2020, Vol. 52
2. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041
在农业生产中，由于抗生素的广泛使用，畜禽粪便中可能残留抗生素，因而粪肥施用在提高农田土壤肥力的同时，也往往使抗生素随之进入土壤环境，并在土壤-植物系统中发生迁移转化，对农产品安全及土壤环境构成潜在威胁[1]。不易被土壤吸附、迁移性强的抗生素既可能通过地表径流、侧向壤中流等途径进入地表水，也可能通过淋溶作用进入地下水，从而对水环境安全造成风险[2]。相对于四环素类、喹诺酮类抗生素而言，磺胺类抗生素的吸附系数Kd值较低，因而在土壤中具有更强的迁移性[3]。氟苯尼考及其代谢物因其Kd值低于0.59，在土壤中具有很强的移动性，也可能通过径流过程及淋溶作用污染地下水和地表水[4]。
生物质炭是生物质在无氧或低氧条件下高温热解炭化而成的具有高度芳香化、富含碳素的多孔固体颗粒物质[5]。生物质炭对多种有机污染物具有较强的吸附亲和力，可大大降低有机污染物在土壤/泥沙中的迁移能力及潜在的环境风险[6]。Teixidó等[7]研究表明，生物质炭的添加会使抗生素磺胺二甲基嘧啶在土壤中的吸附系数Kd增加。何文泽等[8]利用中药废渣为原材料在不同温度下制备生物质炭，发现中药渣生物质炭对磺胺类抗生素具有较强的吸附能力。李洋等[9]发现3种不同温度下制备的小麦秸秆生物质炭均可快速高效地吸附高氯代苯。
紫色土是我国长江上游低山丘陵区重要的耕地资源，四川盆地的紫色土面积约占全国紫色土总面积的51.5%。紫色土中正长石、角闪石、云母、盐基含量丰富，但有机质含量不高[10]。紫色土具有土层浅薄、土壤大孔隙丰富等特点，农化物质及其他弱吸附性污染物等易随优先流发生快速的淋失迁移[11-12]。近年来，生物质炭作为土壤改良剂和污染修复剂受到广泛关注，但关于施用生物质炭控制土壤抗生素污染水平的研究主要采用室内盆栽试验，而生物质炭阻控抗生素迁移的野外试验与观测研究很少[13]。我们在前期的野外试验与观测研究中尝试采用生物质炭可渗透反应墙阻控紫色土中氟苯尼考的迁移，结果表明，在坡底构建地下含生物质炭可渗透反应土墙可有效控制氟苯尼考在紫色土坡耕地中的淋溶迁移及深层侧向迁移[14]。本研究在此基础上，一方面通过室内批量平衡试验研究生物质炭施用对石灰性紫色土中3种抗生素的吸附-解吸特征的影响，另一方面，利用野外坡耕地试验小区，比较研究耕作层面施生物质炭处理和构建坡底生物质炭可渗透反应土墙处理对抗生素迁移行为的影响，为科学评估生物质炭施用方式对抗生素迁移的阻控效果的差异提供重要的理论依据与田间观测证据。
1 材料与方法 1.1 供试材料室内分析用的抗生素标准品包括磺胺嘧啶(SD，纯度≥99.5%)、磺胺二甲基嘧啶(SMT，纯度≥99.5%)和氟苯尼考(FF，纯度≥99.5%)，均购自德国Dr.Ehrenstorfer公司。田间施用的磺胺嘧啶、磺胺二甲基嘧啶和氟苯尼考原药购自上海百舜生物科技有限公司。3种抗生素的基本理化性质见表 1。甲醇为色谱纯，购自天津市科密欧化学试剂有限公司，试验用水为超纯水，生物质炭购于河南商丘三利新能源有限公司，是由农作物混合秸秆在500 ℃、无氧条件下热解制成，含碳量为83.4%，C/N为43.13，O/C为0.27，比表面积为13.85 m2/g，平均孔径7.72 mm。试验区位于四川省绵阳市盐亭县林山乡的中国科学院紫色土农业生态试验站(105°27'E、31°16'N)内，该研究区属亚热带季风湿润气候，气候温和，多年平均年降雨量为826 mm，且集中在夏季[15]。于2015年5月，在3个坡耕地试验小区(投影面积为20 m × 5 m、坡度6°；种植制度：玉米-小麦)分别设3个处理：对照(不施生物质炭)小区(P0)、面施2.145 kg/m2生物质炭(按耕作层15 cm)小区(P1)和坡底建有含28.65 kg/m2生物质炭可渗透反应土墙(宽40 cm、深40 cm；顶端构筑为宽20 cm ×深10 cm的边沟和宽20 cm ×高10 cm的地埂；简称含炭土墙)小区(P2)。对照小区耕作层土壤中黏粒、粉粒和砂粒分别占24%、40% 和36%。经历3 a田间干湿交替老化，于2018年5月，在对照小区内、生物质炭面施小区内和含炭土墙小区的生物质炭可渗透反应土墙中分别随机采集3个点位的耕作层土壤(0 ~ 15 cm)各制成一个混合样(B0、B1、B2)。土样置于阴凉处风干后，研磨过60目筛后待室内批量平衡试验用(表 2)。
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表 1 三种目标抗生素的基本性质 Table 1 Basic properties of three tested antibiotics |
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表 2 各处理土壤基本性质 Table 2 Basic properties of tested soils under different treatments |
采用固液比为1 g: 10 ml，称取1.0 g风干土于30 ml离心管中，添加10 ml的3种抗生素(SD、SMT与FF)混合液(支持电解质为10 mmol/L CaCl2，含灭菌用的0.1 g/L NaN3)，各抗生素浓度梯度均设为0.5、1、5、10、20 mg/L，设3个重复，在避光、25 ℃、180 r/min条件下恒温振荡24 h达到吸附平衡后，在4 000 r/min转速下离心10 min，吸取上清液，经0.22 μm PTEF滤膜过滤后，采用高效液相色谱仪-紫外检测器分析滤液中的抗生素浓度。
吸附试验完成后，继续进行解吸试验，在完全移除离心管中的上清液后，加入10 ml不含抗生素的10 mmol/L CaCl2溶液，在避光、25 ℃、180 r/min条件下恒温振荡24 h达到解吸平衡后，在4 000 r/min转速下离心10 min，吸取上清液，经0.22 μm PTEF滤膜过滤后，采用高效液相色谱仪-紫外检测器，分析滤液中的抗生素浓度。
1.3 野外试验设计与监测方法在含炭土墙小区的含炭土墙墙体内侧、墙体中和墙体外侧(即小区外侧)的10、30、50和100 cm深度安装有土壤溶液采样器(Soilmoisture Equipment Co.，美国)，面施生物质炭小区和对照小区坡底部的10、30、50和100 cm深度也安装有土壤溶液采样器。各小区坡底部10 cm和30 cm深处安装有2个水势计(T4e，UMS，德国)。采用数据采集系统(CR1000，Campbell Sci.，美国)自动记录土壤水势的变化。小区旁安装有自记雨量计。在每个坡耕地小区坡底边界安装有集流槽、导流管和带独立数据采集器(H8，Hobo，美国)的自制地表径流翻斗计(图 1)。
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图 1 野外坡耕地小区试验设计和观察示意图 Fig. 1 Design and schematic of field slope farmland plot experiment |
试验所用鸡粪购自当地某禽业公司。将每个小区分为5个20 m2的样方，于2018年7月13日，在每个小区各样方中施入100 L SD、SMT和FF浓度均为1 mg/L的鸡粪浸出水(1 g鸡粪: 10 ml水，经砂滤后使用)。
于2018年7月30日降雨事件(开始于12:47，结束于14:53，降雨量52.4 mm；这是2018年监测到的唯一一次产生地表径流的暴雨事件)动态收集地表径流样品，产流开始20 min内采样间隔为5 min，之后随降雨径流量减少，采样间隔加长。
在该降雨事件发生的5 d前(7月25日)，分层采集土壤样品，测定抗生素含量。雨后1 d(7月31日)用手动真空泵(> -80 kPa)采集不同土壤深度的低吸力孔隙水(代表土壤中的可动水，是渗漏水的主要组成部分)，以比较不同的生物质炭施用方式对土壤可动水(渗漏水)抗生素污染的控制效果。
1.4 分析方法 1.4.1 分析仪器高效液相色谱仪-紫外检测器(Eclipse plus 4.6 mm × 150 mm C18色谱柱) (1200，美国Agilent公司)、高效液相色谱-三重四级杆串联质谱仪(HPLC-MS-MS；1260-6410B，Agilent，美国)、冷冻干燥机(FD-1A-50，北京博医康实验仪器有限公司)、pH计(Senslon+MM150，美国)等。
1.4.2 水样提取及检测方法室内批量试验平衡溶液中3种目标抗生素的浓度采用高效液相色谱仪-紫外检测器同时检测。流动相为体积比为25:75的乙腈-水溶液。进样量20 μl，流速0.8 ml/min，柱温30 ℃。采用梯度洗脱程序：0 ~ 7 min紫外测定波长为270 nm，7 ~ 11 min紫外测定波长为224 nm。保留时间：SD为3.5 min，SMT为5.3 min，FF为9.5 min。3种抗生素的检测限均为0.05 mg/L，标准曲线的线性范围为0.1 ~ 5 mg/L (R2≥0.999)。
野外试验观测中采集的水样(多数样品200 ml，少数样品所能采得的体积小于200 ml)过0.45 µm玻璃纤维滤膜后，采用Waters HLB固相萃取柱(3 mg)进行萃取(使用前分别用6 ml甲醇和6 ml超纯水进行活化，且在活化过程不能让HLB柱接触空气)，完成萃取后继续抽真空20 min，用6 ml甲醇洗脱，使用旋转蒸发仪将洗脱液浓缩到近干，用体积比为8:2的甲醇-水溶液定容至0.5 ml，样品过0.22 µm滤膜后使用HPLC-MS-MS检测3种目标抗生素的浓度。SMT、SD和FF的校准曲线线性范围均为1 ~ 500 μg/L(R2≥0.999 8)，检出限为0.1 μg/L。
1.4.3 土样提取及检测方法将土壤样品冷冻干燥后，用研钵研磨过60目筛。称取1.00 g样品，放入30 ml离心管中，加入2.5 ml甲醇和2.5 ml EDTA- Mc Ilvaine缓冲溶液(0.1 mol/L Na2EDTA + 0.1 mol/L Na2HPO4 + 0.06 mol/L柠檬酸，pH = 4.00±0.05)，涡旋1 min，500 w超声15 min，在4 000 r/min转速下离心10 min；反复提取3次后，分别收集上层提取液，用超纯水稀释至75 ml，将甲醇浓度控制在10% 以下；将稀释后的提取液以1 ml/min的流速通过HLB柱，过柱完成后继续抽真空20 min，随后的步骤与野外试验观测所得水样的提取及检测方法相同。
1.4.4 数据分析基于本研究区以往的研究结果[16]，本文采用Freundlich方程对等温吸附与解吸数据进行拟合，该方程经验性地描述了固体表面的目标物吸附量(Qe，mg/kg)与平衡溶液中目标物浓度(Ce，mg/L)之间的关系，公式如下：
| $\lg {Q_e} = \lg {K_f} + \frac{1}{n}\lg {C_e} $ | (1) |
式中：Kf为吸附容量常数；n为吸附亲和力值(若1/n < 1，表明为非线性，且值越小，非线性越强)。
2 结果与讨论 2.1 抗生素等温吸附-解吸特征及模型拟合抗生素在不同供试土壤中的等温吸附-解吸特征如图 2和图 3所示，方程拟合结果列于表 3。结果表明，Freundlich方程能很好地拟合B0、B1和B2中抗生素的等温吸附-解吸行为(R2：0.852 ~ 0.994)。由吸附试验数据的拟合结果可见，添加一定比例的生物质炭能够增强石灰性紫色土对抗生素的吸附容量。与B0相比，B1处理使磺胺二甲基嘧啶(SMT)、磺胺嘧啶(SD)、氟苯尼考(FF)的Kf值分别提高至1.85、2.27、16.7倍；B2处理使Kf值分别提高至2.62、4.54、69.56倍。随着施炭量的增加，土壤对抗生素的吸附能力得以提高，其幅度因抗生素种类而异。对于Kow相对较大的SMT和SD，不论施炭与否，其1/n均小于1，表明这两种抗生素的平衡浓度与固相表面吸附量呈现非线性关系，其可能的机理是：首先，颗粒表面的高能量吸附位点被占据，而后，随着浓度的提高，黏土矿物颗粒层间及微小孔隙壁上的低能量慢速吸附位点逐渐被占据，使等温吸附线呈现“L”形状[17-18]，施用生物质炭并没有明显改变其非线性特征。对于Kow最小的FF，其在对照土中的吸附拟合方程并未呈非线性(1/n > 1)，而在B1和B2中则表现出非线性吸附特征，说明生物质炭的施用引入了非线性吸附机制。添加生物质炭后，对FF吸附的提高幅度明显高于其他两种磺胺类抗生素。究其原因，一方面，生物质炭本身具有丰富的孔隙和较大的比表面积，且表面官能团丰富，其施用使土壤体系的颗粒比表面积和颗粒表面的吸附位点均得以增加，从而提高了抗生素的吸附容量。另一方面，生物质炭对抗生素吸附能力的提高作用与抗生素本身性质及水相pH有关。批量吸附平衡溶液的pH在7.8 ~ 8.0，在此pH条件下：SD大部分以中性分子存在，少部分以阴离子存在，其中性分子能通过疏水性分配作用吸附于土壤有机质及生物质炭，而其阴离子形态则因与带负电的固相颗粒表面之间存在静电斥力，吸附量较小；磺胺类抗生素主要以阴离子形态存在，通过质子交换与生物质炭表面形成强氢键(-CAHB)是(SMT)的吸附机制；极性的FF主要以中性分子存在，氢键与范德华力是其主要的吸附机理，其向生物质炭无定形组分的分配作用可能是第三种重要的吸附机理[19]。而在呈酸性的红壤中，FF则带正电荷，会与土壤及生物质炭带负电荷的吸附位点发生静电相互作用，被认为是另一种重要吸附机理[20]。
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(SMT：磺胺二甲基嘧啶；SD：磺胺嘧啶；FF：氟苯尼考，下同) 图 2 抗生素在不同处理土壤中的等温吸附特征 Fig. 2 Isothermal adsorption characteristics of antibiotics in soils under different treatments |
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图 3 抗生素在不同处理土壤中的等温解吸特征 Fig. 3 Isothermal desorption characteristics of antibiotics in soils under different treatments |
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表 3 供试土壤中抗生素等温吸附-解吸特征的Freundlich方程拟合结果 Table 3 Parameters of Freundlich equations fitted isothermal adsorption-desorption of antibiotics in tested soils |
对照土和施炭土的抗生素解吸过程并非吸附的可逆过程，且未呈现“L”型的非线性特征。本研究考查的3种抗生素均属吸附性较弱的抗生素(相对于氟喹诺酮类、四环素类、大环内酯类等而言)，总体而言，对于全部3种供试土壤，以FF和SD的解吸量最大，线性解吸特征(1/n约为1)最为突出。对于全部3种抗生素，以B2处理中的吸附可逆性总体最高(Kf, ads与Kf, des的差异相对较小)(图 3)，且往往以主要通过分配作用吸附的抗生素最易于解吸[20]。因此，有必要关注生物质炭所吸附的抗生素解吸释放风险，在野外应用试验与研究中予以充分重视。
2.2 生物质炭施用方式对坡耕地土壤水分动态变化特征的影响土壤水势可表明其水饱和度，是水分下渗与土壤孔隙持水的综合结果，其变化对坡耕地产流有重要影响，可用于判定产流类型[21]。各小区坡底不同深度(10 cm和30 cm)土壤水势随降雨过程的变化动态如图 4A所示(仅含炭土墙体中10 cm深度水势计未能正常工作)。
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(A. 不同深度土壤水势对降雨的响应动态；B、C、D：坡耕地小区地表径流中抗生素浓度的时间变化特征) 图 4 坡耕地小区土壤水势和地表径流中抗生素浓度对2018年7月30日降雨事件的响应动态 Fig. 4 Dynamics of soil water potentials and antibiotic concentrations in surface runoff for rain event on July 30, 2018 |
降雨前，生物质炭面施小区耕作层10 cm深度和非耕作层30 cm深度的土壤水势(-530 cm和-212 cm)均高于对照小区(分别为-711 cm和-733 cm)，说明耕作层中施用一定量的生物质炭在夏季不仅提高了耕作层土壤本身的保水性，而且使非耕作层土壤中的水分也更为有效地得以保持与储存，有利于植物耐受季节性干旱。类似的，适量施用生物质炭也能有效抑制西北干旱区土壤中水分的蒸发，提高田间持水量[22]。降雨开始73 min(14:00)后，生物质炭面施小区和对照小区耕作层与非耕作层土壤水势均明显升高，耕作层土壤在降雨结束之际(14:45)才达到近饱和状态。就非耕作层而言，生物质炭面施小区土壤水分最快达到近饱和状态(13:45；即降雨开始后58 min)，含炭土墙小区略迟(14:00)，对照小区最晚(16:00)。可以推论：面施生物质炭和在坡底构筑一定宽度(40 cm)和深度(40 cm)生物质炭可渗透反应土墙均能有效持留土壤水分，前者可能主要是通过提高耕作层土壤的持水能力并减少深层土壤水分因毛细管作用上升补充耕作层土壤蒸发失水而造成的损失，后者则可能是由于坡底构建的含炭土墙有效持水从而减控坡耕地土壤水分的侧渗损失。前期研究表明，供试生物质炭本身的孔隙丰富且孔径分布范围宽，具有三峰型分布特征(包括直径0.02 ~ 0.01 mm、0.1 ~10 µm和 > 10 µm 3个范围)，其中0.1 ~ 10 µm孔隙所持留水分为植物可利用水；施用生物质炭能改变紫色土孔隙分布特征，使其植物有效水(PAWC)持留容量增加[23]。
2.3 生物质炭施用方式对坡耕地中抗生素随地表径流流失特征的影响不同处理坡耕地小区地表径流抗生素浓度在2018年7月30日降雨事件中的动态变化情况如图 4所示。两种生物质炭施用方式对地表径流中SMT浓度的消减作用都显著体现在降雨后期的退水期(14:20之后)。含炭土墙小区在地表径流各发生时间段的SMT浓度(18.8 ~ 38.8 µg/L)均低于对照小区和生物质炭面施小区，特别是在14:20降雨强度开始减弱、雨水稀释作用下降以后，浓度削减幅度更大。以对照小区地表径流的SMT浓度最高，可达837.7 mg/L，坡底的含炭土墙(顶端设增强阻截作用的边沟-地埂结构，如图 1)始终能有效去除径流中的SMT，减少其输出。面施生物质炭虽然对SMT的迁移也有一定的阻控作用，但效果不及坡底的含炭土墙。生物质炭面施小区地表径流中的SMT浓度在径流发生主要时段(14:20之前的涨水期)略高于对照小区，其原因在于前者的径流系数(0.07)明显小于后者(0.20)(表 4)，雨水对从表层土中解吸释放的SMT所起的稀释作用以对照小区更为显著。
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表 4 不同处理小区基于降雨事件的地表径流系数及抗生素输出负荷 Table 4 Plot surface runoff coefficients and antibiotic output loads under different treatments based on rain event |
由表 4可知，面施生物质炭和在坡底构建含炭土墙都能有效降低抗生素的输出负荷，以含炭土墙更为有效。同一施炭方式对不同抗生素的阻控效果并不相同，但都表现为对FF输出负荷的削减率最低。含炭土墙对SD迁移的阻控效果最好(相对于对照小区的输出负荷削减率为84.9%)，其次是SMT(削减率80.8%)，再次为FF(削减率50.4%)。面施生物质炭对SMT迁移的阻控效果最好(削减率73.3%)，其次是SD(削减率29.9%)，再次为FF(削减率11.4%)。本文仅展示了2018年唯一一场形成地表径流的暴雨事件的观测结果，未来还需对更多场次暴雨事件进行观测，以更为系统地阐明土壤前期含水量、雨型、施药与降雨的时间间隔等因素对生物质炭阻控抗生素迁移效果的影响。
2.4 生物质炭施用方式对坡耕地土壤抗生素含量及孔隙水抗生素浓度的剖面分布特征降雨事件5 d前各小区坡下部不同深度土壤抗生素含量的分析结果表明(图 5)，对照小区和坡底含炭土墙小区内土壤中SMT和SD的最大分布深度均达90 cm，但生物质炭面施小区中这两种抗生素的分布深度仅分别到40 cm和30 cm，说明生物质炭能有效吸附并阻控SMT和SD的垂向迁移。然而，所有土壤样品中FF(吸附性最弱)含量水平均未达到HPLC- MS-MS的检测限，但这并不影响本文评估生物质炭施用方式对抗生素随径流迁移和土壤孔隙水(低吸力可动水)抗生素浓度的削减效果。
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图 5 坡耕地小区土壤抗生素含量的剖面变化特征(雨前5 d) Fig. 5 Profile distributions of soil antibiotic contents in slope farmland plots under different treatments |
雨后1 d各坡耕地小区坡下部不同深度土壤孔隙水中的抗生素浓度如图 6所示。经7月30日暴雨事件后，SMT和SD在对照小区中均以较高浓度淋失迁移至100 cm深度，在含炭土墙小区中仅以较低浓度分别迁移至100 cm和50 cm，这可能是由于如前所述坡底含炭土墙限制了水分侧渗从而也限制了水分向土壤深层的渗漏以及抗生素的垂向迁移，这种迁移阻控作用对于吸附性相对较强(lgKow值0.81)的SD更为明显。在生物质炭面施小区中，SMT的迁移深度达50 cm，SD仅在10 cm深度检出，两者的最大迁移深度都小于对照小区与坡底有5% 含炭土墙小区。FF在生物质炭面施小区中的最大分布深度也仅为30 cm，说明面施生物质炭能有效阻控3种抗生素向深层土壤的淋失迁移；在坡底有含炭土墙小区中，FF仅在50 cm深处的土壤孔隙水中检出；在对照小区的土壤孔隙水中未检出FF，说明FF在石灰性紫色土中不仅吸附弱，而且易于降解(FF在大多数土壤中的半衰期为3.6 ~ 27.2 d[24])。SMT浓度总体明显高于SD，说明SMT在石灰性紫色土环境中的持久性更强。对于含炭土墙(40 cm高)处土壤孔隙水的分析结果表明，吸附性居中的SMT能从小区上坡向侧渗到达含炭土墙墙体中，故而在含炭土墙处不同深度土壤孔隙水中均有低浓度检出；吸附性最强的SD在含炭土墙处孔隙水未检出；吸附性最弱的FF仅在含炭土墙处50 cm深处(即含炭土墙墙体下方10 cm处)孔隙水中以很低浓度(2.25 mg/L)检出，与小区坡下部的检出深度相同，但比其浓度(11.05 µg/L)低很多，说明含炭土墙处50 cm深度土壤孔隙水中的FF可能来源于上坡向通过含炭土墙下方土壤层的低通量侧渗。因此，坡长、坡度与含炭土墙所需修建深度的关系也是未来研究中值得探讨的问题。
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图 6 坡耕地小区土壤孔隙水中抗生素浓度的剖面变化特征(雨后1 d) Fig. 6 Profile distributions of antibiotic concentrations in soil pore water in slope farmland plots under different treatments |
1) 生物质炭的添加显著增强石灰性紫色土对3种目标抗生素(磺胺嘧啶、磺胺二甲基嘧啶和氟苯尼考)的吸附与固持作用，其等温吸附和解吸行为均能被Freundlich方程较好地拟合。
2) 紫色土坡耕地面施生物质炭既能显著提高土壤的田间持水能力，又能大幅降低地表径流系数。
3) 面施生物质炭和在坡底构建生物质炭可渗透反应土墙(顶端设边沟-地埂结构)都能有效降低全部3种目标抗生素随地表径流的输出负荷，以后者更有效；3种抗生素中以对氟苯尼考随地表径流输出负荷的削减率最低。面施生物质炭能更为有效地阻控3种抗生素向土壤深层的垂向淋失迁移。
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