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作者简介:

刘瑶(1991-),研究实习员,硕士,主要从事耕地土壤修复与改良研究。E-mail:361731624@qq.com。

通讯作者:

陈永波,E-mail:545529518@qq.com。

参考文献 1
唐世琪,万能,曾明中,等.恩施地区土壤与农作物硒镉地球化学特征[J].物探与化探,2020,44(3):607-614.
参考文献 2
郭宇.恩施地区硒的地球化学研究及富硒作物栽培实验研究 [D].武汉:中国地质大学,2012.
参考文献 3
向永生.恩施州耕地资源评价与利用[M].北京:中国农业科学技术出版社,2013.
参考文献 4
窦韦强,安毅,秦莉,等.土壤pH对镉形态影响的研究进展[J].土壤,2020,52(3):439-444.
参考文献 5
龚沛云.改性农业废弃物基生物炭制备及其对镉吸附机理与钝化效果研究[D].上海:上海海洋大学,2022.
参考文献 6
薛婷婷,刘海成,Joseph Acquah,等.水环境中微塑料的去除研究进展[J].工业水处理,2021,41(8):1-6.
参考文献 7
梅杨璐,徐晋,张寅,等.氮改性对生物炭理化性质的影响及其对废水中铜离子的吸附特性[J].环境化学,2022,41(5):1796-1808.
参考文献 8
陈明茹,黄应平,张吉林,等.羊粪生物炭对水体中镉的吸附[J].武汉大学学报(理学版),2022,68(6):612-620.
参考文献 9
肖然.生物炭的制备及其对养分保留和重金属钝化的潜力研究[D].咸阳:西北农林科技大学,2017.
参考文献 10
Zhao B W,Xu R Z,Ma F F,et al.Effects of biochars derived from chicken manure and rape straw on speciation and phytoavailability of Cd to maize in artificially contaminated loess soil[J].Journal of Environmental Management,2016,184:569-574.
参考文献 11
Meng J,Tao M M,Wang L L,et al.Changes in heavy metal bioavailability and speciation from a Pb-Zn mining soil amended with biochars from co-pyrolysis of rice straw and swine manure[J]. Science of the Total Environment,2018,633:300-307.
参考文献 12
Sun J,Wang B C,Gang X,et al.Effects of wheat straw biochar on carbon mineralization and guidance for large-scale soil quality improvement in the coastal wetland[J].Ecological Engineering,2014,62(1):43-47.
参考文献 13
李飞跃,吴旋,李俊锁,等.畜禽粪便生物炭固碳量、养分量的估算及田间施用潜在风险预测[J].农业环境科学学报,2019,38(9):2202-2209.
参考文献 14
Purakayastha T J,Das K C,Gaskin J,et al.Effect of pyrolysis temperatures on stability and priming effects of C3 and C4 biochars applied to two different soils[J].Soil and Tillage Research,2016,155:107-115.
参考文献 15
Qi J F,Lamb D,Ravi N D,et al.Cadmium solubility and bioavailability in soils amended with acidic and neutral biochar[J]. Science of the Total Environment,2018,610-611:1457-1466.
参考文献 16
张梦阳.生物炭对酸性土壤微生物群落及钾素的作用机制 [D].武汉:华中农业大学,2021.
参考文献 17
王煌平,张青,章赞德,等.不同热解温度限氧制备的畜禽粪便生物炭养分特征[J].农业工程学报,2018,34(20):233-239.
参考文献 18
张子豪,袁巧霞,代佩.畜禽粪便与秸秆混合热解制备生物炭研究[J].华中农业大学学报,2019,38(1):133-138.
参考文献 19
Gao R L,Fu Q L,Hu H Q,et al.Highly-effective removal of Pb by co-pyrolysis biochar derived from rape straw and orthophosphate[J]. Journal of Hazardous Materials,2019,371:191-197.
参考文献 20
鲍士旦.土壤农化分析[M].3 版.北京:中国农业出版社,2000.
参考文献 21
田仁强,谢胜禹,李春星,等.鸡粪与农林废弃物共热解对生物炭中残留重金属和抗生素的影响[J].农业环境科学学报,2019,38(11):2619-2631.
参考文献 22
袁知洋,郑金龙,戴光忠,等.恩施富硒土壤区土壤硒镉与其理化性质关系研究[J].西南农业学报,2019,32(8):1852-1859,1967.
参考文献 23
窦韦强,安毅,秦莉,等.土壤pH对镉形态影响的研究进展[J].土壤,2022,52(3):439-444.
参考文献 24
贺前锋,桂娟,刘代欢,等.淹水稻田中土壤性质的变化及其对土壤镉活性影响的研究进展[J].农业环境科学学报,2016,35(12):2260-2268.
参考文献 25
陈明茹,黄应平,张吉林,等.羊粪生物炭对水体中镉的吸附[J].武汉大学学报(理学版),2022,68(6):612-620.
参考文献 26
Meng J,Feng X L,Dai Z M,et al.Adsorption characteristics of Cu(Ⅱ)from aqueous solution onto biochar derived from swine manure[J].Environmental Science and Pollution Research,2014,21(11):7035-7046.
参考文献 27
王晓霞,杨涛,肖璐睿,等.稻草秸秆生物质炭对重金属 Cd2+ 的吸附性能研究[J].环境科学学报,2021,41(7):2691-2699.
参考文献 28
Li Z,Liang D L,Peng Q,et al.Interaction between selemium and soil organic matter and its impact on soil selenium bioavailability:a review[J].Geoderma,2017,295:69-79.
参考文献 29
陈静文,张迪,吴敏,等.两类生物炭的抗氧化性比较[J]. 环境化学,2014,33(6):943-948.
参考文献 30
张艺腾.在不同条件下添加优良鸡粪生物炭对土壤化学特性的影响研究[D].长春:吉林农业大学,2018.
参考文献 31
黄连喜,魏岚,李衍亮,等.花生壳生物炭对土壤改良、蔬菜增产及其持续效应研究[J].中国土壤与肥料,2018(1):101-107.
参考文献 32
郑慧芬,吴红慧,翁伯琦,等.施用生物炭提高酸性红壤茶园土壤的微生物特征及酶活性[J].中国土壤与肥料,2019(2):68-74.
参考文献 33
梁利宝,冯鹏艳.生物炭与有机肥、无机肥配施对采煤塌陷区复垦土壤理化性状的影响[J].水土保持学报,2017,31(5):305-308.
参考文献 34
Zhao X,Wang S Q,Xing G .Nitrification,acidification,and nitrogen leaching from subtropical cropland soils as affected by rice straw-based biochar:laboratory incubation and column leaching studies[J].Journal of Soils and Sediments,2014,14(3):471-482.
目录contents

    摘要

    为探究鸡粪生物炭(JF-BC)的高效制备及其对恩施地区硒镉伴生酸性土壤改良的效果,通过优化限氧热解技术中温度、时长参数制备高吸附性能鸡粪生物炭,通过为期 52 d 的室内恒温恒湿土壤培养试验探究不同添加量 JF-BC(未添加记作 CK,2% 添加量记作 2%BC,4% 添加量记作 4%BC)对土壤理化性质的影响及动态进程。试验结果表明,热解温度 700℃、热解 1.5 h,制备的 JF-BC 产品 pH 最高,镉吸附性能最优。产品对于 4 ≤ pH ≤ 8 的 Cd2+ 溶液具有稳定吸附效果,吸附量为 244.81 ~ 248.22 mg·g -1。2%BC 及 4%BC 处理均使得培养的土壤由酸性提升至中性或弱碱性。培养第 3 d,2%BC 和 4%BC 处理有机质、有效磷、速效钾含量较 CK 显著提升 29.19% 和 56.90%、425.4% 和 449.09%、884.11% 和 1475.82%,培养过程中效果稳定持续;培养过程中 2%BC 处理碱解氮较 CK 显著提升,4%BC 与 CK 无显著性差异。培养第 52 d,4%BC 土壤阳离子交换量较 CK 显著提升 45.34%。培养过程中,2%BC 及 4%BC 处理土壤有效镉逐渐降低,较 CK 最高降低 32.32%,4%BC 处理有效硒有所增加,较 CK 最高增加 26.47%。JF-BC 能有效改善恩施地区土壤的 pH、有机质、阳离子交换量等化学性质,提升土壤磷、钾肥力,降低镉的有效性,提高硒的活化率,4% 添加量改良效果更佳。但当 JF-BC 大量施用时,要注意氮素的补充及磷、钾素减量。此研究对改良恩施地区土壤酸化、提高硒利用率并抑制镉迁移转化提供有益探索。

    Abstract

    In order to explore the efficient preparation of chicken litter biochar(JF-BC)and its effects on the improvement of selenium-cadmium associated acidic soil in Enshi area,the temperature and time parameters of oxygen limited pyrolysis technology were optimized to prepare chicken manure biochar with high adsorption performance. A 52 days soil incubation experiment was conducted to explore the effects on chemical properties of soil with different addition of JF-BC(no addition was referred to CK,2% addition was referred to 2%BC,4% addition was referred to 4%BC). The experimental results showed that JF-BC showed the highest pH value and cadmium adsorption capacity which was prepared at 700 ℃ for 1.5 h. The product had a stable adsorption effect on Cd2+ solution of 4 ≤ pH ≤ 8,and the adsorption capacity was 244.81-248.22 mg·g -1. The incubated soil was improved from acidic to neutral or weakly alkaline by 2%BC and 4%BC. At the 3rd day,the contents of organic matter,available phosphorus and available potassium of 2%BC and 4%BC were significantly increased by 29.19% and 56.90%,425.4% and 449.09%,884.11% and 1475.82%,respectively,compared with CK. The effect was stable and sustained in incubation. The alkali-hydrolyzed nitrogen in 2%BC was significantly higher than that in CK, but there was no significant difference between 4%BC and CK. On the 52nd day of culture,the cation exchange capacity of 4%BC soil was significantly increased by 45.34%,compared with CK. During the incubated process,the soil available cadmium were decreased gradually in 2%BC and 4%BC,and the maximum decrease was 32.32%,while the effective selenium increased in 4%BC,and the maximum increase was 26.47%,compared with CK. JF-BC could effectively improve the pH,organic matter,cation exchange capacity of acidic soil in Enshi area,improve the soil phosphorus and potassium fertility,reduce the availability of cadmium,and improve the activation rate of selenium. The 4% addition showed a better improvement. However,when JF-BC was applied in large quantities,attention should be paid to the addition of nitrogen and the reduction of phosphorus and potassium. This study provideed useful exploration for improving soil acidification, increasing the utilization rate of selenium and inhibiting the migration and transformation of cadmium in Enshi area.

  • 湖北恩施享有世界硒都的美誉,富硒区占恩施耕地比例高达 61.87%,但因其成土母质和地球化学原因,表层土壤硒、镉元素呈伴生关系[1-2]。元素的有效态直接影响植物吸收迁移转化,恩施地区的土壤虽然硒的含量高,但有效性低,制约了地区特色富硒产业发展。恩施地区耕地土壤酸化严重,pH 平均值仅为 5.26,pH<5.5 的酸化土壤占耕地总面积的 50.13%[3]。酸性土壤中农产品富集镉的风险进一步增高[4],这些均严重影响恩施地区农产品生产安全,土壤修复亟待解决。近年来,伴随我国肉制品行业供给侧结构性改革持续推进,禽类出栏量及所占比重逐年上升,将禽类粪制成生物炭成为一种新型资源化途径,禽类粪基生物炭多呈碱性,具有较大的比表面积和丰富的官能团,故而具有较高吸附效率[5],多用于污水治理、土壤修复等领域[6-7]。施用禽类粪基生物炭或可成为修复改良恩施土壤的途径之一。

  • 限氧热解是常用生物炭制备技术,温度是影响生物炭吸附性能的重要因素,研究发现随着制备温度的升高,粪基生物炭的吸附性能增加[8]。生物炭制备时间亦影响其性质,肖然[9]研究玉米秸秆等农业废弃物生物炭低温裂解时,发现裂解时间延长显著影响生物炭性质。因此,热解温度和时间都是生物炭制备的重要参数。粪基生物炭应用于土壤修复具有钝化重金属[10-11]、减排固碳[12]和增固土壤养分[13]的优势。生物炭对土壤理化性质的影响与生物炭原材料、生物炭的理化性质和土壤类型密切相关[14]。Qi 等[15]研究酸性生物炭(木屑生物炭)和中性生物炭(鸡粪生物炭)对两种不同类型土壤中有效镉吸附发现,吸附能力强的土壤中有效镉未见减少,吸附能力弱的土壤中有效镉降低近 50%。张梦阳[16]通过探讨不同类型土壤理化性质和生物群落对生物炭的响应发现生物炭对酸性土壤的理化性质具有更好的改良效果,但其具体的影响因土壤类型而异。目前暂无针对生物炭对高硒高镉酸性土壤性质影响的研究报道,也少有粪基生物炭对土壤理化性质影响的动态过程较为全面的研究。

  • 本试验拟通过以改良酸性高镉土壤为目的,优化鸡粪生物炭的制备工艺参数并评价其性能;通过室内恒温恒湿土壤培养试验模拟鸡粪生物炭对高硒高镉酸性土壤理化性质影响的动态过程。优化鸡粪生物炭的制备工艺以制备适用于改良恩施硒镉伴生地区酸性土壤的生物炭,厘清其对土壤理化性质影响的动态进程影响,为改良恩施地区土壤酸化、提高硒利用率并抑制镉迁移转化提供有益探索,为提升地区食品安全生产提供理论基础。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验原料与装置

  • 1.1.1 鸡粪生物炭的制备

  • 供试鸡粪于 2021 年 11 月取自湖北省恩施土家族苗族自治州农业科学院畜牧所平养蛋鸡鸡圈,置于阴凉通风处自然风干(标记为 JF)。取干燥 JF 经 105℃烘箱烘 24 h 后,紧实地装满石英坩埚,置于管式炉(合肥科晶 OTF-1200X 80)石英管正中间,设置升温速率为 5℃·min-1,氮气流量为 0.3~0.4 L·min-1,热解温度(300、400、500、 600、700℃)和时长(1.0、1.5、2.0 h)进行制备,所得产品鸡粪生物炭标记为 JF-BC,根据试验要求将制备完成的 JF-BC 研磨过 0.25 mm 筛。

  • 1.1.2 供试土壤的采集与处理

  • 供试土壤采自恩施土家族苗族自治州恩施市沐抚办事处农家菜地(30°28′N,109°14′E),采集深度为 0~20 cm 耕作层。样品采集后弃去杂草、农作物根系、石子,置于阴凉通风处自然风干,过 2 mm 筛后储存至广口玻璃瓶备用。供试土壤元素含量见表1。

  • 表1 供试土壤的元素含量

  • 1.2 试验方法

  • 1.2.1 生物炭理化性质测定

  • 生物炭 pH 的测定参考 GB/T7702.16—1997。生物炭对 Cd2+ 溶液吸附试验:配制 400 mg·L-1 Cd2+ 溶液为原液,调节 pH 为 5,取生物炭 0.1 g 置于 250 mL 三角锥形瓶中,加入 CdCl2 溶液 50 mL,置于摇床 24 h,温度为 30℃,转速为 150 r·min-1。取出三角锥形瓶静置,取上层液体约 10 mL,经离心机 5000 r·min-1、10 min 离心后,取上清液,使用 0.45μm 滤膜进行过滤,得到的溶液使用电感耦合等离子体质谱仪(赛默飞,ICAPQ)进行镉含量测定。生物炭对不同 pH 值的 Cd2+ 溶液吸附试验:配制 1 g·L-1 Cd2+ 溶液,用 HCl 溶液将 Cd2+ 溶液 pH 值调节至 1、2、3、4、5、6、7、8,其余步骤参考上述生物炭对 Cd2+ 溶液吸附试验。

  • 1.2.2 恒温恒湿土壤培养试验

  • 取供试土壤 100 g 置于 500 mL 聚乙烯瓶中,设置 3 个试验处理,第一组处理不添加任何材料,记为 CK,第二组处理加土壤质量的 2%(即 2 g)的 JF-BC,记为 2%BC,第三组处理加土壤质量的 4% (即 4 g)的 JF-BC,记为 4%BC,每组处理设置 3 个重复,并设置 3 次破坏性取样共 27 个试验装置。所有聚乙烯瓶中加 30 g 无菌水(每两个星期加水至恒重)盖紧瓶盖,置于 28℃的恒温培养箱培养,分别于 3、14、52 d 取样,将土壤置于烘箱烘干待测。

  • 土壤 pH 的测定参考 NY/T1121.2—2006,土壤有效镉的测定使用 DTPA 浸提(1∶2)-等离子体质谱法,土壤阳离子交换量的测定参考 NY/T295— 1995,土壤有机质测定参考 NY/T1121.6—2006,土壤有效镉的测定参考 HJ 804—2016,土壤有效硒的测定参考 NY/T3420—2019,土壤碱解氮的测定参考 LY/T1228—2015,土壤有效磷的测定参考 NY/T1121.7—2014,土壤速效钾的测定参考 NY/T3420—2019,土壤有效硒的测定参考 NY/T3420— 2019。

  • 1.3 分析方法

  • 生物炭的产率按以下公式计算:

  • Y=m/m0
    (1)
  • 式中,Y 为产率;m 为制备完成后鸡粪生物炭的质量,g;m0 为制备之前鸡粪的质量,g。

  • 生物炭对 Cd2+ 吸附量按以下公式计算:

  • M=C0-CV/m
    (2)
  • 式中,M 为生物炭对 Cd2+ 吸附量,mg·kg-1C0 为 Cd2+ 溶液的初始浓度,mg·L-1C 为投加生物炭吸附 24 h 后的 Cd2+ 溶液的浓度,mg·L-1V 为 Cd2+ 溶液的体积,L;m 为投加生物炭的质量,g。

  • 数据、图形的处理分别使用 SPSS 20.0 和 Origin 9.0 完成,使用单因素方差分析研究同一取样时间处理组之间及不同取样时间同一处理组之间的差异显著性,Pearson 相关系数用于建立不同参数之间的相关性及显著性分析。数据结果以平均值 ± 标准差表示。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 生物炭制备条件优化

  • 由表2 可知,热解时长对 JF-BC 的产率和 pH 影响不大,但热解时长对 Cd2+ 吸附量有显著性差异,设置热解时长为 1.5 h 时,Cd2+ 吸附量最大,为 65.73 mg·g-1;2.0 h 时吸附量最小,为 55.47 mg·g-1

  • 表2 生物炭热解时长对其性能的影响

  • 注:不同小写字母代表数据差异显著(P<0.05)。下同。

  • 由表3 可知,JF-BC 的产率随着热解温度的升高而下降。热解温度对溶液中 Cd2+ 吸附量有显著性差异,Cd2+ 吸附量随热解温度上升而增高,700℃ 时,吸附量达 169.96 mg·g-1。JF-BC 的 pH 随着热解温度上升而增高,700℃时,pH 达 11.68。因粪基生物炭的热解温度与生物炭养分总量呈显著正相关[17],故而从改良酸性高镉土壤的角度出发,应选择热解温度为 700℃的 JF-BC。

  • 表3 生物炭热解温度对其性能的影响

  • 综上所述,JF-BC 的制备参数应设置为热解温度 700℃、热解时长为 1.5 h。值得注意的是,平养蛋鸡鸡粪区别于普通笼养蛋鸡鸡粪,因其饲养方式使得材质包含鸡粪和少量谷壳,其限氧热解的过程相当于鸡粪和谷壳共热解。相较于单一材料限氧热解而成的生物炭,共热解会改变生物炭的物理化学性质[18-19],故本文中的 JF-BC 区别于仅由鸡粪限氧热解而成的 JF-BC。

  • 2.2 生物炭性能分析

  • 2.2.1 生物炭的元素分析

  • 由表4 可知 JF-BC 的元素组成中碳元素为 232.6 g·kg-1,是生物炭的主要组成元素,富含氮、磷、钾等植物所需的大量营养元素,含有植物生长所需的有益元素硒,镉的含量为 0.03 mg·kg-1,远低于有机肥料标准(NY/T525—2021)限量。

  • 表4 鸡粪生物炭元素组成

  • 2.2.2 Cd2+ 溶液初始 pH 对 JF-BC 的 Cd2+ 吸附量的影响

  • 由于当溶液 pH 调至 9 时,溶液出现白色沉淀,故考察 pH 范围为 1~8。由图1 可见,当 Cd2+ 溶液初始 pH 为 1~4 时,JF-BC 对 Cd2+ 的吸附量随 pH 的上升而上升。当 pH 为 4~8 时,JF-BC 对 Cd2+ 的吸附量无显著性差异,到达吸附平衡,吸附量最高为 248.22 mg·g-1

  • 图1 Cd2+ 溶液初始 pH 对鸡粪生物炭的 Cd2+ 吸附量的影响

  • 注:不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。下同。

  • 2.3 JF-BC 对土壤理化性质影响的动态进程

  • 2.3.1 JF-BC 对土壤 pH、有机质和阳离子交换量的影响

  • 由图2(a)可见。不同处理同一取样时间均有显著性差异,经过 3 d 的培养,2%BC 和 4%BC 中 pH 值分别达到 7.22 和 8.11,分别较 CK 提升了 43.82% 和 61.55%,说明 JF-BC 能快速且显著提升土壤 pH,且随着 JF-BC 的添加量上升而上升。同一处理不同时间测得 pH 没有显著性差异,说明JF-BC 能持续有效改善土壤酸化。

  • 土壤有机质是表征土壤肥力的重要指标,直接影响土壤释肥、保肥力及土壤物理性状,为微生物提供生长所需的碳源及能量[20]。由图2(b)可见,添加 JF-BC 处理均增加了土壤有机质的含量,不同处理同一取样时间均有显著性差异,培养第 3 d,2%BC 和 4%BC 中有机质含量分别达到 47.00 和 57.08 g·kg-1,分别较 CK 提升了 10.62 和 20.07 g·kg-1,提升比率分别为 29.19% 和 56.90%,说明 JF-BC 能快速且显著提升土壤有机质含量,且随着 JF-BC 的添加量上升而上升。同一处理不同时间测得 pH 没有显著性差异,可见 JF-BC 能持续有效提高土壤有机质。

  • 阳离子交换量表征土壤吸附阳离子的能力,由图2(c)可见,培养前期 2%BC 中阳离子交换量较 CK 有显著提升,4%BC 中阳离子交换量较 CK 虽有提升但差异不显著。经过 52 d 的培养,2%BC 和 4%BC 中阳离子交换量分别达到 20.56 和 24.46 cmol·kg-1,分别较 CK 提升了 22.16% 和 45.34%,但仅 4%BC 与 CK 有显著性差异。

  • 2.3.2 JF-BC 对土壤有效镉、有效硒的影响

  • 元素的有效性能直接影响其迁移转化,有效性高更易被植物吸收利用[20]。由图3(a)可见,培养第 3 d,不同处理之间土壤有效镉无显著性差异; 第 14 d,4%BC 和 CK 中有效镉具有显著性差异;第 52 d,2%BC 和 4%BC 分别达到 3.04、 3.22 mg·kg-1,较 CK 分别显著下降了 1.47 和 1.22 mg·kg-1 即 32.59% 和 28.60%。说明 JF-BC 能显著降低土壤有效镉含量,但其对有效镉的吸附达到平衡需要一定的时间,且添加量越多,吸附速率越快。

  • 图2 不同处理对土壤 pH(a)、有机质(b)和阳离子交换量(c)的影响

  • 图3 不同处理对土壤有效镉(a)、有效硒(b)的影响

  • 由图3(b)可见,土壤中硒的有效性较镉低很多,3 次取样中 4%BC 处理土壤有效硒较 CK 均显著性增加,增加的幅度范围为 13.33%~26.47%。 2%BC 处理仅在第 3 d 取样时与 CK 有显著性差异,较 CK 增加了 14.71%,第 14、52 d 取样时均与 CK 无显著性差异。由此可见,JF-BC 的施用量需达到一定的比例才能对土壤有效硒产生显著性影响。

  • 2.3.3 JF-BC 对土壤碱解氮、有效磷、速效钾的影响

  • 土壤中的碱解氮表征土壤中水解态氮(潜在有效氮)。由图4(a)可见,第 3 d 取样,各处理土壤中碱解氮含量无显著性差异,第 14 d 取样, 2%BC 较 CK 和 4%BC 均有显著性提高,CK 和 4%BC 无显著性差异。第 52 d 取样,2%BC 中碱解氮达 521.67 mg·kg-1,较 CK 提升了 36.75%,CK 和 4%BC 无显著性差异。

  • 图4(b)可见,添加 JF-BC 处理均显著提升了土壤有效磷含量,不同添加量处理之间差异性不显著。第 3 d 取样 2%BC 和 4%BC 中有效磷含量分别达到 98.67 和 103.12 mg·kg-1,分别较 CK 提升了 425.40% 和 449.09%,说明 JF-BC 能快速且显著提升土壤有效磷含量。同一处理不同时间测得有效磷含量没有显著性差异,说明 JF-BC 提升土壤有效磷效果持续稳定。

  • 由图4(c)可见,不同处理同一取样时间均有显著性差异,第 3 d 取样 2%BC 和 4%BC 中速效钾含量分别达到 1450.09 和 2469.32 mg·kg-1,分别较 CK 提升了 884.11% 和 1475.82%,说明 JF-BC 能快速且显著提升土壤速效钾含量,且随着 JF-BC 的添加量上升而上升。同一处理不同时间测得土壤速效钾含量没有显著性差异,说明 JF-BC 提升土壤速效钾效果持续稳定。

  • 2.3.4 土壤化学性质指标之间的相关性分析

  • 通过对各处理中土壤 pH、有机质、阳离子交换量、有效镉、有效硒之间相关性分析得出,pH、有机质和阳离子交换量、有效镉、有效硒均呈显著性相关。pH、有机质均与有效镉呈显著负相关, Pearson 相关系数分别为-0.431 和-0.422。pH、有机质均与有效硒呈显著正相关,Pearson 相关系数分别为 0.463 和 0.528。有效硒和有效镉相关性不显著。

  • 图4 不同处理对土壤碱解氮(a)、有效磷(b)和速效钾(c)的影响

  • 表5 不同处理土壤化学性质的 Pearson 相关系数

  • 注:* 表示 P<0.05,** 表示 P<0.01。

  • 3 讨论

  • 3.1 JF-BC 的制备及其性质研究

  • 通过研究 JF-BC 制备条件中的热解温度和时间可知,热解温度是影响产品性质的主要因素,主要表现为产品 pH 和 Cd2+ 溶液吸附量均随着热解温度的提升而提升。随着热解温度的增加,比表面积、孔容和孔径逐渐增大,可提供重金属吸附的官能团点位增加,无机矿物组分含量逐渐增加,因而生物炭的吸附性能和碱性越强。热解时长也能显著影响产品的性质,但主要表现在对 Cd2+ 溶液吸附量,其对 pH 的影响不大。

  • 纯鸡粪材料制备的生物炭样品有重金属和抗生素超标的可能性[21],本研究所获 JF-BC 产品中镉含量低,这可能是因为原材料中的谷壳重金属含量低,发挥了稀释作用。本研究中制备条件优化后所获产品在 3 ≤ pH ≤ 4 的 Cd2+ 溶液中能获得较高的吸附效率,在 4 ≤ pH ≤ 8 的 Cd2+ 溶液中能达到同样的吸附平衡水平,这对于强酸性土壤修复是极其重要的特性。

  • 3.2 JF-BC 对土壤化学性质影响

  • 本研究发现土壤 pH、有机质与土壤中有效镉、有效硒具有显著相关性。与前人的研究相符,袁知洋等[22]通过研究恩施富硒区土壤硒镉与土壤理化性质的关系,发现土壤酸碱度和有机质含量与土壤有效态硒、镉含量均具有显著相关性。元素的有效态受土壤环境的影响,也直接影响植物的吸收与利用,唐世琪等[1]研究发现恩施地区的农作物硒的生物富集系数随着土壤 pH 的上升而上升,镉的生物富集系数则同时受 pH 和有机质的影响。土壤 pH 是影响镉的赋存形态的重要因素,低 pH 状态下,土壤中镉逐渐由碳酸盐结合态转变为可交换态,有效性增加[23],当 pH > 6 时,土壤中的镉逐渐转变为氢氧化物或难溶盐态[24],活动性和有效性减弱。而酸性土壤环境下,硒主要以 SeO3 2- 存在,能与土壤中的铁锰氧化物等物质形成难溶物,当土壤由酸变碱时,土壤中的硒逐渐向 SeO4 2- 过渡, SeO4 2- 更易溶于水而不形成难溶物,硒有效性增强[2],促进了土壤中硒的活化。JF-BC 作为一种碱性物料,施用到土壤中可让土壤 pH 在短时间内显著提升且稳定维持,致使土壤中镉有效性下降,硒有效性增加。

  • 生物炭作为一种疏松多孔、富有表面官能团的有机物料,因其自身的结构特性可以通过共沉淀、静电吸附、离子络合等作用[25-27]降低土壤中镉的有效性。硒、镉元素都具有亲生物性,容易被土壤腐殖质一类有机物吸附形成有机结合态[28],从而降低其有效性,故而土壤中硒元素与镉元素具有一定的拮抗作用,当镉被有机物官能团上的竞争性位点吸附必然造成部分硒被解吸,进一步提高硒的有效性。因此,选择改良恩施地区土壤的调理措施,改善土壤酸化亟须重视,同时也要注意有机质的补充。生物炭含较多芳香结构,有较高的稳定性[29],不容易矿化,有利于碳固定和在土壤中长期稳定存在,对土壤的改良效果持续。

  • 元素的有效态直接影响植物的吸收利用,不同原料制备的生物炭对土壤中有效态氮、磷、钾作用效果有所差异。张艺腾[30]研究发现鸡粪生物炭的施用有效增加了土壤中有效磷和速效钾的含量。黄连喜等[31]研究发现花生壳生物炭的施用对土壤速效钾有显著性提高,但对有效磷和碱解氮无显著性影响。郑慧芬等[32]研究发现小麦秸秆生物炭的施用显著提升了土壤中有效磷和速效钾的含量,但碱解氮含量下降。本研究发现在土壤中添加 JF-BC 能大幅提升土壤的有效磷、钾养分水平,尤其是速效钾含量极大幅度地提升,第 14 d取样时,4%BC 处理高达 2566.57 mg·kg-1,是 CK 的 16.25 倍。这可能是因为生物炭本身含有一定量的有效态磷、钾,加入土壤后极大程度促进了微生物的繁殖,尤其是解磷、解钾等方面的功能微生物[33],从而促进了土壤中难溶态的磷、钾转化成有效态。但本研究中 2%BC 处理中碱解氮含量较 CK 有显著提升,4%BC 处理较 CK 无显著性变化。这可能是因为生物炭施入土壤后释放出本身含有的矿化态氮,但生物炭自身碳含量丰富,碳氮比低,有利于微生物对氮的固定,且易于吸附土壤中有机氮,从而降低微生物对有机氮的矿化[33],有利于抑制土壤中氮素的淋溶与迁移。此外,生物炭的施用能促进土壤中硝化作用,导致土壤中的铵态氮含量短时间内大幅上升[34],而生物炭是碱性的,促进了铵态氮转化成气态溢出,生物炭施加量越大,其促进效果越明显,故而可能造成一部分有效态氮的损失。因此,JF-BC 作为调理剂改良农田土壤时,要注意减少钾和磷素的用量,并加强氮素的补充。

  • 4 小结

  • (1)JF-BC 的制备条件设置为热解温度 700℃、热解时长为 1 h 时,其 pH 最高,其对 Cd2+ 的吸附效率最高,达 250 mg·g-1,pH ≥ 4 的 Cd2+ 溶液具有稳定吸附效果。

  • (2)JF-BC 应用于土壤中能显著提升土壤 pH、有机质、阳离子交换量,pH、有机质进一步驱动土壤镉有效性下降,硒有效性增加。

  • (3)JF-BC 能大幅提高土壤有效磷、速效钾的含量,2%BC 处理中土壤碱解氮含量较 CK 至多提升 36.75%,4%BC 处理较 CK 无显著性差异。

  • 综上所述,施用 JF-BC 是改良恩施硒镉伴生酸性土壤的可用选择,土壤中镉有效性下降,硒有效性增加,植物对硒的吸收利用率提高,有助于恩施地区特色富硒农产品的生产。

  • 参考文献

    • [1] 唐世琪,万能,曾明中,等.恩施地区土壤与农作物硒镉地球化学特征[J].物探与化探,2020,44(3):607-614.

    • [2] 郭宇.恩施地区硒的地球化学研究及富硒作物栽培实验研究 [D].武汉:中国地质大学,2012.

    • [3] 向永生.恩施州耕地资源评价与利用[M].北京:中国农业科学技术出版社,2013.

    • [4] 窦韦强,安毅,秦莉,等.土壤pH对镉形态影响的研究进展[J].土壤,2020,52(3):439-444.

    • [5] 龚沛云.改性农业废弃物基生物炭制备及其对镉吸附机理与钝化效果研究[D].上海:上海海洋大学,2022.

    • [6] 薛婷婷,刘海成,Joseph Acquah,等.水环境中微塑料的去除研究进展[J].工业水处理,2021,41(8):1-6.

    • [7] 梅杨璐,徐晋,张寅,等.氮改性对生物炭理化性质的影响及其对废水中铜离子的吸附特性[J].环境化学,2022,41(5):1796-1808.

    • [8] 陈明茹,黄应平,张吉林,等.羊粪生物炭对水体中镉的吸附[J].武汉大学学报(理学版),2022,68(6):612-620.

    • [9] 肖然.生物炭的制备及其对养分保留和重金属钝化的潜力研究[D].咸阳:西北农林科技大学,2017.

    • [10] Zhao B W,Xu R Z,Ma F F,et al.Effects of biochars derived from chicken manure and rape straw on speciation and phytoavailability of Cd to maize in artificially contaminated loess soil[J].Journal of Environmental Management,2016,184:569-574.

    • [11] Meng J,Tao M M,Wang L L,et al.Changes in heavy metal bioavailability and speciation from a Pb-Zn mining soil amended with biochars from co-pyrolysis of rice straw and swine manure[J]. Science of the Total Environment,2018,633:300-307.

    • [12] Sun J,Wang B C,Gang X,et al.Effects of wheat straw biochar on carbon mineralization and guidance for large-scale soil quality improvement in the coastal wetland[J].Ecological Engineering,2014,62(1):43-47.

    • [13] 李飞跃,吴旋,李俊锁,等.畜禽粪便生物炭固碳量、养分量的估算及田间施用潜在风险预测[J].农业环境科学学报,2019,38(9):2202-2209.

    • [14] Purakayastha T J,Das K C,Gaskin J,et al.Effect of pyrolysis temperatures on stability and priming effects of C3 and C4 biochars applied to two different soils[J].Soil and Tillage Research,2016,155:107-115.

    • [15] Qi J F,Lamb D,Ravi N D,et al.Cadmium solubility and bioavailability in soils amended with acidic and neutral biochar[J]. Science of the Total Environment,2018,610-611:1457-1466.

    • [16] 张梦阳.生物炭对酸性土壤微生物群落及钾素的作用机制 [D].武汉:华中农业大学,2021.

    • [17] 王煌平,张青,章赞德,等.不同热解温度限氧制备的畜禽粪便生物炭养分特征[J].农业工程学报,2018,34(20):233-239.

    • [18] 张子豪,袁巧霞,代佩.畜禽粪便与秸秆混合热解制备生物炭研究[J].华中农业大学学报,2019,38(1):133-138.

    • [19] Gao R L,Fu Q L,Hu H Q,et al.Highly-effective removal of Pb by co-pyrolysis biochar derived from rape straw and orthophosphate[J]. Journal of Hazardous Materials,2019,371:191-197.

    • [20] 鲍士旦.土壤农化分析[M].3 版.北京:中国农业出版社,2000.

    • [21] 田仁强,谢胜禹,李春星,等.鸡粪与农林废弃物共热解对生物炭中残留重金属和抗生素的影响[J].农业环境科学学报,2019,38(11):2619-2631.

    • [22] 袁知洋,郑金龙,戴光忠,等.恩施富硒土壤区土壤硒镉与其理化性质关系研究[J].西南农业学报,2019,32(8):1852-1859,1967.

    • [23] 窦韦强,安毅,秦莉,等.土壤pH对镉形态影响的研究进展[J].土壤,2022,52(3):439-444.

    • [24] 贺前锋,桂娟,刘代欢,等.淹水稻田中土壤性质的变化及其对土壤镉活性影响的研究进展[J].农业环境科学学报,2016,35(12):2260-2268.

    • [25] 陈明茹,黄应平,张吉林,等.羊粪生物炭对水体中镉的吸附[J].武汉大学学报(理学版),2022,68(6):612-620.

    • [26] Meng J,Feng X L,Dai Z M,et al.Adsorption characteristics of Cu(Ⅱ)from aqueous solution onto biochar derived from swine manure[J].Environmental Science and Pollution Research,2014,21(11):7035-7046.

    • [27] 王晓霞,杨涛,肖璐睿,等.稻草秸秆生物质炭对重金属 Cd2+ 的吸附性能研究[J].环境科学学报,2021,41(7):2691-2699.

    • [28] Li Z,Liang D L,Peng Q,et al.Interaction between selemium and soil organic matter and its impact on soil selenium bioavailability:a review[J].Geoderma,2017,295:69-79.

    • [29] 陈静文,张迪,吴敏,等.两类生物炭的抗氧化性比较[J]. 环境化学,2014,33(6):943-948.

    • [30] 张艺腾.在不同条件下添加优良鸡粪生物炭对土壤化学特性的影响研究[D].长春:吉林农业大学,2018.

    • [31] 黄连喜,魏岚,李衍亮,等.花生壳生物炭对土壤改良、蔬菜增产及其持续效应研究[J].中国土壤与肥料,2018(1):101-107.

    • [32] 郑慧芬,吴红慧,翁伯琦,等.施用生物炭提高酸性红壤茶园土壤的微生物特征及酶活性[J].中国土壤与肥料,2019(2):68-74.

    • [33] 梁利宝,冯鹏艳.生物炭与有机肥、无机肥配施对采煤塌陷区复垦土壤理化性状的影响[J].水土保持学报,2017,31(5):305-308.

    • [34] Zhao X,Wang S Q,Xing G .Nitrification,acidification,and nitrogen leaching from subtropical cropland soils as affected by rice straw-based biochar:laboratory incubation and column leaching studies[J].Journal of Soils and Sediments,2014,14(3):471-482.

  • 参考文献

    • [1] 唐世琪,万能,曾明中,等.恩施地区土壤与农作物硒镉地球化学特征[J].物探与化探,2020,44(3):607-614.

    • [2] 郭宇.恩施地区硒的地球化学研究及富硒作物栽培实验研究 [D].武汉:中国地质大学,2012.

    • [3] 向永生.恩施州耕地资源评价与利用[M].北京:中国农业科学技术出版社,2013.

    • [4] 窦韦强,安毅,秦莉,等.土壤pH对镉形态影响的研究进展[J].土壤,2020,52(3):439-444.

    • [5] 龚沛云.改性农业废弃物基生物炭制备及其对镉吸附机理与钝化效果研究[D].上海:上海海洋大学,2022.

    • [6] 薛婷婷,刘海成,Joseph Acquah,等.水环境中微塑料的去除研究进展[J].工业水处理,2021,41(8):1-6.

    • [7] 梅杨璐,徐晋,张寅,等.氮改性对生物炭理化性质的影响及其对废水中铜离子的吸附特性[J].环境化学,2022,41(5):1796-1808.

    • [8] 陈明茹,黄应平,张吉林,等.羊粪生物炭对水体中镉的吸附[J].武汉大学学报(理学版),2022,68(6):612-620.

    • [9] 肖然.生物炭的制备及其对养分保留和重金属钝化的潜力研究[D].咸阳:西北农林科技大学,2017.

    • [10] Zhao B W,Xu R Z,Ma F F,et al.Effects of biochars derived from chicken manure and rape straw on speciation and phytoavailability of Cd to maize in artificially contaminated loess soil[J].Journal of Environmental Management,2016,184:569-574.

    • [11] Meng J,Tao M M,Wang L L,et al.Changes in heavy metal bioavailability and speciation from a Pb-Zn mining soil amended with biochars from co-pyrolysis of rice straw and swine manure[J]. Science of the Total Environment,2018,633:300-307.

    • [12] Sun J,Wang B C,Gang X,et al.Effects of wheat straw biochar on carbon mineralization and guidance for large-scale soil quality improvement in the coastal wetland[J].Ecological Engineering,2014,62(1):43-47.

    • [13] 李飞跃,吴旋,李俊锁,等.畜禽粪便生物炭固碳量、养分量的估算及田间施用潜在风险预测[J].农业环境科学学报,2019,38(9):2202-2209.

    • [14] Purakayastha T J,Das K C,Gaskin J,et al.Effect of pyrolysis temperatures on stability and priming effects of C3 and C4 biochars applied to two different soils[J].Soil and Tillage Research,2016,155:107-115.

    • [15] Qi J F,Lamb D,Ravi N D,et al.Cadmium solubility and bioavailability in soils amended with acidic and neutral biochar[J]. Science of the Total Environment,2018,610-611:1457-1466.

    • [16] 张梦阳.生物炭对酸性土壤微生物群落及钾素的作用机制 [D].武汉:华中农业大学,2021.

    • [17] 王煌平,张青,章赞德,等.不同热解温度限氧制备的畜禽粪便生物炭养分特征[J].农业工程学报,2018,34(20):233-239.

    • [18] 张子豪,袁巧霞,代佩.畜禽粪便与秸秆混合热解制备生物炭研究[J].华中农业大学学报,2019,38(1):133-138.

    • [19] Gao R L,Fu Q L,Hu H Q,et al.Highly-effective removal of Pb by co-pyrolysis biochar derived from rape straw and orthophosphate[J]. Journal of Hazardous Materials,2019,371:191-197.

    • [20] 鲍士旦.土壤农化分析[M].3 版.北京:中国农业出版社,2000.

    • [21] 田仁强,谢胜禹,李春星,等.鸡粪与农林废弃物共热解对生物炭中残留重金属和抗生素的影响[J].农业环境科学学报,2019,38(11):2619-2631.

    • [22] 袁知洋,郑金龙,戴光忠,等.恩施富硒土壤区土壤硒镉与其理化性质关系研究[J].西南农业学报,2019,32(8):1852-1859,1967.

    • [23] 窦韦强,安毅,秦莉,等.土壤pH对镉形态影响的研究进展[J].土壤,2022,52(3):439-444.

    • [24] 贺前锋,桂娟,刘代欢,等.淹水稻田中土壤性质的变化及其对土壤镉活性影响的研究进展[J].农业环境科学学报,2016,35(12):2260-2268.

    • [25] 陈明茹,黄应平,张吉林,等.羊粪生物炭对水体中镉的吸附[J].武汉大学学报(理学版),2022,68(6):612-620.

    • [26] Meng J,Feng X L,Dai Z M,et al.Adsorption characteristics of Cu(Ⅱ)from aqueous solution onto biochar derived from swine manure[J].Environmental Science and Pollution Research,2014,21(11):7035-7046.

    • [27] 王晓霞,杨涛,肖璐睿,等.稻草秸秆生物质炭对重金属 Cd2+ 的吸附性能研究[J].环境科学学报,2021,41(7):2691-2699.

    • [28] Li Z,Liang D L,Peng Q,et al.Interaction between selemium and soil organic matter and its impact on soil selenium bioavailability:a review[J].Geoderma,2017,295:69-79.

    • [29] 陈静文,张迪,吴敏,等.两类生物炭的抗氧化性比较[J]. 环境化学,2014,33(6):943-948.

    • [30] 张艺腾.在不同条件下添加优良鸡粪生物炭对土壤化学特性的影响研究[D].长春:吉林农业大学,2018.

    • [31] 黄连喜,魏岚,李衍亮,等.花生壳生物炭对土壤改良、蔬菜增产及其持续效应研究[J].中国土壤与肥料,2018(1):101-107.

    • [32] 郑慧芬,吴红慧,翁伯琦,等.施用生物炭提高酸性红壤茶园土壤的微生物特征及酶活性[J].中国土壤与肥料,2019(2):68-74.

    • [33] 梁利宝,冯鹏艳.生物炭与有机肥、无机肥配施对采煤塌陷区复垦土壤理化性状的影响[J].水土保持学报,2017,31(5):305-308.

    • [34] Zhao X,Wang S Q,Xing G .Nitrification,acidification,and nitrogen leaching from subtropical cropland soils as affected by rice straw-based biochar:laboratory incubation and column leaching studies[J].Journal of Soils and Sediments,2014,14(3):471-482.

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