生物炭對污泥混合基質性質和植物生長的影響

陸潔，馮嘉儀，盛晗，彭維新，吳道銘，張學平，曾曙才*

（1.華南農業大學林學與風景園林學院，廣州 510642；2.佛山市林業科學研究所，廣東 佛山 528222）

隨著工業化和城鎮化不斷發展，城市污泥產量日益增加。據統計，2020 年我國城市污水廠產生的干污泥（含水率80%）約1.16×107t[1]。目前我國采用的污泥處置方法主要有焚燒、衛生填埋和土地利用等[2]。相較于污泥農用，園林綠化利用是實現污泥資源化利用的一種可靠方式，可有效避開食物鏈，減少對人類的危害[3]。污泥中含有大量的有機質，氮（N）、磷（P）、鉀（K）養分元素，以及多種植物生長所需的微量元素，其施入土壤能夠提升園林土壤肥力，促進植物生長[4]。同時，污泥中含有大量的重金屬元素[5]，即使經過堆肥化處理也無法將重金屬完全去除，過量的重金屬會抑制植物生長，甚至引起植株死亡[2]。因此，如何更加安全地進行污泥園林利用一直是科研工作者的研究熱點。

生物炭是將生物質如農業、林業廢棄物在低氧或缺氧環境下進行高溫熱裂解而產生的富碳固態產物[6]。生物炭具有比表面積大、孔隙結構發達、富含有機官能團和有機碳、pH 高等特性，在土壤中施加生物炭可有效改良土壤理化性質，增強養分固持，并增加微生物活性[7-8]。除此之外，較多研究表明生物炭對重金屬污染物有良好的吸附作用，能夠降低有效態重金屬在土壤中的遷移性[9-10]。已有學者將生物炭與污泥共同堆肥并進行土地利用，但發現短期內其對有效態重金屬的鈍化效果并不顯著[11]。而目前在污泥土地利用中添加生物炭作為改良劑的研究卻鮮有報道。

污泥可進一步熱解轉化為污泥生物炭進行處置；華南地區大量的高山榕凋落物可制成生物炭回收利用；水稻是南方重要的糧食作物，收獲后將其秸稈制成生物炭也是有效的資源化利用方式。不同原料生物炭對土壤改良效果不同[12]，如研究發現水稻秸稈生物炭對土壤速效養分的提升作用較水稻谷殼生物炭、果木生物炭更顯著[13]。此外，土壤環境條件的差異（如土壤質地、酸堿度、水分等）也會影響生物炭的改良效果[14-15]。關于污泥生物炭、水稻秸稈生物炭對農田土壤的改良效果，已有較多研究報道，但對高山榕凋落物生物炭的相關研究未見報道。另外，關于生物炭對華南地區園林綠地土壤的改良效果，尤其是對于污泥用作土壤改良劑施入園林綠地土壤后，再使用生物炭進行進一步改良的效果，目前鮮有研究。由此可見，針對污泥園林土壤利用，有必要對不同原料生物炭的作用效果進行深入探討。藍花草（Ruellia sim?plex）為爵床科蘆莉草屬草本植物，耐寒耐濕，抗逆性強，是生態修復的良好材料[16]。因此，本研究通過盆栽試驗，以污泥-土壤混合物作為基質，探究3種不同原料生物炭（污泥生物炭、凋落物生物炭、水稻秸稈生物炭）對基質理化性質、有效態重金屬以及藍花草生長和養分吸收的影響，并對3 種生物炭的改良效果進行綜合評價，以期為污泥的安全處置與資源化利用和生物炭的合理應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自佛山市林業科學研究所樹木園0~20 cm 土壤，為赤紅壤，土樣風干后碾碎過4 mm 篩。供試污泥取自清遠市綠由環保科技有限公司，污泥上蓋塑料薄膜，經厭氧堆置處理60 d 后風干碾碎過4 mm篩。供試土壤、污泥的基本性質見表1。

表1 供試材料的基本性質Table 1 Basic properties of experimental materials

供試生物炭分別為污泥生物炭、凋落物生物炭和水稻秸稈生物炭。污泥生物炭購買于臺山市三順環保裝備有限公司，水稻秸稈生物炭購買于江蘇華豐農業生物工程有限公司，凋落物生物炭以取自佛山市林業科學研究所的高山榕（Ficus altissima）落葉為原料，將其磨碎、過篩后由華南農業大學自主研發設計的生物炭連續熱解裝置（BCP-05，遼寧省能源研究所）經500 ℃高溫缺氧熱解制備而得。3 種生物炭使用前均過2 mm 篩，基本性質見表2。供試植物藍花草購于廣州市芳村花博園，選取高約35 cm、長勢良好的半年生藍花草幼苗用于試驗。栽培用盆為高19.5 cm、口徑22 cm且底部帶孔的塑膠盆。

表2 3種不同原料生物炭的基本性質Table 2 Basic properties of three biochars from different raw materials

1.2.1 試驗設計

盆栽試驗于2019 年10 月開始，在佛山市林業科學研究所的溫室大棚進行，試驗期為8 個月。將污泥、土壤按1∶1 的質量比充分混勻，每盆添加3 kg。分別將污泥生物炭（SB）、凋落物生物炭（LB）和水稻秸稈生物炭（RB）按照基質質量的4.5%施入盆中并充分混勻，每個處理設9 次重復，不添加生物炭的為對照（CK）。所有處理每周澆水一次至有下滲水流出，干濕交替平衡3 周。每個處理選取6 盆進行植物種植，每盆栽植1株藍花草，栽植周期為7個月。同時對不種植物的3 盆盆栽基質進行風干，四分法采樣500 g，研磨、過篩，用于測定理化性質與有效態重金屬等指標。植物生長期間夏天每隔3 d 澆水100 mL，其他季節每隔一周澆水100 mL，澆水過后土壤含水量為田間持水量的70%左右。

1.2 試驗方法

1.2.2 指標分析

種植結束后采用米尺測量株高。選取3 株長勢良好的植株整株挖出，帶回實驗室，先用自來水洗凈根部，再用去離子水沖洗3 遍并置于室內晾干，然后將地上部分（莖葉）和地下部分（根）剪開，分別裝入信封，放入烘箱105 ℃殺青30 min 后，70 ℃烘至質量恒定。用電子天平稱得地上、地下部分生物量（干質量），然后使用不銹鋼粉碎機將植物各部位粉碎后密封保存，用于植物養分的測定。植物N、P、K 養分元素的測定：先用H2SO4-H2O2消解植物樣品獲得待測液，N含量使用凱氏定氮儀測定，P含量采用鉬銻抗比色法測定，K 含量用原子吸收分光光度計測定。養分吸收量按下列公式計算：

供試土壤（混合基質）樣品分析方法參照《土壤農化分析》[17]進行。容重采用環刀法測定；毛管持水量和總孔隙度采用烘干法測定；pH 采用pH 計測定（水土比為2.5∶1）；有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；全N 采用濃H2SO4消煮-凱氏定氮儀測定，堿解N 采用堿解擴散法測定；全P 采用H2SO4和HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定，速效P采用NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法測定；全K 采用HNO3-HF-HClO4（6∶2∶2）消煮-原子吸收分光光度計測定，速效K 采用CH3COONH4浸提-原子吸收分光光度計測定。重金屬Cd、Pb、Cu、Zn、Ni 的有效態采用DTPA 浸提-原子吸收分光光度法測定[10]。

1.2.3 數據處理

通過模糊隸屬函數對不同原料生物炭添加條件下基質和植物生長指標進行綜合評價，計算公式如下[18]：

式中：R（Xi）為不同指標的隸屬函數值；R（Xi）反為不同指標的反隸屬函數值；Xi為第i個指標測定值；Xmax為所測指標的最大值；Xmin為所測指標的最小值。

本研究中毛管持水量、pH、有機質、堿解N、速效P、速效K、株高、單株生物量、單株N 吸收量、單株P吸收量、單株K 吸收量用R（Xi）計算；容重、有效態Cd、有效態Pb、有效態Cu、有效態Zn、有效態Ni 用R（Xi）反計算。最后求取同一處理所有指標隸屬函數值的平均值，平均值越大表示綜合改良效果越好。

1.2.4 數據處理

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件對數據進行統計分析，采用單因素（One-way ANOVA）和Duncan 法進行方差分析和多重比較（α=0.05），利用Origin 2019軟件制圖。圖表中數據為平均值±標準誤（n=3）。

2 結果與分析

2.1 不同處理對基質理化性質的影響

不同處理對基質物理性質均有不同程度的促進作用（圖1）。與CK 相比，LB 基質容重顯著降低14.02%，總孔隙度顯著提高9.39%，但毛管持水量與CK 無顯著差異；RB 處理基質容重顯著降低14.95%，總孔隙度和毛管持水量分別顯著提高9.86% 和25.17%；SB 處理基質容重、總孔隙度和毛管持水量與CK 均無顯著差異。可見在3 種處理中，水稻秸稈生物炭對基質物理性質的改良效果最明顯。

圖1 不同處理對基質物理性質的影響Figure 1 Effects of different treatments on physical properties in substrate

3 種生物炭對基質化學性質的影響存在差異（表3）。與CK相比，SB僅使全P含量顯著提高了10.38%；LB顯著提升了有機質、全N、全P、堿解N、速效K含量，各指標分別提升了39.02%、33.75%、15.77%、5.77%和395.47%；RB 顯著提升了全P、全K、速效P、速效K 含量，各指標分別提升了20.77%、58.30%、16.84%、262.40%。但是，SB和LB使速效P含量分別較CK降低了22.82%、34.03%，這可能是因為生物炭吸附了部分速效P。3種生物炭對基質pH均無顯著影響。

表3 不同處理對基質化學性質的影響Table 3 Effects of different treatments on chemical properties in substrate

2.2 不同處理對基質有效態重金屬含量的影響

3 種生物炭對基質有效態重金屬含量的影響不同（圖2）。SB 基質有效態Cd、Pb、Cu、Zn、Ni 含量較CK 分 別 顯 著 降 低 了25.75%、37.10%、29.53%、20.86%、14.69%；LB 和RB 僅使有效態Cu 含量分別顯著降低了11.66%和18.00%。可見污泥生物炭對基質有效態重金屬的降低作用最顯著。

圖2 不同處理對基質有效態重金屬含量的影響Figure 2 Effects of different treatments on available content of heavy metals in substrate

2.3 不同處理對藍花草生長和養分吸收的影響

不同生物炭對藍花草生長均有一定促進作用（表4）。SB 使藍花草地上、地下及全株生物量較CK 分別顯著增長了49.20%、79.91%、54.80%。LB 和RB 使藍花草地下生物量分別較CK 顯著增長了16.50%和36.30%，而地上、全株生物量與CK 相比無顯著差異。與CK 相比，3 種生物炭對藍花草株高生長均無顯著影響。

表4 不同處理對藍花草株高和生物量的影響Table 4 Effects of different treatments on plant height and biomass of Ruellia simplex

不同原料生物炭對藍花草地上、地下部分養分吸收量影響不同（圖3）。SB 顯著促進了藍花草地上部N、P、K 及地下部N、P 的吸收，各指標較CK 分別提升了70.35%、99.20%、64.91%、340.82%、280.06%。與CK 相比，LB 顯著促進了藍花草地上部N 及地上、地下部K 的吸收，各指標分別提升了68.77%、96.51%、127.55%。RB 與CK 相比顯著促進了藍花草地下部N及地上、地下部K 的吸收，各指標分別增加了186.30%、96.11%、269.94%。LB 和RB 對地上、地下部P的吸收量無顯著影響。與CK相比，3種生物炭均顯著促進蘭花草全株對N、K 的吸收，僅SB 顯著促進全株對P的吸收。

圖3 不同處理對藍花草養分吸收量的影響Figure 3 Effects of different treatments on nutrient absorption of Ruellia simplex

2.4 不同處理對基質改良和植物生長影響的綜合評價

由表5 可知，3 種生物炭的改良效果綜合排序為SB>LB>RB，可見污泥生物炭的綜合改良效果最佳。與CK 相比，污泥生物炭對pH、有效態Cd、有效態Pb、有效態Cu、有效態Zn、有效態Ni、全株生物量、單株N吸收量、單株P 吸收量的促進作用更顯著；而有機質含量、堿解N 含量、速效K 含量在LB 下提升更顯著；RB 對容重、毛管持水量、速效P 含量、株高、單株K 吸收量的促進作用更顯著。

表5 不同處理對基質改良與植物生長的模糊隸屬函數值Table 5 Membership function values of different treatments on substrate improvement and plant growth

3 討論

3.1 不同原料生物炭對基質理化性質的影響

生物炭疏松多孔的特性可有效改良土壤物理結構，提高通氣性和持水性[19]。本研究中由于水稻秸稈生物炭平均孔徑相對較大，因此其對基質的容重、毛管持水量、總孔隙度的促進作用更顯著。生物炭多呈堿性，可以通過吸附中和作用提高土壤pH[20]，但本研究中3 種生物炭對基質pH 的提升作用均不顯著，這一方面可能與本試驗生物炭添加量較少有關[21]，另一方面，生物炭對酸性土壤pH 提升效應較堿性土壤更顯著[22]，本試驗添加污泥后基質呈堿性，因此添加生物炭可能對pH提升作用較小。生物炭的高碳組分會向土壤輸入有機碳，增加有機質含量[23]。在添加污泥生物炭、水稻秸稈生物炭后基質有機質無顯著變化，僅添加凋落物生物炭顯著提高了有機質含量，可能是因為凋落物生物炭中有機碳含量較高。此外，不同生物炭會影響土壤有機碳礦化速率，從而可能對有機質含量產生影響[24]。

生物炭可以通過養分輸入和吸持保肥來提高土壤養分水平[7，25]。本研究中污泥生物炭僅顯著提升基質全P 含量，凋落物生物炭顯著提升全N、全P、堿解N、速效K 含量，水稻秸稈生物炭顯著提升全P、全K、速效P、速效K 含量。全量提升主要與生物炭中的養分含量高低有關，而有效量的變化則既與生物炭自身攜帶的有效養分量有關，還與生物炭的吸附特性相關。需要注意的是，雖然添加污泥生物炭、凋落物生物炭后基質全P 含量顯著增加，但速效P 含量卻顯著降低，僅水稻秸稈生物炭提高了基質速效P 含量。其原因可能是添加污泥后基質中含有豐富的養分元素，生物炭表面凹凸不平的結構和灰分會截留基質中的游離態P，形成的含P 化合物被限制在生物炭孔隙中[26]，從而降低了基質速效P 含量。水稻秸稈生物炭孔徑較大，對P 的吸附性能可能較弱；而大孔徑更有利于微生物生境形成[23]，因此可能更有利于P 的活化，從而提高土壤速效P 含量。可見，生物炭對土壤基質的影響是一個極其復雜的過程，其作用機理需要依據生物炭類型進行深入探究。

3.2 不同原料生物炭對基質重金屬有效性的影響

大量研究已證實生物炭可通過物理吸附、靜電吸附、離子交換、沉淀作用、絡合作用等將有效態重金屬轉化為更穩定的狀態[27-28]。如桑樹（Morus alba）枝桿、木薯（Manihot esculenta）稈、甘蔗（Saccharum officina?rum）渣生物炭主要通過提高土壤pH值來降低土壤有效態Cd 含量，其中桑樹枝桿生物炭的作用最顯著[29]；香根草（Vetiveria zizanioides）生物炭則主要通過表面靜電吸附和絡合作用去除溶液中的Cd 離子[30]。本研究中生物炭對有效態重金屬均有一定的降低效果，與前人的研究結果一致[10]，其作用機理可能為：一是生物炭表面的孔隙結構可通過物理吸附固定部分重金屬[31]；二是生物炭表面官能團與重金屬離子發生離子交換、表面絡合等形成強相互作用，降低其遷移性[30，32]；三是有機質的提升促進了土壤團聚體的形成，可膠結凝聚重金屬離子[10]。

有效態重金屬在土壤中遷移性強，具有較大的生物有效性和危害度[27]。添加凋落物生物炭和水稻秸稈生物炭顯著降低了有效態Cu 含量，而污泥生物炭顯著降低了基質有效態Cd、Pb、Cu、Zn、Ni 含量，對重金屬鈍化效果更為顯著，這可能與生物炭的孔隙大小有關，孔徑越小，越有利于對重金屬離子的吸附[33]。本試驗中污泥生物炭平均孔徑（24.20 nm）相對較小，凋落物生物炭和水稻秸稈生物炭平均孔徑（分別為34.72 nm 和58.64 nm）顯著高于污泥生物炭，污泥生物炭具有更強的吸附作用，因而添加污泥生物炭的基質中有效態重金屬含量顯著下降。

3.3 不同原料生物炭對植物生長的影響

污泥可為植物生長提供大量養分[3]，生物炭對土壤環境的進一步改良有利于植物根系生長，提高植物對養分的吸收水平[34]。本研究中3 種生物炭均顯著促進了藍花草地下生物量生長，且均明顯促進藍花草對養分元素的吸收，這與前人研究結果一致[35]。但是，與對照相比，藍花草地上生物量在添加凋落物生物炭、水稻秸稈生物炭條件下無顯著變化，僅在添加污泥生物炭時顯著提升了49.20%，這一方面可能與養分吸收量有關[2]，在添加污泥生物炭條件下藍花草對N、P的吸收量均較另外兩種生物炭高，因而其生物量增長更顯著；另一方面，植物在受到重金屬脅迫時，葉片細胞膜結構會受損，光合作用會受到抑制，從而影響植物正常生長[36]，污泥生物炭對基質有效態Cd、Pb、Cu、Zn、Ni 的降低在一定程度上減少了藍花草對重金屬的吸收，減緩了藍花草體內的重金屬脅迫，從而促使其地上生物量提高。

模糊隸屬函數也表明，污泥生物炭對有效態重金屬、植株生長等指標的提升作用更顯著，而凋落物生物炭、水稻秸稈生物炭則對基質養分指標的促進作用更顯著。綜上可知，生物炭可通過提高藍花草植物養分吸收、降低重金屬生物有效性來促進其生長。

3.4 生物炭在污泥園林利用中的應用前景

近幾年我國不斷出臺相關政策推進污泥無害化處置和資源化利用。本研究中模糊隸屬函數綜合評價結果顯示，3 種添加生物炭處理對基質改良和植物生長的效果均優于對照，且污泥生物炭最優，這說明添加生物炭有利于污泥在園林中推廣利用并進一步提高污泥處置效率。施用生物炭除了具有其他改良劑（如蘑菇渣、粉煤灰、生石灰、鋼渣等）的重金屬鈍化效果[37-38]，還有助于各種廢棄物的資源化利用，如本研究中污泥生物炭是對污泥的進一步加工處置，而華南地區城市園林綠化與水稻種植過程中產生的大量凋落物與水稻秸稈可通過生物炭的形式重新回歸土壤。同時，在目前碳中和背景下對生物炭的應用也能發揮重要的碳封存功能。然而，目前污泥生物炭的利用仍因重金屬風險問題而受限[28]，但有學者認為污泥熱解后重金屬形態穩定，生物可利用性低，施入土壤后幾乎不會增加污染[39]，本研究在盆栽試驗條件下也證實了這一點，但在污泥園林利用中添加生物炭的長期效果和影響仍有待進一步探討。

4 結論

（1）污泥生物炭、凋落物生物炭和水稻秸稈生物炭均可有效改良污泥-土壤混合基質的理化性質，提升其養分水平，但污泥生物炭和凋落物生物炭對基質速效P具有吸附作用。

（2）凋落物生物炭、水稻秸稈生物炭可顯著降低基質中有效態Cu 含量；污泥生物炭對重金屬有效性降低效果更為突出，可顯著降低有效態Cd、Pb、Cu、Zn、Ni含量。

（3）3 種生物炭均可促進藍花草地下生物量生長，提高植株對養分元素的吸收；污泥生物炭對藍花草地上生物量提高作用更顯著。

（4）模糊隸屬函數結果表明3 種生物炭對基質改良和植物生長影響的綜合評價排序為污泥生物炭>凋落物生物炭>水稻秸稈生物炭>不添加生物炭，生物炭對改良污泥-土壤混合基質的理化性質、降低重金屬有效性以及促進藍花草生長均有較好的作用，其中污泥生物炭的綜合效果最優。