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毕业论文
英文翻译
原文标题Effect of biochar on phosphorus sorption and clay soil aggregate stability
译文标题 生物炭对磷的吸附和粘土团聚体稳定性的影响
生物炭对磷的吸附和粘土团聚体稳定性的影响
重点
- 研究了生物炭对减少农田土壤磷流失的潜力。
- 土壤中有效态磷的含量不随生物炭含量的增加而增大。
- 生物炭施入粘土中会使粘土团聚体的稳定性增大。
- 生物炭可用于控制土壤侵蚀和减少颗粒态磷的流失。
摘要：土壤结构是影响土壤生产力和农田土壤环境边缘效应的关键因素。疏松的土壤表层结构会增加土壤侵蚀的风险，此外粘土颗粒可以携带吸附态磷（P）进入地表水，从而导致接收水域水体富营养化。管理措施如减少耕作等，可以用于减少土壤侵蚀，从而使最上层土壤富集磷，这一点会增加流动水体中溶解态的磷流失的风险。在这项研究中，我们的目的是要确定生物炭是否可以通过提高团聚体稳定性而减少粘土的侵蚀。此外，我们还测试了生物炭的添加是否会改变土壤对磷的吸附能力，以及添加生物炭是否有助于减少溶解态磷的流失。在一份砂土和两份粘土中添加生物炭（生物炭设置三个水平为：0、15、30 吨/公顷），经过三周的培养后，用湿筛法测定胶体颗粒的疏松程度和团聚体的稳定性。土壤表面吸附的磷含量用Q/I（容量/强度）曲线图来推算。这里所使用的生物炭对磷的吸附能力非常低，而且添加BC（生物炭）也不会增加实验土壤对磷的吸附量。而研究结果表明，对于处理的两份粘土，添加BC（生物炭）不但能增加土壤团聚体稳定性，并且能够减少土壤胶体颗粒的分离。因此，生物炭能够改变土壤特性，从而有利于控制土壤侵蚀，对减少农业领域颗粒态磷的损失也有所帮助。
关键词 磷；磷酸盐；土壤结构；腐蚀；生物炭
1. 引言
在芬兰南部，约有50%的耕地土壤是数十年施用磷肥的粘土。频繁的施肥导致表层土壤中活性磷的浓度很高，增大了颗粒态和溶解态磷随地表径流流失的风险（Sharpley and Withers, 1994; Turtola and Yli-halla, 1999）。耕作时对耕层土壤的搅动使得土壤的渗透速率变低，并且耕作还会加快地表径流的流动，从而降低土壤团粒结构的稳定性(Oades, 1993) 和促进土壤腐蚀。虽然粘土颗粒对团聚体的形成非常重要，而且土壤中粘土含量不低于15%是土壤团聚体结构非生物发展所必需的条件（Oades, 1993）。但反过来，在潮湿条件下，疏松的粘土结构会导致土壤发生高风险低强度的粘土分散（Munkholm, 2011; Watts and Dexter, 1997）。当粘土分散进入水体时，粘土颗粒会携带许多污染物质和营养物质进行长距离迁移，从而导致接收水域水体富营养化。
现在减少耕作这一措施已经被有效地用于减少粘土侵蚀和颗粒态磷的流失（Puustinen et al., 2005; Turtola et al., 2007）。然而在免耕土壤的最上层土壤中，磷的富集可能会增加地表径流中溶解态磷的损失（Puustinen et al., 2005; Turtola et al., 2007）。Tiessen等人（2010）研究表明，对土壤进行保护性耕作后会增加土壤中溶解态磷的流失，从而会导致每年总磷输出量增加12%。Lehmann （2007）认为，由富碳物质在缺氧条件下热解产生的生物炭（BC），可以吸附磷酸盐。而且最近有关从经生物炭处理过的土壤中浸提出的磷含量减少的文章也有出版。莱尔德等人（2010）发现生物炭的加入会减少磷的淋失量，而Beck等人（2011）也发现，当土壤中含有7%的生物炭时，在个体排水中总磷的含量显著减少。
已有文章指出生物炭能够改善土壤理化性质，如增加土壤保水量，阳离子交换量（CEC）和提高微生物活性（Lehmann et al., 2006; Sohi et al., 2010）。生物炭的类似特性已被归因于生物炭能够增加土壤中天然有机质（OM）的含量。Liang等人（2006）研究表明，由于生物炭与天然有机质相比具有更大的比表面积、更多的表面负电荷和更强的表面电荷密度，因此，与应用天然有机质相比，应用生物炭更能增大土壤的阳离子交换量（CEC)。有研究表明(Chaney and Swift, 1984; Heinonen, 1955; Le Bissonnais and Arrouays, 1997; Tisdall and Oades, 1982)，天然有机质对土壤结构的形成具有重要作用，此外有机质和土壤团聚体稳定性之间具有很大的正相关关系。尽管生物炭对土壤肥力有许多好的影响，但是添加生物炭对土壤结构和土壤侵蚀的影响是有限的。
提高土壤表面团聚体的稳定性将有助于减少农业领域的土壤侵蚀和颗粒态磷的流失，然而增加土壤对磷吸附能力的同时也会降低溶解态磷随地表径流流失的风险。这项研究的目的是确定对于芬兰耕地土壤，a）生物炭是否能够提高土壤团聚体的稳定性，或是b）生物炭是否能够通过增加对磷酸态磷的吸附（PO4–P）而降低颗粒态磷和溶解的PO4–P的损失。
- 材料与方法
2.1. 生物炭
生物炭是通过将挪威云杉 (Picea abies (L.) H. Karst.) 和欧洲赤松（Pinus sylvestris L.）的混合物放入一个不断加压的碳化器中经热解所产生的(Preseco Oy, Finland)。在10-15分钟的热解过程中，该碳化器内的温度维持在550–600℃。生物炭经研磨后的粒度分布（重量）如下：38% lt;0.25mm，25.9%为0.25-1mm，35.9%为1-5mm，0.1%为 5-10mm。在进行培养试验之前，生物炭要先过2mm筛，之后再与土壤充分混合均匀。
该实验所用生物炭的pHH2O是 8.9（1:5，v/v）。总碳含量为903 g/Kg(dry combustion with a VarioMax CN analyzer; Elementar Analysensysteme GmbH, Hanau, Germany)。灰分含量（23g/Kg）的测定采用干式燃烧法，即将实验室马弗炉的温度在两小时内升到500℃ ，然后维持该温度3小时即可测得 (Jones and Steyn, 1973)。将获得的灰分用100ml 0.2 M HCl溶解，煮沸30分钟。磷和主要阳离子的浓度用电感耦合等离子体发射光谱法测定的结果为 (Thermo Fisher iCAP 6000; Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA，USA)：P：0.2 g/Kg，Ca：4.8 g/Kg，K：2.8 g/Kg，Fe：0.4 g/Kg ，Mg：0.8 g/Kg。Brunauer-Emmett-Teller比表面积(BET SSA)采用氮吸附技术与 Micromeritics Flowsorb 2300气体吸附分析仪测定为11.8 m2/g。
2.2. 土壤样品
从hyvinkauml;auml;（粉砂土 粘土 壤土，SiCL）和Jokioinen（粘土）（Endogleyic Stagnosol和Cutanic Vertic Luvisol，respectively，IUSS Working Group WRB, 2007）这两个细质地土壤，以及赫尔辛基（砂土、Endogleyic Umbrisol、IUSS Working Group WRB, 2007）的粗质地土壤的表层（粘土和砂土0-10厘米；SiCl 0-5厘米）随机取样，然后混合形成混合样本（表1）来测试生物炭对磷的吸附效果。测定团聚体稳定性时仅采用细质地土壤（粘土和SiCL）测定。实验前将所取的潮湿样品过5毫米筛，均质化后，在5℃条件下存储。
2.3. 培养试验
培养实验用300 cm3的塑料培养容器在实验室进行。我们设计了三种生物炭处理水平，分别为0，15，30 t/ha，在20厘米表层混合均匀，以及两个湿润处理；培养结束之前，培养容器一半保持湿润，另一半则是在室内培养期间自由风
表1 有机碳（OC）含量以及用于培养试验的土壤质地
干。因此，对于每一个土壤，我们设置了三个生物炭水平以及两个湿润处理，每个处理重复三次。首先，称取150g土（干重，DM）放入培养容器，并在每个处理中加入生物炭，与土壤充分混匀。其次，容器内的土壤用200 g/cm2压力压实，获得以下体积密度：粘土，0.89 g/cm3；SiCl，0.72 g/cm3；砂土0.96 g/cm3。在培养期间土壤含水量保持田间持水量（FC；PF 2体积含水量是在试验前用压力板仪从未经压实的土壤测得，分别为粘土：25%， SiCL：32%，砂土：18%）。土壤水分含量可通过逐渐向土壤表面添加去离子水而进行调节。培养容器用塑料薄膜覆盖，并在恒温条件下培养（20℃）。在恒定的水分含量下培养4天后，去掉容器上方一半的塑料，让其自由风干16（粘土和SiCL）或19（砂土）天，使得粘土水分含量达到10%，SiCL的水分含量达到5%，砂土的达到15%。在培养的最后3天，干燥土壤的含水量慢慢恢复至田间持水量。剩下的那些容器内土壤应保持田间持水量培养20天（Clay和SiCL）或23天（砂土）。在培养期间容器内土壤的水分含量用容器每日重量和加入去离子水的量计算而得出。最后，将培养容器倒置以使土壤结构变得疏松，并进行pH值和电导率（EC）的测定（土水比为1：2.5，从土壤初始含水率计算）。
2.4. 测定团聚体的稳定性
在培养试验完成后，用湿筛法测定改良粘土团聚体的稳定性。方法如下：称取4g土壤团聚体（干重，DW）置于0.25毫米筛中，然后倒入100毫升去离子水浸泡15分钟。15分钟后，用湿筛分装装置(Eijkelkamp Agrisearch Equipment, Giesbeek, The Netherlands)将团聚体在3分钟内浸入水中约95次。然后将水和分离的土壤材料转移到离心管中，然后将悬浮液沉降21小时。从静置悬浮液的上清液中吸取25毫升于浊度计比色皿中，并用HACH 2100N浊度计测量(Hach Co. Loveland, CO, USA)样品的浊度。悬浮液再到回离心管，离心10 min（2600 g）。静置后的土样再用湿筛法分成lt;0.06 mm和0.06–0.25mm两种粒级的样品。将这两种粒级的样品置于烘箱中（105℃）干燥并称重，以测定它们的质量。水稳性团聚体的质量（WSA）由原本称取用于分析团聚体稳定性的土壤质量与湿筛分离时土壤质量之差计算所得。
2.5. 磷的吸附
将1克土或土和生物炭的混合物(DM)分别置于50毫升去离子水中震荡21 h，离心过滤后用0.2mu;m核孔copy;聚碳酸酯过滤器来测定水溶性磷的含量（PW）。测定Q/ I-plot时，将1克培养土或土和生物炭的混合物（DM），溶解于50ml含磷溶液中，磷的浓度分别为0，0.5，1，1.5，2 mg P Lminus;1。经过21小时溶液达到平衡后，将悬浮液离心过滤，然后用0.2mu;m核孔copy;聚碳酸酯过滤器来测定Q/ I-plot。对于生物炭，试验采用1:100生物炭溶解比进行，设磷的浓度分别为0，1，2 mg P Lminus;1。滤液中的P含量用Lachat QuickChem 8000标准比色分析法测定 (Lachat Instruments, Hach Co., Loveland, CO.)。溶解前溶液中的磷浓度（I0）和溶解达到平衡后（I）溶液中磷的浓度之差即为吸附或解吸磷的量。三个培养容器共得到15 个Q/I数值（5个磷浓度，每个浓度三个数据），而两个生物炭处理有6个数据（每个生物炭3个重复）。Q/I数值用Freundlich等温吸附方程校对(1)(Russel and Prescott, 1916)。
Q=Q0 k*In (1)
其中Q指磷的吸附量，当Q为负值时，即为解吸，Q0是瞬时磷活性参数(Fitter and Sutton, 1975)，I指溶解21小时达到平衡后溶液中磷的浓度，K和n是拟合参数。
2.6. 统计分析
用双向方差分析（ANOVA）进行统计分析，其中生物炭水平(3)和土壤湿润处理(2)作为固定处理，然后将每个处理分别进行统计分析。每个处理重复操作三次，因此测量后每个参数都能得到18个观察值。进行成对比较时，对每个处理的各个参数都进行
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