劉艷，王聰穎，史志明，楊斌

(1.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(zhì)中，具有持久性、高累積性，致使生物毒性效應(yīng)不斷富集放大[1,2]。當(dāng)土壤中重金屬累積量超過一定濃度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，并最終進(jìn)入食物鏈而威脅人體健康[3]。

生物炭是生物質(zhì)在限氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤舛纬傻囊环N富碳固體物質(zhì)。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(jié)構(gòu)，減少土壤養(yǎng)分流失，繼而增加土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量[4～7]。因此，生物炭的施用對(duì)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(duì)土壤中的重金屬具有強(qiáng)烈的吸附作用，其原理是通過改善土壤性質(zhì)，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(zhuǎn)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(huì)受到各種生物與非生物因子的氧化作用，使其表面結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)隨著時(shí)間的延長而發(fā)生改變，這一過程稱之為“老化”[12]。一些學(xué)者用過氧化氫、濃硫酸和濃硝酸等氧化劑對(duì)生物炭進(jìn)行化學(xué)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(tuán)的數(shù)量。盡管如此，目前關(guān)于老化生物炭對(duì)土壤重金屬有效性及對(duì)植物體內(nèi)重金屬累積效應(yīng)的影響等方面的報(bào)道相對(duì)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(duì)生物炭的環(huán)境效益做準(zhǔn)確評(píng)估，具有實(shí)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(duì)原始生物炭進(jìn)行老化，并分析老化前后生物炭的CEC、元素組成、表面官能團(tuán)等參數(shù)的變化，再通過盆栽試驗(yàn)，研究生物炭老化前后對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量的改變、對(duì)小白菜累積重金屬的影響，以期為生物炭在土壤修復(fù)中的長期應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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(nóng)田土壤(37°36′66″N，112°03′34″E)，采樣時(shí)取0～20 cm的表層土。采集的土壤樣品經(jīng)過風(fēng)干，去除樣品中的根系、石礫等雜物，過2 mm篩，保存?zhèn)溆?。土壤的基本理化性質(zhì)：pH為7.17，CEC為27.07 cmol·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)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(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)。供試作物為四季小白菜，購自太原市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心。

1.2 生物質(zhì)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(jīng)收集、研磨、過篩，制得原始的生物炭樣品(原始炭，BC)，儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

老化炭(OBC)是以氧化劑結(jié)合人工模擬自然風(fēng)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?jǐn)嚢? h后，加入適量去離子水，放置于80 ℃烘箱內(nèi)12 h，重復(fù)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(fù)三次凍融交替老化；再重復(fù)三次干濕和凍融兩個(gè)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(yàn)

在土壤中加入Pb(NO3)2、CuSO4·5H2O、CdCl2·2.5H2O溶液進(jìn)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(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(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(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，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(zhì)量比與土壤混合，標(biāo)記為CK、B1、B2、B5、OB1、OB2、OB5，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。取預(yù)先萌發(fā)好且長勢(shì)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(jié)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(jié)束后，采集土壤和植物樣品，并測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)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(cè)定方法

生物質(zhì)炭的元素組成用元素分析儀(Flash EA1112，Thermo Finnigan，美國)測(cè)定。表面官能團(tuán)采用傅里葉紅外光譜分析儀(FTIR)(Tensor27，Bruker，德國)進(jìn)行分析。土壤理化性質(zhì)的測(cè)定參考[19]：pH值用水浸提法(樣品：水=1∶2.5m/v)，用pH計(jì)(PHS-3E，中國)測(cè)定。有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)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(jì)(AA140/240，美國)測(cè)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(jì)測(cè)定其含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2007和SPSS軟件進(jìn)行分析。并采用ANOVA方差分析和Duncan法進(jìn)行的顯著性檢驗(yàn)。使用Origin8.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭理化性質(zhì)

生物炭老化前后的理化性質(zhì)如表1所示，原始炭(BC)經(jīng)過氧化得到的老化炭(OBC)，其理化性質(zhì)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(shì)一致。通過對(duì)老化前后的生物炭進(jìn)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(duì)含量下降，氧的相對(duì)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(qiáng)各有不同。在3 419 cm-1處的寬峰為-OH伸縮振動(dòng)峰，與BC相比，OBC在此處有明顯的吸收峰，可能是因?yàn)樯锾颗cH2O2發(fā)生氧化還原反應(yīng)，造成-OH伸縮振動(dòng)峰的振幅增強(qiáng)，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(qiáng)，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(dòng)峰和在1 050 cm-1處的脂肪族中C-O吸收峰的彈性振動(dòng)所引起的。在3 000 cm-1左右處的為振動(dòng)強(qiáng)度較小的脂肪族中的C-H伸縮振動(dòng)峰，2 362 cm-1左右處的為Si-H鍵的振動(dòng)峰，以及807 cm-1處芳香族中的C-H鍵的伸縮振動(dòng)峰，兩種生物炭在該波數(shù)下吸收峰強(qiáng)度基本相同。以上數(shù)據(jù)表明，老化作用增加了生物炭表面羥基、羰基等含氧官能團(tuán)的數(shù)量和種類。

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

圖1 生物質(zhì)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(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)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(duì)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(gè)單位。

土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量顯著高于BC處理組。例如，B5和OB5處理中，土壤的有機(jī)質(zhì)含量較CK分別提高了19.9%和33.8%。

圖2 土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量的變化Fig.2 Changes of pH value and organic matter content of soil

2.3 生物炭對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)小白菜重金屬累積量的影響

生物質(zhì)對(duì)小白菜體內(nèi)重金屬的積累也產(chǎn)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(nèi)的三種金屬含量顯著減少(P<0.05)?？瞻讓?duì)照中小白菜體內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(duì)植物累積重金屬的抑制作用更強(qiáng)。

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(zhì)差異較大，老化過程使生物炭表面生成更多的含氧官能團(tuán)，從而提高了CEC，但羧基等官能團(tuán)數(shù)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(jié)果相似，即生物炭經(jīng)過4個(gè)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(duì)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(zhì)極性的參數(shù)，該值越大，生物炭極性越強(qiáng)；而C/H用于表示芳香性，該值越大，芳香性越強(qiáng)[22,23]。因此，老化過程使生物炭的芳香性減弱，極性增強(qiáng)，這可能是因?yàn)橐幌盗械难趸^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(tuán)[24,25]。之前的研究也發(fā)現(xiàn)生物炭在地球化學(xué)及風(fēng)化作用下，生物炭的羧基和羰基含量會(huì)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(tuán)的種類和數(shù)量，改變了生物炭的基本理化性質(zhì)。

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(gè)單位，這與供試的生物炭本身呈堿性有關(guān)；而在同一添加比例下，老化炭提高土壤pH值的效果相對(duì)原始炭較弱，這與生物炭經(jīng)過氧化處理導(dǎo)致其自身pH值的降低有關(guān)。此外，B5和OB5處理中，土壤的有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量，使土壤團(tuán)聚體、通透性等得到改善，有效改變了土壤質(zhì)量狀況，這與現(xiàn)有的研究[19,21]結(jié)果是一致的。本文的結(jié)果還表明，即使生物炭發(fā)生老化作用，仍然可增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性，提高土壤有機(jī)碳的積累，這一點(diǎn)對(duì)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(luò)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(nèi)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(jié)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(duì)土壤Pb、Cu、Cd具有更強(qiáng)的固定作用，可有效控制土壤重金屬向植物體的轉(zhuǎn)移，這與小白菜體內(nèi)Pb、Cu、Cd的積累量隨生物炭施加量增加而減少的結(jié)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(yīng)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(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)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(tuán)，從而為固定土壤重金屬提供了更多的吸附位點(diǎn)，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(duì)重金屬的攝取，有效降低了重金屬的生物有效性，從而促進(jìn)了植物的生長。

4 結(jié)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(tuán)的種類、數(shù)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(duì)重金屬的累積。因此，生物炭在土壤的應(yīng)用具有一定的長期穩(wěn)定性，本文的結(jié)論對(duì)于利用生物炭控制和修復(fù)重金屬污染土壤，降低重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義。