生物炭對銅污染農田土壤重金屬形態的影響

項艷 熊鑫 胡長江

摘 要：以安徽銅陵獅子山附近的農田土壤為對象，外源添加竹炭（0，1%，2%，5%）、稻殼生物炭（0，1%，2%，5%）以及兩者混合物（1∶1，2%），在室溫下老化45d，含水量始終保持在最大田間持水量的30%，研究土壤pH及土壤重金屬Cu形態的變化。結果表明，隨著生物炭質量比的不斷增大，土壤pH逐漸增大，Cu的可交換形態減少，殘渣態增多。說明生物炭對于重金屬污染土壤具有一定的修復作用，其中1∶1混合生物炭的固化效果最佳。

關鍵詞：生物炭;重金屬銅;農田土壤;形態分析

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）06-0110-03

1 引言

隨著工業的快速發展，農藥及化肥的大量使用，農田土壤重金屬污染越來越嚴重[1]。據統計，我國19.4%的耕地受到鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛等重金屬污染，污染耕地總面積達到2.3×107hm2[2]。因此，如何解決土壤重金屬污染，提高農產品安全，已成為環境研究的熱點問題。

生物炭是一種高效環保的土壤修復藥劑，屬有機鈍化劑，其特殊的物理化學性質，可以降低土壤中重金屬的遷移性和毒性，進而達到修復、改良土壤的目的[3-5]。本試驗通過單獨添加竹炭、稻殼生物炭以及兩者混合添加，對銅污染農田土壤進行鈍化修復，分析了加入鈍化劑后土壤pH及土壤重金屬Cu形態的變化，以期為礦區農田土壤重金屬的有機修復提供參考[6-7]。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1 供試土壤 供試土壤采自安徽省銅陵市獅子山礦區附近農田土壤，基本理化性質見表1，土壤中重金屬銅總量為236.66mg/kg。

2.1.2 供試材料 試驗所需的竹炭、稻殼生物炭均購自浙江農科院生物炭研究所，粒徑為2～3mm。

2.2 試驗設計 本試驗共設8個處理，分別為：①空白對照（CK）;②～④添加不同質量比1%、2%、5%的竹炭（BC1%、BC2%、BC5%）;⑤～⑦添加不同質量比1%、2%、5%的稻殼生物炭（RC1%、RC2%、RC5%）;⑧2種生物炭以1∶1混合并按質量比2%添加到土壤中（BC+RC）。稱取100g過20目篩的供試土壤，用稱重法使土壤的含水率維持在30%，在室溫條件下老化培養45d，風干、研磨后用于后續實驗。

2.3 測定方法

2.3.1 土壤pH 風干土樣100目篩過濾后，稱取5.0±0.1g，置于50mL離心管內，加12.5mL無CO2水，用振蕩器振蕩30min，靜置1h，pH計調至標準，用pH電極測定上清液的pH值。

2.3.2 土壤重金屬形態 采取Tessier[8]5步提取法進行土壤中重金屬的形態分析，用ICP測定重金屬Cu含量。

3 結果與分析

3.1 不同生物炭對土壤pH的影響 pH值能夠反映重金屬活性的變化，研究土壤pH值可以評定土壤化學性質。不同生物炭處理對土壤pH值的影響見圖1。從圖1可以看出，隨著生物炭的添加，pH值逐漸升高，兩者呈現出正相關的關系。當加入1%、2%、5%的竹炭后，土壤pH值逐漸增加了0.18、0.19和0.33，相同質量比的稻殼生物炭對pH值的影響較弱。

3.2 不同生物炭對土壤Cu形態的影響

3.2.1 不同生物炭對土壤中可交換態Cu的影響 從圖2可以看出，隨著竹炭、稻殼生物炭添加量的增加，土壤中可交換態銅的含量逐漸降低。可交換態容易被植物所吸收，同時也是重金屬對土壤產生污染的主要形態。2種生物炭1∶1混合的效果最好，其次是5%的稻殼生物炭。

3.2.2 生物炭對碳酸鹽結合態Cu的影響 從圖3可以看出，碳酸鹽結合態Cu含量隨著生物炭的添加呈現出明顯的上升趨勢，在5%的質量比下達到最高，其中竹炭處理的土壤碳酸鹽結合態Cu含量要大于稻殼生物炭，1%竹炭條件下的土壤中碳酸鹽結合態Cu的含量最少。

3.2.3 生物炭對鐵錳氧化態Cu的影響 從圖4可以看出，添加生物炭后，鐵錳氧化態Cu的含量逐漸下降，5%RC條件下的土壤所含鐵錳氧化態Cu含量最低，和對照組土壤相比，加入生物炭后，鐵錳氧化態Cu含量下降，且隨著質量比的不斷增大，呈現出梯度變化。

3.2.4 生物炭對有機態Cu的影響 從圖5可以看出，1∶1混合比例添加生物炭，產生的有機態Cu最多;隨著添加比例的增加，有機態Cu含量呈現出上升下降再上升的變化趨勢。對比未添加生物炭的空白土壤，生物炭的添加促使銅有機態含量在土壤中的比重上升。

3.2.5 生物炭對殘渣態Cu的影響 從圖6可以看出，加入生物炭后，殘渣態Cu含量明顯提高，而且添加比例越高，產生的殘渣態越多，說明生物炭對于含銅重金屬污染土壤的良好修復效果。2種生物炭1∶1混合添加，其殘渣態Cu含量較高，效果良好。

4 結論與討論

本研究結果表明，添加竹炭、稻殼生物炭可有效提高土壤pH值;并且生物炭的添加使土壤中重金屬的形態發生變化。添加竹炭、稻殼生物炭后，土壤中可交換態Cu會向更加穩定的結合態和殘渣態轉化，竹炭、稻殼生物炭的添加量越大，轉化效果越顯著;竹炭、稻殼生物炭混合添加時的效果最好，優于單一竹炭或稻殼生物炭，混合添加更適合污染土壤的修復。

在重金屬銅污染土壤中，按0、1%、2%、5%、1∶1依次添加竹炭和稻殼生物炭，土壤pH值逐漸增大，也同樣展示出重金屬活性的變化，這與Rizwan[9]和高瑞麗等[10]的研究結果類似，他們通過鈍化試驗發現施用生物炭后的土壤pH值提高，加入竹炭和稻殼生物炭后，銅的可交換態對比空白組逐漸下降，逐漸轉化成碳酸鹽結合態、有機態、鐵錳氧化態、殘渣態，這與高瑞麗等[3]添加生物炭后顯著降低了銅、鉛和鎘的弱酸提取態含量的研究結果類似。在重金屬形態的分析中，土壤中Cu的可交換態比重降低，而殘渣態升高，說明生物炭可以在某種程度上促進重金屬形態的轉化，減少重金屬污染。

參考文獻

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[2]陳遠其，張煜，陳國梁.石灰對土壤重金屬污染修復研究進展[J].生態環境學報，2016，25（8）：1419-1424.

[3]高瑞麗，唐茂，付慶靈，等.生物炭、蒙脫石及其混合添加對復合污染土壤中重金屬形態的影響[J].環境科學，2017，38（1）：361-367.

[4]Zhang X，Wang H，He L，et al. Using biochar for remediation of soils contaminated with heavy metals and organic pollutants[J].Environmental Science & Pollution Research，2013，20（12）：8472-8483.

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[7]Zhang X K，Wang H L，He L Z，et al. Using biochar for remediation of soils contaminated with heavy metals and organic pollutants[J].Environmental Science and Pollution Research，2013，20（12）：8472-8483.

[8]Tessier A，Campbell P G C，Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals[J].Analytical Chemistry，1979，51（7）：844-851.

[9]Rizwan M S，Imtiaz M，Huang G Y，et al. Immobilization of Pb and Cu in polluted soil by superphosphate，multi-walled carbon nanotube，rice straw and its derived biochar[J].Environmental Science and Pollution Research，2016，23（15）：15532-15543.

[10]高瑞麗，朱俊，湯帆，等.水稻秸稈生物炭對鎘、鉛復合污染土壤中重金屬形態轉化的短期影響[J].環境科學學報，2016，36（1）：251-256.

（責編：張 麗）