有機肥和生物炭對重金屬污染農田土壤肥力的影響

王 琪， 張永波， 賈亞敏， 李愛民， 王建武， 楊永亮， 張利明

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，山西太原 030024； 2.山西省地質調查院，山西太原 030006)

2014年，由原環境保護部與國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》指出，我國耕地土壤中的重金屬含量超標面積達7.6萬km2，造成不同程度的農作物污染和經濟損失，而礦區周邊農田土壤的污染情況更加嚴峻[1-3]。國內外學者針對土壤重金屬污染的修復技術進行了大量研究，其中經濟安全、環境友好的植物修復成為土壤污染修復研究的新方向[4]。但因修復植物大多植株矮、根系短、生物量小等，在田間試驗中的修復效率較低，而通過強化措施確保土壤肥力以及修復植物的修復效果是現階段農田重金屬污染修復研究的熱點[5]。

有機肥中的有機質含量高、肥效持續時間長，富含氮(N)、磷(P)、鉀(K)等大量元素和鎂(Mg)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、錳(Mn)、硼(B)等微量元素，在保肥增產方面有著化肥不可比擬的優勢。生物質炭通常用樹木、農業廢棄物、動植物組織等生物質在無氧或者部分缺氧及相對低溫(<700 ℃)的條件下裂解炭化形成炭材料，由60%以上的C、N、H、O以及堿性礦物質組成，其表面含有豐富的含氧官能團和多孔結構，具有很強的離子吸附性，常用作土壤改良劑和固碳劑[6-7]。有關有機肥、生物炭在改良土壤方面的研究表明，兩者在改良土壤理化性質、提高土壤肥力和微生物活性、提高作物產量和改善作物品質等方面具有重要作用[8]。有機肥可以調節土壤pH值、緩解土壤酸化程度，通過有機質的吸附作用和腐殖質的包裹能力，可以有效減少土壤養分的流失并提高營養元素的有效性[9-13]。此外，有機肥豐富的酶促基質能促進微生物的生長繁殖，提高土壤酶活性，增加土壤細菌群落的多樣性[14-15]。生物炭可以顯著提高土壤pH值、有機質含量、陽離子交換量和土壤養分含量，可實現對南方酸性土壤的改良，對玉米、油菜產量有提升作用[7，16-17]。而對于重金屬污染的土壤，長期施用有機肥可以增加其中有效態銅、鋅、鎘等重金屬的含量，更有利于污染物質向修復植物體內的轉移[18]。但當前有關生物炭、有機肥對土壤肥力、作物生長影響的研究以南方酸性土壤的室內試驗、盆栽試驗居多，結論差異較大[17]。開展有機肥和生物炭施入對大田土壤理化性質及作物產量影響的研究，對重金屬污染農田土壤的修復具有重要意義。

本試驗依托山西省地質調查院的“山西省土地質量地球化學評估試點及典型地區污染治理方法研究”項目，以山西省繁峙縣金礦周邊重金屬污染農田土壤作為研究對象，對比分析施入有機雞糞肥和生物炭對土壤基本理化性質及酶活性的影響，以期揭示降低重金屬離子對生長植物的毒害作用機制，同時達到增加植物生物量、提高修復效果的目的，進而確定對特定修復植物作用效果較好的輔助處理方式，為礦區重金屬污染生物修復提供有效的強化手段。

1 研究區概況及試驗方法

1.1 研究區概況

研究地點位于山西省忻州市繁峙縣某金礦嚴重污染農田，周圍分布有金礦、鉬礦和鐵礦等。地理位置為113°34′E，39°16′N，該地夏季溫和，冬季寒冷干燥，屬于明顯的大陸性氣候，年平均氣溫為 6.3 ℃，年平均降水量為350～400 mm，一年四季受大氣環流的影響變化較大，降水少、風沙大、蒸發快，風、雹、洪、霜等自然災害時有發生。該區域農業發達，種植有玉米、馬鈴薯、高粱等糧食作物和胡麻、大麻等經濟作物。當地農田多年來受到混汞法冶金及污水灌溉的影響，土壤中重金屬含量超標普遍。供試表層土壤(0～20 cm)的基礎理化性質如下：pH值為8.23，陽離子交換量(CEC)為 107.9 mmol/kg，有機質質量分數為1.26%，全氮含量為 813 mg/kg，全磷含量為925 mg/kg，全鉀質量分數為2.21%。

1.2 試驗設計

采用小區試驗，設置6個5 m×10 m的小區，按照植物種類+處理方式的順序依次設置為如下處理：MCK(苜蓿對照組)、MY(苜蓿有機肥)、MS(苜蓿生物炭)、HCK(黑麥草對照組)、HY(黑麥草有機肥)、HS(黑麥草生物炭)。將平整后的農田分區、起壟，在各小區內按折線形設置5個取樣點，采集表層土樣，用于基礎數據的測定。播種前將有機肥(Y)和生物炭(S)分別按照0.15、0.1 kg/m2的用量一次性施入對應小區并翻入土壤，紫花苜蓿、北方黑麥草種子分別按22.5、30.0 kg/hm2的用量等間距均勻條播入土壤，于2017年5月17日施肥播種，于2017年9月17日收割，生長周期為4個月，其間定期澆水除草并不再施入任何肥料。植物成熟后，采集各小區表層土壤(0～20 cm)樣品，用于測定土壤pH值、有機質含量、陽離子交換量等養分指標和脲酶、過氧化氫酶活性。

1.3 樣品檢測方法

所有土樣自然風干后過2 mm篩，土壤pH值用離子選擇性電極法(ISE)測定，用25 mL水浸泡 10 g 風干土樣。土壤有機質含量用氧化還原容量法(VOL)測定，使用重鉻酸鉀-硫酸溶液、砂浴加熱消毒。陽離子交換量用乙酸銨交換法測定，將風干土樣經氯酸銨加熱處理。土壤全氮含量用酸堿滴定容量法測定，全鉀、全磷含量用X射線熒光光譜法(XRF)測定。土壤脲酶與過氧化氫酶活性用酶聯免疫吸附分析(ELISA)試劑盒測定，委托青島科創質量檢測有限公司進行測定。

1.4 數據分析方法

使用Excel 2016和SPSS 15.0進行數據整理和分析，用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 施用有機肥和生物炭對土壤pH值、CEC、有機質含量的影響

土壤pH值、陽離子交換量、有機質含量是衡量土質肥沃與否的重要指標，不僅關系著修復植物的生長狀況，還會對土壤中污染重金屬的形態產生直接影響。pH值的改變使土壤顆粒、礦物等成分表面的電荷狀態隨之變化，進而影響重金屬狀態、活性重金屬含量。有機質直接影響土壤理化性質，還可通過物理吸附或者化學結合的方式，以自身含量的變化影響土質甚至重金屬狀態。

由表1可知，與基礎數據相比，MCK、MY、MS 3種處理都降低了土壤的pH值，其中MY處理的作用效果與MCK相比顯著(P<0.05)，使初始值降低了0.17；MY、MS處理的土壤陽離子交換量分別比初始值提高了6.41%、6.02%，提高效果都顯著優于MCK處理(P<0.05)，但兩者之間無明顯差異；MCK處理的有機質質量分數相對于初始值沒有變化，MY、MS處理的土壤有機質含量顯著高于對照組(P<0.05)，其中MY處理比MCK處理增加了73.81%。

表1 施用有機肥和生物炭對苜蓿根際土壤pH值、CEC、有機質含量的影響

注：數據為平均值±標準差，不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

由表2可知，HY處理使土壤的初始pH值顯著降低了0.19(P<0.05)，作用效果優于HS處理；HY、HS處理的土壤陽離子交換量和有機質含量都顯著高于MCK處理(P<0.05)，其中CEC分別比初始值提高了7.93%、14.07%，HS處理的有機質含量則比對照組增加了54.31%；同時，HS處理的CEC、有機質含量顯著高于HY處理。

施加有機肥和生物炭可以改善土壤理化性質，降低試驗地土壤的pH值，提高CEC和有機質含量，改善的顯著性略有差異。根據表2中的數據和上述分析可知，總體上看，有機肥對苜蓿根際土壤的改善效果好于黑麥草根際土壤，生物炭對黑麥草根際土壤的改善效果優于苜蓿根際土壤。

表2 施用有機肥和生物炭對黑麥草根際土壤pH值、CEC、有機質含量的影響

2.2 有機肥和生物炭施入對土壤中總N、P、K含量的影響

土壤中的氮、磷、鉀含量是土壤肥力的衡量指標，其中全氮含量是基礎肥力的重要指標，可以為合理施氮肥提供依據；全磷是土壤有效磷的基礎，能夠補給作物的磷素營養，是土壤的潛在肥力指標。

植物采收后土壤中的全氮、全磷含量都比初始值高。由圖1可知，苜蓿根際土壤的氮含量在有機肥作用下顯著提高(P<0.05)，比對照組高5.52%，相比于初始值增加了15.25%；施加有機肥、生物炭都顯著提高了黑麥草根際土壤的氮含量(P<0.05)，HS處理組的增加效果顯著高于HY處理組(P<0.05)，比對照組高7.35%，相比初始值增加了18.57%。由圖2可知，無論是苜蓿根際土壤還是黑麥草根際土壤，其磷含量都在有機肥作用下的MY、HY處理明顯升高，分別比對照組高8.77%、9.34%，分別相對初始值增加了22.05%、25.30%。由圖3可知，經過4個月的生長期后，各處理組的土壤全鉀含量都比初始值低，MS、HS處理分別比對照組低3.63%、3.65%，分別相對初始值降低了15.84%、16.29%，但是各處理組之間并無明顯差異。

由圖1、圖2、圖3和以上分析可知，總體上看，苜蓿在有機肥作用下的生長狀況優于生物炭處理，施加有機肥使苜蓿根際土壤的營養元素含量明顯增加；生物炭對黑麥草根際土壤中營養元素的提高效果好于作用在苜蓿根際，但是黑麥草對有機肥、生物炭的強化作用在營養元素方面沒有體現出很強的偏好性。

2.3 有機肥和生物炭施入對土壤脲酶、過氧化氫酶活性的影響

土壤酶活性能夠反映土壤中各生物化學過程的強度和方向，與土壤理化性質、肥力狀況和農業措施顯著相關，是土壤肥力和土壤自凈能力的重要評價指標之一。本試驗選用脲酶、過氧化氫酶為考查指標，在植物成熟后挖取根際表層土(0～20 cm)制成土樣進行檢測。

無論是種植苜蓿還是黑麥草，土壤中脲酶、過氧化氫酶的活性變化趨勢是相同的：相對于不作任何處理的對照組(CK)，施用有機肥、生物炭都能使土壤中脲酶、過氧化氫酶的活性提高，只是提高程度不同。由圖4可知，MY處理下的脲酶活性顯著高于其他處理(P<0.05)，HCK、HY、HS各處理之間的脲酶活性并無明顯差異。由圖5可知，相比于MCK、MY、HCK、HY，MS、HS處理下的過氧化氫酶活性顯著較高(P<0.05)，分別比對照組高5.34%、16.21%。以上結果表明，施入有機肥能有效提高苜蓿根際的脲酶活性，但是有機肥和生物炭對黑麥草根際脲酶活性的提高作用不明顯；施入生物炭能有效提高苜蓿、黑麥草根際的過氧化氫酶活性。

3 討論與結論

生物炭、有機肥能夠調節土壤pH值，使其處于中性偏堿性狀態，降低過高的pH值。在本試驗中，HY處理的效果最好，使pH值降低了0.19。生物 炭、有機肥都能提高土壤理化性質、酶活性等指標，其中處理效果最好的是HS、MY、HS、HY、MY、HS處理，分別使陽離子交換量、有機質含量、全氮含量、全磷含量、脲酶活性、過氧化氫酶活性相比對照組提高了 12.40%、73.81%、7.35%、9.34%、2.89%、16.21%。本試驗中有機肥、生物炭都降低了苜蓿和黑麥草根際土壤中甚高的鉀含量，并且2組間差異不顯著。

在土壤中施入有機肥、生物炭后，會對土壤理化性質、酶活性等指標產生影響，從而提升土壤肥力。在植物生長期結束后，有機肥和生物炭都降低了土壤的pH值，這一結果與多數學者提出的提高土壤pH值的結論不同，可能是由于研究區土壤呈堿性，因而不同于以往有機肥、生物炭對酸性土壤pH值的改良效果。張永春等的研究也發現，增施有機肥降低了土壤pH值，但土壤酸堿緩沖容量保持穩定甚至提升，這是因為有機肥分解過程中產生的腐殖酸通過酸基解離和氨基質子化提高了土壤的酸堿緩沖性[11]。土壤有機質可以改良土壤結構、提高保水保肥能力、支持微生物活動等，是土壤肥力的重要指標；而陽離子交換量則代表了土壤可能保持的養分數量，即保肥性的高低。本試驗中土壤的有機質含量、CEC在有機肥、生物炭作用下的變化趨勢是相同的，MY、HS處理的作用效果要好于MS、HY處理的作用效果。一方面是因為腐熟的有機肥含有超過本身質量半數的有機質，生物炭也含有大量穩定的芳香化合物和部分不穩定的脂肪族化合物，對土壤有機質形成直接補充；另一方面，生物炭有利于土壤顆粒間形成團聚體并提高其穩定性，從而減少有機質淋失。土壤膠體表面的可變電荷受pH值影響極大，生物炭長時間留在土壤中會形成更多含氧官能團，從而增加其表面電荷量，進而提高CEC[16]。

在本試驗中，有機肥、生物炭提高了土壤氮、磷含量，但降低了鉀含量。有機肥中的有機質分解產生的有機酸會溶解土中的礦物，使其風化進而釋放養分，同時速效養分被有機質吸附又能減少流失。其中有機磷可在有機肥的作用下轉化為無機磷，并且通過腐殖質包裹Fe、Al、Ca等元素的氧化物從而降低其對磷的吸附，提高磷素的有效性[13]。生物炭則是通過其多孔結構減緩養分流失來影響土壤營養元素的含量。由于研究區降水少、風沙大、蒸發快，使得土壤中原本的鉀含量高于我國土壤肥力標準的最高級(甚高)，而種植植物后各處理組反而降低了鉀含量。

土壤酶是一類參與土壤生物化學反應的催化性特殊物質，脲酶可以促進尿素水解為氨，過氧化氫酶可促進過氧化氫分解，防止其對生物體的危害。有機肥對土壤酶活性的提高主要體現在2個方面：(1)有機肥本身含有各類營養元素、酶促基質，在增加土壤養料的同時直接提高酶活性；(2)有機肥提高了土壤有機質、腐殖質含量，為絕大多數吸附態酶提供了豐富的結合位點或絡合位點，保護了酶的有效性[14，19]。因此，能直接提供大量養分的有機肥對脲酶活性的提升明顯。生物炭的強吸附性不僅可以緩釋養分，還能吸附重金屬離子等有害物質，防止對植物、微生物的毒害作用，因而對過氧化氫酶活性的提升顯著。相比之下，MY、HY處理需要消耗大量酶來消除重金屬毒害，所以活性提升不如MS、HS處理明顯。

有機肥、生物炭對土壤各類肥力指標影響的顯著性與植物類型有關，總體呈現出生物炭對黑麥草根際微環境的調節效果較好、有機肥對苜蓿根際微環境的調節效果較好的趨勢，但具體作用原因還有待進一步研究。