生物炭在農田重金屬鎘污染治理中的應用分析

伍藝 鄭敏怡 楊振東 朱蕓

（桂林理工大學廣西礦冶與環境科學實驗中心廣西桂林541000）

生物炭在農田重金屬鎘污染治理中的應用分析

伍藝 鄭敏怡 楊振東 朱蕓

（桂林理工大學廣西礦冶與環境科學實驗中心廣西桂林541000）

隨著我國經濟的快速發展，人類對大自然的破壞程度也原來有嚴重，我國土地污染狀態也呈現著逐年惡化的趨勢，尤其是重金屬對于土地的污染問題，已經成為了當今社會一大嚴峻的挑戰。本文圍繞生物炭在阻礙農田金屬鎘脅迫下農作物保護酶系統中的應用、生物炭在調控農田重金屬土壤鎘賦存形態分布中的應用、生物炭在農田重金屬鎘吸附上的應用三個方面展開討論，對生物炭在農田重金屬鎘污染治理中的應用進行了分析，并提出了一些作者自己的拙見，希望能夠對我國農田重金屬鎘的污染治理工作提供一些理論建議。

生物炭；農田；重金屬鎘；污染治理

1 生物炭在阻礙農田金屬鎘脅迫下農作物保護酶系統中的應用

根據目前的研究認為，重金屬鎘對農田作物產生傷害的主要方式是引起農作物體內過氧化脅迫，其中包括產生活性氧化代謝產物以及加快氧酶活性的清除，最終引起脂質過氧化以及蛋白結構的變化和斷裂，最終導致細胞衰滅，引起農作物產量降低。

SODCATPOD三種酶共同組成保護酶系統，它們通過相互間的協同作用，來維持自由基始終保持在較低水平狀態，避免自由基升高引起農田破壞。農作物中的SOD活性會隨著鎘脅迫處理濃度的增加而明顯上升。在單一濃度條件下加入生物炭，由C1處理的SOD活性明顯低于CK，由C2處理的SOD活性顯著升高。在不同生物炭的使用條件下，農作物CAT活性未發生明顯變化。農作物SOD活性與POD活性同時發生先降后升的變化，說明C2處理過程中施加的大量的生物炭，反而對農作物產生了另一種脅迫，導致酶活性的反復升高。

在不同的鎘濃度條件下，不同處理方式的農作物的游離脯氨酸含量也會隨著鎘濃度的增加而增加。在加入生物炭后，C1及C2處理的農作物中的游離脯氨酸含量降低，且這一降低趨勢會隨著生物炭含量的增加而變得更加明顯。

2 生物炭在調控農田重金屬土壤鎘賦存形態分布中的應用

相關研究表明，重金屬鎘對于農田的危害程度不僅僅取決于它在農田中的濃度高低，同時也與它的賦存形態分布狀況具有較大的關系。現階段，生物炭在農田重金屬污染中治理中的應用價值已經得到了相關學術界的高度認可，但對于這一技術的應用主要還是集中在單一的賦存形態分布中。為此，筆者在此基礎上增加了重金屬土壤鎘賦存形態分布改變下的應用研究，希望能夠對后續的農田金屬鎘污染研究提供理論依據。

在加入生物炭之后，有機質硫化物結合態與殘渣晶體結合態Cd占據了較大的比例，而氣他種類物質的占比則低于1/2。土壤中的生活活性最高，能夠被植物直接吸收的可交換金屬鎘在生物炭加入之前的含量最高，占據土壤中鎘賦存總量的百分之二十；在加入生物炭之后，可交換態金屬鎘的占比逐漸降低。碳酸鹽結合態鎘的變化不大，仍然占比12%左右，并隨著生物炭的加入而提升。而遷移能力較弱的鐵錳氧化物結合態鎘隨著生物炭的加入呈現出逐漸增加的狀態，但是增加趨勢較為平緩。硫化物結合態鎘并沒有隨著生物炭的加入而出現明顯的變化。在加入生物炭后，可交換金屬鎘從百分之二十降到百分之九，而毒性較低且難以被植物吸收的殘渣晶體格結合態鎘的占比則呈現出四到五個點的增加，綜上所述，生物炭的施加可以有效減少農田土壤中的有效鎘金屬，并有助于土壤中鎘離子的鎖定。

3 生物炭在農田重金屬鎘吸附上的應用

生物炭的吸附能力不僅與外界條件有關，更多地是由它本身的理化性質所決定的。生物炭顆粒越小、體表面積越大、孔數越多，其金屬吸附能力也越強。吸附與解吸是生物炭用來吸附重金屬的有效方式，這些過程的有效性會直接重金屬鎘在農田中的遷移情況。現階段，大部分研究都集中在生物炭吸附及解吸過程在重金屬上的應用，而針對不同的最髙熱解溫度處理如何影響生物炭的吸附容量這一問題卻沒有深入的研究，筆者試圖在本文中對這一應用進行了研究。

根據下表3.1表明，生物炭對二價鎘的吸附量與它的酸堿度、陽離子交換量等呈現明顯的正比關系；而解吸量與酸堿度之間呈現明顯的反比關系。平均孔徑和吸附量以及固持量極之間存在顯著的反比關系，與解吸量之間存在明顯的正比例關系。上述結果表明，在所有影響生物炭吸附重金屬鎘的因素中，正向影響性較大的因素為酸堿度與陽離子交換量，其次為體表面積大小。反向影響較大的因素為生物炭的解吸能力大小。

表3 .1吸附解吸量、固持量與生物炭理化性質之間的關系

在農作物與不同熱解溫度生物解吸的同時，吸附狀態下的二價鎘解吸量會隨著震蕩時間的增加而不斷上升。在低濃度二價鎘狀態下，高熱結溫度生物炭吸附二價鎘之后能夠快速實現解吸量平衡。在保持解吸平衡狀態后，中熱解溫度生物炭固持鎘量與高熱解溫度生物炭固持鎘量均超出農作物與熱解溫度300攝氏度的生物炭，T-500可以實現最佳的二價鎘固持效果。而對低濃度二價鎘中接受吸附解吸處理的樣品開展能譜分析后進一步驗證了生物炭對重金屬鎘離子具有高度的吸附作用以及鎖定作用。

[1]丁華毅.生物炭的環境吸附行為及在土壤重金屬鎘污染治理中的應用[J].廈門大學，2014.