黄土中生物炭对重金属的吸附-固定化作用和生物有效性影响及其机制

生物炭（Biochar）是生物质（例如，秸秆、草、木屑、畜禽粪便等农林废弃物）不完全燃烧或在缺氧条件下热解所产生的富含碳颗粒，在减少温室气体排放、土壤改良等应用中潜力巨大，已引起国际环境界和土壤界的极大关注；但生物炭进入土壤后对重金属污染物的迁移转化和生物有效性影响及其机制亟待研究。本项目拟研究溶液体系下生物炭对重金属的吸附规律、机制及其影响因素，探寻共存重金属在生物炭表面的竞争吸附机理；系统研究水-土体系下黄土中生物炭对重金属的吸附-固定化作用机理、生物炭组成和结构与其吸附固定性能之间的关系；探究黄土有机质、粘土矿物和微生物与生物炭的相互作用及生物炭的老化；研究黄土-植物系统中生物炭对植物吸收累积重金属的阻控机制、时效性及影响因素。试图揭示生物炭对黄土中重金属污染物迁移转化和生物有效性影响的规律及作用机制，为区域土壤重金属污染控制及保障农产品安全提供科学依据。

本项目主要以生物炭进入黄土后对重金属污染物的迁移转化和生物有效性影响及其机制研究、区域土壤重金属污染固定化修复为目标，以吸附作用、固定化机制和生物有效性为主要内容开展研究，试图揭示生物炭对黄土中重金属污染物迁移转化和生物有效性影响的规律及作用机制，为区域土壤重金属污染控制及保障农产品安全提供科学依据。研究取得了如下成果：. （1）以西北地区主要的农林废弃物制备生物炭，对生物炭的结构和性质进行了表征，探究了其对典型重金属的吸附规律、机制及构效关系。结果表明，生物炭的结构与表面特性与生物质的来源和热解条件紧密相关；生物炭对溶液中重金属离子的吸附动力学符合准二级动力学模型，吸附速率主要是由表面吸附和颗粒内扩散共同控制；生物炭对重金属的吸附反应多为放热反应，符合Langmuir和Freundlich模型；吸附机制主要是重金属离子与生物炭表面的静电作用、离子交换作用和表面官能团配位反应。重金属阳离子共存时，吸附存在明显的拮抗作用，而阴、阳离子共存时则有明显的协同作用。. （2）研究了水-土体系下，黄土中生物炭对重金属的吸附-固定化作用、影响因素及其机制，考察了生物炭与黄土有机质、粘土矿物共存时对重金属的吸附作用。一般情况下，添加生物炭可有效促进黄土对重金属的吸附效率；生物炭-黄土（或腐殖酸、伊利石）-水体系下，重金属吸附的动力学与热力学规律与生物炭-水体系下相近，但因黄土的高pH值和高碳酸盐含量，吸附机制存在差异，包含重金属离子与黄土中碳酸盐的表面沉淀反应；添加生物炭的黄土对重金属的固定化效率与生物炭的来源和热解条件相关；施加生物炭后，黄土中重金属的有效态含量明显降低后趋于稳定。. （3）研究了不同来源、不同施用量的生物炭输入黄土后对土壤理化性质、土壤酶活性、土壤中重金属形态的变化、植株幼苗生长状况和幼苗体内重金属含量的影响，探究了生物炭对黄土-植物系统中重金属迁移的阻控效果及其影响因素。一般地，生物炭施入污染黄土后均显著提升土壤pH值、CEC值和有机碳含量，并随生物炭施加量的增加而增大；土壤不同的酶活性随生物炭的输入呈现不同变化；植物可直接利用的酸可提取态重金属含量明显降低，但过高的施入量则抑制了植物体内抗性酶活性，幼苗的生长受到限制；施入适量生物炭均有效降低了植物体内重金属含量。