生物質(zhì)炭對鉛鋅復(fù)合污染土壤修復(fù)機(jī)理的研究

方嘉 應(yīng)赟赟 鐘斌 金文偉

摘? 要：為研究生物質(zhì)炭對鉛鋅復(fù)合污染土壤修復(fù)的機(jī)理，以松木棒炭、玉米秸稈炭、秸稈塊炭、花生殼炭、木質(zhì)顆粒炭和機(jī)制木棒炭為重金屬鈍化劑，以鉛鋅復(fù)合污染土壤為對象，利用盆栽試驗(yàn)研究了不同原材料制成的生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤pH、有機(jī)質(zhì)、小白菜體內(nèi)Pb、Zn含量的影響。結(jié)果表明：施用生物質(zhì)炭可以顯著提高重金屬污染土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量，施用玉米秸稈炭的效果最佳，小白菜地上部Pb、Zn含量與對照相比顯著降低65.3%和41.6%。由此可見，生物質(zhì)炭是一種能有效降低作物中重金屬含量及減輕作物受到的重金屬毒害的重金屬鈍化材料。

關(guān)鍵詞：鉛鋅復(fù)合污染;生物質(zhì)炭;小白菜

中圖分類號：S153? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0032-04

Abstract： In order to study the mechanism of remediation of lead-zinc contaminated soil by material carbon， pine stick carbon， corn straw carbon， straw block carbon， peanut shell carbon， wood granular carbon and mechanism stick carbon were used as heavy metal passivators， and lead-zinc compound polluted soil was taken as the object. Pot experiments were conducted to study the effects of biomass charcoal made from different raw materials on the contents of pH， organic matter， lead and zinc in heavy metal contaminated soil. The results showed that the application of biomass carbon could significantly increase the pH value and organic matter content of heavy metal contaminated soil， and the application of corn straw carbon had the best effect. the contents of lead and zinc in the aboveground part of Brassica chinensis L. were significantly decreased by 65.3% and 41.6% compared with the control. It can be seen that biomass carbon is a kind of heavy metal passivation material which can effectively reduce the content of heavy metals in crops and reduce the toxicity of heavy metals to crops.

Keywords： lead-zinc combined pollution; biomass carbon; Brassica chinensis L.

我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍將保持較高的增長速度，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的加快推進(jìn)，我國土壤重金屬污染形勢將越發(fā)嚴(yán)峻[1]。常見的重金屬污染治理技術(shù)有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和植物修復(fù)[2]。其中植物修復(fù)技術(shù)成本低、對環(huán)境影響小、能使地表穩(wěn)定、可在清除土壤污染的同時(shí)清除污染土壤周圍的大氣和水體中的污染物，從而有改善生態(tài)環(huán)境[3]，但是植物修復(fù)技術(shù)修復(fù)的時(shí)間長，修復(fù)效率低[4]。生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積、豐富的表面官能團(tuán)、大量的表面負(fù)電荷以及高電荷密度的特性，可以通過改變土壤的物理、化學(xué)和微生物學(xué)性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)改良土壤性能，增加土壤肥力的作用[5]。由于生物質(zhì)炭的這種特性，所以對重金屬離子（Pb2+、Zn2+、Cd2+等）有著很好的吸附固定作用，且去除率較高[6]，可以使得土壤中重金屬的有效態(tài)減少，從而降低植物體內(nèi)的重金屬含量。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自上虞東關(guān)街道小擔(dān)山鉛鋅礦區(qū)附近苗圃（120°46′35″E;30°0′4″N） 0～20cm土層的重金屬污染土壤，風(fēng)干過5mm篩，土壤基本理化性質(zhì)如下：pH為5.91，有機(jī)質(zhì)2.33mg·kg-1，堿解氮108.5mg·kg-1，有效磷2.63mg·kg-1，速效鉀7.4mg·kg-1，全鉛325.56mg·kg-1，全鋅189.96mg·kg-1。

供試植株為小白菜Brassica chinensis L.‘上海青。供試的生物質(zhì)炭為松木棒炭、玉米秸稈炭、秸稈塊炭、花生殼炭、木質(zhì)顆粒炭、機(jī)制木棒炭六種，由遼寧恒輝新能源科技有限公司在800℃的高溫電爐中限氧熱裂解制成。其基本理化性質(zhì)如表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取長勢一致的小白菜‘上海青作為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)于2017年10月17日-2017年12月5日，整個(gè)試驗(yàn)過程在浙江省杭州市浙江農(nóng)林大學(xué)玻璃溫室大棚內(nèi)完成，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期為50天。盆栽試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)7個(gè)處理：（1）松木棒炭（PB）、（2）機(jī)制木棒炭（MPB）、（3）木質(zhì)顆粒炭（WPB）、（4）花生殼炭（PSB）、（5）秸稈塊炭（SBB）、（6）玉米秸稈炭（MSB）、（7）CK（不加生物質(zhì)炭），每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，生物質(zhì)炭粒徑0.25mm，按10%比例與土樣混合，攪拌均勻，每盆土裝2kg，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)好標(biāo)號，總共21盆。裝盆結(jié)束后，沿盆壁往盆中加入去離子水，使得土壤保持70%的田間持水量，靜置24h后種上小白菜幼苗，共21盆，生長50天后進(jìn)行各指標(biāo)的測定。小白菜在生長期內(nèi)定期澆水，保證各個(gè)處理組陽光空氣水分條件一致。

1.3 樣品分析

種植50天后，對盆栽里的小白菜及土樣進(jìn)行采集，將盆栽采集的土壤置于陰涼干燥處風(fēng)干，研磨過10目及100目尼龍篩，按鮑士旦（2000）推薦方法測定土壤基本理化性質(zhì)[7]，其中pH采用土水比為1：2.5電極法測定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法。

將收獲的小白菜用自然水沖洗干凈，再將根浸入20 mmol·L-1EDTA溶液進(jìn)行交換，去除根表附著的重金屬，最后用自來水和蒸餾水分別潤洗三次，吸干植株表面的水分，分地上部和地下部兩部分。將小白菜樣品于105℃下殺青30min，然后在65℃下烘干72h至恒量，用不銹鋼粉碎機(jī)將植物樣磨細(xì)，過0.1mm尼龍篩進(jìn)行重金屬含量分析，稱量0.3g樣品，加入5mL的濃硝酸進(jìn)行消煮，消煮完成冷卻后，用蒸餾水定容至25mL，采用美國PE公司ICP-OES7000DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，測定重金屬含量，所有藥品及試劑均為優(yōu)級純或基準(zhǔn)試劑。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用軟件Microsoft Excel 2016對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理;采用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)（Duncan新復(fù)極差法，P<0.05）;采用Sigmaplot 12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭以其多孔結(jié)構(gòu)、比表面積巨大和豐富的含氧官能團(tuán)，在施入土壤后，能夠吸附土壤中的有毒物質(zhì)，從而使得重金屬的生物有效性及利用度大大降低，還能通過改善土壤物理和生物特性來促進(jìn)植物的生長發(fā)育[8]。有研究表明，當(dāng)生物質(zhì)炭添加到酸性土壤中，可有效地增加土壤的pH值，隨著pH的增加，土壤中重金屬的生物有效性降低，減少了對植物的毒性[9]。

圖1所示不同生物質(zhì)炭對土壤基本理化的影響。由圖1-A可知，與對照相比，施用生物質(zhì)炭可顯著提高土壤的pH值，提高幅度為14.3%～24.9%。施用不同原材料制作的生物質(zhì)炭對土壤pH值的影響不同。與對照相比，施用花生殼炭，土壤pH值的提高幅度最大，達(dá)24.9%;施用秸稈塊炭、木質(zhì)顆粒炭，土壤pH值分別顯著提高22.1%和20.2%;施用松木棒炭和玉米秸稈炭，土壤pH值的提高幅度一致，為14.3%;施用機(jī)制木棒炭，土壤pH值提高了14.2%。圖1-B中顯示，不同原材料制作的生物質(zhì)炭對土壤有機(jī)質(zhì)的影響不同，施用生物質(zhì)炭均可顯著提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量。松木棒炭對土壤有機(jī)質(zhì)含量提高幅度最大，達(dá)433.9%。玉米秸稈炭、花生殼炭、木質(zhì)顆粒炭、機(jī)制木棒炭、秸稈塊炭對土壤有機(jī)質(zhì)含量分別顯著提高了323.1%、257.6%、201.4%、190.6%、182.9%。因此，在酸性土壤中添加生物質(zhì)炭有效的升高了土壤的pH值。生物質(zhì)炭作為土壤的一種改良劑，可提高土壤中的養(yǎng)分來促進(jìn)植物的生長[10]。本研究中發(fā)現(xiàn)土壤中有機(jī)質(zhì)含量顯著升高，為小白菜提供了大量的養(yǎng)分。

2.2 生物質(zhì)炭對小白菜地上部和地下部鉛、鋅含量的影響

施用不同原材料制作的生物質(zhì)炭對小白菜地上部和地下部的鉛、鋅含量具有不同程度的影響，從圖2-A可以看出，與對照相比，施加生物質(zhì)炭可顯著降低小白菜地上地下部重金屬鉛含量，其中施用玉米秸稈炭效果最佳，小白菜地上部中的鉛含量為6.4mg·kg-1，相比CK顯著降低了65.3%，通過施加松木棒炭、機(jī)制木棒炭、木質(zhì)顆粒炭、花生殼炭、秸稈塊炭，與對照相比，小白菜地上部的鉛含量分別顯著降低16.9%、14.4%、51.5%、48.9%、50.5%;施用花生殼炭效果最佳，小白菜地下部中的鉛含量為7.9mg·kg-1，相比CK顯著降低了73.9%，通過施加松木棒炭、機(jī)制木棒炭、木質(zhì)顆粒炭、秸稈塊炭，玉米秸稈炭，與對照相比，小白菜地下部的鉛含量分別顯著降低了51.5%、25.1%、65.1%、68.4%、62.8%。可見施加生物質(zhì)炭可有效降低小白菜中鉛的含量，減輕了鉛對小白菜的毒害。

在圖2-B中可以觀察到施加生物質(zhì)炭可顯著降低小白菜地上地下部重金屬鋅含量（除松木棒炭），與對照相比，施用玉米秸稈炭的效果最佳，小白菜地上部中的鋅含量為55.8mg·kg-1，相比CK顯著降低了41.6%，通過施加木質(zhì)顆粒炭、花生殼炭、秸稈塊炭，與對照相比，小白菜地上部的鋅含量分別顯著降低23.4%、38.3%、36.3%;施用松木棒炭的效果最佳，小白菜地下部中的鋅含量顯著降低了60.1%，通過施加機(jī)制木棒炭、木質(zhì)顆粒炭、花生殼炭、秸稈塊炭，玉米秸稈炭，與對照相比，小白菜地下部的鉛含量分別顯著降低20.1%、32.6%、40.9%、45.1%、49.6%。然而與對照相比，通過施用松木棒炭，小白菜地上部中的鋅含量顯著提高了188.7%，可能是由于施用松木棒炭提高了小白菜對鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，從而提高了小白菜地上部體內(nèi)鋅含量。

周建斌等[11]研究發(fā)現(xiàn)棉稈炭與土壤鎘直接接觸，通過吸附和共沉淀作用降低了土壤鎘的生物有效性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，棉稈炭的加入使得小白菜可食用部分鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了49.43%～68.29%，根部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了64.14%～77.66%。在本研究得出添加生物質(zhì)炭后顯著的降低了小白菜體內(nèi)的重金屬含量。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在重金屬污染土壤中添加生物質(zhì)炭能夠減輕重金屬毒害，促進(jìn)植物生長[12]。Zheng[13]等研究發(fā)現(xiàn)，添加5%的稻稈炭能有效地降低了水稻地上部Cu和Pb的含量。張麗娟[14]研究發(fā)現(xiàn)無論污染濃度的高低，小白菜體內(nèi)的Pb含量都是地下部>地上部，而Zn含量都是地上部>地上部，說明同一種植物的不同部分對Pb、Zn有著不同的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力。在本研究中添加松木棒炭顯著增加了地上部鋅含量，小白菜對鋅的遷移轉(zhuǎn)化能力很好，可能鋅是植物生長發(fā)育必需的微量元素之一，小白菜吸收鋅主要用于新陳代謝。

3 結(jié)束語

施加生物質(zhì)炭可有效提高重金屬污染土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤肥力;施加生物質(zhì)炭還可有效降低小白菜體內(nèi)鉛、鋅這兩種重金屬的含量，顯著降低了鉛、鋅重金屬復(fù)合污染對植物的危害。因此，生物質(zhì)炭是減輕重金屬污染土壤危害，提高土壤利用率，從而有效提高作物品質(zhì)量、改善蔬菜質(zhì)量安全的一種重金屬鈍化材料。

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