农林基质生物炭联合香根草对铜镉铅复合污染土壤的修复研究

张晓凤, 马珮瑶, 邓志华, 刘艳琴

张晓凤, 马珮瑶, 邓志华, 刘艳琴. 农林基质生物炭联合香根草对铜镉铅复合污染土壤的修复研究[J]. 西南林业大学学报, 2024, 44(6): 107-115. DOI: 10.11929/j.swfu.202309023
引用本文: 张晓凤, 马珮瑶, 邓志华, 刘艳琴. 农林基质生物炭联合香根草对铜镉铅复合污染土壤的修复研究[J]. 西南林业大学学报, 2024, 44(6): 107-115. DOI: 10.11929/j.swfu.202309023
shu
Zhang Xiaofeng, Ma Peiyao, Deng Zhihua, Liu Yanqin. Remediation of Soil Contaminated by Copper, Cadmium and Lead Combined with Agroforestry Matrix Biochar and Vetiveria zizanioides[J]. Journal of Southwest Forestry University, 2024, 44(6): 107-115. DOI: 10.11929/j.swfu.202309023
Citation: Zhang Xiaofeng, Ma Peiyao, Deng Zhihua, Liu Yanqin. Remediation of Soil Contaminated by Copper, Cadmium and Lead Combined with Agroforestry Matrix Biochar and Vetiveria zizanioides[J]. Journal of Southwest Forestry University, 2024, 44(6): 107-115. DOI: 10.11929/j.swfu.202309023
shu

农林基质生物炭联合香根草对铜镉铅复合污染土壤的修复研究

  • 1.

    西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650233

  • 2.

    西南林业大学材料与化学工程学院，云南 昆明 650233

  • 3.

    昆明睿清水土保持咨询有限公司，云南 昆明 650233

基金项目: 云南省农业基础研究联合专项重点项目（202301BD070001−010）资助；西南地区林业生物质资源高效利用国家林业和草原局重点实验室开放基金项目（2020−KF07）资助；云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室开放基金项目（2020YB006）资助；云南省哲学科学规划科普项目（SKPJ202121）资助；云南省教育厅科学研究基金项目（2021J0163）资助。
详细信息
    作者简介:

    张晓凤（1996—），女，硕士研究生。研究方向：水土保持与荒漠化防治。Email: 1013891669@qq.com

    通讯作者:

    邓志华（1976—），女，博士，教授，硕士生导师。研究方向：“三废”治理和生态修复。Email: dengzhoo@163.com

  • 中图分类号: S156

Remediation of Soil Contaminated by Copper, Cadmium and Lead Combined with Agroforestry Matrix Biochar and Vetiveria zizanioides

  • 1.

    College of Ecology and Environment, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650233, China

  • 2.

    College of Materials and ChemicalEngineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650233, China

  • 3.

    Kunming Ruiqing Soil and Water Conservation Consulting Co., Ltd., Kunming Yunnan 650233, China

HTML全文

    摘要
  • 摘要:

    通过盆栽试验，分析添加稻壳生物炭（DBC）、椰壳生物炭（YBC）和玉米秸秆生物炭（JBC）对土壤基本性质、土壤Cu、Cd和Pb的形态分布及香根草各部位Cu、Cd和Pb含量的影响。结果表明：单施生物炭及生物炭联合香根草处理均提高了土壤pH值和有机质含量，土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均有不同程度的升高；单施生物炭及生物炭联合香根草处理后，土壤中Cu、Cd和Pb总量降低；培养3个时间段内，土壤中可利用态Cu和Pb占比降低，残渣态Cu和Pb占比增加，残渣态Cd占比先减少后增加；添加生物炭显著降低了香根草根部重金属Cu、Pb、Cd的累积。生物炭有利于香根草将Cu、Cd、Pb稳定在根部，降低土壤中Cu、Cd、Pb的有效态，可应用于Cu、Cd、Pb复合污染土壤的修复治理。

    Abstract:

    The effects of adding rice husk biochar (DBC), coconut husk biochar (YBC) and corn stalk biochar (JBC) on the basic soil properties, the morphological distribution of Cu, Cd and Pb in soil, and the contents of Cu, Cd and Pb in different parts of Vetiveria zizanioides were studied by pot experiment. The results showed that both biochar application alone and biochar combined with V. zizanioides treatment increased soil pH value and organic matter content, and soil urease, sucrase and catalase activities increased to varying degrees. The total amount of Cu, Cd and Pb in soil decreased after biochar application alone or combined with V. zizanioides treatment. During 3 incubation periods, the proportion of available Cu and Pb in soil decreased, the proportion of residual Cu and Pb increased, and the proportion of residual Cd first decreased and then increased. The addition of biochar significantly reduced the accumulation of Cu, Pb and Cd in V. zizanioides root. Biochar is beneficial to the stabilization of Cu, Cd and Pb in the root of V. zizanioides and reduce the effective state of Cu, Cd and Pb in soil, and can be applied to the remediation of soil contaminated by Cu, Cd and Pb.

    • HTML全文

  • 土壤重金属具有生物累积、难迁移和难降解的特点，威胁人类的健康和生态环境安全[1−2]。原位钝化修复[3]通过吸附、络合或沉淀作用降低重金属的生物可利用性，具有操作简单、经济环保的特点。生物炭是在限氧条件下，由不同生物质原料经过高温热解而产生的多孔碳质固体材料，吸附力强、物化性质稳定[4−5]，可通过络合、静电和离子交换等机理固定重金属，被广泛用于土壤固碳减排、重金属吸附等[6]，在农业和环境污染领域表现出巨大的修复潜能[7]。生物炭所用原料来源丰富，常有木炭、竹炭、污泥等[8]。我国作为农业大国，每年产生大量农作物秸秆、蔬菜废弃物、林果残枝等农林类废弃物[9]，可用于生物炭的制备。植物修复是利用植物吸收、富集、固定和降解甚至消除土壤重金属污染的生物技术[10]，常与微生物、有机改良剂等修复技术结合使用，以增强土壤重金属的固定效果。香根草（Vetiveria zizanioides）为多年生粗壮草本植物，根系强大，耐旱耐贫瘠，适应性强，能在多种高浓度重金属条件下生长[11−12]，其对重金属的积累主要在根部，对修复重金属污染土壤表现出极强的潜力[13]。

    鲁福庆等[14]研究蚯蚓－香根草联合作用对复垦土壤重金属Cr、Cu、Pb等总量及有效态含量的影响，发现蚯蚓－香根草联合能改善土壤理化性质，降低覆土重金属含量；郑小林等[15]在香根草修复Cd、Zn污染土壤的盆栽实验中加入N、P、K肥，发现3种处理均能促进香根草的生长并提高香根草地上部分重金属的积累。生物炭－香根草联合应用于重金属污染土壤的修复鲜见报道。基于此，本研究选用玉米秸秆、稻壳和椰壳制备的生物炭联合香根草设计盆栽体系，研究其对土壤重金属含量、形态转化及香根草体内重金属迁移和转运的影响，同时结合生物炭的表征探讨其转化机理，以期为生物炭联合香根草修复重金属污染土壤提供参考。

    1.   材料与方法

    1.1   供试材料

    香根草购自江西省红壤研究所。生物炭由玉米秸秆、稻壳、椰壳在500 ℃下炭化所得。盆栽土壤采自西南林业大学树木园表层土，自然风干并去除植物根系和杂物，研磨过2 mm筛网，加一定量的三水硝酸铜[Cu(NO3)2·3H2O]、二水硝酸铅[Pb(NO3)2·2H2O]、四水硝酸镉[Cd(NO3)2·4H2O]作为外源污染物。Cu、Cd和Pb污染物浓度设置参考GB 15618—2018[16]，质量浓度分别为500 mg/kg、200 mg/kg和5 mg/kg。模拟污染土壤基本理化性质：pH为6.41，有机质为8.53 g/kg，全氮为2.38 g/kg，全磷为1.37 g/kg，总Cu为593.59 mg/kg，总Cd为5.88 mg/kg，总Pb为245.00 mg/kg。

    1.2   试验设计

    试验在西南林业大学树木园大棚内进行，时间为2022年7—11月。添加生物炭和土壤质量比为50 g/kg，干土混匀后装入花盆。试验设计5个处理，每个处理4次重复。CK表示不添加生物炭处理，JBC、DBC、YBC分别表示添加玉米秸秆、稻壳、椰壳生物炭处理，CK + G表示单一种植香根草处理，JBC + G、DBC + G、YBC + G分别表示添加玉米秸秆、稻壳、椰壳生物炭联合香根草处理。生物炭与土壤充分混匀后，每盆种植5株长势一致的香根草幼苗，定期补充水分，使含水量保持在最大田间持水量的50%～60%。根据香根草幼苗移栽后的缓苗期和幼苗生长周期[17]，分别在培养30、60、90 d时采集土样，培养90 d结束后收获植物。收获后的样品在室内自然风干，土样用于测定土壤理化性质及重金属含量和形态，植物样品用于测定根茎和叶片重金属含量。

    1.3   测定方法

    土壤理化性质参考《土壤农业化学分析方法》[18]测定，pH值采用玻璃电极法测定，有机质采用重铬酸钾容量法测定，脲酶采用靓酚蓝比色法测定，蔗糖酶采用3,5−二硝基水杨酸显色法测定，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定。土壤用HNO3−HF−HClO4消解[19]，香根草用HNO3−HClO4消解[20]，土壤中酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态用BCR连续提取法提取，用原子吸收分光光度计测定。生物炭中的碳、氢、氧、氮含量用元素分析仪（Elementar，德国）测定，表面形貌用扫描电镜（SEM，TESCAN MIRA LMS，捷克）测定，表面官能团用Varian 1000傅里叶红外光谱仪（FITR，Varian，美国）测定，物相组成用X射线衍射仪（XRD，Rigaku，日本）测定。

    $$ 富集系数（{\mathrm{BCF}}）=植物体内重金属含量/土壤中重金属含量$$ (1)
    $$ \begin{split} & 转运系数（S/R）=植物地上部分重金属含量/\\ & 植物地下部分重金属含量 \end{split}$$ (2)

    1.4   数据处理

    用Excel 2007整理数据，Origin 2018制作图表，SPSS 23.0统计分析。不同处理间指标差异性采用单因素方差分析（one−way ANOVA）和差异显著性检验。

    2.   结果与分析

    2.1   生物炭的表征分析

    2.1.1   基本性质

    由表1可知，DBC、YBC和JBC均呈碱性，JBC的pH值高达9.22。DBC灰分较高，所含矿物质组分较多。元素组成中C的占比为DBC > YBC > JBC。C/H比值表征吸附剂芳香性，DBC的C/H高达178.21，芳香性较高。比表面积大小为DBC > JBC > YBC，较大的比表面积有利于吸附更多重金属。

    表  表 1  生物炭的基本性质
    生物炭 pH 灰分/% 比表面积/
    (m2·g−1)    		 孔体积/
    (cm3·g−1)    		 主要元素组成/%
    C H S N C/N C/H
    DBC 8.12 10.52 1.7892 0.0089 61.24 0.12 0.69 0.32 66.57 178.21
    YBC 8.85 8.11 1.0233 0.0075 60.20 1.03 0.68 0.34 178.77 58.52
    JBC 9.22 9.58 1.6875 0.0054 46.60 0.09 0.75 0.84 55.52 51.30
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    2.1.2   表面形态

    3种生物炭在1500倍数下观察到的扫描电镜见图1。DBC、YBC和JBC表面形态各异，由不均匀的块状物质组成。YBC的表面质地更为紧密，孔隙结构少而细小，DBC和JBC表面较为疏松，孔道结构和微孔数量更多，比表面积更大。丰富的孔隙结构和比表面积有利于为重金属提供更多的吸附位点与空间。

    图  图 1  生物炭的扫描电镜图
    Figure  图 1.  SEM images of biochar DBC, YBC and JBC
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    由红外光谱（图2）可知，3种生物炭中均存在C－H、C－O－C、C＝C和O－H基团的伸缩振动峰，表明3种生物炭中有羧基、酮基和醛基等官能团，使得生物炭具有吸附性能。

    图  图 2  3种生物炭的FTIR图谱
    Figure  图 2.  FTIR spectra of 3 biochar species
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    由图3可知，DBC的衍射图谱存在不规则波峰，在2θ为21.98°、28.44°、31.46°和36.08°处出现尖锐峰，表明DBC主要的无机矿物组分为SiO2。JBC的衍射图谱在2θ为24.48°、28.35°、40.51°和50.17°处出现特征衍射峰，表明JBC的矿物组分除SiO2外还含有部分KCl。YBC的衍射图谱上25°附近较为明显的峰和43°附近较弱的峰分别为YBC炭化的（002）和（100）的特征衍射峰，表明YBC具有一定的石墨化程度。

    图  图 3  3种生物炭的XRD图谱
    Figure  图 3.  XRD patterns of 3 biochar species
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    2.2   土壤pH、有机质和酶活性的变化分析

    由表2可知，单施生物炭和生物炭联合香根草处理，pH均有所增加，培养时间越长，pH值升高越显著。90 d时生物炭组土壤pH值相较于CK，提高了0.14%～3.87%。生物炭联合香根草组土壤pH值相较于CK + G，提高了4.00%～5.89%，可归因于香根草根系的微生物作用和固水保土作用，减轻了盐基离子的流失[21]。与CK相比，单施3种生物炭，有机质含量分别提高了4.13～8.96、4.65～9.12、3.05～9.11倍；3种生物炭联合香根草处理，土壤有机质含量分别提高了3.48～7.57、2.88～6.69、3.05～7.02倍。

    表  表 2  不同处理对土壤pH和有机质的影响
    培养时间/d 处理 pH 有机质含量/(g·kg−1)
    30 CK 6.40 ± 0.015cd 8.29 ± 0.541e
    DBC 6.78 ± 0.174a 74.30 ± 0.141a
    YBC 6.72 ± 0.072a 34.21 ± 0.626d
    JBC 6.62 ± 0.050ab 50.90 ± 5.613c
    CK + G 6.47 ± 0.051bc 7.49 ± 1.553e
    DBC + G 6.68 ± 0.105a 64.19 ± 4.288ab
    YBC + G 6.71 ± 0.108a 33.53 ± 0.029d
    JBC + G 6.71 ± 0.036 a 59.22 ± 12.544bc
    60 CK 6.40 ± 0.015e 7.40 ± 0.447e
    DBC 6.78 ± 0.174ab 67.49 ± 2.881a
    YBC 6.72 ± 0.072abc 37.53 ± 1.094cd
    JBC 6.62 ± 0.050bc 46.33 ± 14.950bc
    CK + G 6.57 ± 0.142cd 8.04 ± 0.817e
    DBC + G 6.82 ± 0.055a 61.84 ± 2.299a
    YBC + G 6.78 ± 0.017ab 31.20 ± 3.188d
    JBC + G 6.70 ± 0.091abc 59.21 ± 12.541ab
    90 CK 6.72 ± 0.021c 6.83 ± 0.192e
    DBC 6.98 ± 0.061ab 63.23 ± 0.379a
    YBC 6.73 ± 0.035c 31.77 ± 0.880d
    JBC 6.85 ± 0.132bc 54.80 ± 0.285c
    CK + G 6.71 ± 0.106c 7.91 ± 0.104e
    DBC + G 6.99 ± 0.059ab 63.53 ± 1.074a
    YBC + G 7.13 ± 0.142a 32.10 ± 0.837d
    JBC + G 7.03 ± 0.117ab 58.04 ± 0.777b
    　注：不同小写字母表示差异显著（P < 0.05）。
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    由图4a～c可知，相比CK，培养30 d时，DBC、YBC、JBC脲酶活性显著增强2.40～2.96倍（P < 0.05），蔗糖酶活性显著增强1.64～2.22倍（P < 0.05）；DBC + G、YBC + G、JBC + G处理脲酶活性显著增强2.18～3.24倍（P < 0.05），过氧化氢酶含量无显著性差异，蔗糖酶活性显著增强1.66～2.65倍（P < 0.05）。培养60 d时，DBC、YBC、JBC处理脲酶活性显著增强1.14～3.51倍（P < 0.05），蔗糖酶活性显著增强1.27～2.80倍（P < 0.05）；DBC + G、YBC + G、JBC + G处理脲酶活性显著增强2.00～2.78倍（P < 0.05），蔗糖酶活性显著增强2.34～4.39倍（P < 0.05）。培养90 d时，3种酶活性含量相比CK均有不同程度升高。蔗糖酶活性增强与土壤有机质含量升高有关[22]，过氧化氢酶和脲酶活性的变化程度与土壤重金属污染程度密切相关[23]。各处理过氧化氢酶和脲酶活性升高，说明生物炭联合香根草能够降低土壤重金属的污染程度。

    图  图 4  不同处理对土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性的影响
    Figure  图 4.  Effects of different treatments on soil urease, catalase and sucrase activity
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    2.3   土壤重金属含量和形态变化分析

    相比CK，培养30 d时，弱酸提取态Cu含量减少2%～17%，可氧化态Cu和残渣态Cu占比分别增加1%～2%和1%～5%，随着培养时间的延长，可氧化态Cu占比逐渐增大，残渣态Cu占比逐渐减小（图5a～b）。各处理土壤Cd含量无显著差异，土壤Cd主要为弱酸提取态，可氧化态和可还原态Cd占比较低（图5c～d）。生物炭处理土壤Pb含量显著减少（P < 0.05），生物炭联合香根草处理土壤Pb含量变化不显著，Pb主要以酸提取态和可还原态赋存，两组处理均增大了残渣态Pb占比；培养60 d和培养90 d时，出现了相同规律（图5e～f）。Cu、Cd和Pb的形态变化与土壤有机质含量有关，当有机质含量升高时，有机质重金属结合态含量增加[24]。此外，随着培养时间的延长，土壤中3种重金属含量降幅明显，说明生物炭与香根草对重金属的吸附可能需要较长周期。

    图  图 5  不同处理土壤中Cu、Cd、Pb含量及形态变化
    Figure  图 5.  Cu, Cd and Pb content and morphological changes in soil under different treatments
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    2.4   香根草体内重金属富集和转运分析

    由图6a可知，香根草根部Cu含量由高到低依次为CK + G > DBC + G > YBC + G > JBC + G，与CK相比，DBC + G、YBC + G、JBC + G处理根部Cu含量显著减少了49.06%、59.44%、62.30%（P < 0.05）。由图6b可知，香根草根部Cd含量由高到低依次为CK + G > JBC + G > DBC + G > YBC + G，与CK相比，DBC + G、YBC + G、JBC + G处理根部Cd含量显著减少了52.58%、58.69%、49.77%（P < 0.05）。由图6c可知，香根草根部Pb含量由高到低依次为CK + G > DBC + G > YBC + G > JBC + G，与CK相比，DBC + G、YBC + G、JBC + G处理根部Pb含量显著减少了55.86%、63.28%、70.31%（P < 0.05）。香根草中Pb的下降幅度大于Cu和Cd，可能与不同生物炭和香根草根系微生物的共同作用有关。

    图  图 6  添加生物炭后香根草中Cu、Cd、Pb含量
    Figure  图 6.  Cu, Cd and Pb content of V. zizanioides after adding biochar
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    由图7a～c可知，添加DBC、YBC、JBC降低了香根草对重金属的富集，Cu、Cd、Pb的BCF分别减少了0.21～0.26、0.43～0.51、0.20～0.23。添加DBC、YBC、JBC，对Cu和Cd的转运无明显影响，对Pb的转运效果为JBC + G > YBC + G > DBC + G。3种重金属的转运系数均小于1，主要以根部积累为主。香根草根部对3种重金属有较强的吸收和富集能力，大小为Cd > Cu > Pb，反映出生物炭联合香根草对不同重金属有不同耐受能力[25]，生物炭的施入，不同程度降低了香根草对Cu、Cd和Pb的积累。

    图  图 7  添加生物炭对香根草中Cu、Cd、Pb富集系数和转运系数的影响
    Figure  图 7.  Effect of biochar on Cu, Cd and Pb content of V. zizanioides BCF and S/R
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    3.   结论与讨论

    3.1   农林基质生物炭对土壤pH、有机质和酶活性的影响

    pH主要反应土壤酸碱物质的含量。本研究发现，生物炭的施入提高了土壤pH值。这与生物炭施入土壤后对土壤的酸度起到中和作用有关[26]，生物炭中矿物灰分较高，灰分中的盐基离子通过交换作用使得土壤的pH升高[27]。pH的升高促进香根草的生长和土壤微生物活动，进一步减轻盐基离子的流失 [28]。土壤有机质是土壤肥力的重要指标之一。本研究中，添加生物炭使土壤有机质含量不同程度地升高，这与生物炭的多孔结构、较大的比表面积能够吸附有机分子有关，生物炭特有的结构和官能团导致其吸附有机质含量存在差异，故对土壤有机质的增幅效果不同，与杨惟薇等[29]的研究结果一致。

    土壤酶活性表征土壤养分循环和污染物的生物有效性。土壤脲酶与土壤氮素有关，蔗糖酶是参与有机碳循环的酶，过氧化氢酶活性与土壤腐殖质和有机质有关。本研究发现，培养时间内，单施生物炭及生物炭联合香根草处理均显著提高了土壤脲酶和蔗糖酶活性，培养90 d时过氧化氢酶活性增强。这与生物炭的施入带来了大量的碳源和氮源，改善了土壤的水土保持功能，提高了土壤微生物的数量，进而促进土壤微生物的生长与代谢有关[30]。生物炭的吸附作用产生双重效应，当生物炭添加量较低时，主要表现为酶促反应；当生物炭添加量过高时，酶促反应有所下降，表现出一定的抑制作用[31]。本研究中，栽植香根草可补充土壤有机质的损耗，香根草发达的根系与土壤微生物的相互作用能够提高土壤氮含量，进一步促进土壤酶活性的提升[32]。

    3.2   农林基质生物炭对土壤重金属含量和形态转化的影响

    土壤重金属的形态可分为弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态 [33]，弱酸提取态、可还原态和可氧化态占比越高，其生物有效性越大，污染程度越强[34]。残渣态为无效态，难以被生物利用[35]，故土壤中的残渣态越多，重金属的生物利用率越低。本研究中，3种生物炭添加均能降低土壤Cu的可利用态含量。物相组分分析可知3种生物炭的主要组成物质为SiO2，Deng等[36]的研究证实添加硅酸盐和镁盐的松木屑生物炭比表面积和孔隙结构增大，促进Cu2 + 孔隙的填充，这可能是生物炭对Cu2 + 的吸附效果较好的因素。随着培养时间延长，可还原态Cd占比减少，残渣态Cd占比增加，这与Gao等[37]的研究结果类似。生物炭中的含氧官能团是Cd去除的关键[38]，Beesley等[39]的研究表明玉米（Zea mays）秸秆生物炭对Cd的吸附主要是由于生物炭表面羟基和羧基与Cd发生络合作用，Cui等[40]的研究也表明Cd的吸附主要是与有机官能团发生络合作用。此外，根际分泌物中的有机酸可促进难溶态Cd溶解，从而影响土壤中Cd的形态[41]，推测本研究中香根草的根系活动也是Cd含量变化的原因之一。Pb2 + 的固定主要是与生物炭中羟基和羧基官能团产生了络合作用[42−43]，与单施生物炭处理相比，生物炭联合香根草处理后Cu、Cd和Pb含量增加，归因于在香根草生长的土壤环境中，其根系分泌物与根际土壤发生相互作用，根际微生物的组成、活性和分泌作用改变了金属的活性，降低了重金属的生物有效性[44−45]。

    土壤中重金属的环境行为和生物有效性与重金属的化学形态密切相关[46]。本研究中，添加3种生物炭改变了重金属的形态分布，不同生物炭施入对不同重金属的形态分布影响存在差异。生物炭含有的羰基、羧基等含氧官能团具有较强的亲和力，同土壤酸性物质中和，土壤中OH−，SiO32−和CO32−等碱性基团逐渐增加，促进了氢氧化物、硅酸盐沉淀的生成，进而减少有效态重金属的含量。生物炭中的碱性物质还可通过离子交换使重金属阳离子水解，形成难溶态的金属氢氧化物、碳酸盐或磷酸盐，影响重金属迁移能力。刘晶晶等[47]的研究发现不同类型、用量和粒径生物质炭施用后土壤中Cd、Cu、Pb和Zn的化学形态响应状况不同，与本研究结果类似。此外，生物炭通过物理吸附或表面官能团吸附截留土壤中溶解态的重金属，生物炭施入后有效硅含量增加，与重金属离子形成结构稳定的硅酸盐沉淀，使得残渣态比例增加。生物炭施入后土壤有机质含量升高也是金属有机结合态含量增加的原因[48]。复合污染土壤中Pb、Cd等重金属存在交互作用，导致重金属活性和生物有效性发生改变。本研究中，Cu和Pb的组分均表现出弱酸提取态和可还原态减少，可氧化态和残渣态增加的趋势，Cd的残渣态组分先减少后增加，这与高瑞丽等[49]的研究结果类似。关于农林基质生物炭联合香根草对土壤重金属迁移转化的作用机制需进一步研究，才能为优选不同原料生物炭联合香根草修复适用的重金属污染土壤提供支撑。

    3.3   农林基质生物炭添加对香根草体内重金属富集和转运的影响

    富集系数表征植物对某种元素的积累能力，是评价植物富集重金属的重要指标[50]。本研究发现，添加3种生物炭之后，香根草对污染土壤中的Cu、Cd和Pb的富集能力减弱，主要原因是香根草根系分泌物中的有机酸与重金属离子发生络合或螯合，改变重金属的生物有效性，促进植物耐受或富集重金属[25]，与吴海霞等[51]、Salam等[52]研究中添加生物炭后植物中重金属浓度降低的结论一致。在复合污染土壤中，香根草对Cd的富集能力更强，对Cu、Pb的富集能力相对较弱，这是因为不同生物炭的施入不同程度地改变了3种重金属的含量和形态，使得有效态重金属含量发生变化，进而导致香根草体内重金属积累的差异。DBC对Pb的富集能力、YBC对Cu的富集能力、JBC对Cd的富集能力分别优于其余2种生物炭，表明生物炭的种类也是香根草对Cu、Cd和Pb的富集和转运产生差异的原因。赵帅[53]的研究表明，稻壳生物炭对Cu、Zn和Pb中重金属的钝化效果优于玉米秸秆生物炭；朱园芳等[54]的研究表明，猪粪生物炭对Pb的活化作用强于稻壳生物炭，而稻壳生物炭对Zn、Cu和Cd的活化作用强于猪粪生物炭，证明不同来源生物炭对土壤重金属的吸收效果不同。本研究中，添加3种生物炭后，土壤Cu、Cd和Pb的可利用态占比减少，残渣态占比增加，导致生物有效性发生改变，有利于香根草对重金属的积累和吸收。生物炭施入后对Cu和Cd的转运无明显影响，而促进了Pb从根茎到叶片的转移。香根草根部的重金属含量远高于叶片重金属含量，说明香根草能够把重金属稳定积累在根部，减少其向上运输和对地上部分的毒害，降低重金属通过植被向生态系统迁移的风险。由此可见，通过配施生物炭，香根草可作为重金属污染土壤的修复植物。

  • 图  图 1   生物炭的扫描电镜图

    Figure  图 1.   SEM images of biochar DBC, YBC and JBC

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图  图 2   3种生物炭的FTIR图谱

    Figure  图 2.   FTIR spectra of 3 biochar species

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图  图 3   3种生物炭的XRD图谱

    Figure  图 3.   XRD patterns of 3 biochar species

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图  图 4   不同处理对土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性的影响

    Figure  图 4.   Effects of different treatments on soil urease, catalase and sucrase activity

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图  图 5   不同处理土壤中Cu、Cd、Pb含量及形态变化

    Figure  图 5.   Cu, Cd and Pb content and morphological changes in soil under different treatments

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图  图 6   添加生物炭后香根草中Cu、Cd、Pb含量

    Figure  图 6.   Cu, Cd and Pb content of V. zizanioides after adding biochar

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图  图 7   添加生物炭对香根草中Cu、Cd、Pb富集系数和转运系数的影响

    Figure  图 7.   Effect of biochar on Cu, Cd and Pb content of V. zizanioides BCF and S/R

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    表  表 1   生物炭的基本性质

    生物炭 pH 灰分/% 比表面积/
    (m2·g−1)    		 孔体积/
    (cm3·g−1)    		 主要元素组成/%
    C H S N C/N C/H
    DBC 8.12 10.52 1.7892 0.0089 61.24 0.12 0.69 0.32 66.57 178.21
    YBC 8.85 8.11 1.0233 0.0075 60.20 1.03 0.68 0.34 178.77 58.52
    JBC 9.22 9.58 1.6875 0.0054 46.60 0.09 0.75 0.84 55.52 51.30
    下载: 导出CSV

    表  表 2   不同处理对土壤pH和有机质的影响

    培养时间/d 处理 pH 有机质含量/(g·kg−1)
    30 CK 6.40 ± 0.015cd 8.29 ± 0.541e
    DBC 6.78 ± 0.174a 74.30 ± 0.141a
    YBC 6.72 ± 0.072a 34.21 ± 0.626d
    JBC 6.62 ± 0.050ab 50.90 ± 5.613c
    CK + G 6.47 ± 0.051bc 7.49 ± 1.553e
    DBC + G 6.68 ± 0.105a 64.19 ± 4.288ab
    YBC + G 6.71 ± 0.108a 33.53 ± 0.029d
    JBC + G 6.71 ± 0.036 a 59.22 ± 12.544bc
    60 CK 6.40 ± 0.015e 7.40 ± 0.447e
    DBC 6.78 ± 0.174ab 67.49 ± 2.881a
    YBC 6.72 ± 0.072abc 37.53 ± 1.094cd
    JBC 6.62 ± 0.050bc 46.33 ± 14.950bc
    CK + G 6.57 ± 0.142cd 8.04 ± 0.817e
    DBC + G 6.82 ± 0.055a 61.84 ± 2.299a
    YBC + G 6.78 ± 0.017ab 31.20 ± 3.188d
    JBC + G 6.70 ± 0.091abc 59.21 ± 12.541ab
    90 CK 6.72 ± 0.021c 6.83 ± 0.192e
    DBC 6.98 ± 0.061ab 63.23 ± 0.379a
    YBC 6.73 ± 0.035c 31.77 ± 0.880d
    JBC 6.85 ± 0.132bc 54.80 ± 0.285c
    CK + G 6.71 ± 0.106c 7.91 ± 0.104e
    DBC + G 6.99 ± 0.059ab 63.53 ± 1.074a
    YBC + G 7.13 ± 0.142a 32.10 ± 0.837d
    JBC + G 7.03 ± 0.117ab 58.04 ± 0.777b
    　注：不同小写字母表示差异显著（P < 0.05）。
    下载: 导出CSV
    • 参考文献(54)
  • [1] 袁婷婷, 席雪萍, 齐超, 等 环境科学与管理 生物炭修复土壤重金属污染的研究进展 2022 47 3 123 126
    [2] 王玉军, 刘存, 周东美, 等 农业环境科学学报 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 2014 33 8 1465 1473
    [3] 王晨. 4种原料制备的生物炭对土壤Zn、Cd形态及土壤酶活性的影响[D]. 泰安: 山东农业大学, 2017.
    [4] 王申宛, 郑晓燕, 校导, 等 化工进展 生物炭的制备、改性及其在环境修复中应用的研究进展 2020 39 增刊2 352 361
    [5]

    Liu Y, Gan L, Chen Z, et al Journal of Hazardous Materials Removal of nitrate using Paracoccus sp. YF1 immobilized on bamboo carbon 2012 229/230 419 425 10.1016/j.jhazmat.2012.06.029 DOI: 10.1016/j.jhazmat.2012.06.029
    [6] 潘逸凡, 杨敏, 董达, 等 应用生态学报 生物质炭对土壤氮素循环的影响及其机理研究进展 2013 24 9 2666 2673
    [7]

    Xie T, Reddy K R, Wang C W, et al Critical Reviews in Environmental Science and Technology Characteristics and applications of biochar for environmental remediation: a review 2015 45 9 939 969 10.1080/10643389.2014.924180 DOI: 10.1080/10643389.2014.924180
    [8] 吕宏虹, 宫艳艳, 唐景春, 等 农业环境科学学报 生物炭及其复合材料的制备与应用研究进展 2015 34 8 1429 1440
    [9] 滕飞, 刘京蕊, 李传友, 等 农机质量与监督 农业废弃物资源化利用的实践与探索 2020 9 25 26
    [10] 陈亚奎, 葛登文, 卢滇楠 环境生态学 镉污染土壤的植物修复技术 2020 9 92 98
    [11] 胡长杏, 李博 安徽农学通报 香根草对Cd、Pb、Zn的吸收累积特征研究 2019 25 18 131 133
    [12] 张广伦, 肖正春, 张卫明, 等 中国野生植物资源 香根草的研究与利用 2015 2 70 74
    [13] 杨兵, 蓝崇钰, 束文圣 生态学报 香根草在铅锌尾矿上生长及其对重金属的吸收 2005 25 1 45 50
    [14] 鲁福庆, 王兴明, 储昭霞, 等 生态与农村环境学报 蚯蚓−香根草联合作用对复垦土壤重金属Cr、Cu、Pb和Zn的影响 2022 38 9 1194 1203
    [15] 郑小林, 朱照宇, 黄伟雄, 等 西北植物学报 N、P、K肥对香根草修复土壤镉、锌污染效率的影响 2007 27 3 560 564
    [16] 生态环境部, 国家市场监督管理总局. 土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准: GB 15618—2018[S]. 北京: 中国标准出版社, 2018.
    [17] 彭秀, 李彬, 董其友 防护林科技 香根草育苗与栽植技术 2009 5 110 112
    [18] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.
    [19] 龙加洪, 谭菊, 吴银菊, 等 中国环境监测 土壤重金属含量测定不同消解方法比较研究 2013 29 1 123 126
    [20] 张佩. 香根草对土壤中Pb、Zn和Cd形态、迁移影响及对铅锌矿尾矿的修复[D]. 桂林: 广西师范大学, 2008.
    [21] 莫思琪, 曹旖旎, 谭倩 生态学杂志 根系分泌物在重金属污染土壤生态修复中的作用机制研究进展 2022 41 2 382 392
    [22] 郭琴波, 王小利, 段建军, 等 水土保持学报 氮肥减量配施生物炭对稻田有机碳矿化及酶活性影响 2021 35 5 369 374, 383
    [23] 王新, 周启星 生态科学 土壤重金属污染生态过程、效应及修复 2004 23 3 278 281
    [24] 王浩, 章明奎 土壤通报 有机质积累和酸化对污染土壤重金属释放潜力的影响 2009 40 3 538 541
    [25] 牛学礼, 丘雯鑫, 杨锦玉, 等 草业科学 香根草根系分泌物对重金属胁迫下两种草坪草种子萌发的影响 2020 37 6 1074 1087
    [26] 袁金华, 徐仁扣 生态与农村环境学报 稻壳制备的生物质炭对红壤和黄棕壤酸度的改良效果 2010 26 5 472 476
    [27]

    Beesley L, Moreno-Jimenez E, Gomez-Eyles J L, et al Environmental Pollution A review of biochars' potential role in the remediation, revegetation and restoration of contaminated soils 2011 159 12 3269 3282 10.1016/j.envpol.2011.07.023 DOI: 10.1016/j.envpol.2011.07.023
    [28] 李甜田, 康禄华, 李平, 等 中国稀土学报 香根草在离子型稀土堆浸矿场的修复应用研究 2022 40 1 153 160
    [29] 杨惟薇, 张超兰, 曹美珠, 等 水土保持学报 4种生物炭对镉污染潮土钝化修复效果研究 2015 29 1 239 243
    [30] 王震宇, 徐振华, 郑浩, 等 中国海洋大学学报（自然科学版） 花生壳生物炭对中国北方典型果园酸化土壤改性研究 2013 43 8 86 91
    [31]

    Lehmann J, JosepH S Biochar for Environmental Management Biochar for environmental management: An introduction 2009 25 1 15801 15811

    [32] 张龙冲, 曹霖, 李玉英, 等 湿地科学 丹江口水库新消落带土壤酸碱度及种植香根草对其的影响 2018 16 3 334 340
    [33]

    Wali A, Colinet G, Ksibi M Environmental Research, Engineering and Management Speciation of heavy metals by modified BCR sequential extraction in soils contaminated by phosphogypsum in Sfax, Tunisia 2015 70 4 14 26

    [34] 于瑞莲, 胡恭任 有色金属 土壤中重金属污染源解析研究进展 2008 60 4 158 165
    [35] 陈茂林, 胡忻, 王超 农业环境科学学报 我国部分城市污泥中重金属元素形态的研究 2004 23 6 1102 1105
    [36]

    Deng J, Li X, Wei X, et al Chemical Engineering Journal Hybrid silicate-hydrochar composite for highly efficient removal of heavy metal and antibiotics: Coadsorption and mechanism 2020 387 124097 10.1016/j.cej.2020.124097 DOI: 10.1016/j.cej.2020.124097
    [37]

    Gao X, Peng Y, Zhou Y, et al Journal of Environmental Management Effects of magnesium ferrite biochar on the cadmium passivation in acidic soil and bioavailability for packoi (Brassica chinensis L.) 2019 251 109610 10.1016/j.jenvman.2019.109610 DOI: 10.1016/j.jenvman.2019.109610
    [38]

    Liang J, Li X M, Yu Z G, et al ACS Sustainable Chemistry & Engineering Amorphous MnO2 modified biochar derived from aerobically composted swine manure for adsorption of Pb(II) and Cd(II) 2017 5 6 5049 5058

    [39]

    Beesley L, Marmiroli M, Pagano L, et al Science of the Total Environment Biochar addition to an arsenic contaminated soil increases arsenic concentrations in the pore water but reduces uptake to tomato plants (Solanum lycopersicum L. ) 2013 454/455 598 603 10.1016/j.scitotenv.2013.02.047 DOI: 10.1016/j.scitotenv.2013.02.047
    [40]

    Cui L, Noerpel, Matt R, et al Environment International Wheat straw biochar reduces environmental cadmium bioavailability 2019 126 69 75 10.1016/j.envint.2019.02.022 DOI: 10.1016/j.envint.2019.02.022
    [41] 李欣阳. 土壤−水稻系统Cd形态变化、活化特征与Cd迁移阻控研究[D]. 长沙: 中南林业科技大学, 2019.
    [42]

    Li Y L, Yu H, Liu L, et al Journal of Hazardous Materials Application of co-pyrolysis biochar for the adsorption and immobilization of heavy metals in contaminated environmental substrates 2021 420 126655 10.1016/j.jhazmat.2021.126655 DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.126655
    [43]

    Lu H, Zhang W, Yang Y, et al Water Research Relative distribution of Pb2 + sorption mechanisms by sludge-derived biochar 2012 46 3 854 862 10.1016/j.watres.2011.11.058 DOI: 10.1016/j.watres.2011.11.058
    [44] 方青, 丁子微, 孙庆业, 等 农业环境科学学报 客土改良铜尾矿对香根草生理特征及重金属吸收的影响 2021 40 1 83 91 10.11654/jaes.2020-0902 DOI: 10.11654/jaes.2020-0902
    [45] 傅晓萍, 豆长明, 胡少平, 等 植物生态学报 有机酸在植物对重金属耐性和解毒机制中的作用 2010 34 11 1354 1358
    [46] 关天霞, 何红波, 张旭东, 等 土壤通报 土壤中重金属元素形态分析方法及形态分布的影响因素 2011 42 2 503 512
    [47] 刘晶晶, 杨兴, 陆扣萍, 等 环境科学学报 生物质炭对土壤重金属形态转化及其有效性的影响 2015 35 11 3679 3687
    [48] 李永正, 毛凌晨, 严南峡, 等 燃烧科学与技术 鸽粪基生物炭对土壤重金属形态的影响 2020 26 2 185 191
    [49] 高瑞丽, 唐茂, 付庆灵, 等 环境科学 生物炭、蒙脱石及其混合添加对复合污染土壤中重金属形态的影响 2017 38 1 361 367
    [50] 马文超, 刘媛, 孙晓灿, 等 生态学报 镉在土壤−香根草系统中的迁移及转化特征 2016 36 11 3411 3418
    [51] 吴海霞, 孙萍, 卢爽, 等 中国环境科学 浒苔生物炭促进土壤Pb固定并缓解植物Pb毒性 2020 40 8 3530 3538 10.3969/j.issn.1000-6923.2020.08.033 DOI: 10.3969/j.issn.1000-6923.2020.08.033
    [52]

    Salam A, Bashir S, Khan I, et al Applied Geochemistry Two years impacts of rapeseed residue and rice straw biochar on Pb and Cu immobilization and revegetation of naturally co-contaminated soil 2019 105 97 104 10.1016/j.apgeochem.2019.04.011 DOI: 10.1016/j.apgeochem.2019.04.011
    [53] 赵帅. 不同生物炭对黔西北土法炼锌区土壤镉、铅和锌形态变化影响研究[D]. 贵阳: 贵州师范大学, 2022.
    [54] 朱园芳, 朱华军, 刘玉学, 等 江苏农业科学 2种生物炭对复合污染土壤中重金属形态的影响 2020 48 5 255 258
    • 相关文章
    • 施引文献(1)

  • 期刊类型引用(0)

    其他类型引用(1)

    • 资源附件(0)
图(7)  /  表(2)
计量
  • 文章访问数:  88
  • HTML全文浏览量:  59
  • PDF下载量:  24
  • 被引次数: 1
出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-07
  • 录用日期:  2024-02-25
  • 网络出版日期:  2024-03-04
  • 刊出日期:  2024-11-19

目录

摘要
HTML全文

  • 1.   材料与方法

  • 1.1   供试材料

  • 1.2   试验设计

  • 1.3   测定方法

  • 1.4   数据处理

  • 2.   结果与分析

  • 2.1   生物炭的表征分析

  • 2.1.1   基本性质
  • 2.1.2   表面形态

  • 2.2   土壤pH、有机质和酶活性的变化分析

  • 2.3   土壤重金属含量和形态变化分析

  • 2.4   香根草体内重金属富集和转运分析

  • 3.   结论与讨论

  • 3.1   农林基质生物炭对土壤pH、有机质和酶活性的影响

  • 3.2   农林基质生物炭对土壤重金属含量和形态转化的影响

  • 3.3   农林基质生物炭添加对香根草体内重金属富集和转运的影响

参考文献(54)
相关文章
施引文献
资源附件(0)

/

返回文章
返回

Copyright © 滇ICP备10002112号-2

地址：云南昆明市白龙寺300号西南林业大学129信箱 邮编：650233

电话：0871-63863029/63862787 E-mail：swfcbjb@vip.163.com

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发  技术支持：info@rhhz.net 百度统计