不同pH条件下生物炭对不同土壤磷素淋失累积量的影响

＊邱宇辉 高良敏 张振 赵兴兰 张海强 慕明

（安徽理工大学地球与环境学院 安徽 232001）

农业面源污染是许多农业生产国家面临的主要问题之一[1-2]，我国有许多不同的农田土壤类型，不同土壤类型和河流的基本理化性质存在差异性[3-4]。梁骏等[5]研究发现当酸雨pH＞3.5时，土壤的盐基量主要由土壤的pH制约，主要作用是缓冲。

磷（P）是作物发育所必需的元素之一，在作物产量和质量中具有非常重要的作用[6]，同时磷也是水体富营养化的主要限制因子[7]。张永兰等人[8]发现，0～20cm土层中无机磷的含量占土壤总磷的90%以上。经过10年左右的长期施肥，菜地土壤无机磷的积累速率约为100mg/kg·a，土壤总磷含量增加约1000mg/kg。Goyette等人指出，从1901年到2011年，北美中部和圣劳伦斯河东部76个次级流域的净人为磷输入增加了3.1倍。由于磷肥的大量施用，在1991年达到峰值，各子流域之间的变化幅度很大。

近年来，农业与环境领域的科学家广泛关注生物炭增强土壤肥力方面的研究[9]。生物炭是一种黑碳（Black carbon）。它是一种高度芳香的富碳物质。生物炭具有较高的孔隙度、碱度和有机碳含量，并且具有较强的吸收污染物和改善土壤结构的能力，因此它被广泛应用于土壤环境的恢复[10-11]。Brassard等[12-13]研究发现在土壤中施用生物炭可以显著改其土壤理化性质，防止土壤肥力退化。研究人员采用室内土柱模拟试验，用草酸配制模拟酸雨，探究在酸雨条件下的生物炭对土壤pH和磷素动态变化的影响，旨在为生物炭提高土壤缓冲能力和降低磷素的淋失方面的研究提供参考。

1.材料与方法

(1)供试材料

土样来源于淮河流域阜阳市S1（115°96′95″，32°61′44″）、六安市S2（116°2′1.84″，32°33″16.73″）、阜阳市S3（115°59′36″，32°33′35″），按照S形5点采样法，土壤采样器被用来收集土壤样本。土壤样品自下而上分层取样。每层分为0～20cm、20～40cm和40～60cm共3个层面，剔除土壤样品中的石粒、草根等杂质。土壤基本的理化性质见表1。

表1 供试土壤的理化性质

生物炭取自淮河北岸怀远县水稻秸秆，水稻秸秆经过马弗炉400℃锻烧2h，再经过研磨后制得。通过SEM观察可知生物炭的平均粒径分布为5.66μm，最小值为1.39μm，最大值为16.76μm，中值为4.12μm，粒径主要集中为2～6μm。

(2)试验设计

①土柱装填

将内径D为9cm、高为150cm的PVC管作为淋溶柱，样品为三种不同地区的土样，分别编号为S1、S2、S3。试验分为4种处理方式，其处理方式以S1为例说明，见表2。厚度为5cm的纱布作为滤网放置于PVC管的底部，再放厚度为10cm的石英砂作为承托层，防止土壤颗粒流失；分别将CK组和BC组的土样按原位土0～60cm划分为三层，深度自下而上，每层土的质量在2.5kg左右，每层厚度为20cm；最上层放厚度为10cm的石英砂，可以防止进水时对土柱淋溶的影响并且起到进水均匀的效果，使土柱整体更加稳定。PVC管的管口用尼龙布盖好，防止空气中的物质对该试验的影响。

表2 土壤样品处理方式及其编号

②淋溶试验

近年来，淮河流域阜阳市和六安市的降雨量为1000～1200mm，试验模拟两年的最大降雨量，即2400mm。扣除30%地表径流的降雨水后，剩余的雨水70%为下渗降雨量，通过换算每个淋滤柱的淋洗量为6L。试验采用动态间隔淋洗模式，第一次先加1000mL的蒸馏水用于将土壤浸润，配置pH=5和pH=7的草酸（H2C2O4）溶液作为模拟降雨溶液，之后每隔2～6天分别加500mL pH=5和pH=7的草酸溶液模拟持续降雨和间歇降雨，每次用1000mL的烧杯收集淋洗液。

2.结果与分析

(1)不同pH条件下的生物炭对三种土壤TP的影响

整体上加入生物炭的BC组中TP的质量浓度大部分比未加生物炭的CK组中的低，前期两次的累积淋失量均比后期的大，前期与中期累积淋失量，中期与后期累积淋失量均有显著差异（p＜0.01），模拟降雨pH=5淋溶得到的溶液的TP质量浓度比模拟降雨pH=7淋溶得到的溶液的高。这说明酸雨会破坏土壤，导致土壤中更多磷流失。S1中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的3.53倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的1.35倍；S2中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的1.95倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的1.96倍；S3中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的2.67倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的1.42倍。这说明了生物炭在土壤淋溶过程中对磷素的淋失有抑制效果，增强土壤的肥力。生物炭对三种土壤中总磷的影响，见图1。

图1 生物炭对三种土壤中总磷的影响

(2)不同pH条件下生物炭对不同土壤DTP的影响

整体上三种不同土壤中CK组的DTP累积淋失质量浓度均比BC组的高，前期淋失累积量与中期，中期淋失累积量与后期，前期淋失累积量与后期均有显著性差异（p＜0.01）。模拟降雨pH=5淋溶得到的溶液的DTP质量浓度比模拟降雨pH=7淋溶得到的溶液的高，这就说明酸雨会破坏土壤，导致土壤中更多磷流失。S1中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的1.17倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的2.32倍；S2中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的1.41倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的3.45倍；S3中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的1.45倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的1.41倍。这说明了生物炭在土壤淋溶过程中对磷素的淋失有抑制效果，增强土壤的肥力。生物炭对三种不同土壤中溶解性总磷的影响，见图2。

图2 生物炭对三种不同土壤中溶解性总磷的影响

(3)不同pH条件下生物炭对不同土壤SRP的影响

整体上加入生物炭的BC组中SRP的质量浓度大部分比未加生物炭的CK组中的低，前期两次的累积淋失量均比后期的大，前期与中期累积淋失量，中期与后期累积淋失量均有显著差异（p＜0.01），模拟降雨pH=5淋溶得到的溶液的TP质量浓度比模拟降雨pH=7淋溶得到的溶液的高。这说明酸雨会破坏土壤，导致土壤中更多磷流失。S1中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的2.83倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的1.89倍；S2中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的1.68倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的1.54倍；S3中CK1中期的淋失累积质量浓度为BC1的3.47倍，CK2中期的淋失累积质量浓度为BC2的3.06倍。这说明了生物炭在土壤淋溶过程中对磷素的淋失有抑制效果，增强土壤的肥力。生物炭对三种不同土壤中溶解性活性磷的影响，见图3。

图3 生物炭对三种不同土壤中溶解性活性磷的影响

3.讨论

土壤特性和磷肥施用灌水影响土壤磷素淋溶，研究土壤类型的不同磷肥品种磷素淋溶的特性，对提高农业生产的磷肥的有效利用及制订相应的策略具有重要意义[14-17]。研究发现[18-19]，土壤磷素渗漏的迁移可能增大水体富营养化，土壤磷素流失的另一种形式是淋溶流失。

土壤中磷素的转化是通过沉淀、解吸矿化和固定、溶解吸附来实现的[20]，生物炭具有许多官能团和超大的比表面积，土壤对磷元素的吸附能力的提高可以施入生物炭[21-22]，同时，酸性土壤中的pH可以施入生物炭得以改善。

4.结论

在pH=5和pH=7的条件下，三种不同土壤中模拟降雨pH=5淋溶得到的溶液的TP、DTP、SRP质量浓度均比模拟降雨pH=7淋溶得到的溶液的质量浓度高，说明酸雨会破坏土壤，导致土壤中更多的磷元素流失。

三种不同土壤的TP、DTP和SRP在不同pH条件下的影响程度是不同的，并且三种不同土壤CK组中TP、DTP和SRP的质量浓度值均显著高于BC组，这说明了采用生物炭混入土壤中能够抑制土壤中磷元素的淋失，增强土壤保肥能力。