生物炭修復技術在鉛污染土壤及植物生長中的應用研究①

吳春蕾

(安徽農業(yè)大學經(jīng)濟技術學院，安徽合肥230036)

生物炭修復技術在鉛污染土壤及植物生長中的應用研究①

吳春蕾

(安徽農業(yè)大學經(jīng)濟技術學院，安徽合肥230036)

為了探討生物炭對鉛污染土壤的修復效果，以耕作農田土壤為供試土壤，分別向其中加入200 mg·L-1與1 000 mg·L-1鉛溶液進行人為污染，采用1%、5%生物炭修復劑BC400(中藥渣生物炭與花生殼生物炭1：1)進行修復處理，分析測定了印度芥菜(Brassicajuncea)生長前后土壤pH值、土壤鉛含量、種子萌發(fā)率以及植物體內鉛含量的變化.研究結果發(fā)現(xiàn)，人為加鉛污染后，土壤pH值下降、NH4NO3浸提態(tài)鉛含量上升、植物株高、莖粗均下降，植物體內重金屬含量上升.加入生物炭修復劑后，可有效改善土壤pH值，提高種子萌發(fā)率及植株的高度和莖的粗度，顯著降低NH4NO3浸提態(tài)鉛含量、植物鉛含量，且5%生物炭修復劑的改善效果優(yōu)于1%.生物炭應用可鉛污染土壤，有效降低重金屬對植物生脅迫作用，可用于重金屬污染土壤的生物修復.

鉛污染，土壤修復，生物炭

0 引言

根據(jù)國際鉛鋅研究小組(ILZSG)報道顯示，我國精煉鉛產量大約占據(jù)了全球精煉鉛的總產量達到了一半.因我國大規(guī)模冶煉、鉛礦開采以及在工農業(yè)生產過程中，使得大量鉛不可避免地進入到土壤和水體中，從而導致較為嚴重的環(huán)境污染[1].相較于水體重金屬污染的治理，土壤中的重金屬污染的修復難度更高，且更為復雜.隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國土壤重金屬污染問題日益嚴重，為此，加強修復治理成為了關鍵.生物炭主要是指在廢棄生物質在限氧或者厭氧環(huán)境下，經(jīng)由熱解處理獲得的一種高度芳香化的、穩(wěn)定的多孔狀富碳固型材料[2].因其含有相對較為發(fā)達的孔隙結構、表面含氧官能團以及大量的灰分組成等特性，使得生物炭在溫室氣體減排、固炭以及土壤改良等各個領域均有較好的發(fā)展前景[3].

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.2 生物炭.本研究修復劑為中藥渣與10種花生殼生物炭.盡管通過500℃以上高溫獲得的生物炭其pH和灰分的含量均較高，但因考慮到高溫制備條件的能量消耗也相對較高，生物炭的成本也會相應升高，為此，本研究采用低于400℃低溫獲得生物炭來作為鉛污染土壤的修復，同時其還可為土壤提供豐富的營養(yǎng)成分[4].除此之外，因中藥渣本身含有大量的水分，需要經(jīng)過多道程序進行處理，但其鉛吸附作用優(yōu)于花生殼，故本研究修復劑按照1：1的比例，對中藥渣生物炭與花生殼生物炭進行調配，制作成混合修復劑，并將混合后的生物炭標記為BC400.

1.2 方法

1.2.1 土培實驗.本研究土培實驗主要探討生物炭對污染土壤中鉛的固持作用.將供試土壤分為兩個區(qū)域，取Pb2+溶解向供試土壤中添加，使兩個區(qū)的土壤鉛總量能夠達到200 mg·kg-1與1 000 mg·kg-1，獲得鉛污染土壤.再次對鉛污染土壤進行風干處理，并在充分混合之后，將其放入帶裝袋中備用.按照1%、5%的比例進行添加，共獲得8個實驗區(qū)，具體設計內容見表1.各實驗區(qū)取200 g裝入塑料花盆中，并做好相應標記，放置在溫室條件下持續(xù)培養(yǎng)35 d.培養(yǎng)過程中，需對離子水進行稱量，確保土壤濕度的飽和含水率能夠達到60%左右，并在35 d后對土壤進行測定分析.

表1 土壤處理設計

1.2.2 盆栽實驗.按照表1土壤處理方法，取各組土壤1000g裝入塑料花盆中，持續(xù)進行14 d的培養(yǎng).取無損傷印度芥菜(Brassica juncea)種子，種植在各組花盆中，每個花盆各種植10粒，觀察各組花盆種子發(fā)芽情況.對植物培養(yǎng)35 d，分別進行地下部分與地上部分進行樣品收割.通過抖根法對根際土壤樣品進行采集；根系則在進行洗凈之后，與地上部分共同放置在105℃烘箱進行30 min處理，然后在65℃烘箱中對其進行烘干處理，對植物干重處理之后研磨成粉末，并將其儲備在干燥器中備用.

1.3 分析方法

1.3.1 pH測定.將土壤與去離子水按照1：5的比例進行土壤pH測試，取自然風干土壤1.6 g，將其放置于聚丙烯小瓶中，取離子水，向其中加入8 mL，并將其放置在磁力攪拌器中進行3 min攪拌處理，靜止30 min后對溶液的pH值進行測定.

1.3.2 土壤中有效性鉛測定.稱取自然風干處理后土壤樣品4 g，將其放置于聚乙烯離心管中，向其中加入NH4NO3溶液10 mL，充分混合之后，在25℃溫度下，將其放置于恒溫振蕩箱內進行2 h振蕩處理.在完成振蕩處理之后，行離心處理，4 000 rpm，15 min，過濾，對濾液中鉛濃度進行測定，并根據(jù)結果對單位土壤中鉛含量進行計算.

1.3.3 植物體鉛含量測定.取植物地下與地上部分的粉末，經(jīng)由微波消解法處理后，對消解溶液中鉛濃度進行測定，并根據(jù)結果對植物體中的鉛含量進行計算.

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用計算機系統(tǒng)自帶軟件EXCEL2007對本實驗數(shù)據(jù)進行整理，并以統(tǒng)計學軟件SPSS17.0對數(shù)據(jù)進行分析處理，以Duncan對顯著差異進行檢驗，以Pearson檢驗相關性分析結果.運用EXCEL2007與Origin8.0行圖標繪制.

2 結果與討論

2.1 生物炭對土壤pH的影響

圖1為不同處理處理方式下土壤的pH的大小.供試土壤pH值為5.82，表明供試土壤呈現(xiàn)微酸性.加入200 mg·kg-1和1 000 mg·kg-1重金屬鉛后， 1組與2組兩處理組均明顯下降.這主要是由于在向土壤中加入鉛溶液后土壤中所含有的各種輕金屬離子被快速吸附，并被鉛替代，尤其是2組加入1 000 Pb溶液后，其pH值下降最為顯著.向其中添加生物炭修復劑BC400，各組pH值均發(fā)現(xiàn)了不同程度的增加.除7組外，其余各組pH值均有顯著升高，且表現(xiàn)為明顯的5%BC400濃度越高，pH值越高的特點.結果表明，向鉛污染土壤中添加生物炭，有利于土壤pH改善，且添加濃度越高其改善效果越顯著.

圖1 不同處理土壤的pH

2.2 生物炭對土壤固持重金屬Pb的影響

通過向重金屬污染土壤中添加含有堿性物質的溶液，可促使游離重金屬離子被固定，這種效應可將其稱之為“石灰效應”[5].通常情況下，絕大多數(shù)的生物炭均是因堿性灰分而致使其表現(xiàn)為堿性，故進一步分析了生物炭添加后對土壤中有效鉛含量的影響，結果見圖2所示.從圖2可以看出，1組與2組處理時候鉛濃度有顯著提升，顯著高于對照組，尤其是2組加入1 000 Pb溶液后其前濃度甚至相差了41 mg·kg-1，這很可能對植物帶來損傷，但同時可能導致植物富集，致使食品安全性受到影響.通過向土壤中加入1%、5%BC后，3組、4組鉛含量與對照組鉛濃度水平一致，這表明BC400具有較高安全性可用于土壤的修復.另根據(jù)5組、6組、7組、8組變化來看，向200 Pb、1 000 Pb污染后土壤中加入1%、5%BC400，均可促使土壤中鉛濃度下降，并且5%BC400的改善效果均顯著優(yōu)于1%BC400的效果.這充分表明，高添加量更利于土壤中鉛濃度的固持.

圖2 不同處理土壤的NH4NO3浸提態(tài)鉛含量

2.3 生物炭對鉛污染土壤植物芥菜種子發(fā)芽率的影響

根據(jù)圖3來看，在向土壤中添加200Pb、1 000Pb后，1組與2組芥菜的發(fā)芽率均明顯下降，尤其是添加1 000 Pb后，發(fā)芽率受抑嚴重.根據(jù)3組與4組情況來看，加入1%、5%BC400后其發(fā)芽率均出現(xiàn)了不同程度的升高，即表示BC400可促使土壤松軟，增加通透性，從而達到增強土壤的持水能力，故有利于發(fā)芽率的提升.另向鉛污染土壤添加BC400，可以看到其發(fā)芽率均有不同程度的增加，并且5%BC400的發(fā)芽率均明顯高于1%BC400.即表明通過向鉛污染土壤添加BC400可有效改善鉛對種子的傷害，提高發(fā)芽率，同時BC400添加濃度越高其發(fā)芽率改善效果越顯著.

圖3 不同土壤處理中芥菜發(fā)芽率

2.4 生物炭對鉛污染土壤植物芥菜株高、莖粗的影響

生物炭除了可對土壤質地進行改善，同時還能夠補充一定的營養(yǎng)成分，更利于植物的生長.根據(jù)圖4來看，1組、2組分別向土壤中加入200 Pb、1 000 Pb鉛溶液，芥菜的株高明顯低于對照組，即表明受鉛污染的土壤不利于植物的生長，對植物生長產生脅迫作用.3組、4組向土壤中添加1%BC400芥菜株高無變化，但加入5%BC400株高明顯上升，即表示通過高濃度BC400的添加有利于促進植物生長；分別向不同鉛濃度污染后土壤添加不同濃度的BC400，可觀察到5組、6組、7組、8組芥菜株高有不同變化，其中6組的株高最高，而8組株高最低，這表明高濃度的鉛溶液致使土壤嚴重受損，即便是加入高濃度的BC400其修復效果也不理想.

圖4 不同土壤處理中芥菜株高

根據(jù)圖5來看，1組、2組分別向土壤中加入200 Pb、1 000 Pb鉛溶液，芥菜的莖粗明顯低于對照組，即表明受鉛污染的土壤會對植物莖粗造成影響；3組、4組向土壤中添加1%BC400芥菜莖粗的有明顯升高，即表示通過BC400的添加有利于促進植物莖粗的增加；分別向不同鉛濃度污染后土壤添加不同濃度的BC400，可觀察到5組、6組、7組、8組芥菜莖粗有不同變化，除7組莖粗小于對照組之外，其余三組莖粗均大于等于對照組，而根據(jù)濃度添加結果來看，添加5%BC400組的莖粗明顯高于1%BC400組.這表明通過添加BC400可有效改善植物的莖粗，而添加濃度越高其效果越顯著.

圖5 不同土壤處理中芥菜莖粗

2.5 生物炭對鉛污染土壤植物芥菜地上部、地下部鉛含量的影響

圖6和圖7為印度芥菜在不同處理方式下植物體地上部分和地下部分重金屬的含量.從圖中可知，向土壤中加入200 Pb、1 000 Pb鉛溶液，1組、2組芥菜地上部、地下部鉛含量出現(xiàn)了不同程度的升高，其中加入1 000 Pb溶液的3組其鉛含量甚至達到了90 mg·kg-1，這意味著土壤中鉛含量的增加必然會致使植物地上部、地下部鉛含量升高.向土壤中加入1%、5%BC400后，3組、4組與對照組比較，其芥菜地上部、地下部鉛含量均明顯下降，這表明BC400可有效改善植物地上部、地下部的鉛含量.另向鉛污染土壤中加入BC400，無論200 Pb組還是1 000 Pb組芥菜的地上部、地下部鉛含量均出現(xiàn)了顯著下降，且5%BC400的改善效果均顯著優(yōu)于1%BC400的效果.這充分表明，鉛污染土壤可導致植物地上部鉛含量增加，而通過運用BC400生物炭對土壤進行修復處理后，其植物地上部、地下部鉛含量能夠得到不同程度的改善，且生物炭的濃度越高其改善效果越明顯.

圖6 不同土壤處理中芥菜地上部鉛含量

圖7 不同土壤處理中芥菜地下部鉛含量

3 結論

本研究選取普通耕作農田土壤作為研究對象，通過加入不同濃度的鉛溶液對其進行人為污染處理，并通過土培實驗分析生物炭對污染土壤中鉛的固持效果以及通過盆栽實驗對生物炭鉛污染土壤的修復效果進行分析，最后得出以下結果.

(1)采用200 Pb、1 000 Pb鉛溶液對土壤進行處理，其pH值明顯下降，而經(jīng)過1%、5%BC400修復處理后，pH值出現(xiàn)不同程度升高，且5%BC400的升高幅度更大.鉛溶液污染后土壤NH4NO3浸提態(tài)鉛含量顯著上升，而BC400處理后，NH4NO3浸提態(tài)鉛含量均表現(xiàn)為明顯下降，且5%BC400組下降更顯著.這表明生物炭具有較好的鉛固持效果，且濃度越高其固持效果越明顯.

(2)鉛污染土壤芥菜的株高、莖粗均小于對照組，而地上下部鉛含量高于對照組，但通過BC400處理后，芥菜的株高、莖粗均不同程度增加，地上下部鉛含量有不同程度下降，且5%BC400組明顯高于1%BC400組.這表明生物炭對印度芥菜的生物量有顯著改善.

總而言之，生物炭可有效修復鉛污染土壤，避免土壤中營養(yǎng)成分的丟失，促進植物生長，這表明生物炭修復技術是一種用于植物增產和污染治理的技術，未來可廣泛用于土壤修復.

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Application and Remediation Function of Biochar for the Plant Growth on Lead Contaminated Soils

WU Chun-lei

(School of Economic Technology,Anhui Agricultural University,Hefei 230036，China)

In order to investigate remediation effects of the biochar to Pb contaminated soil, the soil pH, soil, plants, seed germination rate and lead changes in 200 mg·L-1and 1 000 mg·L-1Pb man-made contaminated soils from the farm with 1%, 5%, biochar remediation agent BC400 (for Chinese medical Residues biochar and peanut shells volume ratio is 1:1) for Brassica juncea were studied in this paper. The results showed that soil pH decreased and NH4NO3Pb concentration was increased after adding Pb to the soils. The plant height, stem diameter were decreased, too. Heavy metal Pb concentration in plant were increased.After adding biochar remediation agent, soil pH can be effectively improved. The seed germination rate, plant height and the stem diameter were improved. NH4NO3extracted Pb and plant Pb concentrations could be reduced with biochar remediation agent. The remediation effects of 5% biochar was better than that of 1% biochar.Biochar can be applied for lead contaminated soils, which can reduce the heavy metal stress on plants. It can be used in the bioremediation of heavy metal contaminated soils.

lead pollution，soil remediation，biological carbon

2016-06-19

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃項目(gxyq2017146);安徽省國土資源廳基金項目(2013-K-06)；安徽省生物學重點學科經(jīng)費(2014QJK015)資助

吳春蕾，E-mail:371036925@qq.com.

X53

A

1672-6634(2017)01-0066-06