老化生物炭對小白菜積累重金屬的影響

劉艷，王聰穎，史志明，楊斌

(1.山西大學 環(huán)境與資源學院，山西 太原 030006；2.山西省農業(yè)科學院 小麥研究所，山西 臨汾 041000)

重金屬是一類重要的污染物，廣泛分布于土壤、水體等環(huán)境介質中，具有持久性、高累積性，致使生物毒性效應不斷富集放大[1,2]。當土壤中重金屬累積量超過一定濃度時，會導致土壤環(huán)境質量惡化，并最終進入食物鏈而威脅人體健康[3]。

生物炭是生物質在限氧條件下經高溫熱解而形成的一種富碳固體物質。作為環(huán)境友好型的土壤改良劑，生物炭不僅能夠降低溫室氣體排放，提高土壤碳固存，還可以改善土壤結構，減少土壤養(yǎng)分流失，繼而增加土壤肥力和農作物產量[4～7]。因此，生物炭的施用對維持土壤生態(tài)平衡發(fā)揮著重要作用。近年來，大量研究還表明[8～11]，生物炭對土壤中的重金屬具有強烈的吸附作用，其原理是通過改善土壤性質，使重金屬在土壤中的存在形態(tài)發(fā)生改變，以減少土壤中的重金屬含量、控制金屬的遷移和轉化，以及降低污染物的生物可利用性和毒性累積。Kim[8]和Gonzaga[10]等的研究發(fā)現(xiàn)利用綠色廢物制備的生物炭樣品，可顯著降低土壤中Pb、Cd、Cu、Zn的可提取態(tài)濃度，有效地將重金屬固定于土壤中，以及降低了金屬在植物中的積累量。

雖然生物炭本身具有較好的穩(wěn)定性，但在環(huán)境中亦會受到各種生物與非生物因子的氧化作用，使其表面結構和理化性質隨著時間的延長而發(fā)生改變，這一過程稱之為“老化”[12]。一些學者用過氧化氫、濃硫酸和濃硝酸等氧化劑對生物炭進行化學氧化[13,14]，發(fā)現(xiàn)氧化作用可以增加生物炭的陽離子交換量(CEC)和表面含氧官能團的數量。盡管如此，目前關于老化生物炭對土壤重金屬有效性及對植物體內重金屬累積效應的影響等方面的報道相對較少[15]?？紤]到生物炭在土壤環(huán)境中的長期存在，闡明老化作用如何影響重金屬的生物有效性，對生物炭的環(huán)境效益做準確評估，具有實際意義。

因此，本研究以玉米秸稈作為原料制備新鮮生物炭(原始炭)，采用氧化劑-干濕-凍融交替循環(huán)的方法對原始生物炭進行老化，并分析老化前后生物炭的CEC、元素組成、表面官能團等參數的變化，再通過盆栽試驗，研究生物炭老化前后對土壤pH值和有機質含量的改變、對小白菜累積重金屬的影響，以期為生物炭在土壤修復中的長期應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自山西省呂梁市的農田土壤(37°36′66″N，112°03′34″E)，采樣時取0～20 cm的表層土。采集的土壤樣品經過風干，去除樣品中的根系、石礫等雜物，過2 mm篩，保存?zhèn)溆谩Ｍ寥赖幕纠砘再|：pH為7.17，CEC為27.07 cmol·kg-1，土壤有機質占比為0.88%，金屬元素含量：Cu 45.08 mg·kg-1、Pb 23.46 mg·kg-1、Cd 0.81 mg·kg-1，均低于土壤環(huán)境質量三級標準(GB 15618—1995)。供試作物為四季小白菜，購自太原市現(xiàn)代農業(yè)研究中心。

1.2 生物質炭的制備

以玉米秸稈為原料制備原始生物炭(BC)：將玉米秸稈于限氧、550 ℃的馬弗爐中高溫處理2.5 h，經收集、研磨、過篩，制得原始的生物炭樣品(原始炭，BC)，儲存?zhèn)溆谩?/p>

老化炭(OBC)是以氧化劑結合人工模擬自然風化法制備的[16,17]。簡言之，取部分制備好的原始生物炭與30% H2O2溶液以1∶2(m/v)混合，充分攪拌3 h后，加入適量去離子水，放置于80 ℃烘箱內12 h，重復三次干濕交替老化；再次加入適量去離子水，放置于-20 ℃環(huán)境中冷凍12 h，于室溫下融化，重復三次凍融交替老化；再重復三次干濕和凍融兩個交替循環(huán)的過程，從而制得老化生物炭樣品(老化炭，OBC)。

1.3 土壤培養(yǎng)試驗

在土壤中加入Pb(NO3)2、CuSO4·5H2O、CdCl2·2.5H2O溶液進行污染處理，使Pb、Cu、Cd的最終濃度分別為500、500、2 mg·kg-1，高于土壤環(huán)境質量三級標準(GB 15618—1995)。將污染后的土壤于暗處避光平衡1周，并保持田間持水量的60%。用平衡好的土壤進行盆栽實驗，每盆裝入2 kg土壤，然后將兩種生物炭分別以0%、1%、2%、5%的質量比與土壤混合，標記為CK、B1、B2、B5、OB1、OB2、OB5，每個處理設3個重復。取預先萌發(fā)好且長勢相近的6顆小白菜種子，移植到每盆中[18]。并將盆栽置于晝溫22±2 ℃，夜溫18±2 ℃的自然條件下，培養(yǎng)周期自2017年11月17日開始至2018年2月1日結束，每隔2天給盆中加去離子水以維持土壤含水率。待生長周期結束后，采集土壤和植物樣品，并測定土壤pH值、有機質含量、重金屬有效態(tài)含量，以及小白菜樣品中重金屬的累積量。

1.4 測定方法

生物質炭的元素組成用元素分析儀(Flash EA1112，Thermo Finnigan，美國)測定。表面官能團采用傅里葉紅外光譜分析儀(FTIR)(Tensor27，Bruker，德國)進行分析。土壤理化性質的測定參考[19]：pH值用水浸提法(樣品：水=1∶2.5m/v)，用pH計(PHS-3E，中國)測定。有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定。土壤重金屬有效態(tài)含量采用DTPA浸提劑，于25 ℃水平振蕩提取2 h，離心、過濾取清液，用火焰原子吸收分光光度計(AA140/240，美國)測定其含量[20]。植物樣品以HNO3-H2O2(1∶1v/v)微波消解法(CEM，MARS)提取重金屬，用火焰原子吸收分光光度計測定其含量。

1.5 數據分析

所有數據均采用Excel 2007和SPSS軟件進行分析。并采用ANOVA方差分析和Duncan法進行的顯著性檢驗。使用Origin8.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭理化性質

生物炭老化前后的理化性質如表1所示，原始炭(BC)經過氧化得到的老化炭(OBC)，其理化性質發(fā)生了明顯的變化。老化炭的pH值由原始炭的9.37下降為8.18。老化炭的CEC(27.12 cmol·kg-1)較原始炭(12.20 cmol·kg-1)升高了2.2倍。老化炭的BET比表面積(104.21 m2·g-1)比原始炭(41.56 m2·g-1)減少了約60.1%；微孔容積與比表面積的變化趨勢一致。通過對老化前后的生物炭進行元素分析，得到C元素含量由原始炭的78.29%下降至72.92%，O含量從11.01%增加至15.03%，即碳的相對含量下降，氧的相對含量增加，而H、N元素含量無明顯變化。

圖1所示為生物炭老化前后的傅里葉紅外光譜圖，從圖中可以看出，生物炭老化前后的圖譜峰型基本一致，但峰強各有不同。在3 419 cm-1處的寬峰為-OH伸縮振動峰，與BC相比，OBC在此處有明顯的吸收峰，可能是因為生物炭與H2O2發(fā)生氧化還原反應，造成-OH伸縮振動峰的振幅增強，出現(xiàn)了較明顯的吸收峰。在1 000～1 800 cm-1處，老化炭表現(xiàn)的特征峰與原始炭相比，振幅明顯增強，特別是在1 565 cm-1左右處的-COOH、C=O、芳香基上的C=C鍵伸縮振動峰和在1 050 cm-1處的脂肪族中C-O吸收峰的彈性振動所引起的。在3 000 cm-1左右處的為振動強度較小的脂肪族中的C-H伸縮振動峰，2 362 cm-1左右處的為Si-H鍵的振動峰，以及807 cm-1處芳香族中的C-H鍵的伸縮振動峰，兩種生物炭在該波數下吸收峰強度基本相同。以上數據表明，老化作用增加了生物炭表面羥基、羰基等含氧官能團的數量和種類。

表1 原始炭和老化生物炭的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the pristine biochar and aged biochar

圖1 生物質炭老化前后的FTIR分析Fig.1 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)of pristine biochar and aged biochar

2.2 生物炭對土壤pH值和有機質含量的影響

如圖2所示，相比未添加生物炭的處理(CK，空白對照)，生物炭的施加增加了土壤的pH值，且隨著兩種炭的添加比例的增加，土壤pH值增加顯著(P<0.05)。同一添加比例下，與BC相比，OBC提高土壤pH值的效果較弱，例如，與CK相比，B5和OB5處理中土壤的pH值分別提高了0.18、0.11個單位。

土壤有機質含量也隨兩種炭添加量的增加而顯著升高(P<0.05)，并且，在同一添加量下，OBC處理的土壤有機質含量顯著高于BC處理組。例如，B5和OB5處理中，土壤的有機質含量較CK分別提高了19.9%和33.8%。

圖2 土壤pH值和有機質含量的變化Fig.2 Changes of pH value and organic matter content of soil

2.3 生物炭對土壤重金屬有效態(tài)含量的影響

土壤重金屬有效態(tài)含量見圖3，在對照處理中Pb、Cu、Cd三種金屬有效態(tài)含量分別為349.17 mg·kg-1，338.34 mg·kg-1，1.07 mg·kg-1。生物炭的施加顯著降低了土壤重金屬有效態(tài)含量，且隨著施加比例的增加其降低效果更明顯(P<0.05)。例如，與空白對照相比，在5%添加比例下，BC中有效態(tài)Pb、Cu、Cd的減少率分別為11.20%、5.96%、2.80%，而OBC中的減少率分別為12.42%、11.67%、11.21%，表明老化炭比原始炭更能降低重金屬的有效態(tài)含量。

圖3 土壤中重金屬有效態(tài)(Pb、Cu、Cd)含量Fig.3 Bioavailable content of metals (Pb、Cu、Cd)in soil

2.4 生物炭對小白菜重金屬累積量的影響

生物質對小白菜體內重金屬的積累也產生了一定的影響。如圖4所示，隨著生物炭施加比例的增加，小白菜體內的三種金屬含量顯著減少(P<0.05)。空白對照中小白菜體內Pb、Cu、Cd的含量分別為24.33 mg·kg-1、28.8 mg·kg-1、0.2 mg·kg-1，B5中小白菜體內Pb、Cu、Cd的含量各減少至5.33 mg·kg-1、12.53 mg·kg-1、0.05 mg·kg-1，而在OB5中小白菜體內Pb、Cu、Cd的含量各減少至3.33 mg·kg-1、7.23 mg·kg-1、0.03 mg·kg-1，且OBC處理的植物體內重金屬累積量較BC是顯著降低的(P<0.05)，除了Cd元素。也就是說，炭的相同施加比例下，老化炭處理組中植物吸收量更少，表明老化炭對植物累積重金屬的抑制作用更強。

圖4 小白菜中重金屬(Pb、Cu、Cd)的累積量Fig.4 Heavy metal concentrations accumulated in pakchoi (Brassica chinensis L.)

3 討論

本研究中，生物炭老化前后的理化性質差異較大，老化過程使生物炭表面生成更多的含氧官能團，從而提高了CEC，但羧基等官能團數量的增加引起了老化炭pH值的降低[16]。老化作用也降低了生物炭的比表面積，這與Zhao等[21]的結果相似，即生物炭經過4個月的自然老化，其比表面積僅是原始炭比表面積的二分之一。此外，老化作用對生物炭的元素含量影響也較大，與原始炭相比，老化作用使O/C比從0.14增加到0.21，而C/H比由31.70減少至30.01。O/C比是物質極性的參數，該值越大，生物炭極性越強；而C/H用于表示芳香性，該值越大，芳香性越強[22,23]。因此，老化過程使生物炭的芳香性減弱，極性增強，這可能是因為一系列的氧化過程使生物炭表面的不飽和脂肪烴和芳香環(huán)被破壞，并引入了含氧官能團[24,25]。之前的研究也發(fā)現(xiàn)生物炭在地球化學及風化作用下，生物炭的羧基和羰基含量會增加[26,27]。綜上，老化作用增加了生物炭表面羧基、羥基、羰基等官能團的種類和數量，改變了生物炭的基本理化性質。

生物炭的施加增加了土壤的pH值，5%添加比例下，BC和OBC處理土壤的pH值分別較CK處理提高了0.18、0.11個單位，這與供試的生物炭本身呈堿性有關；而在同一添加比例下，老化炭提高土壤pH值的效果相對原始炭較弱，這與生物炭經過氧化處理導致其自身pH值的降低有關。此外，B5和OB5處理中，土壤的有機質含量較CK分別提高了19.9%和33.8%，表明生物炭的施用也增加了土壤有機質含量，使土壤團聚體、通透性等得到改善，有效改變了土壤質量狀況，這與現(xiàn)有的研究[19,21]結果是一致的。本文的結果還表明，即使生物炭發(fā)生老化作用，仍然可增強土壤有機質的穩(wěn)定性，提高土壤有機碳的積累，這一點對于利用生物炭來長期增加土壤碳固存具有重要的意義。

生物炭施加后，改善了土壤理化性能，通過吸附、沉淀和絡合作用等方式降低了土壤中重金屬有效態(tài)含量，抑制了植物體內重金屬的吸收累積量，降低了重金屬的生物有效性，從而利于植物的生長發(fā)育[33]。本研究結果中，相比BC，施用OBC更加顯著降低了以DTPA法提取的土壤Pb、Cu、Cd的有效態(tài)含量，表明OBC對土壤Pb、Cu、Cd具有更強的固定作用，可有效控制土壤重金屬向植物體的轉移，這與小白菜體內Pb、Cu、Cd的積累量隨生物炭施加量增加而減少的結果是一致的，即OBC比BC更有效降低了土壤重金屬生物有效性。綜上，土壤重金屬更易被老化生物炭所固定，表明生物炭應用于土壤具有一定的長期穩(wěn)定性。生物炭可改善土壤性質，增加土壤有機質含量，提高土壤肥力，受老化作用的生物炭較原始炭具有更多的表面含氧官能團，從而為固定土壤重金屬提供了更多的吸附位點，使土壤重金屬有效態(tài)含量降低[15,29]。此外，相比原始炭，老化生物炭減少了植物對重金屬的攝取，有效降低了重金屬的生物有效性，從而促進了植物的生長。

4 結論

生物炭老化之后，其pH值降低，陽離子交換量和表面氧化官能團的種類、數量明顯增加。施于重金屬污染土壤中，可有效降低重金屬生物有效性，減少植物對重金屬的累積。因此，生物炭在土壤的應用具有一定的長期穩(wěn)定性，本文的結論對于利用生物炭控制和修復重金屬污染土壤，降低重金屬的環(huán)境風險具有重要的意義。