镁改性花生壳炭对土壤肥力的固持作用

　　

前言：我国作为农业大国，每年需要使用大量的N肥和P肥，但是与发达国家相比，目前N 肥和P肥利用率很低，每年会浪费大约50%的N肥和P肥，不合理的使用方式不仅易对环境造成破坏，也造成资源利用率低下等问题，破坏生态平衡^[1,2]。所以，改善氮肥和磷肥浪费问题，提高氮肥和磷肥的利用率，已成为研究者们迫切处理的问题。研究人员发现利用氯化镁改性生物炭，会提高生物炭对NH₄⁺和PO₄^3-的吸附能力^[3,4], 在500°C ^[5]，以上高温制备的生物炭对NO₃^--N才有较为明显的吸附效果。

通过在土壤中添加生物炭或改性生物炭，能提高对硝酸盐、铵盐和磷酸盐的吸附，这样能有效减缓土壤中N肥和P肥的流失，提高土壤肥力效果，提高资源化利用率。但是，目前国内外在改性生物炭对土壤肥力保持方面研究成果较少。

因此，本论文通过氯化镁改性花生壳生物炭（M-PB）研究其添加到土壤中后，对土壤肥力的固持作用强弱，具有重要的科学意义和参考价值。通过该实验，可以为土壤保持肥力，减少资源浪费等方面提供科学依据，提高我国农田肥料资源合理化利用。

1.实验

1.1实验设备

利用721分光光度计，雷磁PHS-3C，电子调温万用电炉，AB204-L分析天平，BT-300蠕动泵等设备进行实验。

1.2 实验材料

供试土样为东营土壤，筛除其中杂物，自然风干之后过20目筛；花生壳生物炭（PB），镁改性花生壳生物炭（M-PB）。

1.3实验方法

1.3.1测定生物炭中N、P水溶性养分含量

测定PB和M-PB生物炭中的水溶性矿物养分（总P、NH₄⁺、NO₃^-），在装有36ml 0.01 M NaCl溶液的试剂瓶中分别加入1.0 g PB和M-PB样品，在常温条件下，以160 rpm的速度振荡96 h。振荡结束后，取一定量于离心管中，在3000 rpm 条件下离心30 min。通过钼酸铵分光光度法、酚二磺酸比色法、纳氏试剂法分别测出总P、NH₄⁺、NO₃^-的含量。

1.3.2时间对生物炭水溶性养分释放的影响

在装有36 m L 0.01 M NaCl溶液的试剂瓶中分别添加1.0 g PB和M-PB样品，以160 rpm 振荡，分别于2、6、12、24、48、72、96、120 、144、168 h时，离心移取上清液20 mL于容量瓶中，移去后试剂瓶中再加入NaCl背景溶液保持振荡。通过钼酸铵分光光度法、酚二磺酸比色法、纳氏试剂法分别上清液中总P、NH₄⁺、NO₃^-的含量。

1.3.3土柱淋溶实验

分别准备PB和M-PB质量比为1%的土壤，在PVC管中装填土壤；土柱底部放置6 cm厚石英砂，顶层放置滤纸，同时PVC管内涂抹凡士林；分别以KNO₃和(NH₄)₂SO₄为氮源，两种N源不存于同一个土柱中，土柱中氮添加量为600 mg N/kg土壤；以KH₂PO₄为磷源，添加量为150mgP /kg土壤；不添加N、P的土壤记为CK；具体实验分组见下表1-1。

表1-1 土柱淋溶实验分组

Table1-1 Soil column leaching experiment grouping

养分 实验组	KH2PO4+ KNO3	(NH4)2SO4
无添加土壤实验组	CK0	CK1
添加1%PB实验组	PB0	PB1
添加1%M-PB实验组	M-PB0	M-PB1

用蠕动泵往装填好的土柱中滴入去离子水，3d内使土壤完全浸透，常温放置7d 后正式开始淋溶实验，250mL去离子水通过蠕动泵缓慢滴入，每3d淋洗一次，淋洗6次，之后每7d淋洗一次，淋洗两次。

计量每次收集于聚乙烯瓶中的淋滤液体积，计算累计淋容总量，同时测定其中的总P、NH₄⁺、NO₃^-含量。土柱淋溶实验装置如下图1-1所示。

图1-1土壤淋溶实验装置

Fig.1-1 Soil leaching experiment device

2.实验结果

2.1PB和M-PB养分测定

生物炭养分如下表2-1所示。

表2-1 PB和M-PB养分

Table 2-1 PB and M-PB nutrients

通过表2-1可以得出，PB和M-PB都含有较多的N、P营养元素，可作为土壤肥力来源的一部分。未改性前，PB的磷肥含量较高，NH₄⁺含量也较多，但是NO₃^-含量较少，通过改性，M-PB的磷含量和氮含量均有所降低，因为M-PB负载镁元素，可能会吸附一部分N、P。

2.2时间对PB和M-PB水溶性养分释放的影响

通过设置不同时间梯度，研究时间对PB和M-PB水溶性养分释放的影响，如下图2-1所示。

图2-1时间对PB和M-PB水溶性养分释放的影响

Fig.2-1Effect of time on the release of water-soluble nutrients of PB and M-PB

分析图2-1，N、P养分会随时间流逝而逐步被释放，土壤中添加生物炭，随着生物炭养分释放会提高土壤肥力；各种肥力元素释放情况，P肥释放量最多、NH₄⁺也较多，因此，可依据释放量和相应肥料搭配使用，减少资源浪费。与PB相比，M-PB对PO₄^3-有很好的截留作用，具有相对平缓的释放速率，不会在短时间内大量流失；由于生物炭中含有的NH₄⁺较少，两种生物炭并未显示出明显的NH₄⁺释放区别，只在前期表现了微弱的截留作用，并不能准确说明改性之后对NH₄⁺截留作用；另外，两种生物炭NO₃^-含量太少，无法作为截留固持作用判断依据。

2.3 PB和M-PB对土壤淋滤液体积的影响

考察PB和M-PB添加对土壤保水的影响，计算累计淋滤液体积，如图2-2所示。

图2-2 PB和M-PB对添加 (a)NH₄⁺-N和(b)NO₃^- + PO₄^3-土壤淋滤液体积的影响

Fig. 2-2 Effect of PB and M-PB on the volume of leachate added to (a) NH₄ ⁺ -N and (b) NO₃^- + PO₄^3-in soil

分析图2-2，添加M-PB的土壤累计淋洗液体积最少，与不添加生物炭的土壤对比，累积淋洗液的体积最大减少8.7%；研究表明土壤中加入生物炭，会提高田间持水量 ^[6,7]，在本实验中，添加PB或M-PB生物炭后，土壤团聚体以及水溶液的渗透模式、停留时间可能发生变化，使土壤的持水能力得到了一定程度增强。

所以，添加PB和M-PB的土壤持水能力会得到加强，有利于干旱地区的作物生长。

2. 4 PB和M-PB对NO₃^--N的持留作用

NO₃^--N和NH₄⁺-N是土壤N肥存在的主要形式，土壤中添加PB和M-PB后，也能够对N肥的淋失造成一定的影响。土柱淋溶实验测定不同时间点淋洗液中NO₃^--N含量，并记录累计淋失量，实验结果如下图2-3所示。

图2-3 PB和M-PB对土壤NO₃^--N的淋失作用

Fig.2-3Effect of PB and M-PB on leaching of NO₃^--N in Soil

分析图2-3可以看出，PB和M-PB都对土壤中的NO₃^-有明显的截留作用，PB和M-PB能够吸附NO₃^--N而使土壤减少其淋失量，使土壤肥力能够保持较长的时间，大大提高了资源利用率；土壤中NO₃^-的累计淋失量在18d后达到一个相对平稳趋势，后续淋失量很小，32d后，基本已达到稳定值；PB0组NO₃^-的32d淋失量为442mg/kg，与CK0组相比，PB的1%添加量能帮土壤多截留15%的NO₃^--N肥，有研究表明，土壤中添加较多的生物炭能使土壤保留较多的NO₃^-，减少资源浪费^[8]，与实验结果相互印证；M-PB0组在32d后的NO₃^-淋失量为308mg/kg，与CK0组对比，M-PB经过改性之后，具备了优异的NO₃^-吸附能力，明显强于未改性的PB，通过改性，使土壤能够多截留40.3%的NO₃^--N；M-PB负载了Mg²⁺；通过正负电荷的吸引作用，可能是促使M-PB对NO₃^-有较强吸附能力的原因。

因此，土壤中添加的1%PB或M-PB，能对土壤中的NO₃^--N起到固持作用，M-PB对土壤中NO₃^--N的固持作用尤为显著，土壤中添加1%的M-PB，能够减少土壤中40.3%的NO₃^--N累计淋失量。

2.5 PB和M-PB对NH₄⁺-N的持留作用

土柱淋溶实验测定不同时间点的淋洗液中NH₄⁺-N含量，并记录NH₄⁺-N的累计淋失量，如下图2-4所示。

图2-4 PB和M-PB对土壤NH₄⁺的持留作用

Fig.2-4 Effect of PB and M-PB on leaching of NH₄⁺ in Soil

由图2-4可以得出，通过在土壤中添加1%的PB和M-PB，使土壤中NH₄⁺-N的淋失量大大减少，提高了N肥的利用率，有研究表明^[9]，土壤中添加的生物炭能对NH₄⁺-N有较强的吸附能力，实验结果表明PB和M-PB通过吸附作用使土壤中NH₄⁺-N的淋失量减少。在第18d，NH₄⁺-N的累计淋失量数值趋于平缓；淋溶实验进行32d后，PB1组的累计淋失量为122.2mg/kg，通过与CK1组相比，PB使土壤多保留18.8%的NH₄⁺-N；与另外两个实验组对比，M-PB对NH₄⁺-N有显著的吸附优势，淋溶实验进行32d后，M-PB使土壤中铵态氮素的累计淋失量削减达到39.3%，持留效果非常显著。经过氯化镁改性之后，M-PB表面含有Mg²⁺，与NH₄⁺发生化学反应，同时共价反应也吸附部分NH₄⁺，使其提高了土壤对NH₄⁺-N的保肥能力。

因此，土壤中添加1%的PB或M-PB，能提高土壤对NH₄⁺-N的保肥能力，M-PB对铵态氮素有更强的持留能力，提高土壤保肥率。

2.6 PB和M-PB对PO₄^3--P的持留作用

土柱淋溶实验测定不同时间点淋洗液中PO₄^3--P含量，并记录PO₄^3--P的累计淋失量，如下图2-5所示。

图2-5 PB和M-PB对土壤PO₄^3-的持留作用

Fig.2-5 Effect of PB和M-PB on leaching of PO₄^3- in Soil

由图2-5可以得出，与不添加的土壤相比，土壤中添加1%的PB和M-PB，能有效吸附土壤中的PO₄^3-，使PO₄^3-的淋失量大大减少，表明PB和M-P可提升土壤对PO₄^3--P的保肥能力，其中M-PB实验组PO₄^3-的淋失量累计最低，保肥效果最强；经过32d天的淋溶实验，CK0实验组的PO₄^3- -P的累计淋失率为80.2%，淋失非常严重，而PB实验组此时的PO₄^3--P累计淋失量为108.3mg/kg，低于CK0实验组的120.4mg/kg，说明PB对土壤中PO₄^3-有一定的吸附能力，能减少10.0%的P肥淋失率；将M-PB0组与以上两组进行对比，发现M-PB对土壤中PO₄^3-有显著的吸附作用，土柱淋溶实验32d后，PO₄^3-累计淋失量为64.3mg/kg，与CK0组相比，可减少46.6%的土壤PO₄^3-淋失量。

因此，通过在土壤中添加1%的PB或M-PB，可对PO₄^3-起到一定的持留效果，其中M-PB对PO₄^3-的持留作用非常显著，能显著提升土壤对PO₄^3--P的保肥能力。

3结论

（1）土柱淋溶实验表明，添加1%的PB或M-PB于土壤中，能提升土壤的保水能力；其中M-PB效果较强，与不添加生物炭的土壤相比，能减少8.7%的累计淋失液体积。

（2）添加1%的PB或M-PB于土壤中，二者都能对其中的NO₃^--N和NH₄⁺-N起到保肥效果；M-PB对NO₃^-和NH₄⁺有更强的吸附效果，与不添加生物炭的土壤相比，M-PB能使土壤中NO₃^-的累计淋失量减少40.3%，以及使土壤中NH₄⁺累计淋失量减少39.3%。

（3）添加1%的PB或M-PB于土壤中，二者都能对PO₄^3--P起到保肥效果，但PB对PO₄^3-的吸附能力较弱，M-PB能有效吸附土壤中的PO₄^3-，与不添加生物炭的土壤相比，M-PB能对土壤中PO₄^3-累计淋失量减少46.6%。

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