污泥生物炭添加對黑麥草和土壤養分特性的影響

摘要：為探討污泥生物炭（Sludge biochar，C）和改性污泥生物炭（Modified sludge biochar，GC）添加對黑麥草（Lolium perenne L.）和土壤養分特性的影響，本試驗以C和GC為材料，設置不同添加水平（0%，5%，10%，15%，20%）種植黑麥草，測定黑麥草和土壤養分等指標。結果表明，添加C、GC均促進了黑麥草的生長及其莖葉和根含水量的提高，5%的添加水平顯著提高了黑麥草莖葉和根的干重。C、GC添加對黑麥草TN含量的提高效果最顯著，其次為TK。C添加對提高黑麥草生物量的影響程度大于GC，而對黑麥草養分含量及其吸收累積，GC大于C。應用C、GC可提高土壤有機質和全氮含量，降低土壤pH，堿解氮和速效磷受生物炭類型影響。因此，土壤中添加5%～10%比例的C或GC對植物的生長有促進作用，有利于提高土壤的養分含量。

關鍵詞：黑麥草；污泥/改性污泥生物炭；生物量；養分吸收；土壤養分

中圖分類號：S141.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2024）04-1296-08

Effects of Sludge Biochar Addition on Ryegrass and Soil Nutrient Properties

LI Wei1， WANG Jun2，3， XU Ru-min2，3， DU Shi-zhou1*， QIAO Yu-qiang1， CHEN Huan1

Abstract：In order to investigate the effects of sludge biochar （C）/modified sludge biochar （GC） addition on ryegrass （Lolium perenne L.） and soil nutrient properties，Lolium perenne Linn was planted with different levels of C/GC addition （0%，5%，10%，15%，and 20%） to determine the indicators of ryegrass and soil nutrients. The results showed that the addition of C and GC both promoted the growth of ryegrass and its stem，leaf and root water content，and the 5% addition level significantly increased the dry weight of ryegrass stem，leaf and root. C and GC additions had the most obvious effect on the increase of N content of ryegrass，followed by K content. C additions had a greater effect than GC on increasing the biomass of ryegrass，and for the content of nutrients and their uptake accumulation of ryegrass，GC was greater than C. C and GC both increased soil organic matter and total nitrogen content，decreased soil pH value，and the effects on soil alkaline nitrogen and available phosphorus varied by biochar type. Soil alkaline nitrogen content decreased significantly with the increase of C addition，while soil available phosphorus content was almost unaffected by the addition of C，however，soil available phosphorus content increased significantly with the increase of GC addition level. GC addition helped to increase the soil alkaline nitrogen content，but the difference was not significant among the application levels. The addition of 5% to 10% proportion of C or GC to the soil promoted plant growth and was beneficial to the increase of soil nutrient content.

Key words：Ryegrass;Sludge/modified sludge biochar;Biomass;Nutrient content;Soil nutrient

污泥是市政污水處理過程中產生的副產物，是一種由有機物質、細菌體和無機顆粒以及膠體等組成的非均質體［1］。通過熱解技術獲得的污泥生物炭有機碳濃度高、比表面積大、孔隙結構發達、植物營養元素豐富［2-3］。生物炭應用可提高土壤有機碳和全磷含量［4］，對改善土壤團聚結構具有積極作用［5］。相關文獻表明，污泥生物炭農業土地利用能夠提高土壤有機碳和作物產量、調節土壤pH值［6-9］，顯著提高土壤陽離子交換量（CEC）和電導率（EC）［10］。污泥生物炭中含有大量的N、P、K等元素，是植物生長不可或缺的養分［11］。有國外學者研究發現，污水污泥和松針在400℃下產生的生物炭應用率在5%，并聯合施用10 t·hm-1糞肥有機肥時，可增加鷹嘴豆和葫蘆巴植株新鮮生物量49.9 g，將土壤pH值緩沖到6.5，使作物生長達到最佳狀態，并將碳保留提高了36%［12］。目前，國內關于污泥生物炭的研究主要集中在污泥生物炭的制備及其對土壤環境、土壤修復的影響方面，而關于污泥生物炭應用對植物養分吸收和土壤肥力的研究較少。

黑麥草（Lolium perenne L.）生長快速、生物量大、適應能力強，一直以來被確定為生長規律研究的特殊植物［13-14］。本研究以市政污泥為原材料制備的污泥生物炭和改性污泥生物炭為試材，通過盆栽種植黑麥草，研究污泥及改性污泥生物炭施用對黑麥草生長以及土壤養分的影響，探討污泥生物炭在植物種植上應用的可行性，以期為污泥生物炭的資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試作物選用黑麥草牧大師，為早熟型一年生禾本科牧草，其具有發芽快、適應性廣泛、抗寒性強等特點。

供試土壤為砂姜黑土，土壤養分含量為：土壤有機質12.24 g·kg-1、全N含量1.08 g·kg-1、堿解N含量78.38 mg·kg-1、速效P含量61.36 mg·kg-1、速效K含量138.59 mg·kg-1，pH值7.55；重金屬含量分別為銅 2.90 mg·kg-1、鋅 26.25 mg·kg-1、鉻81.32 mg·kg-1、鎳13.08 mg·kg-1、鉛21.04 mg·kg-1、砷6.06 mg·kg-1。

供試污泥生物炭為市政污泥通過干化、炭化等工藝生產的產品；供試改性污泥生物炭為市政污泥通過干化、改性、炭化等工藝生產的產品。改性污泥生物炭為污泥干化后添加80%的小麥秸稈再進行炭化，其兩者區別在于污泥生物炭由污泥直接制備而成，而改性污泥生物炭在制備過程中添加了小麥秸稈。

污泥和改性污泥生物炭含水率分別為4.67%和5.29%，污泥生物炭養分含量為：有機質124.96 g·kg-1、全N含量3.33 g·kg-1、堿解N含量112.89 mg·kg-1、速效P含量52.43 mg·kg-1、速效K含量236.05 mg·kg-1，pH值6.02；改性污泥生物炭養分含量為：有機質137.80 g·kg-1、全N含量8.28 g·kg-1、堿解N含量244.88 mg·kg-1、速效P含量107.08 mg·kg-1、速效K含量2.77 g·kg-1，pH值6.67。

1.2 試驗設計

選取均勻、飽滿的黑麥草種子作為試驗用。試驗分為兩組，一組施用污泥生物炭（C），一組施用改性污泥生物炭（GC）。將污泥生物炭和改性污泥生物炭風干、破碎、過2 mm網篩，按照生物炭在土壤中的質量比例與土壤進行混合，質量比例分別為0%，5%，10%，15%和20%，混合好的土壤裝于直徑和高均為20 cm的塑料盆中，每盆裝2.5 kg混合樣，加水至最大持水量的60%～70%，保證具有一定的通氣透水性能，放置一周（裝盆時需將肥料一起混合均勻）。設置CK為不添加生物炭、不施肥處理，F為不添加生物炭、僅施肥處理，添加不同質量分數生物炭處理的施肥量和F一致，施肥量為：尿素0.81 g·盆-1、過磷酸鈣2.08 g·盆-1、硫酸鉀0.62 g·盆-1。每個處理設置3個重復，每盆播種7 g黑麥草種子，用稱量法準確稱取播種量。黑麥草于2021年10月26日播種，將花盆放置在室外自然環境中，試驗期間定期澆灌，保證植物生長所需水分。2021年12月23日，黑麥草進入成熟期，對其莖葉和根分別進行收獲，并用5 cm直徑土鉆采集土壤樣品。

1.3 分析方法

黑麥草收獲后立即用稱重法測定生物量鮮重，稱重后在105℃下殺青 30 min，然后70℃烘干至恒重稱重，根據鮮重和干重計算含水量。黑麥草全氮采用H2SO4-H2O2消解-半微量凱式定氮法，全磷采用H2SO4-H2O2消解-鉬銻抗比色法，全鉀采用H2SO4-H2O2消解-火焰光度計法測定［15］。土壤有機質采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，全氮采用半微量凱式定氮法測定［15］。

1.4 數據處理

試驗數據分析采用Excel 2010，Origin Pro 2021和SPSS 22.0進行統計和繪圖，單因素方差分析（ANOVA）及多重比較（LSD）進行數據顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 污泥/改性污泥生物炭施用黑麥草生物量和含水量差異

2.1.1 生物炭施用對黑麥草生物量和含水量的影響 由圖1A可見，一年生黑麥草莖葉和根的干重，施肥（F）、污泥生物炭（C）和改性污泥生物炭（GC）3個處理均顯著高于CK處理（Plt;0.05）。莖葉干重C處理顯著高于GC處理12.2%，但根干重F，C和GC之間無顯著差異。與CK相比，F、C和GC處理分別使黑麥草莖葉含水量顯著增加11.1%，22.4%和31.9%，根含水量顯著提高17.4%，43.5%和44.5%（圖1B）。

2.1.2 生物炭施用水平對黑麥草生物量和含水量的影響 由圖2可知，黑麥草莖葉、根的干重和含水量隨C施用水平的提高呈先增加后降低的趨勢。黑麥草根和莖葉干重均在5%施用水平下最高，分別為1.63和7.06 g·盆-1，較0%水平顯著提高10.1%和32.5%（圖2A）。黑麥草根系和莖葉含水量在C施用10%的水平下最高，分別為根系787.07%、莖葉456.5%，顯著高出0%處理26.9%和14.1%（Plt;0.05）。

由圖3A可知，黑麥草莖葉和根干重在GC 5%的施用水平下最高，分別為7.04和1.60 g·盆-1，較0%水平，莖葉和根干重分別顯著提高9.8%和30.1%（Plt;0.05）。GC在高于5%施用水平時降低了黑麥草莖葉和根的生物量。GC施用顯著提高了黑麥草莖葉和根系的含水量，且在10%水平時顯著高于其他處理水平，含水量分別為471.40%和837.9%（圖3B）。

2.2 施用污泥/改性污泥生物炭黑麥草養分含量分析

2.2.1 施用不同生物炭黑麥草養分含量差異 由圖4可知，與CK和F比較，C，GC處理顯著提高了黑麥草莖葉和根的TN，TP，TK含量，GC較C處理效果更顯著。CK，F，C，GC處理黑麥草莖葉TN含量分別為7.00，10.33，14.65和17.38 g·kg-1，TP為2.42，2.57，2.86和3.05 g·kg-1，TK為22.42，23.52，25.70和32.35 g·kg-1，TN，TP和TK含量從高到低均為GC gt;C gt;Fgt;CK處理，TN和TK含量不同處理間均達到顯著差異（Plt;0.05）。GC較C處理，黑麥草莖葉TN、TP，TK含量分別提高28.7%，18.2%和26.7%，根NPK含量分別提高18.7%，6.6%和25.9%。

2.2.2 生物炭施用水平對黑麥草養分含量的影響 由圖5A可知，黑麥草根和莖葉的TN含量隨C施用量的增加呈先上升后下降趨勢，其中15%的施用水平TN含量最高，根和莖葉分別為18.47和27.2 g·kg-1，顯著高于其他施用水平（Plt;0.05）。黑麥草根的TP含量在20%的施用水平下最高，為2.99 g·kg-1，較5%，10%，15%處理提高了5.7%，9.5%和3.8%；黑麥草莖葉TP含量在5%水平處理下最高，為3.45 g·kg-1，15%和20%施用水平降低了莖葉TP含量（圖5B）。黑麥草根的TK含量在5%施用水平下為26.78 g·kg-1，顯著高于其他施用水平處理；莖葉TK含量在10%，15%和20%施用水平下相當，分別為33.26，32.99和33.76 g·kg-1，顯著高于5%施用水平的30.4 g·kg-1（圖5C）。

GC處理顯著提高了黑麥草根和莖葉的TN，TP，TK含量（圖6A，B，C）。黑麥草根和莖葉TN含量隨GC添加水平的提高而增加，較0%處理，5%，10%，15 %和20%施用水平下，根TN含量分別提高了1.5%，63.9%，96.2%和98.2%，莖葉TN含量提高了46.5%，97.9%，99.9%和116.6%，20%的施用水平增幅最高（圖6A）。較0%施用水平，5%，10%，15 %和20%處理，黑麥草根TP含量分別提高了26.1%，6.2%，18.7%和23.75，莖葉TP含量分別提高了23.2%，12.5%，16.3%和14.4%，其中5%的施用水平增幅最高（圖6B）；黑麥草根TK含量提高了36.8%，29.5%，38.2%和45.6%，莖葉TK含量提高了46.5%，58.6，57.6和67.9%，20%的水平對黑麥草根和莖葉的提高幅度最大（圖6C）。GC施用對黑麥草N的影響顯著，與C施用相比，其N提高幅度為莖葉21.1%～45.8%、根5.9%～35.8%；其次為K含量，增幅為莖葉24.9%～30.3%、根19.8%～34.6%（圖7）。

2.2.3 生物炭類型及施用水平對黑麥草養分吸收累積的影響 黑麥草養分吸收累積如圖8所示，黑麥草莖葉N吸收累積在施用C，GC后均隨施用量的增加而提高；P吸收量在C，GC施用量均為5%時最高，高于5%時隨添加量增加而降低；K吸收量對C，GC的反映不同，莖葉K吸收隨C添加量的增加而提高，而GC添加量為5%時K吸收量最高，高于5%時莖葉K吸收量降低。C，GC添加黑麥草根部的N，P，K吸收變化趨勢一致，均略高于0%處理。

2.3 生物炭施用水平對土壤性質的影響

2.3.1 生物炭施用對土壤養分含量的影響 C和GC處理下，土壤有機質和全氮含量隨生物炭施用量的增加而增加（圖9 A和B）。與0%處理相比，不同水平的C施用，土壤有機質增幅為109.2%～255.9%、全氮提高12.5%～40.4%，且各施用水平之間差異顯著（Plt;0.05）；在GC施用下，較0%處理，土壤有機質增幅196.5%～527.2%、全氮增幅89.1%～103.3%。與C處理相比，施用GC處理，土壤有機質和全氮含量分別提高了64.7%～126.8%和43.6%～68.3%。

土壤堿解氮和速效磷在C施用下，隨生物炭用量的增加而降低，較0%處理，堿解氮降低7.2%～22.1%、速效磷降低0.7%～9.3%（圖9 C和D）。GC施用下，堿解氮含量為85.8～88.6 g·kg-1，較0%處理的80.3 g·kg-1，增幅為6.9%～10.4%，各施用水平之間無顯著性差異；土壤速效磷含量隨生物炭用量的增加而增加，增幅為28.6%～80.9%，當生物炭用量為20%時，土壤中速效磷含量達到了最高，為111.4 g·kg-1（圖9 C和D）。

2.3.2 生物炭施用對土壤pH值的影響 當添加生物炭后，土壤pH隨生物炭用量的增加而降低（圖10）。較0%處理，C不同施用水平下，pH值降低了0.88～1.18個單位，降幅為13.4%～18.7%；GC施用水平下，pH降低了0.55～0.77個單位，降幅為7.9%～11.4%。較GC相比，C處理pH降低了0.34～0.43個單位，降幅為5.1%～6.4%。

3 討論

生物碳是作物秸稈、動物糞便等經過高溫處理后形成的具有吸附和改良土壤的物質，對改良重金屬農田有顯著作用［16］，施用生物炭亦可有效改良土壤結構與功能，促進農作物地上部干物質的積累［17］。研究表明，低溫生物碳及化肥配施能促進冬小麥對土壤中速效養分的吸收，促進小麥地上部干物質的積累［18］。污泥生物炭具有生物炭的特性，具有良好的物理結構，且富含養分，資源化利用潛力巨大［19］。本研究發現，施用污泥生物炭可增加黑麥草生物量，其干重提高3.8%，在5%的施用水平下最高；而改性污泥生物炭對黑麥草生物量的提高沒有顯著作用。這表明污泥生物炭施用提高了黑麥草的物質生產能力，加速了干物質的積累。

王軍等［20］向黃褐土施用了不同比例的污泥生物炭，研究其對黑麥草生長及養分的影響，結果發現，添加污泥生物炭大幅度提高了黑麥草N，K含量，并且在污泥生物炭添加比例為10%時，黑麥草全N和全P達到最高，當污泥生物炭添加比例為 20%時，黑麥草全K達到最高。本試驗研究發現，施用污泥和改性污泥生物炭均可顯著提高黑麥草莖葉和根部的N，P，K含量，對N和K含量的提高尤為明顯，并且改性污泥生物炭較污泥生物炭對提高養分含量的效果更顯著。施用污泥生物炭提高黑麥草養分吸收的原因可能是污泥/改性污泥生物炭提高了土壤中的N，P，K含量與微生物的豐富度和相關酶的活性，進而促進了黑麥草對N，P，K養分的吸收利用［21］。適當比例的施用土壤改良劑可以促進植物根系的萌發生長，亦可提高根系酶活性及其對養分的吸收，增加植株的生物量，而過量施用改良劑則會導致土壤基質黏粒含量增加、透水性變差，從而影響植株生長［22］。馮嘉儀等［23］研究了不同比例的污泥施用對構樹養分的影響，結果表明，在50%和100%的污泥施用量下，構樹株高和生物量顯著高于對照，且各部位N含量和莖中P含量顯著升高。本研究發現，高劑量的污泥和改性污泥生物炭施用并不能提高黑麥草養分含量，莖葉N含量在生物炭施用量10%～15%時最高，P，K含量在5%～10%時最高，這可能是生物炭施用過多破壞了土壤中的微環境，影響了植物對P，K的吸收利用，造成植株養分吸收和生產能力減弱［24-25］。污泥生物炭的施用可促進黑麥草生長發育，提高物質生產能力，增加其生物量。污泥/改性污泥生物炭施用均可促進黑麥草莖葉和根部對N，P，K的吸收利用，對N和K的作用更為明顯，且改性污泥生物炭施用后黑麥草的養分吸收累積量高于污泥生物炭。生物炭不同施用比例對黑麥草的影響不一，5%～10%的污泥/改性污泥生物炭應用顯著提高了黑麥草的生物量，而10%～15%的用量對黑麥草養分吸收和累積的效果最好。

污泥生物炭添加到土壤中可能有利于長期保留養分［6］，將其應用于土壤進行連續兩年的田間試驗，發現應用污泥生物炭可以替代礦物肥料（氮、磷和微量營養素）用于玉米生產［5］。Kannan等［27］研究發現，在酸性土壤中添加 5 t·hm-2的生物炭，土壤pH值提高了0.5個單位，與本研究結果相似。磷以多途徑方式參與作物體內的各種代謝過程，是作物生長發育必需的營養養分之一。有研究者利用不同試劑提取生物炭中的速效磷，證明了生物炭可作為植物吸收的磷來源［28］。本研究中，土壤中添加改性污泥生物炭顯著提高了土壤速效磷含量，而污泥生物炭并沒有提高土壤速效磷含量，究其原因可能是改性污泥生物炭在改性過程中添加了小麥秸稈而顯著提高了生物炭中速效磷的含量，有待于進一步試驗驗證。隨著污泥生物炭施用量的增加，土壤中堿解氮含量顯著下降，可能是生物炭能夠有效吸附有效氮，從而減少了土壤中的有效氮。土壤中添加10%的生物炭增加了參與氮循環的微生物，促進氮的循環［29］。因此，生物炭中的有機氮可以通過微生物分解作用，提供植物吸收利用的無機氮。

4 結論

在砂姜黑土中施用污泥/改性污泥生物炭對提高黑麥草生物量，黑麥草N，P，K含量以及土壤有機質和全氮含量有促進作用，降低了土壤pH；污泥生物炭施用降低了土壤堿解氮含量，改性污泥生物炭增加了土壤堿解氮和速效磷含量。改性污泥生物炭對黑麥草和土壤養分含量的影響效果大于污泥生物炭。綜合考慮，2種生物炭用量均以土壤質量的5%～10%較適宜。

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（責任編輯 彭露茜）

收稿日期：2023-11-26；修回日期：2024-01-05

基金項目：安徽省重點研究與開發計劃項目（2023t07020011）；國家重點研究計劃（2023YFD1900204）；國家自然科學基金項目（32301447）；安徽省農業科學院青年英才計劃項目（QNYC-202217，QNYC-201908）資助

作者簡介：李瑋（1980-），女，漢族，甘肅定西人，博士，副研究員，主要從事作物栽培研究，E-mail：jtlw2007@163.com;*通信作者Author for correspondence，E-mail：dsz315@sina.com