響應(yīng)曲面法優(yōu)化茶渣生物質(zhì)炭對(duì)土壤氮磷吸附

背景介紹茶樹(shù)是我國(guó)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，我國(guó)是茶葉主要的產(chǎn)出國(guó)及出口國(guó)。由于近年來(lái)大量頻繁施肥，肥料的過(guò)量施用，導(dǎo)致茶園土壤酸化，土壤硬化及土壤質(zhì)量變劣；并可導(dǎo)致大量氮磷養(yǎng)分流失降低肥料利用率及周邊水環(huán)境的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，急需采取有效的方式控制茶園氮磷流失及改善茶園土壤環(huán)境質(zhì)量。生物質(zhì)炭作為一種新型的土壤改良劑，可有效的改良土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤養(yǎng)分含量及減少土壤養(yǎng)分流失，起到有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的。本研究采用響應(yīng)曲面分析法，分析茶渣生物質(zhì)炭添加比，溶液pH及溶液反應(yīng)溫度對(duì)其添加后土壤對(duì)銨態(tài)氮和磷酸鹽的吸附水平的影響及其之間的交互作用，探究其吸附銨態(tài)氮和磷酸鹽的機(jī)理，為茶渣生物質(zhì)炭的資源化利用探究新途徑，為茶園酸性土壤養(yǎng)分固持研究提供理論參考。文章亮點(diǎn)01報(bào)道了茶渣制備生物質(zhì)炭作為良好的吸附劑或修復(fù)劑用于去除水體中的污染物，研究表明其可用于水體吸附或土壤養(yǎng)分固持，此研究可拓寬其資源化利用的范圍。02通過(guò)響應(yīng)曲面分析法分析生物質(zhì)炭添加比、環(huán)境pH和反應(yīng)溫度對(duì)土壤銨態(tài)氮和磷酸鹽吸附率的影響，通過(guò)模型優(yōu)化銨態(tài)氮和磷酸鹽最佳吸附條件。03為茶渣生物炭可有效固持土壤或吸附水體中的氮磷，為茶渣資源化利用提供了新思路，研究成果具有一定的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。內(nèi)容介紹1實(shí)驗(yàn)部分1.1

主要儀器與試劑1.2

實(shí)驗(yàn)土壤樣品1.3

實(shí)驗(yàn)方法1.3.1

茶渣生物質(zhì)炭的制備茶渣生物質(zhì)炭（TD）制備：將廢棄茶渣洗凈風(fēng)干后粉碎，取適量粉末于管式爐中，通N2條件下，升溫至400℃（升溫速度

10℃/min）熱解炭化2h，待冷卻后取出研磨至100目篩，用蒸餾水反復(fù)清洗，并置于105℃烘箱烘干至恒重，密封保存待用。生物質(zhì)炭分別記為TD400。1.3.2

表征/測(cè)試方法生物質(zhì)炭的得率是生物質(zhì)炭的質(zhì)量與炭化前生物質(zhì)質(zhì)量比值的百分比。生物質(zhì)炭的pH以生物質(zhì)炭與蒸餾水的質(zhì)量體積比為W（炭）：V（水）=1:10提取，并通過(guò)分析儀測(cè)定；CEC使用乙酸銨浸提法測(cè)定；元素分析儀測(cè)定生物質(zhì)炭的C、H、N、O等元素；比表面積及孔徑分布情況通過(guò)BET測(cè)定，測(cè)定時(shí)使用N2吸附-脫附法，脫氣溫度設(shè)定為300℃，脫氣時(shí)間控制在4h左右；生物質(zhì)炭形貌表征與大小用SEM觀察測(cè)定，生物質(zhì)炭研磨過(guò)篩后進(jìn)行干燥預(yù)處理，取適量生物質(zhì)炭粉末用導(dǎo)電膠粘在樣品臺(tái)，將其進(jìn)行噴金處理制樣；通過(guò)FT-IR分析生物質(zhì)炭表面官能團(tuán)種類，測(cè)定時(shí)將其研磨過(guò)篩后，經(jīng)溴化鉀粉末混合后，再次混合壓片測(cè)定，測(cè)定時(shí)掃描波段范圍為4000~400cm-1。1.3.3

吸附率的測(cè)定1.3.4

響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為了更好的利用響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，研究添加不同配比的茶渣生物質(zhì)炭對(duì)水體銨態(tài)氮、磷酸鹽的吸附行為，本文選取茶渣生物質(zhì)炭添加比（0.2%~1.0%）、溶液pH（2~12）和反應(yīng)溫度（25~35℃）3個(gè)變量，分別進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，以獲取后續(xù)響應(yīng)面吸附實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的參考范圍；然后，選取吸附劑用量配比0.6%，反應(yīng)溫度25℃和溶液pH7為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的中心點(diǎn)，并根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)原理，采用三因素三水平響應(yīng)曲面法分析上述3因素影響茶渣生物質(zhì)炭添加的土壤吸附銨態(tài)氮和磷酸鹽的主效應(yīng)和交互作用。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的編碼和實(shí)驗(yàn)值見(jiàn)表2。1.3.5

數(shù)據(jù)處理和分析采用響應(yīng)面法DesignExport18中的Box-Behnken方法進(jìn)行試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)及對(duì)不同環(huán)境條件下生物質(zhì)炭對(duì)銨態(tài)氮和磷酸鹽吸附率進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，方差分析（ANOVA）應(yīng)用于表中所示的數(shù)據(jù)集；其中，P＜0.05（*）具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.01（**）具有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，文中所有圖形繪制通過(guò)Excel2010完成。2結(jié)果與討論2.1

茶渣生物質(zhì)炭理化性質(zhì)表征本文中茶渣生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)如表3所示。2.2

茶渣生物質(zhì)炭對(duì)氮磷去除的預(yù)測(cè)模型在進(jìn)行生物質(zhì)炭或者其他功能材料對(duì)水體或者土壤中的氮磷吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)，多以吸附率作為吸附效果優(yōu)劣的客觀指標(biāo)，可較為直觀的反映生物質(zhì)炭對(duì)水體或者土壤氮素及磷素的吸附效果[17]。因此，本研究選擇對(duì)銨態(tài)氮和磷酸鹽的吸附率（Y銨態(tài)氮和Y磷酸鹽）為響應(yīng)值，通過(guò)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，來(lái)擬合響應(yīng)面模型，呈現(xiàn)兩兩因素對(duì)吸附率的影響，并將結(jié)果列于表4和表5。2.3

茶渣生物質(zhì)炭氮磷交互作用的響應(yīng)面分析通過(guò)DesignExpert18以兩兩自變量為坐標(biāo)軸的3D圖像，可較為直觀的將生物質(zhì)炭添加比、溶液pH及溶液反應(yīng)溫度對(duì)銨態(tài)氮及磷酸鹽的吸附率呈現(xiàn)出來(lái)。2.4

模型驗(yàn)證及優(yōu)化本文采用DesignExport18軟件對(duì)最佳實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到茶渣生物質(zhì)炭添加土壤吸附銨態(tài)氮的最佳實(shí)驗(yàn)條件為：生物質(zhì)炭添加比為1.0%，pH10.0，溶液反應(yīng)溫度為15℃；此時(shí)，土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附量為1214.80mg/kg，土壤對(duì)NH4+-N吸附率的平均值為60.74%，與預(yù)測(cè)值（63.25%）相差2.51%。對(duì)磷吸附的最佳條件為生物質(zhì)炭添加比為1.0%，pH10，溶液反應(yīng)溫度為35℃，土壤對(duì)磷酸鹽的吸附量為825.90mg/kg，吸附率的平均值為82.59%，與預(yù)測(cè)值（81.54%）的相差0.65%，說(shuō)明該計(jì)算模型具有較好的預(yù)測(cè)效果，利用響應(yīng)曲面分析具有一定的指導(dǎo)，可為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。3結(jié)論

3.1

本文通過(guò)Box-Behnken曲面分析可以較好的擬合茶渣生物質(zhì)炭對(duì)銨態(tài)氮和磷酸鹽的吸附過(guò)程，通過(guò)單因素分析對(duì)吸附效果的作用大小順序遵循：添加土壤配比＞溶液反應(yīng)溫度＞溶液pH；預(yù)測(cè)模型的判定系數(shù)R2＝0.9936（銨態(tài)氮）和R2＝0.9897（磷酸鹽）；校準(zhǔn)判定系數(shù)為Radj2＝0.9853（銨態(tài)氮），Radj2＝0.9765（磷酸鹽），模型擬合度較好。3.2

對(duì)茶渣生物質(zhì)炭吸附銨態(tài)氮和磷酸鹽的交互作用的響應(yīng)面分析可知，適當(dāng)?shù)卦黾游絼┨砑优浔燃霸黾尤芤簆H或者提高溶液pH及降低溶液反應(yīng)溫度可以促進(jìn)對(duì)銨態(tài)氮的吸附；同時(shí)，增加生物質(zhì)炭添加配比及溶液pH，可增加磷酸鹽的吸附。3.3

茶渣生物質(zhì)炭添加至土壤后對(duì)銨態(tài)氮和磷酸鹽最佳吸附條