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农业面源污染是指农业生产活动中,氮素和磷素等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质,通过地表径流和渗漏所形成的水环境污染[1]。《2007年中国环境绿皮书》显示:全国饮用不安全水质的人数已达到3.2亿人,其中60%的地区是由于地表水污染导致的饮用水质不达标,而造成这种现象最主要的原因就是农业面源污染[2-3]。第一次全国污染源普查公报显示,2007年通过农业面源污染排放的总氮为270.46万t,总磷为28.47万t,分别占同期全国排放的57.19%和67.27%[4]。另据统计,目前中国氮肥利用率仅为30%~40%,有20%~50%的氮肥以硝态氮形式经土壤淋溶进入地下水,引起地下水硝酸盐污染[5],并影响着土壤肥力和土壤环境质量。因此,长期过量施用氮肥是造成中国农业面源污染的首要原因,而硝态氮的淋溶被认为是导致中国农业面源污染加剧的主要原因之一[6]。生物质炭是由纤维素、半纤维素和少量木质素经不同程度分解炭化而形成的固体产物[7],生物质炭化是将不稳定的有机碳转变为稳定性碳的过程,以生物炭代替生物秸秆补充到土壤中可以显著减少二氧化碳的排放,同时又能提高土壤的肥力。因此,生物质炭在全球碳地球化学循环、气候变化和环境系统中发挥着重要作用[8]。生物质炭巨大的活性表面可吸附土壤中的硝酸根等阴离子养分[9]。将竹炭作为土壤改良剂施入土壤可减少硝态氮在土壤中的淋洗量,有可能成为应对农业面源污染的一条重要途径,对防治农田土壤养分流失、缓解中国日趋严重的农业面源污染具有重大的现实意义。鉴于此,本研究以养分水平较低的自然土壤和养分水平较高的耕作土壤为研究对象,通过对比2种土壤加入不同比例、不同粒径竹炭后的硝酸根离子淋失量,揭示竹炭对硝酸根离子的吸附效果,找出最佳的竹炭施用类型以及合理的施用量,从而为利用竹炭控制农业面源污染提供理论依据。
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在本底养分水平不同的情况下,为了解混入竹炭后土壤吸附硝酸根离子的效果,主要采用2种试验土壤:土壤本底养分水平较低的自然土壤—浙江农林大学校园内红壤(于2011年8月5日采集)和土壤本底养分水平较高的人为耕作土—临安市太湖源镇雷竹Phyllostachys violascens林地红壤(于2011年10月10日采集),分别过2 mm筛。表 1为供试土壤的化学性质。
供试土壤 pH值 有机质/(g·kg-1) 全氮/(g·kg-1) 速效钾/(mg·kg-1) 有效磷/(mg·kg-1) 自然土 4.33 18.48 0.303 8 0.8 人为耕作土 5.40 56.45 1.113 37 4.9 Table 1. Chemical properties of two soils used in this experiment
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试验设5个处理,3次重复·处理-1,采用颗粒直径<1 mm的竹炭,按质量百分比,分别加入0,1%,2%,3%,4%的竹炭(表 2)。将土壤和竹炭充分混匀后装入衬有砂网(为防止淋洗时土壤进入滤液影响试验结果的准确性)的花盆,将其置于接有试管的大漏斗上,并将1.5 g硝酸钾溶液溶解到150 mL蒸馏水中,一次性均匀地浇施到各个处理中(没有淋出液),随后加入100 mL蒸馏水,有少量淋出液,之后间隔0.5 h加入2次100 mL蒸馏水,合计淋洗的蒸馏水量为300 mL。由于每个处理的淋出液体积不同,将淋出液定容至100 mL,用0.45 μm滤膜抽滤,再用离子色谱测定滤液中硝酸根离子的质量浓度。在第1次淋洗10 d后进行第2次淋洗,间隔0.5 h加入100 mL蒸馏水,共计3次300 mL蒸馏水,在第2次淋洗30 d后进行第3次淋洗。
处理 加入竹炭百分比/% 自然土质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 <1 2 1 1 485 15 <1 3 2 1 470 30 <1 4 3 1 455 45 <1 5 4 1 440 60 <1 Table 2. Design of adsorption experiment using the natural soil
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总结自然土壤的试验后,调整了试验方案(表 3),竹炭颗粒直径改为1~2 mm,加入竹炭质量百分比为0,1%,3%,5%的4个处理,重复3次·处理-1。调整方案的理由是自然土壤的试验中1%和2%,3%和4%的竹炭比例过于接近,相邻的处理间差异不明显(特别是第1次淋洗结果),淋洗实验方法与1.2.1基本相同,但3次淋洗间隔均为10 d。
处理 加入竹炭百分比/% 人为耕作土质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 1-2 2 1 1 485 15 1-2 3 3 1 455 45 1-2 4 5 1 425 75 1-2 Table 3. Design of adsorption experiment using cultivated soil
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由前2次的试验发现,加入同样百分比的竹炭,粒径为1~2 mm的竹炭对硝酸根离子的吸附效果好于粒径<1 mm的竹炭,因为不在同一批试验,土壤类型也不同,不能完全确定2种粒径的吸附效果差异。为了进一步确认不同颗粒直径(1~2 mm与<1 mm)竹炭对土壤吸附硝酸根离子的效果差异,于2011年11月10日用同一种人为耕作土、以3%的竹炭比例作进一步试验。试验设3个处理,3次重复·处理-1(表 4),淋洗实验方法与1.2.2相同,3次淋洗间隔均为10 d。
处理 加入竹炭百分比/% 土壤质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 无 2 3 1 455 45 1-2 3 3 1 455 45 <1 Table 4. Design of adsorption experiment using two sizes of bamboo char particle
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一般性数据,采用Excel软件进行统计分析,并用DPS软件进行显著性分析(LSD法)。