生物炭对污泥混合基质性质和植物生长的影响

陆洁，冯嘉仪，盛晗，彭维新，吴道铭，张学平，曾曙才*

（1.华南农业大学林学与风景园林学院，广州 510642；2.佛山市林业科学研究所，广东 佛山 528222）

随着工业化和城镇化不断发展，城市污泥产量日益增加。据统计，2020 年我国城市污水厂产生的干污泥（含水率80%）约1.16×107t[1]。目前我国采用的污泥处置方法主要有焚烧、卫生填埋和土地利用等[2]。相较于污泥农用，园林绿化利用是实现污泥资源化利用的一种可靠方式，可有效避开食物链，减少对人类的危害[3]。污泥中含有大量的有机质，氮（N）、磷（P）、钾（K）养分元素，以及多种植物生长所需的微量元素，其施入土壤能够提升园林土壤肥力，促进植物生长[4]。同时，污泥中含有大量的重金属元素[5]，即使经过堆肥化处理也无法将重金属完全去除，过量的重金属会抑制植物生长，甚至引起植株死亡[2]。因此，如何更加安全地进行污泥园林利用一直是科研工作者的研究热点。

生物炭是将生物质如农业、林业废弃物在低氧或缺氧环境下进行高温热裂解而产生的富碳固态产物[6]。生物炭具有比表面积大、孔隙结构发达、富含有机官能团和有机碳、pH 高等特性，在土壤中施加生物炭可有效改良土壤理化性质，增强养分固持，并增加微生物活性[7-8]。除此之外，较多研究表明生物炭对重金属污染物有良好的吸附作用，能够降低有效态重金属在土壤中的迁移性[9-10]。已有学者将生物炭与污泥共同堆肥并进行土地利用，但发现短期内其对有效态重金属的钝化效果并不显著[11]。而目前在污泥土地利用中添加生物炭作为改良剂的研究却鲜有报道。

污泥可进一步热解转化为污泥生物炭进行处置；华南地区大量的高山榕凋落物可制成生物炭回收利用；水稻是南方重要的粮食作物，收获后将其秸秆制成生物炭也是有效的资源化利用方式。不同原料生物炭对土壤改良效果不同[12]，如研究发现水稻秸秆生物炭对土壤速效养分的提升作用较水稻谷壳生物炭、果木生物炭更显著[13]。此外，土壤环境条件的差异（如土壤质地、酸碱度、水分等）也会影响生物炭的改良效果[14-15]。关于污泥生物炭、水稻秸秆生物炭对农田土壤的改良效果，已有较多研究报道，但对高山榕凋落物生物炭的相关研究未见报道。另外，关于生物炭对华南地区园林绿地土壤的改良效果，尤其是对于污泥用作土壤改良剂施入园林绿地土壤后，再使用生物炭进行进一步改良的效果，目前鲜有研究。由此可见，针对污泥园林土壤利用，有必要对不同原料生物炭的作用效果进行深入探讨。蓝花草（Ruellia sim⁃plex）为爵床科芦莉草属草本植物，耐寒耐湿，抗逆性强，是生态修复的良好材料[16]。因此，本研究通过盆栽试验，以污泥-土壤混合物作为基质，探究3种不同原料生物炭（污泥生物炭、凋落物生物炭、水稻秸秆生物炭）对基质理化性质、有效态重金属以及蓝花草生长和养分吸收的影响，并对3 种生物炭的改良效果进行综合评价，以期为污泥的安全处置与资源化利用和生物炭的合理应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自佛山市林业科学研究所树木园0~20 cm 土壤，为赤红壤，土样风干后碾碎过4 mm 筛。供试污泥取自清远市绿由环保科技有限公司，污泥上盖塑料薄膜，经厌氧堆置处理60 d 后风干碾碎过4 mm筛。供试土壤、污泥的基本性质见表1。

表1 供试材料的基本性质Table 1 Basic properties of experimental materials

供试生物炭分别为污泥生物炭、凋落物生物炭和水稻秸秆生物炭。污泥生物炭购买于台山市三顺环保装备有限公司，水稻秸秆生物炭购买于江苏华丰农业生物工程有限公司，凋落物生物炭以取自佛山市林业科学研究所的高山榕（Ficus altissima）落叶为原料，将其磨碎、过筛后由华南农业大学自主研发设计的生物炭连续热解装置（BCP-05，辽宁省能源研究所）经500 ℃高温缺氧热解制备而得。3 种生物炭使用前均过2 mm 筛，基本性质见表2。供试植物蓝花草购于广州市芳村花博园，选取高约35 cm、长势良好的半年生蓝花草幼苗用于试验。栽培用盆为高19.5 cm、口径22 cm且底部带孔的塑胶盆。

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

1.2.1 试验设计

盆栽试验于2019 年10 月开始，在佛山市林业科学研究所的温室大棚进行，试验期为8 个月。将污泥、土壤按1∶1 的质量比充分混匀，每盆添加3 kg。分别将污泥生物炭（SB）、凋落物生物炭（LB）和水稻秸秆生物炭（RB）按照基质质量的4.5%施入盆中并充分混匀，每个处理设9 次重复，不添加生物炭的为对照（CK）。所有处理每周浇水一次至有下渗水流出，干湿交替平衡3 周。每个处理选取6 盆进行植物种植，每盆栽植1株蓝花草，栽植周期为7个月。同时对不种植物的3 盆盆栽基质进行风干，四分法采样500 g，研磨、过筛，用于测定理化性质与有效态重金属等指标。植物生长期间夏天每隔3 d 浇水100 mL，其他季节每隔一周浇水100 mL，浇水过后土壤含水量为田间持水量的70%左右。

1.2 试验方法

1.2.2 指标分析

种植结束后采用米尺测量株高。选取3 株长势良好的植株整株挖出，带回实验室，先用自来水洗净根部，再用去离子水冲洗3 遍并置于室内晾干，然后将地上部分（茎叶）和地下部分（根）剪开，分别装入信封，放入烘箱105 ℃杀青30 min 后，70 ℃烘至质量恒定。用电子天平称得地上、地下部分生物量（干质量），然后使用不锈钢粉碎机将植物各部位粉碎后密封保存，用于植物养分的测定。植物N、P、K 养分元素的测定：先用H2SO4-H2O2消解植物样品获得待测液，N含量使用凯氏定氮仪测定，P含量采用钼锑抗比色法测定，K 含量用原子吸收分光光度计测定。养分吸收量按下列公式计算：

供试土壤（混合基质）样品分析方法参照《土壤农化分析》[17]进行。容重采用环刀法测定；毛管持水量和总孔隙度采用烘干法测定；pH 采用pH 计测定（水土比为2.5∶1）；有机质采用重铬酸钾容量法测定；全N 采用浓H2SO4消煮-凯氏定氮仪测定，碱解N 采用碱解扩散法测定；全P 采用H2SO4和HClO4消煮-钼锑抗比色法测定，速效P采用NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法测定；全K 采用HNO3-HF-HClO4（6∶2∶2）消煮-原子吸收分光光度计测定，速效K 采用CH3COONH4浸提-原子吸收分光光度计测定。重金属Cd、Pb、Cu、Zn、Ni 的有效态采用DTPA 浸提-原子吸收分光光度法测定[10]。

1.2.3 数据处理

通过模糊隶属函数对不同原料生物炭添加条件下基质和植物生长指标进行综合评价，计算公式如下[18]：

式中：R（Xi）为不同指标的隶属函数值；R（Xi）反为不同指标的反隶属函数值；Xi为第i个指标测定值；Xmax为所测指标的最大值；Xmin为所测指标的最小值。

本研究中毛管持水量、pH、有机质、碱解N、速效P、速效K、株高、单株生物量、单株N 吸收量、单株P吸收量、单株K 吸收量用R（Xi）计算；容重、有效态Cd、有效态Pb、有效态Cu、有效态Zn、有效态Ni 用R（Xi）反计算。最后求取同一处理所有指标隶属函数值的平均值，平均值越大表示综合改良效果越好。

1.2.4 数据处理

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析，采用单因素（One-way ANOVA）和Duncan 法进行方差分析和多重比较（α=0.05），利用Origin 2019软件制图。图表中数据为平均值±标准误（n=3）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对基质理化性质的影响

不同处理对基质物理性质均有不同程度的促进作用（图1）。与CK 相比，LB 基质容重显著降低14.02%，总孔隙度显著提高9.39%，但毛管持水量与CK 无显著差异；RB 处理基质容重显著降低14.95%，总孔隙度和毛管持水量分别显著提高9.86% 和25.17%；SB 处理基质容重、总孔隙度和毛管持水量与CK 均无显著差异。可见在3 种处理中，水稻秸秆生物炭对基质物理性质的改良效果最明显。

图1 不同处理对基质物理性质的影响Figure 1 Effects of different treatments on physical properties in substrate

3 种生物炭对基质化学性质的影响存在差异（表3）。与CK相比，SB仅使全P含量显著提高了10.38%；LB显著提升了有机质、全N、全P、碱解N、速效K含量，各指标分别提升了39.02%、33.75%、15.77%、5.77%和395.47%；RB 显著提升了全P、全K、速效P、速效K 含量，各指标分别提升了20.77%、58.30%、16.84%、262.40%。但是，SB和LB使速效P含量分别较CK降低了22.82%、34.03%，这可能是因为生物炭吸附了部分速效P。3种生物炭对基质pH均无显著影响。

表3 不同处理对基质化学性质的影响Table 3 Effects of different treatments on chemical properties in substrate

2.2 不同处理对基质有效态重金属含量的影响

3 种生物炭对基质有效态重金属含量的影响不同（图2）。SB 基质有效态Cd、Pb、Cu、Zn、Ni 含量较CK 分 别 显 著 降 低 了25.75%、37.10%、29.53%、20.86%、14.69%；LB 和RB 仅使有效态Cu 含量分别显著降低了11.66%和18.00%。可见污泥生物炭对基质有效态重金属的降低作用最显著。

图2 不同处理对基质有效态重金属含量的影响Figure 2 Effects of different treatments on available content of heavy metals in substrate

2.3 不同处理对蓝花草生长和养分吸收的影响

不同生物炭对蓝花草生长均有一定促进作用（表4）。SB 使蓝花草地上、地下及全株生物量较CK 分别显著增长了49.20%、79.91%、54.80%。LB 和RB 使蓝花草地下生物量分别较CK 显著增长了16.50%和36.30%，而地上、全株生物量与CK 相比无显著差异。与CK 相比，3 种生物炭对蓝花草株高生长均无显著影响。

表4 不同处理对蓝花草株高和生物量的影响Table 4 Effects of different treatments on plant height and biomass of Ruellia simplex

不同原料生物炭对蓝花草地上、地下部分养分吸收量影响不同（图3）。SB 显著促进了蓝花草地上部N、P、K 及地下部N、P 的吸收，各指标较CK 分别提升了70.35%、99.20%、64.91%、340.82%、280.06%。与CK 相比，LB 显著促进了蓝花草地上部N 及地上、地下部K 的吸收，各指标分别提升了68.77%、96.51%、127.55%。RB 与CK 相比显著促进了蓝花草地下部N及地上、地下部K 的吸收，各指标分别增加了186.30%、96.11%、269.94%。LB 和RB 对地上、地下部P的吸收量无显著影响。与CK相比，3种生物炭均显著促进兰花草全株对N、K 的吸收，仅SB 显著促进全株对P的吸收。

图3 不同处理对蓝花草养分吸收量的影响Figure 3 Effects of different treatments on nutrient absorption of Ruellia simplex

2.4 不同处理对基质改良和植物生长影响的综合评价

由表5 可知，3 种生物炭的改良效果综合排序为SB>LB>RB，可见污泥生物炭的综合改良效果最佳。与CK 相比，污泥生物炭对pH、有效态Cd、有效态Pb、有效态Cu、有效态Zn、有效态Ni、全株生物量、单株N吸收量、单株P 吸收量的促进作用更显著；而有机质含量、碱解N 含量、速效K 含量在LB 下提升更显著；RB 对容重、毛管持水量、速效P 含量、株高、单株K 吸收量的促进作用更显著。

表5 不同处理对基质改良与植物生长的模糊隶属函数值Table 5 Membership function values of different treatments on substrate improvement and plant growth

3 讨论

3.1 不同原料生物炭对基质理化性质的影响

生物炭疏松多孔的特性可有效改良土壤物理结构，提高通气性和持水性[19]。本研究中由于水稻秸秆生物炭平均孔径相对较大，因此其对基质的容重、毛管持水量、总孔隙度的促进作用更显著。生物炭多呈碱性，可以通过吸附中和作用提高土壤pH[20]，但本研究中3 种生物炭对基质pH 的提升作用均不显著，这一方面可能与本试验生物炭添加量较少有关[21]，另一方面，生物炭对酸性土壤pH 提升效应较碱性土壤更显著[22]，本试验添加污泥后基质呈碱性，因此添加生物炭可能对pH提升作用较小。生物炭的高碳组分会向土壤输入有机碳，增加有机质含量[23]。在添加污泥生物炭、水稻秸秆生物炭后基质有机质无显著变化，仅添加凋落物生物炭显著提高了有机质含量，可能是因为凋落物生物炭中有机碳含量较高。此外，不同生物炭会影响土壤有机碳矿化速率，从而可能对有机质含量产生影响[24]。

生物炭可以通过养分输入和吸持保肥来提高土壤养分水平[7，25]。本研究中污泥生物炭仅显著提升基质全P 含量，凋落物生物炭显著提升全N、全P、碱解N、速效K 含量，水稻秸秆生物炭显著提升全P、全K、速效P、速效K 含量。全量提升主要与生物炭中的养分含量高低有关，而有效量的变化则既与生物炭自身携带的有效养分量有关，还与生物炭的吸附特性相关。需要注意的是，虽然添加污泥生物炭、凋落物生物炭后基质全P 含量显著增加，但速效P 含量却显著降低，仅水稻秸秆生物炭提高了基质速效P 含量。其原因可能是添加污泥后基质中含有丰富的养分元素，生物炭表面凹凸不平的结构和灰分会截留基质中的游离态P，形成的含P 化合物被限制在生物炭孔隙中[26]，从而降低了基质速效P 含量。水稻秸秆生物炭孔径较大，对P 的吸附性能可能较弱；而大孔径更有利于微生物生境形成[23]，因此可能更有利于P 的活化，从而提高土壤速效P 含量。可见，生物炭对土壤基质的影响是一个极其复杂的过程，其作用机理需要依据生物炭类型进行深入探究。

3.2 不同原料生物炭对基质重金属有效性的影响

大量研究已证实生物炭可通过物理吸附、静电吸附、离子交换、沉淀作用、络合作用等将有效态重金属转化为更稳定的状态[27-28]。如桑树（Morus alba）枝杆、木薯（Manihot esculenta）秆、甘蔗（Saccharum officina⁃rum）渣生物炭主要通过提高土壤pH值来降低土壤有效态Cd 含量，其中桑树枝杆生物炭的作用最显著[29]；香根草（Vetiveria zizanioides）生物炭则主要通过表面静电吸附和络合作用去除溶液中的Cd 离子[30]。本研究中生物炭对有效态重金属均有一定的降低效果，与前人的研究结果一致[10]，其作用机理可能为：一是生物炭表面的孔隙结构可通过物理吸附固定部分重金属[31]；二是生物炭表面官能团与重金属离子发生离子交换、表面络合等形成强相互作用，降低其迁移性[30，32]；三是有机质的提升促进了土壤团聚体的形成，可胶结凝聚重金属离子[10]。

有效态重金属在土壤中迁移性强，具有较大的生物有效性和危害度[27]。添加凋落物生物炭和水稻秸秆生物炭显著降低了有效态Cu 含量，而污泥生物炭显著降低了基质有效态Cd、Pb、Cu、Zn、Ni 含量，对重金属钝化效果更为显著，这可能与生物炭的孔隙大小有关，孔径越小，越有利于对重金属离子的吸附[33]。本试验中污泥生物炭平均孔径（24.20 nm）相对较小，凋落物生物炭和水稻秸秆生物炭平均孔径（分别为34.72 nm 和58.64 nm）显著高于污泥生物炭，污泥生物炭具有更强的吸附作用，因而添加污泥生物炭的基质中有效态重金属含量显著下降。

3.3 不同原料生物炭对植物生长的影响

污泥可为植物生长提供大量养分[3]，生物炭对土壤环境的进一步改良有利于植物根系生长，提高植物对养分的吸收水平[34]。本研究中3 种生物炭均显著促进了蓝花草地下生物量生长，且均明显促进蓝花草对养分元素的吸收，这与前人研究结果一致[35]。但是，与对照相比，蓝花草地上生物量在添加凋落物生物炭、水稻秸秆生物炭条件下无显著变化，仅在添加污泥生物炭时显著提升了49.20%，这一方面可能与养分吸收量有关[2]，在添加污泥生物炭条件下蓝花草对N、P的吸收量均较另外两种生物炭高，因而其生物量增长更显著；另一方面，植物在受到重金属胁迫时，叶片细胞膜结构会受损，光合作用会受到抑制，从而影响植物正常生长[36]，污泥生物炭对基质有效态Cd、Pb、Cu、Zn、Ni 的降低在一定程度上减少了蓝花草对重金属的吸收，减缓了蓝花草体内的重金属胁迫，从而促使其地上生物量提高。

模糊隶属函数也表明，污泥生物炭对有效态重金属、植株生长等指标的提升作用更显著，而凋落物生物炭、水稻秸秆生物炭则对基质养分指标的促进作用更显著。综上可知，生物炭可通过提高蓝花草植物养分吸收、降低重金属生物有效性来促进其生长。

3.4 生物炭在污泥园林利用中的应用前景

近几年我国不断出台相关政策推进污泥无害化处置和资源化利用。本研究中模糊隶属函数综合评价结果显示，3 种添加生物炭处理对基质改良和植物生长的效果均优于对照，且污泥生物炭最优，这说明添加生物炭有利于污泥在园林中推广利用并进一步提高污泥处置效率。施用生物炭除了具有其他改良剂（如蘑菇渣、粉煤灰、生石灰、钢渣等）的重金属钝化效果[37-38]，还有助于各种废弃物的资源化利用，如本研究中污泥生物炭是对污泥的进一步加工处置，而华南地区城市园林绿化与水稻种植过程中产生的大量凋落物与水稻秸秆可通过生物炭的形式重新回归土壤。同时，在目前碳中和背景下对生物炭的应用也能发挥重要的碳封存功能。然而，目前污泥生物炭的利用仍因重金属风险问题而受限[28]，但有学者认为污泥热解后重金属形态稳定，生物可利用性低，施入土壤后几乎不会增加污染[39]，本研究在盆栽试验条件下也证实了这一点，但在污泥园林利用中添加生物炭的长期效果和影响仍有待进一步探讨。

4 结论

（1）污泥生物炭、凋落物生物炭和水稻秸秆生物炭均可有效改良污泥-土壤混合基质的理化性质，提升其养分水平，但污泥生物炭和凋落物生物炭对基质速效P具有吸附作用。

（2）凋落物生物炭、水稻秸秆生物炭可显著降低基质中有效态Cu 含量；污泥生物炭对重金属有效性降低效果更为突出，可显著降低有效态Cd、Pb、Cu、Zn、Ni含量。

（3）3 种生物炭均可促进蓝花草地下生物量生长，提高植株对养分元素的吸收；污泥生物炭对蓝花草地上生物量提高作用更显著。

（4）模糊隶属函数结果表明3 种生物炭对基质改良和植物生长影响的综合评价排序为污泥生物炭>凋落物生物炭>水稻秸秆生物炭>不添加生物炭，生物炭对改良污泥-土壤混合基质的理化性质、降低重金属有效性以及促进蓝花草生长均有较好的作用，其中污泥生物炭的综合效果最优。