复合型多功能生物质炭对土壤“降污增肥”的作用机制研究

Stabilization of heavy metals is a main method for decreasing the mobility and bioavailability of heavy metals in soils through chemical immobilization process by adding stabilization material. Most stabilization materials often have detrimental impact on the soil structure and fertility. Biomass-derived biochar is considered as environmentally friendly amendment materials for immobilization of heavy metals in soil. However, the biochar derived from single feedstock is often confronted with little nutrition content and limited stabilization effectiveness. Our recent study indicated the composite biochar derived from waste biomass and phosphate minerals show a great potential of soil fertility increase and heavy metal immobilization. Objective of this project is to elucidate the mechanism of composite biochar induced soil fertility increase and heavy metal immobilization. Experiments including soil incubation, chemical extraction and bio-availability are designed. Mechanisms of heavy metal stabilization will be explored by instrumental analysis of XRD, FTIR, and SEM spectrum and the chemical modeling of Visual MINTEQ. Moreover, the effects of composite biochar on improvement of soil fertility including N and P will be explored by soil nutrient evaluation model. It will give us a new way for the remediation of contaminated soil and provide theoretical basis.

稳定化技术是通过添加稳定化材料固定土壤中重金属元素，达到降低重金属迁移性及生物有效性的一种土壤修复方法。传统的稳定化材料在使用过程中可能存在破坏土壤结构、降低土壤肥力等问题。近年来，生物质炭（BC）作为稳定化材料修复土壤污染引起人们关注，由于其主要组分是有机炭，被认为是土壤友好型修复材料。然而，单一原料制备的BC对不同重金属稳定化效果不一致且养分含量不高。我们近期研究表明：通过外源矿物和生物质混合制备的BC表现较好的“降污增肥”潜力。本项目拟用这类复合型生物质炭处理重金属污染土壤，通过土壤培育、化学提取、生物可利用性等实验，研究其同时修复重金属和提高土壤肥力的可行性；借助XRD、FTIR、SEM等仪器和Visual MINTEQ化学模型，探讨其诱导重金属污染的稳定化机制；借助土壤养分评价模型，揭示其对土壤N、P等肥力指数提升的影响规律，为污染土壤的修复开辟新途径并提供理论基础。

本项目选取稻壳、木屑和花生壳等生物质废弃物以及磷酸二氢钙、蒙脱石等矿物质为原料，制备了一系列复合型生物质炭。通过开展吸附、土壤培育、化学提取、盆栽等实验，研究其对土壤重金属的吸附稳定化机制，并探究了其对土壤养分释放及作物生长的响应，揭示其“降污增肥”的环境多功能机制，为开辟重金属污染修复提供了新途径。代表性成果包括：1）比表面积、孔体积、羧基官能团含量和pH是决定生物质炭吸附钝化重金属的关键因子。通过大量的吸附试验，借助仪器分析和统计方法，筛选出决定生物炭吸附钝化重金属的关键因子。这为未来人工设计功能性的生物炭基材料指明了方向。即通过工程、工艺等手段，靶向调控生物炭性能，提升其环境应用功能。2）磷基生物炭复合材料明显提高材料的稳定性和对重金属的修复效果。磷基生物炭中形成的C-P复合体能够抵抗外界的氧化作用，增强其稳定性；磷基生物炭材料或是生物炭复配含磷材料，通过磷和重金属的沉淀作用，促进重金属的形态向稳定态转化，达到修复钝化的目的，磷基生物炭复合材料将是未来农田重金属污染土壤钝化修复的最佳选择。3）复合型生物炭对土壤中有机污染物的修复与改良未来可期。本研究发现通过酸碱改性和外源矿物复合方式制备的生物炭对水中有机物及土壤中常见的有机酸（土壤连作障碍化感自毒主要成分）都具有较好的吸附和催化降解作用，可用来治理土壤有机污染和修复连作障碍土壤，拓展了生物炭“降污增肥”的内涵。4）生物炭可以替代部分化肥，起到“减肥增效”的作用。本研究表明生物炭替代20%的化肥用量，能够达到当季玉米不减产的目的。本项目的研究，不仅揭示复合型多功能生物质炭对土壤“降污增肥”的作用机制，还为人工设计功能性生物炭指明了方向。共发表标注本项目资助的论文18篇，其中SCI论文11篇。申报专利5项。出国合作交流2人次。参加国际及国内会议作大会口头报告3人次。培养本科生20名，协助培养硕士生2名。