添加生物质炭对猪场废水灌溉土壤养分状况及铅有效性的影响

王月清，赵京，黄玉茹，高青，孙向辉，蔡寒玉，崔世慧，杜臻杰*

添加生物质炭对猪场废水灌溉土壤养分状况及铅有效性的影响

王月清1, 2，赵京3，黄玉茹5，高青1, 2，孙向辉3，蔡寒玉3，崔世慧4，杜臻杰1, 2*

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院 河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站，河南 新乡 453002；3.河南工学院 有机固废处理与资源化实验室，河南 新乡 453003；4.获嘉县农业农村局，河南 新乡 453800；5.新乡市环境保护科学设计研究院，河南 新乡 453800）

【】为养猪废水安全灌溉提供科学依据。试验选取新乡郊区农田0~20 cm表层土壤，采用PVC根箱法种植小麦，试验设置4种水平的生物质炭添加量0%、0.5%、2%、5%（W0、W0.5、W2、W5）和对照CK（无作物和生物质炭）。测定了各处理根际和非根际土壤养分状况与含铅量，探讨了处理间土壤养分状况和铅迁移规律的差异特征。与CK相比，施加生物质炭改善了土壤理化性状，W2和W5处理显著增加了土壤有机质量、碱解氮量、速效磷量与速效钾量，尤其是非根际土壤的增幅更大。同时，施加生物质炭处理能够降低土壤有效铅量，W2和W5处理土壤有效铅量降幅较大，达20.7%~33.3%，且非根际土壤有效铅量显著低于根际土壤。对于北方碱性土壤，灌溉养猪废水时添加适量的生物质炭（W2），能够改善土壤理化性质，降低铅的生物有效性，减少向植物体内的迁移。

有效态铅；生物质炭；养猪废水；土壤养分状况

0 引言

【研究意义】利用再生水、养殖废水以及微咸水等替代水源进行灌溉是缓解农业用水紧缺的重要途径[1]。随着我国社会经济的快速发展，畜禽养殖业由粗放型逐渐走向规模化和集约化。养殖过程中会产生大量的废水，如果不经处理就恣意排放会对生态环境造成巨大污染。养殖废水中含有一定量的氮、磷、钾等作物生长必需的元素，用来灌溉不仅可以提高土壤养分、减少化学肥料的施用，同时也能在一定程度上缓解灌溉水源短缺的压力[2-3]。值得关注的是，养殖废水中还含有铅镉铜锌等重金属、病原体和盐基离子，直接灌溉农田存在一定的环境风险[1]，铅作为一种分布面积广泛、危害程度极深的重金属，一直备受关注。土壤中铅主要是非代谢性的被动进入植物体内，能够降低根细胞的有丝分裂速度，影响作物生长发育，导致其生长缓慢和中毒现象，同时铅的半衰期较长，在食物链富集最终会危害人体健康[4]。因此，科学、合理、安全地利用养殖废水，对缓解农业用水矛盾、提升地力水平以及保护生态环境都具有重要的现实意义。

生物质炭是有机质在厌氧环境中经过热解形成的一种不完全燃烧产物即一类富炭、高芳香化和高稳定性的固体产物，是黑炭的一种存在形式[5]。具有巨大的比表面积、丰富的孔隙结构以及大量的含氧活性基团，能够作为土壤改良剂[6]，改善土壤理化性状，使土壤有害物质降解或失活来提高土壤肥力[7]，钝化土壤中重金属从而降低其生物有效性[8]。【研究进展】研究发现，长期施用生物质炭能够有效提高土壤孔隙度，改善土壤环境。施加生物质炭能够提高土壤pH值，改善酸性土壤质量[9]。另有研究表明，生物质炭的添加可以有效增加土壤速效养分和有机碳的量[10-12]。除此之外，生物质炭由于其自身的特性，常被用作土壤重金属的修复材料。【切入点】目前关于生物质炭对重金属污染土壤修复方面的研究较多[13-15]，但在养猪废水灌溉下施用生物质炭对小麦根际和非根际土壤理化性状改善和重金属迁移的研究较少[1]。【拟解决的关键问题】选取新乡市郊区农田土壤，通过根箱试验，研究生物质炭添加对猪场废水灌溉根际和非根际土壤养分和有效态铅量的影响和互作效应，以期为猪场废水的农业安全利用提供科学依据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年11月6日—2019年2月2日在中国农业科学院农田灌溉所洪门野外科学观测试验站人工气候室进行。试验站地处北纬35°19＇，东经113°53＇，海拔73.2 m，多年平均气温14.1 ℃，无霜期210 d，日照时间2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm，丰水年与枯水年相差3~4倍，7—9月降水量占全年降水量的70%左右。多年平均蒸发量2 000 mm。

1.2 试验材料

试验土壤来自新乡市郊区农田0~20 cm土壤，土壤类型为潮土。土壤性质基本理化质如表1所示。猪场废水取自新乡市新乡县某养殖场内的UASB升流式厌氧塔内，原液稀释5倍后作为供试废水浇灌根箱，供试废水水质指标如表2所示。生物质炭购于河南省商丘市三利新能源有限公司，小麦秸秆生物炭的组分结构如表3所示。供试小麦品种为百农4919。

表1 供试土壤基本理化性质

表2 供试猪场废水水质指标

表3 小麦秸秆生物质炭组分结构

1.3 试验设计

试验采用长14 cm、宽12 cm、高17 cm的PVC根箱进行试验，沿长边把根箱用300 目尼龙网分成5部分（5 cm：1 cm：2 cm：1 cm：5 cm），5 cm的部分为非根际，1 cm为过渡区，中间2 cm为根际，小麦种植于2 cm的根际部分[1]。供试生物炭为小麦秸秆生物质炭，试验设置W0（不添加生物质炭）、W0.5（0.5%C）、W2（2%C）、W5（5%C）4个水平的生物质炭处理，每个处理设3个重复。同时设对照CK（不施用生物质炭、不种植作物）。供试土壤经过自然风干、破碎、然后过2 mm筛，每个根箱装3 kg土，底肥添加量为1 g/kg的复合肥料（N、P2O5、K2O量分别为15%、25%、4%）和生物质炭充分混合后装入根箱。装土过程中把根际土、非根际土以及过渡区域土装平，再分别加入300 mL去离子水静置12 h。每盆播种8~10粒，播深5 cm。播后每隔2 d观察出苗情况，并于出苗7 d后，每盆定株5棵。每隔2 d通过质量法来确定各处理间土壤的含水率，猪场废水稀释5倍后达到农田灌溉水质标准（GB5084—2005），再进行灌溉。CK的灌溉量保持土壤含水率在田间持水率的60%左右，持续90 d，总灌水量约为9 L/pot。

1.4 试验指标测定

小麦生长90 d后，使用40 cm小型土钻，在根际与非根际中分别取0~15 cm的土层，每采1个样后，土钻使用去离子水清洗擦拭干净再使用。土样自然风干，破碎备用。指标测定参照《土壤农业化学分析方法》[16]。按1∶2.5的固液比制备土壤悬液，用电位法测定pH和Eh。土壤中有机质用重铬酸钾容量法测定。土壤碱解氮用碱解扩散法。土壤速效钾用NH4AC提取—火焰光度法测定。土壤中有效态Pb用DTPA提取—原子吸收分光光度法测定。

1.5 数据处理

试验数据通过SPSS 16.0进行统计分析（显著性水平为0.05），通过Origin 2018进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同生物质炭添加量土壤有机质的影响

图1为根际与非根际有机质量。由图1可知，与CK相比，W0处理根际土壤有机质量显著降低了8.83%，非根际土壤有机质量无显著差异；W0.5处理根际土壤有机质量与CK无显著差异，W2和W5处理根际土壤有机质量显著增加了15.17%和38.02%；W0.5、W2、W5处理非根际土壤有机质量也显著增加了4.22%、28.95%、57.55%；表明随着生物质炭施用量的不断增加，各处理土壤中有机质量不断增加。

与根际相比，W0、W0.5、W2、W5处理的非根际土壤有机质量显著增加了9.21%、4.04%、11.97%、14.15%。

注 图中不同的字母表示在0.05水平差异显著。

2.2 不同生物质炭添加量对土壤速效养分的影响

2.2.1 不同生物质炭添加量对土壤碱解氮的影响

图2为根际与非根际碱解氮量。由图2可知，与CK相比，W0处理根际与非根际土壤碱解氮量显著降低了11.63%和8.41%，W0.5处理根际土壤碱解氮量与CK相比无显著差异，W2和W5处理根际土壤碱解氮量显著增加了6.50%和13.67%；W0.5、W2、W5处理非根际土壤碱解氮量与CK相比显著增加了21.38%、42.12%、55.45%。

与根际相比，W0、W0.5、W2、W5处理非根际土壤碱解氮量显著增加了3.65%、20.84%、33.45%、36.75%。

图2 根际与非根际碱解氮量

2.2.2 不同生物质炭添加量对根际和非根际土壤速效磷的影响

图3为根际与根际速效磷量。由图3可知，与CK相比，W0和W0.5处理根际土壤速效磷量显著降低了15.90%和26.15%，非根际速效磷量显著降低了13.52%和7.88%，W2和W5处理非根际土壤速效磷量显著增加了11.59%和17.53%。

与根际相比，W0.5、W2、W5处理非根际土壤速效磷量显著高出24.75%、10.77%、15.31%。

图3 根际与非根际速效磷量

2.2.3 不同生物质炭添加量对土壤速效钾的影响

图4为根际与非根际速效钾量，由图4可知，与CK相比，W0.5处理根际土壤速效钾量显著降低了5.30%；W2和W5处理根际土壤速效钾量显著降增加了73.45%和24.43%，W0.5、W2、W5非根际土壤速效钾量与CK相比分别增加了7.65%、70.72%、178.0%。

与根际相比，W0、W0.5、W2、W5处理非根际土壤速效钾量差异显著，W0.5和W5处理显著高出根际土壤13.67%和123.1%；W0和W2处理显著降低了6.04%和1.58%。W2处理根际的速效钾量显著高于W5处理，而非根际表现则恰好相反。

图4 根际与非根际速效钾量

2.3 不同生物质炭添加量对土壤有效铅的影响

图5为根际与非根际有效铅量。由图5可知，与CK相比，W0、W0.5、W2、W5处理根际土壤有效铅量显著降低了10.64%、19.49%、20.69%、21.98%，非根际土壤有效铅量分别显著降低了22.08%、30.90%、28.92%、33.33%。

与根际相比，W0、W0.5、W2、W5处理非根际土壤有效铅量显著降低了12.80%、14.18%、10.38%、14.54%。

图5 根际与非根际有效铅量

2.4 土壤养分状况与有效铅的相关性分析

2.4.1 根际土壤养分状况与土壤有效铅的相关性分析

根际土壤养分状况与土壤有效铅的相关性分析结果见表3。结果发现，根际土壤有效铅量与有机质量及碱解氮量显著负相关，而与速效磷量及速效钾量相关性不显著。速效磷量与有机质量正相关。各养分之间，速效钾量与有机质量相关性不显著，与速效磷量正相关。碱解氮量与有机质量极显著性正相关，与速效磷量正相关，与速效钾量正相关。

表3 根际土壤养分状况与有效铅的相关性分析结果

注 *表示在0.05水平上相关性显著；**表示在0.01水平上相关性极显著。下同。

表4 非根际土壤养分状况与有效铅的相关性分析结果

2.4.2 非根际土壤养分状况与有效铅的相关性分析

受根系、微生物状况等影响，非根际土壤与根际土壤相比，土壤养分、有效铅量及其效应关系有一定的差异。由表4可知，非根际土壤有效铅量与有机质量、速效磷量、速效钾量及碱解氮量之间均显著负相关。各养分之间，非根际土壤速效磷量与有机质量极显著正相关。速效钾量与有机质量极显著正相关，速效钾量与速效磷量极显著正相关。碱解氮量与速效钾量极显著正相关，碱解氮量与速效磷量极显著正相关，碱解氮量与速效钾量极显著正相关。

3 讨论

生物质炭能够提高土壤有机质量[17-18]，在本试验中，生物质炭处理的土壤有机质量的增加显著，可能与其自身含碳量高有关，而且生物质炭通过微生物分解能够形成腐殖质，也会导致土壤有机质量的增加。此外，生物质炭的高孔隙度和大比表面积等特性，能够吸附固持土壤中易矿化的有机质，从而降低有机质的可利用性[19]。本试验发现，施用生物质炭可以显著改善根际和非根际养分状况，其提高幅度与生物质炭的施用量显著相关，这与前人研究结果[20-21]基本保持一致。而且，施加生物质炭对根际和非根际土壤速效养分也有不同程度的增加，尤其土壤速效钾和速效磷。这与张祥等[22]研究结果一致。

值得关注的是，添加生物质炭后，非根际土壤与根际土壤相比，土壤养分、有效铅量及其效应关系表现出较大的差异，尤其是在有效铅量与速效养分量的相关性方面，根际土壤有效铅量仅与有机质量、碱解氮量显著负相关关系，而非根际土壤有效铅量与有机质量、碱解氮量、速效磷量及速效钾量之间均显著负相关关系。土壤有机质中含有纤维素、腐殖质、类脂物质、甾类、维生素、萜类等多种物质，其中腐殖质在土壤中可以呈游离的腐殖酸和腐殖酸盐类状态存在，也可以呈凝胶状与矿质黏粒紧密结合，成为重要的胶体物质，从而降低铅的生物有效性[6]。肖亚涛等[23]研究表明，NO3--N在一定程度上降低土壤重金属的生物有效性，冬小麦地上部组织和根系中的Cd量，这是由于在受重金属胁迫后，冬小麦根系的转录组变化中苯丙生物合成，氮代谢通路较为活跃，差异表达基因显著富集上调，这些通路与重金属胁迫的响应、防御和解毒都密切相关。土壤中的磷与铅可以通过吸附、溶解/沉淀机制形成难溶性的磷酸铅类化合物，磷基材料修复土壤铅甚至被美国环境保护署（USEPA）列为最好的修复土壤重金属的管理措施[24]。而在本试验中，根际土壤有效铅量与速效磷量的相关性并不显著，这可能是由于在根系附近的速效养分由于易被吸收，利用效率较高，发生沉淀反应的概率小所致。刘平等[25]研究表明，土壤中钾元素尤其是速效钾能够影响铅的有效性及其生物富集，钾肥通过改变土壤中铅的赋存形态来促进植物对铅的吸收，如KCl可通过提高土壤中水溶性铅和碳酸盐态铅量，来提高铅的生物有效性，这与本研究结果并不一致。钾肥改变重金属形态的原因主要与其伴随阴离子（Cl-和SO42-等）的交换、配位等反应有关[26]，但从生理学来看，K+是植物生长的必需元素，是植物遭遇胁迫时渗透调节的主要无机离子[27]，土壤速效钾量的提高可能会促进植株渗透调节从而降低铅的生物有效性。

此外，不少研究结果[28-29]表明，生物质炭能够提高土壤pH值，然而本试验中，施用生物质炭对土壤pH值影响并不显著，根际pH值为8.35~8.42，非根际pH值8.23~8.28。而刘源等[1]研究中也发现，在碱性土壤中施加生物质炭，并未引起土壤pH值的显著升高。而有机酸对土壤吸附能力取决于土壤和有机酸的性质及反应条件，一般在酸性条件下，有机酸可以增加土壤和矿物对重金属离子吸附能力，但在北方pH值＞8的潮土反而会降低土壤和矿物对重金属吸附能力[30]。基于前人研究结果和本试验结果判断，土壤中有效Pb的降低主要取决于生物质炭本身的特性。如巨大比表面积、富含羧基、酚羟基等含氧官能团等，使得其能够与重金属发生静电吸附和络合作用，从而降低土壤有效态重金属的量。而本试验结果根际有效Pb量显著高于非根际，是受小麦根系对重金属的吸收调控作用。

生物质炭可以有效降低碱性土壤中有效态重金属量[31]，邵云等[32]研究表明，土壤中添加离子纤维素可以减少Pb向植株中迁移，在小麦植株中，Pb量表现为根＞茎叶＞籽粒。黄黎粤等[33]研究表明，施加生物质炭能够有效降低小麦幼苗根系As、Cd和Pb的富集量，且随着施用量的增加有害元素的富集量降低更为明显。从试验结果分析，生物质炭几种不同施加量对有效铅降低效果显著，对土壤肥力指标的改善效果与施加量呈正比，从成本来看，W2处理的施用量更具有可行性。对于不同生物质炭的不同施加量，有待进一步研究。综上，施加生物质炭能够改善土壤理化性质，增加土壤速效养分，降低铅的生物有效性，降低养猪废水灌溉农田的环境风险。

4 结论

1）养猪废水经过厌氧发酵后稀释5倍（NH4+-N量在160mg/L左右、TP 80 mg/L左右、COD量180 mg/L左右）既能够满足农田灌溉标准，也为作物提供生长所需的养分；同时，施用0.5%~5%水平的小麦秸秆生物质炭，能够显著减少根际及非根际土壤中有效铅的量。

2）施加生物质炭处理能够提高土壤有机质、碱解氮、速效磷与速效钾等的量，尤其是非根际土壤。

3）施加生物质炭处理能够钝化土壤中有效铅，降低其生物有效性，减少铅向植物体内迁移。

4）添加生物质炭后，根际土壤有效铅量仅与有机质量、碱解氮量呈显著负相关关系，而非根际土壤有效铅量与有机质量、碱解氮量、速效磷量及速效钾量之间均呈显著负相关关系。土壤有机质量、碱解氮量、速效磷量以及速效钾量的量在根际与非根际土壤中均呈显著正相关关系（<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, 赵京, 高青, 等. 添加生物质炭对猪场废水灌溉土壤养分状况及铅有效性的影响[J]. 灌溉排水学报, 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

国家自然科学基金项目（51779260，51879268，21906041）；河南省科技攻关项目（192102110051，202102110123）；中央级科研院所基本科研业务费（FIRI2017-11）；河南省高校重点科研项目（21B610004）

王月清（1994-），男，河南信阳人。主要从事土壤污染控制与修复研究。E-mail:wyqhn12@163.com

杜臻杰（1982-），男，河南新乡人。副研究员，硕士生导师，博士，主要从事农业水土资源利用与环境方面的研究。E-mail: imdzj11@163.com

责任编辑：赵宇龙