生物炭對銅污染農(nóng)田土壤重金屬形態(tài)的影響

項(xiàng)艷 熊鑫 胡長江

摘 要：以安徽銅陵獅子山附近的農(nóng)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(tài)的變化。結(jié)果表明，隨著生物炭質(zhì)量比的不斷增大，土壤pH逐漸增大，Cu的可交換形態(tài)減少，殘?jiān)鼞B(tài)增多。說明生物炭對于重金屬污染土壤具有一定的修復(fù)作用，其中1∶1混合生物炭的固化效果最佳。

關(guān)鍵詞：生物炭;重金屬銅;農(nóng)田土壤;形態(tài)分析

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

1 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)藥及化肥的大量使用，農(nóng)田土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)到2.3×107hm2[2]。因此，如何解決土壤重金屬污染，提高農(nóng)產(chǎn)品安全，已成為環(huán)境研究的熱點(diǎn)問題。

生物炭是一種高效環(huán)保的土壤修復(fù)藥劑，屬有機(jī)鈍化劑，其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，可以降低土壤中重金屬的遷移性和毒性，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)、改良土壤的目的[3-5]。本試驗(yàn)通過單獨(dú)添加竹炭、稻殼生物炭以及兩者混合添加，對銅污染農(nóng)田土壤進(jìn)行鈍化修復(fù)，分析了加入鈍化劑后土壤pH及土壤重金屬Cu形態(tài)的變化，以期為礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的有機(jī)修復(fù)提供參考[6-7]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)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(qū)附近農(nóng)田土壤，基本理化性質(zhì)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(yàn)所需的竹炭、稻殼生物炭均購自浙江農(nóng)科院生物炭研究所，粒徑為2～3mm。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)共設(shè)8個處理，分別為：①空白對照（CK）;②～④添加不同質(zhì)量比1%、2%、5%的竹炭（BC1%、BC2%、BC5%）;⑤～⑦添加不同質(zhì)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(zhì)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(yǎng)45d，風(fēng)干、研磨后用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.3 測定方法

2.3.1 土壤pH 風(fēng)干土樣100目篩過濾后，稱取5.0±0.1g，置于50mL離心管內(nèi)，加12.5mL無CO2水，用振蕩器振蕩30min，靜置1h，pH計(jì)調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)，用pH電極測定上清液的pH值。

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

3 結(jié)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(xué)性質(zhì)。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(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)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(zhì)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(tài)的影響

3.2.1 不同生物炭對土壤中可交換態(tài)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(tài)銅的含量逐漸降低。可交換態(tài)容易被植物所吸收，同時也是重金屬對土壤產(chǎn)生污染的主要形態(tài)。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(jié)合態(tài)Cu的影響 從圖3可以看出，碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu含量隨著生物炭的添加呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，在5%的質(zhì)量比下達(dá)到最高，其中竹炭處理的土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)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(jié)合態(tài)Cu的含量最少。

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

3.2.4 生物炭對有機(jī)態(tài)Cu的影響 從圖5可以看出，1∶1混合比例添加生物炭，產(chǎn)生的有機(jī)態(tài)Cu最多;隨著添加比例的增加，有機(jī)態(tài)Cu含量呈現(xiàn)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(jī)態(tài)含量在土壤中的比重上升。

3.2.5 生物炭對殘?jiān)鼞B(tài)Cu的影響 從圖6可以看出，加入生物炭后，殘?jiān)鼞B(tài)Cu含量明顯提高，而且添加比例越高，產(chǎn)生的殘?jiān)鼞B(tài)越多，說明生物炭對于含銅重金屬污染土壤的良好修復(fù)效果。2種生物炭1∶1混合添加，其殘?jiān)鼞B(tài)Cu含量較高，效果良好。

4 結(jié)論與討論

本研究結(jié)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(tài)發(fā)生變化。添加竹炭、稻殼生物炭后，土壤中可交換態(tài)Cu會向更加穩(wěn)定的結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，竹炭、稻殼生物炭的添加量越大，轉(zhuǎn)化效果越顯著;竹炭、稻殼生物炭混合添加時的效果最好，優(yōu)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(fù)。

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(jié)果類似，他們通過鈍化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(tài)對比空白組逐漸下降，逐漸轉(zhuǎn)化成碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)，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(tài)含量的研究結(jié)果類似。在重金屬形態(tài)的分析中，土壤中Cu的可交換態(tài)比重降低，而殘?jiān)鼞B(tài)升高，說明生物炭可以在某種程度上促進(jìn)重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化，減少重金屬污染。

參考文獻(xiàn)

[1]王玉軍，劉存，周東美，等.客觀地看待我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀—關(guān)于《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》中有關(guān)問題的討論和建議[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，33（8）：1465-1473.

[2]陳遠(yuǎn)其，張煜，陳國梁.石灰對土壤重金屬污染修復(fù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)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(fù)合污染土壤中重金屬形態(tài)的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2017，38（1）：361-367.

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[6]Bian R J，Joseph S，Cui L Q，et al. A three-year experiment confirms continuous immobilization of cadmium and lead in contaminated paddy field with biochar amendment[J].Journal of Hazardous Materials，2014，272：121-128.

[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(fù)合污染土壤中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的短期影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，36（1）：251-256.

（責(zé)編：張 麗）