生物质炭对南方设施蔬菜地中典型抗生素迁移转化的影响与定量表达

Tropical agricultural soils in south China are characterized by low pH value and low content of organic matter. Livestock manure is often used as fertilizers during facility vegetable plantation, which will inevitably result in the accumulation of antibiotics inside livestock manure in the soils. So antibiotics soil pollution and its environmental risks should be paid due attention in tropical regions. Biomass charcoal (BC) possesses good characteristics such as excellent stability, high content of organic carbon, porous, alkali, strong adsorption, and therefore has good potential usages in the acid soils improvement and antibiotics pollution reclamation. The project will use sandy loam (typical facilities vegetable field soil in Hainan, P.R.C), in order to explore the effect of BC on the physical-chemical characteristics, such as pH, CEC, exchangeable basic cation, water transport parameters, pore distribution, and adsorption, leaching, degradation behaviors of antibiotics in soils. We also study the effect of BC on the environment behavior of antibiotics in soil-vegetable system. Based on the above research, through modeling, we will quantifiably express the environmental behavior of antibiotics, give a quantitative description and leaching risk forecast on the antibiotics behaviors in facility vegetable soils after the input of BC. The above work will provide a further theoretical reorganization for the relationship between BC & antibiotics. The results will also have practical significance for scientific fertilizer usage and antibiotics environmental behavior forecast.

我国热带农业土壤多呈酸性，有机质含量较低。在热带设施蔬菜地生产中常使用畜禽粪便作底肥，可能导致粪便中抗生素在土壤中累积，热带地区酸性土壤抗生素污染及环境风险应引起关注。生物质炭（BC）具有高度稳定性、有机碳含量高、碱性、多孔性等特点，因此可用于酸性土壤改良，对污染物的环境归趋有重要的影响。本项目以海南常见的设施蔬菜地砂壤土为对象，研究BC对pH、CEC、交换性盐基离子、水分运移、孔隙结构等土壤性质的影响，分析BC对抗生素在土壤中吸附、迁移、降解行为的影响，探讨BC对抗生素在土壤—蔬菜系统中行为效应的影响。并在此基础上建立模型，定量描述外源BC输入南方设施蔬菜地土壤后抗生素的环境行为及效应。研究成果对于热区合理施用有机肥、预测抗生素归宿等具有实践意义，亦可增进对生物质炭与抗生素互作关系的理论认识。

本项目利用常见的热带农业废弃物木薯渣、甘蔗渣、菠萝渣在不同热解温度下制备不同的生物质炭，并进行相关性质表征。通过制备的生物质炭对南方设施菜地中常见的诺氟沙星、氧氟沙星、环丙沙星、土霉素等进行吸附-解吸实验，获得生物质炭吸附抗生素的关键数据，并利用模型分析其吸附机理。吸附实验结果表明：随着热解温度的升高，生物质炭对抗生素的吸附能力逐渐增强，且抗生素在生物质炭上的解吸过程存在明显的负滞后效应。添加生物质炭可增强土壤对抗生素的吸附，并且吸附量随着生物质炭热解温度的升高和添加量的增大逐渐增大。温度、pH值和阳离子的存在是影响其吸附过程的主要因素。同时，通过向土壤中施入生物质炭，结果表明添加生物质炭可以有效提高土壤pH，降低土壤酸度，提高土壤有机质含量，增强阳离子交换能力，能显著提高土壤对抗生素的吸附能力。此外，在施用生物质炭的含量不断增加及热解温度越高的生物质炭后，对土壤的改良作用效果也越好。降解实验表明，添加低含量的低温生物质炭对土壤中抗生素的降解起促进作用，而添加高含量的低温生物质炭和高温制备下的生物质炭则起抑制作用，生物质炭的高吸附能力能减缓抗生素的降解能力，降低其生物有效性等。对添加和未添加生物质炭土壤进行淋溶实验，结果表明生物质炭可以有效降低抗生素向下迁移的能力，降低其对土壤和地下水的危害。通过上述实验获得的参数，利用Hydrus-1D软件对其环境行为建立淋溶动态模型，能有效阐述和预测抗生素在土壤中的迁移行为。本项目为合理施入有机肥、预测抗生素归宿、拓宽抗生素污染土壤的治理途径、保障蔬菜生产质量提供参考。项目资助在国内外学术刊物上发表论文17篇，其中SCI收录7篇。依托本基金项目，培养了6名硕士研究生毕业，20余名本科生参与了项目，在试验设计、动手操作能力等方面得到了很好的锻炼，并完成本科毕业论文。