulative interception of TP by each matrix

有研究指出，納米碳在吸附土壤速效磷的同時，還可以膠結吸附含大量磷素的土壤細顆粒，從而使磷在土壤中留存[16]。從實驗結果可見，N基質對TP的去除率為77.01%～93.53%，第2至8次進水，N-0.7對TP的去除率顯著高于CK(P<0.05)，但是自第9次進水起，N基質對TP的去除效果并不優于CK，且結合模擬徑流入滲速率等情況發現其并不適用于實際工程。

2.4 COD的去除效果

由圖4可知，J-20對于COD的去除率最高可達到97.50%，累積攔截量最高達3 369.25 mg；N-0.7對COD去除率最高為84.20%，最高累積攔截量為2 593.5 mg。J基質COD去除率整體高于N基質。生物炭的碳骨架有較好的持水性和通氣性，為微生物的繁衍提供良好的生存環境，同時生物炭也可以為微生物的生存提供充足的碳源。

圖4 基質對COD的去除率及累積攔截量

2.5 土壤理化指標

實驗前后對土壤進行理化指標檢測，具體結果見表4。納米碳主要成分為碳，生物炭中因含礦物離子，例如Ca2+、Mg2+等，添加后可增加土壤pH。實驗前土壤硝態氮為21.86 mg/kg，實驗結束后各處理中硝態氮含量降低至原來的1/6～1/5，氨氮相對有所升高，TP含量有略微下降。

表4 土壤理化指標1)

2.6 植物基本指標

實驗結束時對植物株高、根長、生物量以及TN、TP總量等指標進行檢測，結果見表5。生物量表現為J-15>J-20>J-10>CK>N-0.7>N-0.5>N-0.1。N基質植物TN、TP含量顯著低于J基質及CK(P<0.05)，由此可見N基質對西伯利亞鳶尾的生長并沒有促進作用；反觀J基質的各處理中根長、生物量以及TN、TP總量均顯著高于CK(P<0.05)，可見生物炭促進了西伯利亞鳶尾對營養元素的吸收，促進其生長。

表5 植物指標

實驗期間各基質中植物生長吸收的氮、磷質量見表6，結合11次模擬徑流攔截實驗中緩沖帶對氮、磷的攔截總量和表4、表5分析緩沖帶去除氮、磷的主要途徑。表4顯示實驗后基質中TN、TP含量大體有所下降，J-15與J-20的TN下降較多，通過表5發現植物對TN的吸收量相對較高。實驗進行至第7次，出水氮、磷明顯升高，說明攔截凈化實驗過程中基質的吸附和解吸作用同時存在，但最終基質對氮、磷的吸附量小于解吸量，而后西伯利亞鳶尾的生長對氮、磷的吸附利用以及基質中微生物硝化與反硝化作用減少了出水氮、磷濃度。由此可以推斷在模擬徑流流經緩沖帶的短時間內，首先是基質對氮、磷進行吸附貯存，隨后因西伯利亞鳶尾對養分的吸收和微生物的共同作用才使得下一次徑流入滲時基質又具有了吸附氮、磷的能力。因此，在J-15與J-20中植物生長對氮、磷的吸收利用是最終去除模擬徑流中氮、磷的主要途徑，基質吸附則是去除模擬徑流中氮、磷的重要途徑，植物對氮、磷的吸收利用亦是保證基質可以長期吸附外來氮、磷的關鍵。通過比較表6中基質間氮、磷攔截量和植物吸收氮、磷量發現，向土壤中添加生物炭明顯增加了西伯利亞鳶尾對氮、磷的吸收量，且大體隨生物炭添加量增加而增加。相反地，納米碳對西伯利亞鳶尾吸收氮、磷并沒有起到正面作用。

表6 實驗期間緩沖帶吸收TN、TP總量

2.7 土壤微生物群落多樣性

表7列出了各處理的Alpha多樣性指數，樣本覆蓋范圍均在97%以上，與CK相比，J基質微生物群落多樣性增加，且與生物炭的添加量大體呈正相關；N基質隨著納米碳的增加，微生物群落多樣性降低。群落豐富度結果顯示，N-0.7基質群落豐富度顯著較低。

表7 Alpha多樣性指數1)

OGUNTUNDE等[17]研究發現因生物炭的添加，土壤環境發生改變，更有利于土壤微生物群落的繁殖，主要是由于生物炭處理中碳的穩定性和土壤中有效氮的增加促進了微生物的生長繁殖；在添加生物炭的處理中，微生物活性高，可有效提高氮等營養素的周轉率，從而可以減少氮的浸出[18]。生物炭可以提高土壤持水性和pH，這是影響土壤微生物群落的重要因素。FOWLES[19]研究發現，生物炭可以增加植物根際微生物群落，以及促進相關植物對養分的吸收，本次研究結果與之吻合。CHUNG等[20]研究發現，高濃度的多壁碳納米管(質量濃度≥500 μg/g)可能會降低土壤中的微生物活性和生物量，本研究中0.7%的納米碳添加量顯著降低了土壤中微生物的豐富度和種類。

微生物是基質中重要的組成部分，既可以改善土壤肥力，又可以作為養分儲存庫并促進植物根系對營養元素的吸收。微生物多樣性降低會通過抑制土壤氮素釋放影響植物生長[21]，另一些研究表明微生物對植物水分的利用有顯著影響[22]。緩沖帶植被是對徑流中氮、磷去除的重要手段，因此緩沖帶土壤微生物多樣性以及植被的生長對攔截去除徑流氮、磷污染物具有重要的意義。

3 結 語

綜合緩沖帶對模擬徑流污染物的去除效果、對植物生長情況的影響以及微生物群落特征，15%～20%生物炭添加量是緩沖帶最佳基質配置參數，此結果將為現場實際工程運行提供數據參考。