马茹茹，闫卫军，高建军

(山西晋环科源环境资源科技有限公司，山西 太原 030024)

引 言

生物炭是在缺氧条件下以及在低氧下热解炭化得到的一种碳含量非常丰富、性质也非常稳定的物质，如以作物秸秆、木屑、动物粪便等为原料生产的生物炭[1]。生物炭根据不同原生质来源分为木制炭、稻壳类炭、秸秆类炭和竹类来源的炭等。由于研究年代不同，所使用炭的名称也不尽相同[2]。

土壤中加入生物炭后改善了有机质含量和土壤肥力，其耐降解的特性延长了碳在土壤中的降解时间，还有助于作物生长、土壤改良剂修复污染、减少温室气体排放等作用[3]。因此，近年来越来越多的学者开始研究不同的的生物质生产的生物炭，并且将其运用到修复障碍性土壤、改良土壤环境、提高作物产量等方面[4-5]。我国生物炭生产资源丰富，在农业土壤环境中的应用越来越受到重视，因此研究人员通过调控KOH改性生物炭的培养条件，以期探寻KOH改性生物炭最适环境条件下的修复效果。

1 材料与方法

1.1 供试材料

KOH改性生物炭：玉米秸秆碱化浸渍处理：将10 g过20目筛的秸秆放入250 mL 烧杯中，并添加150 mL 15%的KOH静置24 h，每8 h 搅拌一次，过滤，用去离子水冲洗表面残留的KOH，经85 ℃烘干后，于马弗炉(450 ℃，2 h)热解，热解结束过60目筛得到KOH改性生物炭。

土壤：供试土壤样品采集于山西省某污灌区，将所采集的土壤样品风干后充分混合均匀，去除土壤中的植物残体和石子砖块等杂物。

作物：油菜，品种为：四月慢。

1.2 试验设计

本实验通过调控环境因子来确定KOH改性生物炭对污染土壤中对As的最佳的修复效果。分别设置了5个环境因子pH、温度(T)、土壤含水率、有机质含量、全氮含量。每个因子设置3个处理，试验设3次重复。

将污灌区风干研磨之后土壤混合均匀，过2 mm筛备用，将过筛之后的土壤样品装到花盆中。购买市售油菜种子，挑选饱满均一无明显损伤的种子在10%的H2O2消毒半小时，用蒸馏水冲洗干净后浸泡在饱和CaSO4中2 h，用自来水和蒸馏水冲洗干净后待用。将处理好的油菜种子种植到花盆中，每盆中种植10颗种子，待发芽记录发芽率后，间苗至5株，每天早晚2次称重添加水分，保持土壤湿度。植物生长40 d后收割植物。

1) 不同温度培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

将播种好油菜籽的花盆置于培养箱中，分别设置15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃培养40 d，分别于培养10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，检测土壤中总砷的浓度。

2) 不同pH培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

将已经过2 mm筛的土壤装到花盆中，共设置4个实验组，分别设置每个实验组土壤pH为4.5、5.5、6.5、7.5，调好pH后将油菜籽播种到花盆中，并将花盆置于温室大棚中培养40 d，分别于培养10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，检测土壤中总砷的浓度。

3) 不同水分培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

将已经过2 mm筛的土壤装到花盆中，共设置4个实验组，分别设置每个实验组土壤含水量为10%、15%、20%、25%，调好含水量后将油菜籽播种到花盆中，并将花盆置于温室大棚中培养40 d，分别于培养10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，检测土壤中总砷的浓度。

4) 不同有机质含量培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

将已经过2 mm筛的土壤装到花盆中，共设置4个实验组，分别设置每个实验组土壤有机质含量为10 g/kg、16 g/kg、22 g/kg、28 g/kg，调好有机质含量后将油菜籽播种到花盆中，并将花盆置于温室大棚中培养40 d，分别于培养10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，检测土壤中总砷的浓度。

5) 不同全氮含量培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

将已经过2 mm筛的土壤装到花盆中，共设置4个实验组，分别设置每个实验组土壤全氮含量为0.75 g/kg、0.85 g/kg、1.10 g/kg、1.25 g/kg，调好全氮含量后将油菜籽播种到花盆中，并将花盆置于温室大棚中培养40 d，分别于培养10 d、20 d、30 d、40 d采集花盆中的土壤，检测土壤中总砷的浓度。

1.3 测试方法

土壤pH 值采用酸度计(雷磁pHS-3C，上海精密科学仪器有限公司)测定，m(土)∶V(水)=1∶5；有效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用1 mol/L醋酸铵浸提-火焰光度计法；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法；阳离子交换总量采用乙酸钠-火焰光度法测定；土壤砷形态采用Tessier 五步连续提取法浸提，ICPAES测定；土壤微生物群落结构分析采用磷脂脂肪酸(PLFA)法。

2 结果分析

2.1 不同pH培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

土壤pH值是土壤的重要理化属性，直接影响重金属在农田系统中的移动性和有效性。而生物炭中K、Na等灰分元素呈可溶态，添加到土壤后提高酸性土壤的盐基饱和度，从而降低土壤中交换性H+和Al3+水平，以提高土壤pH。大量实验表明，施用生物炭可以提高土壤pH，提高土壤团聚性。

如图1所示，通过调节土壤pH培养40 d，土壤中总砷浓度总体变化呈现随培养时间的增长逐渐降低的趋势。在0 d～10 d，油菜开始生长，初期4个不同处理的土壤总砷含量减少量基本相近，减少3.07%～3.86%；10 d～20 d，油菜快速生长，土壤中的一部分砷通过生物积累快速的积累在油菜中，使得土壤中的总砷的含量逐渐减少，与试验初期土壤中的总砷含量相比较pH4.5、pH5.5、pH6.5、pH7.5分别减少 5.45%、9.04%、7.05%、11.90%；20 d～30 d，四个处理的土壤中的总砷分别减少7.96%、18.67%、29.22%、31.61%；30 d～40 d，四个处理的土壤中的总砷分别减少9.34%、24.76%、37.02%、40.01%，综上所述，四个处理在20 d～40 d随着时间增长，土壤总砷减少量逐渐增加，此外随着pH升高土壤总砷减少量逐渐增加。

因此，KOH改性生物炭修复土壤中总砷的最适pH=7.5。

图1 不同pH培养条件下土壤总砷浓度变化

2.2 不同含水率培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

如图2所示，土壤保水性取决于土壤空隙的分布和连通性，而它在很大程度上受土壤粒径(纹理)，结构特征(聚集)和土壤有机质含量的限制。生物炭高的表面积也可以导致土壤持水力上升，当生物炭加入土壤后，土壤表面积的增加，对土壤微生物群落结构和土壤整体吸附能力有限，随后会提高土壤的保水性。

图2 不同含水率培养条件下土壤总砷浓度变化

通过分别调节土壤含水率为10%、15%、20%、25%，土壤中总砷的浓度基本呈现随培养时间的增加逐渐减少的趋势。0 d～10 d，油菜逐渐生长，初期四个处理经培养10 d后，与试验初期土壤总砷相比总砷含量减少1.35%～3.50%；培养10 d～20 d后土壤含水率为10%、15%、20%、25%与试验初期总砷相比分别减少6.97%、5.14%、4.66%、5.45%；培养20 d～30 d后四个处理与初期总砷相比分别减少21.34%、20.78%、25.24%、25.08%；培养30 d～40 d后四个处理与初期总砷相比分别减少32.64%、31.73%、34.47%、33.28%。因此，随培养时间的增加每个处理土壤总砷含量减少，而且当培养时间在20 d～40 d，四个处理的总砷减少量分别为含水率20%>含水率25%>含水率10%>含水率15%。

因此，KOH改性生物炭修复中土壤总砷的最适含水率为20%～25%。

2.3 不同温度培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

如图3所示，通过分别调节培养温度为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃，土壤中总砷的浓度基本呈现随培养时间的增加逐渐减少的趋势。0 d～10 d，油菜逐渐生长，初期四个处理经培养10 d后，与试验初期土壤总砷相比总砷含量减少1.04%～2.03%；四个不同处理培养10 d～20 d后与试验初期总砷相比分别减少4.42%、5.14%、5.53%、4.74%；培养20 d～30 d后四个处理与初期总砷相比分别减少5.69%、23.41%、25.48%、21.82%；培养30 d～40 d后四个处理与初期总砷相比分别减少10.27%、31.61%、38.77%、35.55%。综上，因此，KOH改性生物炭修复土壤总砷的最适温度为20 ℃～30 ℃。

图3 不同温度培养条件下土壤总砷浓度变化

2.4 不同有机质含量培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

如图4所示，通过分别调节培养土壤有机质含量为10 g/kg、16 g/kg、22 g/kg、28 g/kg，土壤中总砷的浓度基本呈现随培养时间的增加逐渐减少的趋势。0 d～10 d，油菜逐渐生长，初期四个处理经培养10 d后，与试验初期土壤总砷相比含量减少1.35%～2.31%；四个不同处理培养10 d～20 d后与试验初期总砷相比分别减少3.90%、4.74%、5.29%、7.48%；培养20 d～30 d后四个处理与初期总砷相比分别减少16.76%、22.85%、25.64%、23.13%；培养30 d～40 d后四个处理与初期总砷相比分别减少23.49%、35.95%、43.87%、39.25%。综上，当有机质含量少于22 g/kg时随着培养土壤中有机质含量的增加，土壤中总砷含量逐渐减少；当有机质含量高于22 g/kg时，土壤中总砷含量增加，因此，KOH改性生物炭修复土壤总砷的最适有机质含量为16 g/kg～28 g/kg。

图4 不同有机质含量培养条件下土壤总砷浓度变化

2.5 不同全氮含量培养下KOH改性生物炭对污染土壤中砷的修复效果

如图5所示，生物炭可以减少盐分的淋失(特别是硝酸盐的淋失)和污染物在根际区的运移。养分淋失的减少可以提高养分的利用效率，并使得水分和养分保留在根际。生物炭能够增加土壤内部的表面活性区域，降低了水分向根际下方的流失，从而增加了植物对水的使用高效率，最终增加植物对养分的利用率来增强作物的增长。生物炭长时间在土壤中停留能使有机物和农药更好的分解及降解。营养物质浓度的增加提高了植物根部对它们吸收的可能性，从而也就降低了这些营养物质淋失导致地表水和地下水的风险。

图5 不同全氮含量培养条件下土壤总砷浓度变化

通过分别调节培养土壤全氮含量为0.75 g/kg、0.85 g/kg、1.10 g/kg、1.25 g/kg，土壤中总砷的浓度基本呈现随培养时间的增加逐渐减少的趋势。0 d～10 d，油菜逐渐生长，初期四个处理经培养10 d后，与试验初期土壤总砷相比含量减少0.64%～1.00%；四个不同处理培养10 d～20 d后与试验初期总砷相比分别减少6.01%、6.33%、7.52%、7.25%；培养20 d～30 d后四个处理与初期总砷相比分别减少21.62%、22.65%、25.28%、23.01%；培养30 d～40 d后四个处理与初期总砷相比分别减少32.01%、33.64%、41.04%、38.06%。综上，当全氮含量少于1.10 g/kg时随着培养土壤中全氮含量的增加，土壤中总砷含量逐渐减少；当全氮含量高于1.10 g/kg时，土壤中总砷含量增加。

因此，KOH改性生物炭修复土壤总砷的最适全氮含量为0.85 g/kg～1.25 g/kg。

3 结论

因此通过控制KOH改性生物炭的环境因子，探索出KOH改性生物炭最佳的修复土壤中总砷的环境条件为：KOH改性生物炭修复土壤中总砷的最适pH=7.5；适含水率为20%～25%；最适温度为20 ℃～30 ℃；最适有机质含量为16 g/kg～28 g/kg；最适全氮含量为0.85 g/kg～1.25g/kg。