城市绿地在城市生态系统中具有削减道路径流[1]、涵养水源的作用,但由于人为活动的影响,致使土壤质量遭到严重破坏,不利于植物生长,渗水、蓄水能力较差。利用改良材料对土壤进行改良是提高土壤渗水、蓄水能力的有效手段。Mylavarapu等[2]、Naeini等[3]研究发现,有机肥可以提高土壤养分含量尤其是显著增加土壤中碳、氮含量,增强土壤的保水能力和降低土壤容重;Oguntunde等[4]试验结果表明,添加生物质炭处理的土壤孔隙度较对照(CK)增加了5%。生物质炭的这种特殊功能在砂质土壤上效果更显著,研究[5]表明在砂质土壤中添加25%的生物质炭可以使土壤含水量高出对照370%。PAM是目前土壤改良中常用的土壤结构改良剂之一。但是目前关于PAM对土壤改良的效果说法不一,王全九等[6]研究发现,施加PAM后会降低土壤入渗速率;而于建等[7]研究表明,施加PAM后可以增加土壤入渗率;韩凤朋等[8]发现,添加PAM会增加土壤饱和导水率,降低土壤容重,但PAM用量超过2.0g/m2时,会起到相反的效果。单一材料对土壤的改良效果往往存在一定的缺陷,如生物质炭、腐熟秸秆大量施入土壤后虽然可以较好地改善土壤质量,但会增加养分的淋溶风险[9,10],进而造成水体污染,而PAM大量施用有可能起到相反的效果。因此,将不同材料复合施用进行优势互补对土壤进行改良成为目前研究的热点。伍海兵等[11]将土、砂、绿化植物废弃物以及脱硫石膏等以一定比例混合对绿地土壤进行改良,与施用单一改良材料相比取得了更好的改良效果;陈方鑫等[12]将农业秸秆复合PAM施用对湖滨带土壤进行改良也得到相似的结论。改良剂对土壤的改良效果往往会因土壤性质的差异而有所不同,且目前将农业废弃物应用于绿地土壤改良的研究报道也较少。因此,将农业废弃物应用于绿地土壤改良其具体效果需要进一步探究。

本研究选用砂、腐熟秸秆、生物质炭为基础改良材料,并将之与不同浓度PAM混合,探究换填介质的物理性质以及氮、磷、COD的解吸量随PAM不同添加浓度的变化规律,以期为城市绿地土壤换填介质的筛选提供一定的理论和技术支撑。

1、材料与方法

1.1供试材料

供试土壤采自西咸新区城市土壤(过2mm筛),砂子为过3mm土筛的河砂,PAM为阴离子型,分子量为500万,腐熟秸秆为小麦秸秆经堆肥腐熟后的产物,生物质炭为小麦秸秆生物质炭;土、砂、腐熟秸秆和生物质炭部分理化性质见表1。

表1土、砂、腐熟秸秆和生物质炭基础性质导出到EXCEL

1.2试验设计与方法

1.2.1室内培养和采样

将土+砂+腐熟秸秆(SSJ,体积比为4∶4∶2)以及土+砂+生物质炭(SSS,体积比为4∶4∶2)分别与PAM混匀(表2)。然后在口径13.5cm、高9cm的塑料盒中,于2018年6月10日至7月10日在西北农林科技大学南校区旱棚培养,装填时先分别将腐熟秸秆(180cm3)、生物炭(180cm3)和PAM在大盆中混匀,然后再与土(360cm3)、砂(360cm3)混匀,将混匀后的土壤分层压实,层与层之间刮毛,以使容重与西咸新区绿地土壤容重处于同一水平(1.4g/cm3)。培养结束后(培养前后高度变化见表3),用已知质量的环刀采取塑料盒内的填料土,随即将采后的环刀在水中浸泡,测定饱和导水率和饱和含水量。塑料盒内剩余土于晾土室内风干,过2mm筛,装袋待用。

1.2.2静态解吸

于2018年8月初至9月初进行静态解吸试验。试验步骤为:准确称取2.5g培养后的换填介质(过2mm筛)于50mL离心管中,添加25mL人工配置的污水(表4),滴加几滴甲苯,在25℃恒温、180r/min频率下振荡16h以后,以转速3000r/min离心10min,定量滤纸过滤,测定滤液中COD、全氮、全磷含量。

表2不同换填介质配比导出到EXCEL

土壤净解吸量计算公式为:

式中:Q为单位质量养分解吸量(g/kg);C出表示平衡后解吸液中的养分浓度(mg/L);C本为添加污水的浓度(mg/L);m为烘干介质质量(g);V为加入污水的体积(L)。

表3培养前后高度变化导出到EXCEL

1.2.3试验测定方法

土壤容重采用环刀法[13]测定,土壤饱和导水率采用双环刀法[8]测定,土壤饱和含水量采用称重法[14]测定。COD采用消解比色法[15]测定,总氮(TN)采用过硫酸钾消解紫外分光光度法[16]测定,总磷(TP)采用过硫酸钾消解法[17]测定。

1.3数据处理方法

数据采用SPSS20.0数据分析软件分析,作图用Excel2010。

2、结果与分析

2.1添加PAM对换填介质物理性质的影响

土壤容重是土壤的基本物理性质,对土壤的保水、入渗性能等都有很大的影响,土壤饱和导水率是反映土壤入渗性能的重要指标[8]。土壤饱和含水量是反映土壤水源涵养能力的重要指标之一。因此本试验选取这3个物理指标进行测定,其在PAM不同添加浓度下变化见表5。

2.1.1对换填介质容重的影响

添加PAM可使2种换填介质(SSJ、SSS)的容重较CK(无添加)有所降低,且在PAM质量浓度为1.0%时,换填介质容重最低。介质的容重随PAM用量的变化可以用二次曲线关系来描述(图1)。在不添加PAM时SSJ换填介质的容重大于SSS换填介质,且差异明显,这是因为生物质炭的比表面积、孔隙结构、表面官能团的数量都优于腐熟秸秆,对土壤容重的改善能力更强所致[18,19]。

表5添加不同浓度PAM后换填介质物理性状

注:表中数据为平均值±标准差;同列不同大写字母表示同一换填介质不同PAM浓度之间差异显著(p<0.05);同列不同小写字母表示同一PAM浓度不同换填介质之间的差异显著(p<0.05)。下同。

添加PAM对土壤容重的影响,一方面是因为PAM会吸水膨胀,其产生的物理作用力可能会改变土壤的紧实度,进而对土壤容重产生影响[20];另一方面是因为PAM作为高分子化合物,可以将松散的土壤颗粒桥接在一起[21],增加了土壤中>0.25mm团聚体的含量[22],从而改善了土壤孔隙度,降低了土壤容重。当PAM质量浓度超过1.0%时,换填介质的容重开始上升。这与PAM具有的黏结性和增稠性有关,随着其质量浓度的增大,PAM会黏结成团,不能在土壤中充分扩散,导致其对土壤的桥接作用降低,土壤孔隙度下降,土壤容重上升[21]。

2.1.2对换填介质饱和含水量的影响

SSJ换填介质添加PAM后其饱和含水量明显增加,饱和含水量随PAM浓度增加的变化规律可以用二次曲线关系来描述(图2),添加PAM的质量浓度为1.0%时,饱和含水量最高,较CK增加11.37%。SSS换填介质的饱和含水量随PAM浓度增加呈直线增加,添加PAM质量浓度为1.5%时,其饱和含水量达到最高,较对照提高4.22%。不添加PAM时,SSJ的饱和含水量显著低于SSS换填介质,当添加PAM后两者饱和含水量趋于同一水平。2种介质的饱和含水量和容重之间呈显著负相关关系(p(SSJ)=0.027,p(SSS)=0.013)。

土壤容重决定土壤孔隙状况,从而影响土壤的持水能力。肖兴艳[23]研究表明,土壤容重和土壤饱和含水量呈显著负相关,这与本试验研究结果一致。添加PAM一方面可以降低容重,改善土壤孔隙结构[12],从而增加土壤持水能力;另一方面,PAM作为高分子聚合物本身具有极强的吸水性能,施入土壤后,增加了土壤的饱和含水量[24]。在不添加PAM时,SSJ换填介质容重大于SSS,从而使得SSJ换填介质本身保水能力较SSS换填介质的弱。添加PAM后,SSJ换填介质的饱和含水量随PAM用量的增加呈现出先增大后减小的趋势,这与PAM浓度过高时SSJ换填介质容重上升有关(图1)。

图1不同浓度PAM对换填介质容重的影响

图2不同浓度PAM对换填介质饱和含水量的影响

2.1.3对换填介质饱和导水率的影响

在SSJ和SSS换填介质中,土壤饱和导水率随PAM添加量的变化趋势可以用二次曲线方程来描述(图3)。在一定浓度范围2种换填介质的饱和导水率随着PAM添加量的增加而增加,当添加PAM质量浓度为1.0%时,饱和导水率达到最大,较CK分别增加2.52,1.35m/d,但PAM添加量超过一定浓度范围后饱和导水率有所降低。SSJ的饱和导水率和土壤容重呈显著负相关关系(p=0.022),SSS的饱和导水率和容重的关系可以用二次曲线关系来描述(图4)。在不添加PAM时SSJ的饱和导水率显著小于SSS,添加PAM后两者处于同一水平。

在不添加PAM时,SSJ由于本身容重高于SSS(图1),孔隙度相对较少,因此其饱和导水率较低。添加PAM后换填介质的饱和导水率开始增加,是因为PAM可以降低土壤容重和改善孔隙结构,增加水分的入渗路径,从而使土壤饱和导水率增加[21,25]。当添加PAM的浓度超过1.0%时,换填介质饱和导水率开始下降,这与韩凤朋等[8]研究结果相似。这可能是因为PAM本身可以溶于水,具有增稠性和絮凝性,当质量浓度过大时,本身会絮凝成团,甚至会黏结在土壤颗粒表面堵塞土壤孔隙,使得水流的渗透路径减少,降低了换填介质的饱和导水率[8,21]。

图3不同浓度PAM对换填介质饱和导水率的影响

图4SSS换填介质容重和饱和导水率关系

2.2换填介质养分在不同浓度PAM下的解吸特征

腐熟秸秆和生物质炭中含有较高的碳、氮、磷养分,而过量的碳、氮、磷养分淋失进入水体会造成严重的水体污染,本试验在静态解吸条件下换填介质氮、磷、COD解吸量具有随PAM用量增加的变化规律,结果见表6。

2.2.1COD解吸量随添加PAM质量浓度的变化

化学需氧量(COD)主要表征水中有机物质的含量,是衡量水质优劣的重要指标之一。SSJ和SSS换填介质经静态解吸平衡后,SSJ换填介质COD解吸量高于SSS换填介质;添加PAM使COD解吸量分别降低12.20%～30.56%和153.28%～194.75%。当PAM用量为1.0%时,SSJ和SSS换填介质COD的解吸量最低。SSJ和SSS换填介质COD解吸量随PAM用量的变化可以用二次曲线来描述(图5)。

添加PAM后换填介质COD解吸量较不添加PAM有所降低,这一方面是因为PAM本身对有机碳有吸附能力[26];另一方面是因为PAM施入土壤后可以增加土壤大团聚体含量,改善土壤孔隙,增大土壤表面粗度,从而增加了土壤对有机碳的固持能力[27]。SSS换填介质COD解吸量较SSJ换填介质低。一方面是因为腐熟秸秆密度较大,同体积换填下腐熟秸秆施入土壤碳的总量较高,而较高的有机碳施入量会导致换填介质COD解吸量较高[28];另一方面可能是因为生物质炭具有较高的比表面积,施入土壤后在土壤中稳定性较高,COD不易解吸[29]。

表6换填介质在静态吸附条件下氮、磷、COD解吸特征导出到EXCEL

图5换填介质在不同浓度PAM下COD解吸趋势

2.2.2氮、磷解吸量随添加PAM质量浓度的变化

SSJ换填介质中氮、磷的解吸量随PAM用量的增加而增加。其中磷的解吸量和PAM的施用量存在显著正相关关系(p=0.031)。在SSS换填介质中,氮、磷的解吸量随PAM施用量的增加呈现出先减小后增大的趋势。在施用PAM质量浓度为0.5%时,SSS换填介质的氮、磷的解吸量最低。SSJ换填介质氮、磷的解吸量高于SSS换填介质(表6),这一方面是因为腐熟秸秆带入氮、磷总量要高于生物质炭有关,进而造成SSJ换填介质氮、磷解吸量较高;另一方面是因为生物炭和腐熟秸秆相比具有更高的比表面积,对氮、磷的吸附能力较强[30]。

PAM在2种介质中对氮、磷解吸的影响趋势不一致。在SSJ换填介质中,因为PAM本身是有机大分子,当其分布于介质表面时可以掩盖吸附点位,从而降低介质对氮、磷的吸附,增加其解吸量[31]。在SSS介质中,添加PAM较低浓度时介质的氮、磷的解吸量较CK相比有所减少,但是随着PAM用量的继续增加,氮、磷的解吸量开始增加。罗在波等[32]也发现了同样的现象。这是因为SSS换填介质中生物质炭会使得溶液中阳离子较为丰富,添加低浓度PAM时可吸附介质溶液中的阳离子,通过这些阳离子进一步吸附PO43-、NO3-,从而降低了氮、磷的解吸量,但当PAM浓度较高时,PAM会竞争一些PO43-、NO3-的吸附点位从而引起氮、磷解吸量增加[33,34]。因此,添加PAM后是吸附大于解吸,还是解吸大于吸附,取决于用PAM的用量和介质类型,其机理还有待进一步深入研究。

3、结论

(1)添加一定浓度的PAM,可以增加土+砂+腐熟秸秆(SSJ)和土+砂+生物质炭(SSS)2种换填介质的饱和含水量和饱和导水率,降低其容重。SSJ介质的氮、磷解吸量随PAM用量的增加而增加,而SSS介质在添加较低浓度PAM时会减少氮、磷解吸量和COD的解吸量。

(2)PAM适宜添加浓度为1.0%,在该添加量下,土+砂+生物质炭介质的吸附净化能力优于土+砂+腐熟秸秆介质。

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基金:西咸新区海绵城市绿地土壤换填介质应用技术研究项目(2017ZDXM-SF-083).