《生物炭对铜污染农田土壤重金属形态的影响》
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摘 要：以安徽铜陵狮子山附近的农田土壤为对象,外源添加竹炭（0,1%,2%,5%）、稻壳生物炭（0,1%,2%,5%）以及两者混合物（1∶1,2%）,在室温下老化45d,含水量始终保持在最大田间持水量的30%,研究土壤pH及土壤重金属Cu形态的变化.结果表明,随着生物炭质量比的不断增大,土壤pH逐渐增大,Cu的可交换形态减少,残渣态增多.说明生物炭对于重金属污染土壤具有一定的修复作用,其中1∶1混合生物炭的固化效果最佳.
关键词：生物炭;重金属铜;农田土壤;形态分析
中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）06-0110-03
1 引言
随着工业的快速发展,农药及化肥的大量使用,农田土壤重金属污染越来越严重[1].据统计,我国19.4%的耕地受到镉、镍、铜、砷、汞、铅等重金属污染,污染耕地总面积达到2.3×107hm2[2].因此,如何解决土壤重金属污染,提高农产品安全,已成为环境研究的热点问题.
生物炭是一种高效环保的土壤修复药剂,属有机钝化剂,其特殊的物理化学性质,可以降低土壤中重金属的迁移性和毒性,进而达到修复、改良土壤的目的[3-5].本试验通过单独添加竹炭、稻壳生物炭以及两者混合添加,对铜污染农田土壤进行钝化修复,分析了加入钝化剂后土壤pH及土壤重金属Cu形态的变化,以期为矿区农田土壤重金属的有机修复提供参考[6-7].
2 材料与方法
2.1 试验材料
2.1.1 供试土壤 供试土壤采自安徽省铜陵市狮子山矿区附近农田土壤,基本理化性质见表1,土壤中重金属铜总量为236.66mg/kg.
2.1.2 供试材料 试验所需的竹炭、稻壳生物炭均购自浙江农科院生物炭研究所,粒径为2～3mm.
2.2 试验设计 本试验共设8个处理,分别为：①空白对照（CK）;②～④添加不同质量比1%、2%、5%的竹炭（BC1%、BC2%、BC5%）;⑤～⑦添加不同质量比1%、2%、5%的稻壳生物炭（RC1%、RC2%、RC5%）;⑧2种生物炭以1∶1混合并按质量比2%添加到土壤中（BC+RC）.称取100g过20目筛的供试土壤,用称重法使土壤的含水率维持在30%,在室温条件下老化培养45d,风干、研磨后用于后续实验.
2.3 测定方法
2.3.1 土壤pH 风干土样100目筛过滤后,称取5.0±0.1g,置于50mL离心管内,加12.5mL无CO2水,用振荡器振蕩30min,静置1h,pH计调至标准,用pH电极测定上清液的pH值.
2.3.2 土壤重金属形态 采取Tessier[8]5步提取法进行土壤中重金属的形态分析,用ICP测定重金属Cu含量.
3 结果与分析
3.1 不同生物炭对土壤pH的影响 pH值能够反映重金属活性的变化,研究土壤pH值可以评定土壤化学性质.不同生物炭处理对土壤pH值的影响见图1.从图1可以看出,随着生物炭的添加,pH值逐渐升高,两者呈现出正相关的关系.当加入1%、2%、5%的竹炭后,土壤pH值逐渐增加了0.18、0.19和0.33,相同质量比的稻壳生物炭对pH值的影响较弱.
3.2 不同生物炭对土壤Cu形态的影响
3.2.1 不同生物炭对土壤中可交换态Cu的影响 从图2可以看出,随着竹炭、稻壳生物炭添加量的增加,土壤中可交换态铜的含量逐渐降低.可交换态容易被植物所吸收,同时也是重金属对土壤产生污染的主要形态.2种生物炭1∶1混合的效果最好,其次是5%的稻壳生物炭.
3.2.2 生物炭对碳酸盐结合态Cu的影响 从图3可以看出,碳酸盐结合态Cu含量随着生物炭的添加呈现出明显的上升趋势,在5%的质量比下达到最高,其中竹炭处理的土壤碳酸盐结合态Cu含量要大于稻壳生物炭,1%竹炭条件下的土壤中碳酸盐结合态Cu的含量最少.
3.2.3 生物炭对铁锰氧化态Cu的影响 从图4可以看出,添加生物炭后,铁锰氧化态Cu的含量逐渐下降,5%RC条件下的土壤所含铁锰氧化态Cu含量最低,和对照组土壤相比,加入生物炭后,铁锰氧化态Cu含量下降,且随着质量比的不断增大,呈现出梯度变化.
3.2.4 生物炭对有机态Cu的影响 从图5可以看出,1∶1混合比例添加生物炭,产生的有机态Cu最多;随着添加比例的增加,有机态Cu含量呈现出上升下降再上升的变化趋势.对比未添加生物炭的空白土壤,生物炭的添加促使铜有机态含量在土壤中的比重上升.
3.2.5 生物炭对残渣态Cu的影响 从图6可以看出,加入生物炭后,残渣态Cu含量明显提高,而且添加比例越高,产生的残渣态越多,说明生物炭对于含铜重金属污染土壤的良好修复效果.2种生物炭1∶1混合添加,其残渣态Cu含量较高,效果良好.
4 结论与讨论
本研究结果表明,添加竹炭、稻壳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属的形态发生变化.添加竹炭、稻壳生物炭后,土壤中可交换态Cu会向更加稳定的结合态和残渣态转化,竹炭、稻壳生物炭的添加量越大,转化效果越显著;竹炭、稻壳生物炭混合添加时的效果最好,优于单一竹炭或稻壳生物炭,混合添加更适合污染土壤的修复.
在重金属铜污染土壤中,按0、1%、2%、5%、1∶1依次添加竹炭和稻壳生物炭,土壤pH值逐渐增大,也同样展示出重金属活性的变化,这与Rizwan[9]和高瑞丽等[10]的研究结果类似,他们通过钝化试验发现施用生物炭后的土壤pH值提高,加入竹炭和稻壳生物炭后,铜的可交换态对比空白组逐渐下降,逐渐转化成碳酸盐结合态、有机态、铁锰氧化态、残渣态,这与高瑞丽等[3]添加生物炭后显著降低了铜、铅和镉的弱酸提取态含量的研究结果类似.在重金属形态的分析中,土壤中Cu的可交换态比重降低,而残渣态升高,说明生物炭可以在某种程度上促进重金属形态的转化,减少重金属污染.
参考文献
[1]王玉军,刘存,周东美,等.客观地看待我国耕地土壤环境质量的现状—关于《全国土壤污染状况调查公报》中有关问题的讨论和建议[J].农业环境科学学报,2014,33（8）：1465-1473.
[2]陈远其,张煜,陈国梁.石灰对土壤重金属污染修复研究进展[J].生态环境学报,2016,25（8）：1419-1424.
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[4]Zhang X,Wang H,He L,et al. Using biochar for remediation of soils contaminated with hey metals and organic pollutants[J].Environmental Science & Pollution Research,2013,20（12）：8472-8483.
[5]Ehsan M,Barakat M A,Husein D Z,et al.Immobilization of Niand Cd in soil by biochar derived from unfertilized dates[J].Water,Air,& Soil Pollution,2014,225：2123.
[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 hey 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,汤帆,等.水稻秸秆生物炭对镉、铅复合污染土壤中重金属形态转化的短期影响[J].环境科学学报,2016,36（1）：251-256.
（责编：张 丽）
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