生物炭对土壤微量元素生物有效性的影响及其机制

Biochar has been widely used for soil improvement and remediation of contaminated soil. However，Long-term application of biochar to soil will have the influence on the forms and bioavailability of trace elements in soil, and then may affect the soil sustainable productivity. Study on effect of biochar application on the forms and cycle of elements in soil has important scientific significance. The research about soil microelement’s cycle after application of biochar to soil is relatively lacking. The objective of this project is to study influence mechanism of application of biochar on the bio-availability of trace elements soil. The trace elements in the plant, the form and distribution of trace elements in soil, and soil chemical properties including soil pH, Eh at different stages of plant under the rice and wheat seasons will be determined. With BET, FTIR, XRD, SEM-EDS, XPS and the diffusion gradient thin film technology (DGT), the adsorption mechanism of different components of biochar to the trace elements in solution will be studied. The competitive adsorption of soil and biochar to trace elements in soil; the influence of biochar on soil aggregate composition and organic mineral complex components and the relationship with forms and bioavailability of trace elements in soil, and soil chemical properties and absorption of rice and wheat will be investigated. The internal mechanism between these processes will be explored. Understanding this mechanism is the important foundation to assess accurately influence of biochar application on soil sustainable productivity, and to improve the corresponding knowledge of soil and plant nutrition, and to provide the scientific basis for guiding the application of biochar in agriculture.

近年来生物炭已被广泛地用于土壤改良和污染土壤的修复，然而长期大量地施用生物炭可能改变土壤中微量元素的赋存状态，进而影响土壤的可持续生产力，但相关研究还很缺乏。本项目拟借助BET、FTIR、XRD、SEM-EDS、XPS等表征手段，研究生物炭的孔径结构、表面性质、化学特性与微量元素的空间固持关系及对溶液中微量元素吸附与解吸的影响；研究不同生物炭与土壤对微量元素的竞争性吸附，生物炭对土壤有机无机复合体、理化性质的影响及其与土壤微量元素形态的关系；通过植物生长试验和梯度扩散薄膜技术（DGT），明确生物炭对土壤微量元素生物有效性的影响。从生物炭自身吸附机制、与土壤的竞争吸附、以及形成的有机无机复合体和团聚体对微量元素形态的调控机制等多角度综合分析，阐明生物炭对土壤微量元素生物有效性的影响机制。以期加深对生物炭用于不同土壤后影响元素循环过程的理解，为指导生物炭的合理农业利用提供科学依据。

近年来生物炭已被广泛地用于土壤改良和污染土壤的修复，然而长期大量地施用生物炭可能改变土壤中微量元素的赋存状态，进而影响土壤的可持续生产力，但对土壤微量元素生物有效性方面的研究还很缺乏。因此，为明确生物炭施用对土壤微量元素生物有效性的影响及其机制，本项目将从生物炭对溶液中微量元素吸附与解吸的影响入手，借助FTIR、XRD、SEM、XPS等表征手段，研究生物炭的表面性质、化学特性与吸附溶液中元素的能力关系。结合水溶液实验结果，开展了系列土壤试验，研究不同生物炭对土壤理化性质的影响及其与土壤微量元素的形态的关系；通过青菜及水稻生长试验，利用BCR连续提取法、DTPA提取法和梯度扩散薄膜技术（DGT），明确生物炭对土壤微量元素生物有效性的影响。研究发现，水稻秸秆生物炭对水溶液中Fe、Mn、Cu、Zn的吸附能力大于芦苇秸秆生物炭，水稻秸秆生物炭对四种元素吸附容量的顺序为 Fe2+>Cu2+>Zn2+>Mn2+。吸附机制有非专性吸附如静电作用、物理吸附外还有官能团络合、矿物沉淀、离子交换和π电子配键作用等机制。不同生物炭对不同元素各机制的分配比例不同，其中矿物沉淀对总吸附的贡献最大。土壤试验结果均表明，生物炭不同程度的影响了土壤-植株系统中微量元素的生物有效性，显著降低了土壤中DTPA可提取态、弱酸溶解态（WAS）、DGT提取态Fe和Cu的含量；水稻秸秆生物炭显著增加土壤DTPA-Mn、WAS-Mn及DGT-Mn的含量，而芦苇秸秆生物炭则降低了有效Mn的含量；土壤DTPA可提取态和DGT提取态Zn的含量有所下降，差异不显著。除水稻秸秆生物炭处理提高青菜中Mn的含量外，其余处理Fe、Mn、Cu和Zn的含量均明显下降。DGT技术为评价微量元素生物有效性最好的手段。本研究表明，生物炭一方面通过改变土壤的理化性质（主要为pH、有机质等）影响微量元素的赋存形态；另一方面，生物炭对土壤中微量元素起到一定的吸附作用，进而影响微量元素的生物有效性，此外，生物炭自身元素的本底值也会影响微量元素的生物有效性。本项目加深了生物炭用于不同土壤后影响元素循环过程的理解，为指导生物炭的合理农业利用提供科学依据。