生物炭對鎘污染農(nóng)田土壤改良及甘蔗生長的影響研究

李銀光，張寶珠，孫守權，秦高遠

（1.云南優(yōu)居生態(tài)環(huán)境科技有限公司，云南昆明 650000；2.中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，云南昆明 650000）

改革開發(fā)以來，我國工業(yè)，特別是礦產(chǎn)開采與利用行業(yè)粗獷式的快速發(fā)展，帶來大量經(jīng)濟效益的同時，也將大量重金屬帶入了農(nóng)田，導致礦區(qū)周邊農(nóng)田重金屬嚴重超標，這極大的阻礙了農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。鎘作為一種重金屬，其毒性較大，可以通過空氣、食物鏈等途徑進入人體，且其在人體內(nèi)自然代謝排出緩慢，人體富集過多鎘會帶來各種疾病[2]，日本聞名于世的“痛痛病”就是由鎘中毒引起的。

重金屬污染的治理，迄今為止尚無可大規(guī)模推廣的成熟技術。生物炭來源廣泛并具有多孔結構[3]，含有多種自由基，能有效改良土壤理化性質(zhì)，在土壤污染治理中有較好的應用前景，因而被許多研究者給予了厚望[4]。本文以菠蘿蜜殼為原料制備生物炭，通過盆栽對比實驗研究生物炭的添加對甘蔗生長情況、土壤理化性質(zhì)及土壤鎘穩(wěn)定化效果的影響。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

實驗土壤 取種植甘蔗的農(nóng)田土壤，除雜，在通風處風干，破碎，過60 目篩，加入Cd（NO3）2溶液后，混合均勻，保持土壤含水率在20%～30%之間，土壤老化8 周后自然風干，研磨過60 目篩，制得鎘含量為10.0mg·kg-1的實驗土。

菠蘿蜜殼生物炭 將菠蘿蜜殼洗凈、烘干、破碎，置于氣氛爐中，N2作保護氣，以5℃·min-1的升溫速率升溫到550℃，恒溫炭化3h，N2中自然冷卻即可得到菠蘿蜜殼生物炭。

HNO3、Cd（NO3）2、H2O2、HCl、HAc，北京化工廠；K2Cr2O7、NaAc、NaHCO3、NH4OAc，中天精細化工有限公司，以上試劑均為分析純。

KBF1700-Q2 型氣氛爐（南京萊步科技實業(yè)有限公司）；ICP-MS7500 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國安捷倫公司）；ST-WB6 型智能微波消解儀（山東三體儀器有限公司）；Z-5000 型原子吸收分光光度計（日立）。

1.2 實驗方法

（1）盆栽實驗 取實驗土與生物炭（質(zhì)量為實驗土質(zhì)量的0%、2%、4%、6%、8%、10%）混合均勻，置于50×40×30cm 的塑料盒中，取長勢相近甘蔗幼苗移植到塑料盒中，每盒種植2 株，定苗1 株，每個實驗組設置3 個平行樣。將實驗樣品置于甘蔗種植田邊源，與非實驗種植的甘蔗一同定期進行施肥、殺蟲及收割。

（2）植株測試 通過電子天平分別測量每株甘蔗的甘蔗莖和甘蔗葉的質(zhì)量。

（3）重金屬含量測試 將甘蔗莖和甘蔗葉洗凈后烘干，研磨成粉，在濃HNO3-H2O2溶液中微波消解0.5h，過濾，用去離子水洗滌濾渣，取濾液定容至25.00mL，火焰原子吸收光譜法測定溶液中鎘的濃度。

（4）土壤理化性質(zhì)測試 參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[5]進行測試。土壤pH 值以電位法測定（水∶土=2.5∶1）；土壤有機質(zhì)采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定；陽離子交換量采用乙酸鈉浸提火焰光度計法測定；有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用NH4OAc 浸提-火焰光度計法測定。

（5）毒性浸出實驗 取種植甘蔗后的土樣，風干后過40 目篩，取篩下土樣，用TCLP 法進行毒性浸出實驗（USEPA , Method-1311），探究炭材料對土壤中鉛鋅的穩(wěn)定效果，用ICP-MS 測定重金屬濃度。

土壤重金屬穩(wěn)定化率計算公式如下：

式中 δ：穩(wěn)定化率，%；C：未加生物炭時土壤中重金屬浸出濃度，mg·L-1；Ci：加入生物炭后的土壤重金屬浸出濃度，mg·L-1。

2 結果與討論

2.1 生物炭添加量對甘蔗生長的影響

不同生物炭添加量對甘蔗的產(chǎn)量和土壤中鎘含量的影響結果見表1。

表1 生物炭添加量對甘蔗生長的影響Tab.1 Effects of biochar additions on sugarcane growth

同列字母不同表示差異顯著（P＜0.05）。

由表1 可見，生物炭添加量在不高于6%時，甘蔗莖的鮮重未出現(xiàn)較大的差異，當生物炭添加量從6%增加到8%時，甘蔗莖鮮重有明顯下降，從2.82kg·株-1下降到了2.13kg·株-1，且較未添加生物炭的情況減少了0.41kg·株－1。分析甘蔗葉的鮮重變化可知，生物炭的添加，對甘蔗葉生長的影響并未見到明顯規(guī)律，8 組樣品的質(zhì)量差在0.11kg·株－1以內(nèi)。

對甘蔗莖和甘蔗葉中重金屬鎘含量分析可知，甘蔗莖中的鎘含量高于甘蔗葉中的鎘含量，且隨著生物炭的加入，甘蔗莖和甘蔗葉中的鎘含量都有不同程度的減小，且隨著生物炭添加量增加，鎘含量減小的幅度也增大，當生物炭的添加量為10%時，甘蔗莖中的鎘含量為5.07mg·kg-1，較未添加生物炭時減小了55.01%，甘蔗葉中的鎘含量為1.50mg·kg-1，較未添加生物炭時減小了33.33%。

綜上所述，生物炭的添加對甘蔗葉的生長無明顯影響，且少量生物炭（6%及以下）對甘蔗莖的生長也無明顯影響，但大量生物炭的添加（超過6%）對甘蔗莖的生長是不利的。對于甘蔗中重金屬鎘的含量，生物炭的添加能減小甘蔗生長過程中鎘的富集，且生物炭添加量越多，影響越大。從甘蔗的生長和植株內(nèi)的鎘含量綜合考慮，生物炭的最佳添加量為6%，此時既能保證甘蔗的生長，且植株內(nèi)鎘含量也有了大的減少。

2.2 生物炭對土壤理化性狀的影響

2.2.1 生物炭對土壤pH 值的影響 土壤pH 值不僅是土壤的重要理化指標，且還直接影響重金屬鎘在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化，故考察了不同生物炭添加量對土壤pH 值的影響，結果見圖1。由圖1 可見，生物炭的添加能增加土壤pH 值，且隨著生物炭添加量的增加，土壤pH 值持續(xù)上升，最小增加了0.43（出現(xiàn)在生物炭添加量為2%土壤中），最大增加了0.85（出現(xiàn)在生物炭添加量為10%土壤中），這是由于生物炭內(nèi)部孔道中富含各種氫氧化物和碳酸鹽類，使得生物炭呈現(xiàn)堿性[6]，加入土壤中使得土壤pH 值上升。從土壤pH 值的角度考慮，生物炭的最佳添加量為10%。

2.2.2 生物炭對土壤有機質(zhì)的影響 土壤有機質(zhì)、土壤陽離子交換量是評價土壤肥力的重要指標，其在提升土壤透氣、透水性，增強土壤的保肥性能等方面起著關鍵作用[7]，所以考察了生物炭的添加對土壤有機質(zhì)含量的影響，結果見圖2。

圖2 生物炭對土壤有機質(zhì)含量的影響Fig.2 Influence of biochar additions on soil organic matter content

由圖2 可見，生物炭的添加使得土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)有了一定提高，土壤有機質(zhì)含量從3.52%增加到5.27%（生物炭添加量為10%），增加了1.75個百分點，提升了土壤的肥力，這是由于生物炭中含有大量含碳自由基團以及部分不穩(wěn)定的脂肪族有機物，能為土壤補充一定量的有機質(zhì)[8]。從土壤有機質(zhì)的含量角度考慮，生物炭的最佳添加量為10%。

2.2.3 生物炭對土壤陽離子交換量的影響

土壤陽離子交換量變化情況見圖3。由圖3 可見，生物炭添加量為2%時對土壤的陽離子交換量影響不大，土壤陽離子交換量呈現(xiàn)略微下降，但添加量從2%增加到10%的過程中，土壤的陽離子交換量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，土壤的陽離子交換量達最高點時生物炭的添加量為8%，此時陽離子交換量為5.42cmol·kg－1，相較未添加時提高了11.29%。生物炭的加入使得土壤陽離子交換量提高的原因是，生物炭進入土壤后，其內(nèi)部孔道表面的自由基在微生物或非微生物的協(xié)同作用下，會氧化為含氧官能團，進而增強了生物炭的表面電荷量，導致土壤陽離子交換量值的提高[9]。而當添加量超過8%后呈現(xiàn)下降趨勢的原因還需進一步研究。因此，當生物炭的最佳添加量為8%時，土壤陽離子交換量增加量最優(yōu)。

圖3 生物炭對土壤陽離子交換量的影響Fig.3 Effect of biochar on soil cation exchange capacity

2.2.4 生物炭對土壤養(yǎng)分的影響 土壤養(yǎng)分，如磷、鉀元素含量，是土壤肥力的物質(zhì)基礎。生物炭的添加對土壤中磷、鉀元素含量的影響結果見圖4。

圖4 生物炭對土壤養(yǎng)分中磷、鉀的影響Fig.4 Effects of biochar on P and K in soil nutrients

由圖4 可見，生物炭的添加能較大幅度提升土壤中有效磷的含量，添加2%的生物炭，土壤中的有效磷較未添加生物炭土壤增加了10.97%，當生物炭添加量達到6%時，土壤中的有效磷達到頂峰，為99.69mg·kg-1，繼續(xù)增加活性炭的添加量，土壤中的有效磷含量基本趨于穩(wěn)定，維持在97mg·kg-1以上。

對土壤中速效鉀含量進行分析，少量生物炭（2%～4%）添加影響不大，當生物炭添加量為6%時，土壤中速效鉀含量有了一個較大的提高，達到195.34mg·kg-1，繼續(xù)增加生物炭添加量，土壤中速效鉀繼續(xù)增加。

生物炭的添加導致土壤中有效磷和速效鉀增加的主要原因是生物炭內(nèi)本身含有一定量的有效磷和速效鉀，通過對制備的生物炭進行理化性質(zhì)檢測分析，其有效磷含量為237.69g·kg-1，速效鉀含量為1827.31mg·kg-1。綜合考慮對磷、鉀元素含量影響和盡可能少的生物炭用量，當生物炭添加量為6%時，土壤中有效磷和速效鉀都較好的增加，效果最優(yōu)。

2.3 生物炭對土壤穩(wěn)定化效果的影響

對添加不同加量生物炭后的土壤進行TCLP 法毒性浸出實驗，考察生物炭對土壤中鎘的穩(wěn)定效果，結果見圖5。

圖5 生物炭對土壤中鎘的穩(wěn)定效果Fig.5 Stabilization effect of biochar on cadmium in soil

由圖5 可見，隨著生物炭添加量的增加，鎘的穩(wěn)定化率呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的變化趨勢，且少量的生物炭（2%）的添加，即可顯著提高鎘的穩(wěn)定化率，當生物炭的添加量大于6%以后，鎘的穩(wěn)定化率基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定化率為60.26%，較未添加生物炭的土壤增加了30.03 個百分點。生物炭能提高鎘穩(wěn)定化率的原因主要是因為生物炭內(nèi)部大量的孔道結構和較大的比表面積能較好的吸附鎘離子，使其不易流失[10]。

3 結論

生物炭對甘蔗葉的生長無明顯影響，少量生物炭對甘蔗莖的生長也無明顯影響，但高劑量生物炭對甘蔗莖的生長有抑制作用，且生物炭的添加能有效減小甘蔗對重金屬鎘的吸收。從甘蔗的生長和植株內(nèi)的鎘含量綜合考慮，生物炭的添加量為6%最優(yōu)。

隨著生物炭添加量的增加，土壤pH 值、有機質(zhì)、有效磷呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，土壤陽離子交換量則呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，土壤中速效鉀含量則呈現(xiàn)先增后趨于穩(wěn)定的趨勢，當生物炭最佳添加量為8%時對土壤陽離子的影響最優(yōu)，生物炭添加量為6%時，對土壤中的速效鉀的影響最優(yōu)。

生物炭的添加能顯著增強鎘污染土壤的穩(wěn)定化率，隨著生物炭的添加鎘污染土壤的穩(wěn)定化率呈現(xiàn)先增后趨于穩(wěn)定的趨勢，最佳的添加量為8%，此時土壤的穩(wěn)定化率為60.26%。