生物炭因其良好的吸附与缓释功能常被用于土壤改良。研究表明，生物炭可吸附土壤中铵根离子^{[1, 2]}、磷酸根离子及部分有机物质^[3]，从而减少土壤养分的流失^{[1, 2, 4, 5, 6]}。但近期的研究集中在将肥料与生物炭配施到土壤中，探究生物炭对土壤养分流失及土壤持水量的影响^{[7, 8, 9]}，而生物炭对土壤拦截外源N、P等污染物质能力的研究甚少。

土壤作为植被缓冲带的构建要素之一，其性质对植被缓冲带滞留径流、拦截径流中所携带的氮磷等物质有重要影响。本实验通过在土壤中添加不同用量生物炭的土柱模拟实验来研究生物炭对外源氮磷等污染物质的拦截效果，为植被缓冲带-土壤渗流拦污系统的构建提供理论依据。

土壤样品采自中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所顺义实验基地0～20 cm普通耕作层土壤（40.09°N，116.9°E），为潮褐土；生物炭为稻壳炭粉，购自山东铭宸环卫设备有限公司。炭、土均过2 mm筛，其理化性质见表1。

表 1 土壤及生物炭基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of soil and biochar tested

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向去离子水中添加0.364 2‰ NaNO3、1.354 2‰NH4HCO3、0.131 7‰ KH2PO4、5.622 0‰葡萄糖模拟地表径流水体。污水中的氮磷等污染物质的浓度相当于劣Ⅴ类地表水的5倍，其浓度见表2。

表 2 自配污水浓度 Table 2 Concentrations of nutrients in sewage

表选项

共设5个处理（表3），生物炭与土壤干物质比分别为0、2%、4%、8%和16%，依次命名为CK、T1、T2、T3、T4，每处理3个重复。模拟土柱是内径为10 cm、高度为40 cm的PVC圆柱管，底层铺设一层100目尼龙网，并用PVC立卡将土柱、尼龙网及相同内径的花盆固定在一起（花盆可支撑土柱并收集淋滤液）。土柱上下两端均装入3 cm石英砂层（粒径为3～4 mm），以防进出水对土壤的扰动。炭土混合均匀后分层装入土柱，并适当压实。土柱内壁涂上凡士林，防止内壁过分光滑产生边缘效应。

表 3 各处理样品用量、混合后主要养分含量及土柱高度 Table 3 Sample amount, nutrient content and soil column height for each treatment

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采用自配污水进行淋溶。首先用1 L污水将每个处理土柱都灌饱和，为保证系统本体值不变，将此次淋滤液全部回灌到系统中，回灌完毕后继续进污水。所有进水均由乳胶软管吸入到土柱中，并及时用水管夹控制流速，保持土柱内水层高度为2 cm左右，以此保证每个系统都能维持自身的下渗速度。淋滤分为间断进水及连续进水两部分。间断进水3次，每3 d进行一次，用大烧杯收集水样，水样收满3 L后即停止进水，之后进行连续取样，连续取样期间每收集到1L淋滤液视为一个水样，T4系统出水17 L时实验结束。全部实验结束时CK共完整收集到8个水样，T1为8个，T2、T3均为10个，T4为11个。实验装置如图1所示。

图 1 土柱淋洗装置 Figure 1 Devices for soil column leaching experiment

图选项

土壤与生物炭的基本理化性质参照相关农业标准分析方法。淋滤液中TN的测定采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法；TP的测定采用过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法；COD的测定采用购自北京航轩科技发展有限公司的COD/150/含汞试管试剂盒（英国百灵达，型号PL460M）测定。实验数据采用 Microsoft Excel 2007绘制图表，SPSS 20.0 软件进行单因素方差分析和多重比较，显著水平为0.05。

图2显示，间断进水期间，各处理的单位体积淋滤液取样耗时随生物炭用量的增加而缩短，随出水量的增加而延长。第一个3 L样点取样所需时间最短，下渗能力最强（图3）。与CK相比，T1、T2、T3、T4的取样时间分别降低8.46%、24.24%、36.87%和49.49%；第二个样点（6 L）时，T1、T2、T3、T4的单位体积淋滤液取样耗时相对CK分别缩短16.31%、37.68%、48.36%和62.61%；第三次间断取样（7～9 L），各处理的单位体积淋滤液取样耗时均明显延长，但依然随生物炭用量的增加呈现递减趋势。 T1、T2、T3、T4的单位体积淋滤液取样耗时相对CK分别缩短21.78%、29.12%、31.99%和76.69%，T1、T2、T3土柱与CK间差异性降低，T4与CK间差异继续增加。

图 2 不同处理单位体积淋滤液取样所耗时间的变化情况 Figure 2 Changes of sampling time per liter of all treatments during experiment

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图 3 进水10～13 L期间生物炭对污水下渗速度的影响 Figure 3 Effects of biochar additions on infiltration rates of sewage between inflow 10～13 L

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连续进水期间，当淋滤液体积达10 L时，CK、T1、T2处理下渗时间趋同，差异不显著，而T3、T4系统显著小于CK、T1、T2处理，并相对CK分别缩短85.63%和89.82%；淋滤液体积达11 L后T3与CK、T1、T2之间无显著差异，而T4系统在淋滤液体积达13 L之后与CK、T1、T2、T3之间差异不再显著。

由于对土壤的扰动，所有处理在进水9 L之前系统处于未沉降完全状态，而进水13 L之后不同处理污水下渗速度趋同，即不同生物炭添加量对污水下渗速度已无显著影响，由此推断不同生物炭用量对污水下渗速度的有效影响期在进水10～12 L之间。污水下渗速度，如图3显示，进水10 L时，低生物炭用量（CK、T1、T2）的下渗速度趋同，T3、T4系统的下渗速度显著大于CK、T1、T2系统，相对CK提高593.08%和885.72%；进水11 L时，T3的下渗速度与CK、T1、T2 趋同，T4相对CK提高942.90%；进水12 L时，T4相对CK提高350.94%。由此可见，高生物炭用量（8%～16%）能够在相对较短时间内有效过滤更多污水，并延长生物炭对污水下渗速度的有效影响时间。

由于回填土柱对土壤的扰动，进水3 L时，土柱中硝态氮流失严重，使得各处理淋滤液中TN浓度均高于进水浓度（表4）。进水6 L后，淋滤液中TN浓度显著降低，对外源氮素的拦截率显著提高。系统趋于稳定后，各处理淋滤液中TN浓度及TN拦截率变化不明显，且不同处理间差异不显著，如表5所示。

表 4 第一次间断取样时各处理TN、NO₃^--N、NH₄⁺-N含量 Table 4 Content of TN、NO₃^--N and NH₄⁺-N in effluent at first sampling

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表 5 进水6 L至实验结束不同处理淋滤液中TN浓度及TN拦截率 Table 5 Content and removal rates of TN in each treatment at inflow>6 L

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连续取样即进水10 L后不同处理处于稳定状态，随时间的延长，不同处理间TN累积拦截量不断增加（拦截量=取样量×拦截率×污水浓度），且生物炭使用量越大，TN累积拦截量增加越明显，如图4所示。连续进水0.5 d时，T1、T2、T3和T4系统的TN累积拦截量分别为4.08、8.59、32.77、66.72 mg，各处理间差异显著。系统运行0.5 d后，随时间延长，不同处理间TN累积拦截量继续增加，但处理间差异性逐渐降低。可见8%～16%生物炭用量的系统可在同等时间内有效拦截更多的外源氮素。

图 4 生物炭对TN累积拦截量的影响 Figure 4 Effect of biochar on total interception amount of TN

图选项

图5A显示，各处理淋滤液TP浓度随生物炭用量的增加而增加，随进水量的增加而降低，表明TP拦截率随生物炭用量的增加而降低，随进水量的增加而升高。第一次间断取样时，CK、T1、T2淋滤液中TP浓度均低于自配污水浓度，CK淋滤液中TP浓度几乎为零，拦截率接近100%，T1、T2拦截率分别为76.11%和41.66%，T3、T4淋滤液中TP浓度均高于自配污水浓度。图5B显示，随着淋洗的进行，各处理淋滤液中TP浓度逐渐降低，T1淋滤液中TP浓度均低于0.34 mg·L^-1，拦截率为76.1%～92.1%，达到地表Ⅴ类水标准；T2淋滤液中TP浓度0.25～1.77 mg·L^-1，拦截率为41.7%～91.4%。由于生物炭富含有效磷（表1），T3（8%生物炭用量）、T4（16%生物炭用量）在进水初期存在磷素流失现象，T3、T4分别在出水9 L和17 L后淋滤液中TP浓度开始低于进水浓度，TP拦截率最终分别达到45.7%和20.7%。

图 5 生物炭对淋滤液中TP浓度（A）、TP拦截率（B）的影响 Figure 5 Effects of biochar on concentration（A） and interception rate（B） of TP in leachate

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由表1、表3可知，土柱系统中生物炭的加入使得系统有效磷含量明显增加，造成土柱在淋洗前期部分磷素流失，因此TP拦截率并不能完全反应生物炭对土壤拦截外源磷素能力的影响效果。从TP累积拦截量进一步分析（图6），连续进水开始后，不同处理TP累积拦截量随时间的延长而增加，但随生物炭用量的增加而降低。试验期内，各系统对TP的累积拦截量分别为40.24、35.92、26.63、-4.58、-110.77 mg，说明此次实验所添加的生物炭对外源磷素的拦截作用并没有完全起到提高效果。

图 6 生物炭对TP累积拦截量的影响 Figure 6 Effect of biochar on total interception amount of TP in sewage

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表6显示，自初始进水起，各处理对外源COD 的拦截效果都比较好，且各处理淋滤液中COD浓度及COD拦截率变化不明显。CK、T1、T2、T3系统淋溶液中COD的浓度差异不显著。T4系统淋滤液中COD平均浓度显著低于其他处理，其COD平均拦截率为66.22%，相对CK、T1、T2、T3分别提高32.19%、22.66%、14.78%和17.29%。

表 6 不同处理淋滤液中COD浓度及COD拦截率 Table 6 Content and removal rate of COD in leachate in each treatment

表选项

结合取样耗时，与TN相似，连续进水期间，随时间的延长，不同处理间COD累积拦截量不断增加，且生物炭使用量越大，COD累积拦截量越大（图7）。连续进水0.5 d时，T1、T2、T3和T4系统的COD累积拦截量分别为42.13、2.95、292.95、721.78 mg，T3、T4相对CK分别提高192.67%和621.08%，差异显著。系统运行0.5 d后，不同处理的COD累积拦截量差异性逐渐降低。由此可见，8%～16%生物炭用量的系统可在同等时间内有效拦截更多的外源COD。

图 7 生物炭对COD累积拦截量的影响 Figure 7 Effect of biochar on total interception amount of COD in sewage

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土壤中加入生物炭能够减小土壤密度，增加土壤孔隙度，显著提高土壤比表面积^{[17, 18]}，由此促进土壤对污水的吸收。由图2可知在同量的污水涌入初期，生物炭的施入可显著提高污水下渗速度，增加污水下渗量，Asia等^[19]的研究结果也表明生物炭的加入可以提高降水渗入量。随污水涌入量的增加，污水下渗速度降低，低生物炭用量的处理优势不再明显，并在进水13 L之后所有处理下渗速度趋同。这可能是由于生物炭相对土壤颗粒质量较轻，在淋洗过程中，较轻的生物炭颗粒上浮，较重的小颗粒土壤随水分向下迁移，造成土柱下层小颗粒土壤聚集，堵塞污水下渗通道，以至添加不同生物炭量的T1、T2、T3、T4土柱下渗速度与CK相比无差异。但是，在生物炭有效影响污水下渗速度期间，8%生物炭用量的系统相对CK提高593.08%的下渗速度，16%生物炭用量的系统相对CK可最大提高下渗速度942.90%，而此时T3共进水11 L，相当于降雨1400 mm，T4共进水12 L，相当于降雨1529 mm。这表明，现实中将生物炭用于河岸边植被缓冲带的构建，8%～16%生物炭用量可在降雨量在1500mm左右时，显著增加污水下渗量，减少地表径流，从而保护受纳水体。但具体效果还需通过构建植被缓冲带进行验证。

回填土柱对土壤的扰动较大，初次淋洗造成硝态氮的大量流失，流失来源可能有：土柱并没有对污水起到拦截作用，污水中所携带的氮素直接淋滤出土柱系统；污水的涌入造成土壤内氮素的解吸，在降水的情况下就会向下迁移；表1显示生物炭全氮含量是土壤的6.23倍，生物炭的添加增大了土柱全氮本体值，导致污水下渗时土柱内氮素有所流失。随进水量的增加（6 L之后），土柱系统拦截外源氮素能力显著提高。这是由于生物炭本身较多孔隙，并且附着正负电荷，能够吸附NH₄⁺、NO₃^-，降低径流中氮素含量，这与许多学者关于生物炭抑制氮素流失的研究结果相似^{[2, 7, 20, 21, 22]}。进水13 L之后，所有处理下渗速度趋同，但各处理对外源TN的拦截率依然保持在95%左右，拦截效果明显。

据结果分析认为，CK对外源TP拦截效果优于所有添加生物炭的处理。首先，由于生物炭本身携带大量有效磷（表1、表3），生物炭的加入使得土壤系统有效磷本体值显著增加，在污水进入时发生磷素流失；另外，生物炭的加入扰动土壤，增加土壤孔隙度，造成短期内土壤疏松、通透性变大，使得土壤胶体对于磷酸离子的固持能力降低，引起土柱系统内磷素流失。因此，在初次进水3 L时，CK、T1、T2、T3、T4土柱淋滤液中TP浓度依次升高，分别为0.10、0.72、1.77、6.52、19.81 mg·L^-1，但随出水量增加，不同处理淋滤液中TP浓度逐渐降低，且在实验结束时，T1、T2、T3、T4土柱淋滤液中浓度均低于自配污水浓度，各处理对外源TP拦截率分别达到91.97%、89.66%、45.70%和20.71%。这与李际会等^[21]针对未改性作物秸秆生物炭的研究所得到的淋滤液中TP浓度随淋洗次数的增加而逐渐升高的结论有所不同，可能原因：一是淋洗时间与淋洗剂用量不同，本实验延续时间长达1个月，并且淋洗剂总用量为14～17 L，能充分表现土柱内部分养分流失的情况及土柱系统逐渐稳定后对外源磷素拦截能力的变化；二是由于生物炭原料不同，生物炭本身所携带的磷素等养分含量不同，致使淋洗时磷素的流失情况也不尽相同。Yao等^[8]的研究表明，土壤内磷素的流失除了与生物炭制备原料相关之外，与生物炭的制备温度也非常相关。由此可见，不同类型生物炭对不同土壤类型拦截外源磷素能力的影响差异较大，应选择低磷含量的生物炭进行植被缓冲带的构建，但不同类型仍需具体的研究与分析。

由以上分析可知，生物炭对污水下渗速度的有效影响期间为进水10～12 L时，通过分析该期间内不同生物炭用量对外源污染物的综合拦截效率可确定最优生物炭用量。进水10～12 L期间，不同处理总拦截量（包括TN、TP及COD）随生物炭用量的增加而增加，且T1、T2、T3、 T4相对CK分别提高8.28%、16.21%、26.64%和56.96%；CK、T1、T2系统取样总耗时无显著差异，而T3、T4的取样总耗时相对CK分别缩短11.72%和84.98%。由此可见，高生物炭用量（8%～16%）的土柱系统可在相对较短的时间内拦截同量的外源污染物，显著提高土壤对外源污染物的拦截效率。另外，在该有效影响期过后，系统依然保持较高的TN、COD的拦截率，并逐渐提高TP拦截率。结合实验初期淋滤液中TP浓度变化情况，建议使用8%的生物炭用量来构建植被缓冲带，且用量不宜超过16%，否则有可能引起土壤内磷素的流失。

施用生物炭可以增加土壤中氮素、磷素和有机质，利用生物炭构建植被缓冲带，可培肥河岸边的贫瘠土壤，使得植被在生长前期养分充足，促进植被生长^{[5, 23]}。植被生长不仅利用土壤养分，降低土壤养分基数，增加土壤对地表径流中所携带的氮磷等污染物的吸附与拦截空间，并且后期生物炭可将部分养分释放出来，供植被吸收利用^{[4, 24]}。由此可形成利用-吸附-释放良性循环，充分利用生物炭提供的养分，并最终促进土壤对地表径流中氮磷等污染物的吸附与拦截，降低受纳水体污染几率。但具体拦截效果还需进行植被缓冲带模拟实验进行验证。

综上所述，本实验针对稻壳炭和潮褐土，添加8%生物炭至土壤中可较大程度地提高土壤对外源氮、磷、COD等污染物的拦截效率。但原料、性状不同的生物炭施加到不同质地的土壤中，使得土壤对外源氮磷等污染物的吸附拦截能力不同，因此应根据具体理化性质的土壤、生物炭及经济条件适当调整生物炭用量。

（1）生物炭可以提高污水的下渗量，且污水下渗速度随生物炭用量的增加而升高。

（2）生物炭能够显著提高土壤对外源TN的拦截量，且随生物炭用量的增加而增加。

（3）生物炭可以有效拦截外源TP，但基质中（土壤或生物炭）总磷含量显著影响其拦截效果，应选择低磷含量的生物炭用于植被缓冲带的构建。