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施用生物炭对重金属污染农田土壤改良及玉米生长的影响

北极星环保网  来源:农业环境科学  作者:李衍亮等  2017/12/7 13:18:11  我要投稿  

北极星环保网讯:为了解生物炭的农业环境效应,采用大田试验,研究了不同生物炭施用量(0、5、10、20、30 t˙hm-2)对韶关仁化县矿区周边重金属污染农田土壤理化性质、玉米(粤甜9 号)生长状况、产量及重金属累积等的影响。

施用生物炭对重金属污染农田土壤改良及玉米生长的影响

结果表明:与对照(CK)相比,生物炭显著提高土壤pH 值和有机质质量分数,其提升幅度随施用量的增加而升高,而土壤阳离子交换量随施用量的增加先升高后降低;生物炭施加量达到30 t˙hm-2 时,土壤速效钾含量是CK 处理的3.1 倍,但不同生物炭施用量对土壤碱解氮含量的影响没有显著性差异;不同用量生物炭均能降低土壤Pb 和Cd 的含量,降低幅度分别为11.3%和23.9%。各处理均能有效降低Pb、Cd 在玉米粒、玉米芯、玉米叶和玉米秆中的累积。当施用量为20 t˙hm-2 时,玉米粒中Pb 的含量降低幅度达49.4%,Cd 的降低幅度达45.4%;生物炭对玉米的增产效果随施用量的增加而增加,分别为CK 的1.75、6.16、8.84 倍和8.90 倍。

综上所述,生物炭通过提高土壤pH 值和有机质含量,实现了对南方酸性土壤的改良,对玉米产量具有促进作用,可降低污染土壤重金属的生物有效性。

前 言

我国耕地土壤质量退化明显,土壤环境污染问题日趋严重,南方土壤特别是广东矿区土壤重金属污染尤为突出。2016 年5 月31 日,国务院发布了《土壤污染防治行动计划》,确定通过十项措施来防治土壤污染,简称“土十条”。迄今为止,尚缺乏成熟的能被大规模推广应用的污染土壤修复或治理技术,主要原因是缺乏价格低廉且效果显著的绿色修复材料。生物炭(Bio)属于黑炭(Black carbon)范畴的一种,具有多种环境效益,比如改良土壤肥力、碳库中的“增汇减排”作用、环境污染修复等,并且可用于制备生物炭的原材料来源广泛,这使得其在农业和环境中具有广阔的应用前景,近年来成为土壤学和环境科学领域的研究热点。统计表明,我国每年产生的农业废弃物超过40 亿 t,其中农作物秸秆高达7 亿 t,利用高温裂解炭化技术制成生物炭后还田,是一种变废为宝的新途径,其市场潜力及应用前景巨大。

生物炭影响农业土壤环境中重金属、农药和氮磷的形态分布、迁移转化、生物有效性及生态效应等均已被广泛报道。研究表明,生物炭作为“钝化剂”输入受污染土壤可显著降低土壤中Cd、Pb 等金属离子的迁移性,同时,生物炭作为一种肥料缓释载体,会直接影响作物的生长和产量,但是已报道的结果往往大相径庭,这与土壤类型和生物炭的种类密切相关。当前有关生物炭对作物生长及产量影响的研究大多基于实验设计和条件不同的盆栽实验,故结论存在不一致性。

本试验选择广东省韶关市仁化县矿山周边重金属污染农田土壤为研究对象,在土壤中施用不同量棕榈丝生物炭,分析不同量生物炭施用对土壤基本理化性状、玉米生长发育和产量的影响,以及降低作物对重金属富集的效果,确定最佳的生物炭用量,为受矿区重金属污染的土壤环境治理提供一种低廉环保的修复技术手段,也为生物炭的农用意义提供科学的理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1试验区概况

试验研究地点位于广东省韶关市仁化县董塘镇某矿区重金属中度污染农田。董塘镇地处粤北山区,整个地形四面山地,中间小盆地,以丘陵山地为主,属丹霞山风景名胜区。地理位置为东经113°30′~114°02′,北纬24°56′~25°27′,冬春冷,夏秋热,年平均气温为19.6 ℃,气候为中亚热带季风气候,年平均降雨量为1665 mm。农业种植以水稻、花生和玉米为主。

1.2供试材料

1.2.1 土壤

试验前采集农田表层土壤(0~15 cm),风干,研磨,分别过2 mm筛和0.25 mm 筛,用于分析土壤pH、有机质、有效磷、速效钾、碱解氮和阳离子交换量(CEC)等理化性质,同时测定土壤中有效态镉(Cd)和铅(Pb)等重金属含量,结果见表 1 。

施用生物炭对重金属污染农田土壤改良及玉米生长的影响

1.2.2 生物炭

生物炭由广州中壳炭业有限公司提供,原材料棕榈丝经过高温(550 ℃)裂解制备生成实验所用的棕榈丝生物炭。其基本理化性质见表 1,可见有机碳含量高达421.3 g˙kg-1,pH 值为10.12。

1.2.3 玉米品种

试验选用种植玉米品种为“粤甜9 号”,由广东省农业科学院作物研究所提供。

1.3试验设计

按照试验目的共设5 个处理,采用随机区组设计,每个处理3 个重复,总共15 个小区,每个小区面积为20 m2(10 m×2 m)。生物炭施用量分别为0、5、10、20、30 t˙hm-2,试验处理编号分别为T1~T5,T1 为不施生物炭的对照(CK)。每个小区种植玉米2 行,行距60 cm,株距30 cm,于2015 年4 月2 日播种,每穴种子2 粒,定苗1 株,至2015 年7 月2 日收获,生长周期为3 个月。种植玉米前一个月,先将生物炭按试验设置的用量均匀施于小区农田土壤表层,并使用农业翻耕机在耕作层翻耕土壤使生物炭材料和土壤充分混匀,老化平衡一个月后播种。作物栽培管理措施保持与正常生产一致,适时进行杀虫、除草和浇水。玉米幼苗期每666.7 m2 施尿素6 kg、氯化钾4 kg,生长中期分两次施肥,第一次每666.7 m2 施尿素5 kg、氯化钾3 kg,在抽雄前7~10 d 进行第二次施肥,每666.7 m2 施尿素7 kg、氯化钾4 kg。玉米收获后分别测定不同处理的玉米产量、株高和叶片的净光合速率等指标,以及不同处理间玉米各部位(玉米粒、玉米芯、玉米叶和玉米秆)中的重金属累积量;同时采集每个小区土壤样品,分别测定土壤pH、有机质含量、CEC 和养分等指标。

1.4分析方法

pH 值以电位测定法测定,土壤pH 按照水∶土=2.5∶1,生物炭pH 按照水∶炭=10∶1 进行测定;土壤有机质采用高温外加热重铬酸钾氧化容量法测定,土壤有机碳通过土壤有机质及其换算系数1.724 转化得到;阳离子交换量采用乙酸钠浸提火焰光度计法测定;土壤碱解氮采用碱解扩散法,有效磷采用0.5 mol˙L-1 的NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法,土壤速效钾采用1 mol˙L-1 的NH4OAc 浸提-火焰光度计法。生物炭的C 元素含量使用元素分析仪测定(德国Elementar 公司Vario ELⅢ)。

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