松木生物炭与肉鸡垫料联用对土壤金属滞留及淋溶的影响机制研究

推荐：针对长期施用肉鸡垫料(BL)导致金属淋溶污染地下水的问题，研究人员通过模拟降雨实验，探究松木生物炭(BC)与不同BL施用方式(地表/地下)对土壤Cu、Zn、Al、Fe等金属滞留的影响。发现BC可显著降低Al/Fe淋失量，但未有效抑制Cu/Zn迁移，为农业面源污染防控提供了新思路。

　　

在畜牧业快速发展的背景下，肉鸡垫料(BL)作为富含营养的有机肥料被广泛施用，但其长期使用可能导致铜(Cu)、锌(Zn)等重金属通过土壤优先流路径污染地下水。美国阿拉巴马州作为肉鸡主产区，每年产生约180万吨BL，传统地表撒播方式加剧了环境风险。更棘手的是，该地区土壤因生物活动和植物根系形成的宏孔隙，会通过优先流加速污染物迁移。如何通过改良施肥方式结合环保材料来阻断这一过程，成为当前农业环境领域的重要课题。

为探究这一问题，奥本大学研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表最新成果。研究采用原状土柱模拟实验，通过三次间歇性降雨事件(第0、5、10天)，对比分析了地表/地下两种BL施用方式结合松木生物炭(BC)对金属滞留的影响。关键技术包括：从牧场采集15个完整未扰动土柱(直径15cm×深度50cm)，设置5种处理(对照、地表BL、地下BL、地表BL+BC、地下BL+BC)；使用溴化物(Br^-)示踪法确认优先流存在；通过ICP-OES(电感耦合等离子体发射光谱仪)分析淋溶液金属含量；采用BCR连续提取法解析金属赋存形态。

研究结果揭示：

1. 1.

   土壤特性：砂质壤土中Al、Fe主要存在于残渣态(占比>60%)，而Cu有20%与有机质结合。BL中50%的Zn为酸溶态，Cu则48%存在于可氧化态。

2. 2.

   优先流验证：Br^-穿透曲线显示早期突破(<1PV)，证实土壤存在连续宏孔隙构成的优先流路径。

3. 3.

   金属淋溶规律：

   • •

     Cu/Zn动态：地表BL处理使Cu(0.11 mg L^-1)、Zn(0.12 mg L^-1)淋失量达对照的22倍和3倍，BC添加未显著改善

   • •

     Fe异常现象：间歇降雨导致还原条件，使BL处理组Fe淋失量从0.16 mg L^-1(首次)激增至1.41 mg L^-1(第三次)

   • •

     BC的差异化效果：使Al淋失降低55%(从0.88→0.40 mg L^-1)，Fe减少43%，但对Cu/Zn无显著抑制

4. 4.

   金属赋存机制：XRD和FTIR显示松木BC含丰富羧基/羟基，其碱性(pH 9.9)促进Fe³⁺→Fe²⁺转化并形成铁氧化物沉淀，但原始BC官能团有限导致对Cu/Zn吸附较弱。

结论与意义：

该研究首次系统评估了BL施用方式与原始BC联用对金属迁移的影响。虽然BC未能有效控制Cu/Zn淋失，但其对Al/Fe的显著滞留效果(尤其在地下施用场景)仍具实践价值。研究揭示了间歇性降雨引发的还原条件会加剧Fe迁移的新机制，为优化BL管理策略提供了关键依据。从应用角度看，建议优先采用地下条施结合BC的方式，既能利用BC的pH调节能力固定Al/Fe，又可避免地表施用导致的快速淋失。未来研究可聚焦改性BC开发，通过增强表面官能团提升对Cu/Zn的固定效率，为构建"碳中和"农业提供技术支持。