低温生物炭和化肥配施对冬小...和土壤铅镉生物有效性的影响_彭红宇.pdf

机碳和轻组有机碳的影响J 干旱地区农业研究，2017，35(1):8 13 32张军科，江长胜，郝庆菊，等 耕作方式对紫色水稻土轻组有机碳的影响J 生态学报，2012，32(14):4379 4387 33田慎重，王瑜，李娜，等 耕作方式和秸秆还田对华北地区农田土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响J 生态学报，2013，33(22):7116 7124 34张璐，张文菊，徐明岗，等 长期施肥对中国 3 种典型农田土壤活性有机碳库变化的影响J 中国农业科学，2009，42(5):1646 1655 35严君，韩晓增，陈旭，等 施肥对小麦、玉米和大豆连作土壤微生物群落功能多样性的影响J 干旱地区农业研究，2019，37(6):171 177 36 唐海明，肖小平，李微艳，等 长期施肥对双季稻田根际土壤微生物群落功能多样性的影响J 生态环境学报，2016，25(3):402 408 37 张向前，杨文飞，徐云姬 中国主要耕作方式对旱地土壤结构及养分和微生态环境影响的研究综述J 生态环境学报，2019，28(12):2464 2472 38 刘定辉，舒丽，陈强，等 秸秆还田少免耕对冲积土微生物多样性及微生物碳氮的影响J 应用与环境生物学报，2011，17(2):158 162彭红宇，刘红恩，王秋红，等 低温生物炭和化肥配施对冬小麦生长和土壤铅镉生物有效性的影响J 江苏农业科学，2023，51(4):212 219doi:10 15889/j issn1002 1302 2023 04031低温生物炭和化肥配施对冬小麦生长和土壤铅镉生物有效性的影响低温生物炭和化肥配施对冬小麦生长和土壤铅镉生物有效性的影响彭红宇，刘红恩，王秋红，李畅，秦世玉，张玉鹏，刘亥扬，许嘉阳，赵鹏(河南农业大学资源与环境学院/河南省土壤污染防控与修复重点实验室，河南郑州 450002)摘要:以济源某基地土壤为研究对象，选用农业废弃物花生壳为供试生物炭原材料，采用温室小麦苗期盆栽方法，分别在低温(250)、高温(450)条件下热解制备生物炭，并作为辅料与化肥配施进行对比试验，设置不施肥对照(CK1)、基础施肥对照(CK2)、1%低温生物炭(T3)、2%低温生物炭(T4)、1%高温生物炭(T5)、2%高温生物炭(T6)6个处理，研究低温生物炭和化肥配施后对原位铅、镉污染土壤有效性及冬小麦生长的影响。结果表明，相较于(CK1)其余处理均可以改善土壤中速效养分状况，提高土壤有机质含量，促进小麦地上部干质量及总干质量的积累，促进小麦养分吸收，但显著降低了小麦根部干物质质量和根冠比;相较于 CK2 来说，在施肥的基础上添加低温生物炭和高温生物炭，同样可以改善土壤养分状况，促进冬小麦生长，此外还可以抑制小麦地下部对重金属的吸收，降低土壤中有效态 Cd、Pb 含量。其中就冬小麦生长状况而言，低温 T3 处理与高温 T6 处理根冠比、地上部干质量、地下部干质量及总干质量均差异不显著;同样就冬小麦氮素、钾素吸收而言，差异也不显著;就土壤铅、镉有效性而言，T3、T6 处理同样固定效果相当。说明在本试验中施肥的基础上添加 1%低温生物炭(T3 处理)对改善土壤，促进小麦生长，降低土壤有效态铅、镉含量有很大的潜力，可以达到高温几乎同样的施用效果。关键词:生物炭;重金属污染;土壤修复;重金属;小麦;铅;镉中图分类号:S512 1+10 6文献标志码:A文章编号:1002 1302(2023)04 0212 08收稿日期:2022 04 06基金项目:河南省科技攻关计划(编号:202102110213、202102110214);河南省 高 等 学 校 重 点 科 研 项 目 计 划 基 础 研 究 专 项(编 号:19zx007)。作者简介:彭红宇(1994)，男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事低温生物炭农业应用研究。E mail:snailboy616163 com。通信作者:刘红恩，博士，教授，博士生导师，主要从事农业废弃物资源化利用研究，E mail:liuhongen7178 126 com;王秋红，高级工程师，主要从事农业环境保护，E mail:294737416 qq com。生物炭是来源于作物秸秆、动物粪便等的生物质或肥料(通常称为原料)在热化学转换或热解(200 700)下获得的一种固体产物1，已被广泛证明具有固定重金属的能力2，在农田土壤重金属修复中备受关注。污染农田中施用生物炭一方面可以固定土壤重金属，另一方面还可以提高土壤有机碳及有机质含量、土壤持水力，以及矿质养分的有效性3 6，进而改善土壤质量，促进作物生长。农业生产中单施化肥会引起土壤肥力下降、营养失调、作物减产等7，而生物炭作为辅料添加与化肥混施后，因其本身特性可以吸附、负载和缓释肥料养分，减少土壤养分流失，固定土壤重金属，二者配施既可满足作物生长对养分的需求又缓解农田土212江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期壤污染。近年来很多研究也证实了生物炭与化肥配施增产效果显著以及具有较强的土壤重金属固定能力，并且已经成为国内外农业领域的研究热点8。张志龙等研究发现，500 小麦秸秆生物炭与化肥配施后可以显著提高连作黄瓜的产量并且提高肥料利用率9;徐绮雯等研究发现，550 玉米秸秆生物炭与化肥配施后，不仅可显著提升土壤肥力，还可以提升土壤微生物活性10;王期凯等研究发现，单一施用生物炭处理没有炭与化肥配施效果好，并且炭与化肥配施处理还对降低镉污染菜地土壤中 Cd 的有效性有显著影响11;聂新星等研究发现，竹炭生物炭与化肥配施后，可以提高土壤有机碳和速效钾含量，提高冬小麦产量7。李格等研究发现，450 烤烟秸秆生物炭和化肥配施，可以提高烤烟产量与品质12。鉴于以上众多研究中选用的生物炭炭化温度多在 400 600 之间，然而，在低温 300 以下热解制备的生物炭研究较少。因此，本研究选用来源广泛的花生壳农业废弃物为原料，制备低温 250 生物炭，与高温450 生物炭进行对比，采用小麦温室盆栽方式，探讨低温生物炭和化肥配施对碱性重金属污染农田中小麦苗期干质量及养分含量、土壤理化性质、土壤重金属有效性等的影响，旨在为低温生物炭培肥增产作用及土壤改良应用提供科学依据。1材料与方法1 1供试土壤供试土壤采集自河南省济源市微碱性 Pb、Cd复合污染农田，于 2020 年 12 月 26 日取回，置于干净整洁的室内，自然风干。风干过程中多次翻动清理土中杂物后，过 20 目筛。供试土壤基本理化性质:有机碳含量852 g/kg，碱解氮含量8645 mg/kg，速效磷含量3236 mg/kg，速效钾含量18619 mg/kg，有效 态 Cd 含 量 1 26 mg/kg，有 效 态 Pb 含 量8071 mg/kg，pH 值为786。1 2生物炭制备供试生物炭于 2020 年 11 月 22 日至 12 月 6 日制备。选取花生壳为待制备的生物炭原材料，首先清洗表面杂物，用去离子水洗净，平铺于干净整洁的室内等待自然风干，经过简单破碎处理，过 20 目筛，标记为 PS 放入自封袋中待用，开始制备时将 PS放入瓷坩埚中，置于管式马弗炉中，通氮 10 min 后，分别设置250、450，升温速率为5 /min，氮气流速为 80 mL/min，保温时间为 2 h。待炉子完全冷却后取出材料过 100 目筛，装于棕色瓶中备用。其中，250 生物炭的 pH 值为 6 95，有机碳、全氮、全磷、全 钾 含 量 分 别 为 572 26 g/kg、10 84 g/kg、24 22 mg/kg、9 47 mg/kg;450 生物炭的 pH 值为9 33，有 机 碳、全 氮、全 磷、全 钾 含 量 分 别 为62253 g/kg、1106 g/kg、5338 mg/kg、845 mg/kg。1 3试验设计植物培养试验于 2021 年 1 月 3 日在河南农业大学土壤污染控制与修复重点实验室进行。小麦品种为百农 207。试验设置:CK1(不加生物炭、不施肥)、CK2(不加生物炭、基础施肥)、T3(基础施肥、1%250 花生壳生物炭)、T4(基础施肥、2%250 花生壳生物炭)、T5(基础施肥、1%450 花生壳生物炭)、T6(基础施肥、2%450 花生壳生物炭)。每个处理设置 3 个重复，将原状污染土壤与生物炭均匀混合装盆 500 g。肥源:尿素(纯 N0.2 g/kg)、磷酸二氢钾(P2O50 2 g/kg)、氯化钾(K2O 0 2 g/kg)，均购自国药集团化学试剂有限公司。保持土壤湿度为田间持水量的 60%70%，温室培养条件:25，光照周期 16 h/8 h(白天/黑夜)。每盆播种 16 颗小麦种子，出苗后，进行定株，每盆保持 8 株小麦幼苗培养 30 d。1 4样品测定生物炭养分含量及 pH 值测定参照 NY 5252012有机肥料。播种后 30 d 分别采集小麦地上部、地下部和土壤样品。小麦样品预处理及指标测定:收获后，依次使用自来水、去离子水清洗干净，平铺于干净吸水纸中 吸 干 水 分。在 烘 箱 中 经 过 105 杀 青30 min，然后再 65 烘干处理，称取地上部、根部干质量及总干质量。地上部、地下部养分含量采用硫酸 过氧化氢消化后分别测定。镉和铅含量测定采用硫酸 高氯酸消化后用原子吸收上机检测。土壤样品预处理及指标测定:风干剔除杂物后，分别过 0 84 mm 和 0 149 mm 筛用于测定土壤常规 5项，以及以 DTPA 为提取剂测定土壤有效态铅(Pb)和镉(Cd)的含量(使用原子吸收分光光度计上机测样)。以上所有测定方法均参照鲍士旦的土壤农化分析 教材第 3 版13。1 5数据分析试验数据处理采用 DPS 7 05 进行统计分析，采用 LSD 法进行多重比较，Excel 2018 完成数据整理，312江苏农业科学2023 年第 51 卷第 4 期Origin 2018、Sigma Plot 10 作图。2结果与分析2 1添加生物炭对小麦生长状况的影响如图 1 所示，与 CK1 相比，其余处理显著提高小麦地上部干质量，但显著降低小麦根部的干质量和根冠比。其中对地上部干质量促进效果为 T6 T3 T5 T4 CK2，较 CK1 处 理 分 别 提 高 了64.75%、58 39%、46 99%、44 79%、35.09%，平均提高了 50 00%;与 CK2 相比添加生物炭的 4 个处理促进效果为 T6 T3 T5 T4，较 CK2 处理分别提高了 21 96%、17 25%、8 81%、7.18%，平均提高了 13 80%，说明随着低温生物炭添加量的增加地上部干质量下降，而高温生物炭添加量的增加显著促进了地上部干质量的积累(图 1 A)。对于根部干质量来说，与 CK1 相比降幅变化趋势为 T5 T4 CK2 T3 T6，分别为 53 69%、46 49%、44.61%、24.62%、21 15%，添加生物炭的 4 个处理较 CK2 也有不同程度的变化，其中 T3、T6 与 CK2 相比根部干物质质量分别增加 36 09%、42.35%，T4、T5 与 CK2 相比根部干物质质量分别降低 3 39%、16 39%，其中添加了低温250 生物炭的 T3、T4 处理随着添加量的增加根部干质量降低，而高温处理的 T5、T6 则相反(图 1 B)。对于根冠比来说，不施肥 CK1 最大，为 0 32，施肥(CK2)和在施肥的基础上添加生物炭的 4 个处理根冠比均降低，依次为0 13、0 15、0 12、0 10 和 0 15，其中 T5 最小(图 1 C)。对于总干质量来说，与 CK1 处理相比其余处理均对小麦总干质量促进作用显著，促进效果为 T6 T3 T4 T5 CK2，较 CK1 处理分别提高了 44 05%、38 39%、22.79%、22 73%、15 88%，平均提高了 28 77%;与 CK2 相比添加生物炭的 4个处理也有不同程度的促进，促进效果为 T6 T3 T4 T5，较 CK2 处理分别提高了24 3