生物炭中铜锌在炭际微域土壤中的迁移转化机制研究

Biochar, as a soil amendment, is a promising in-situ remediation material for both organic and inorganic contaminants in soil. However, biochar derived from different feedstocks, such as swine manure, may accumulate high content of heavy metals, which might affect the soil application. Mechanistic understandings in the behaviors of heavy metal in the charosphere are necessary for appropriate application of biochar in the agricultural soil. The objective of this project was to investigate the potential release of heavy metal from biochar under the condition of liquid-phase oxidation with H2O2, to illustrate the mechanisms of heavy metal release, transformation, and bioavailability in the charosphere by rhizobox incubation studies, and finally to assess the distribution of heavy metal in plants and soil solutions by stable isotope tracer studies. This project aims to provide theoretical guidance for both alternative use of animal manure and the safe application of biochar.

生物炭对农田土壤具有改良作用，但生物质原料中往往含有较高含量的重金属，因此有必要加强对生物炭还田后重金属在土壤中的迁移转化机制和环境风险进行研究。本项目拟以高铜锌含量猪粪生物炭为研究对象，首先，通过模拟环境非生物氧化过程研究生物炭的稳定性及重金属铜锌释放的环境风险；其次，采用多隔层根箱培养技术阐明生物炭还田后重金属铜锌在炭际微域土壤中的形态分布特征及影响机理；最后，通过稳定同位素技术明确生物炭中重金属在土壤及植物中分布与贡献。通过本项目研究，揭示生物炭还田后重金属在土壤中释放的微观过程、生物有效性及迁移转化机制，以期为生物炭在农田土壤中的安全、科学应用提供依据。

生物炭对农田土壤具有改良作用，但生物质原料中往往含有较高含量的重金属，因此有必要加强对生物炭还田后重金属在土壤中的迁移转化机制和环境风险进行研究。本项目以高铜锌含量猪粪生物炭为研究对象，主要研究内容包括：通过过氧化氢模拟环境氧化过程探讨生物炭的稳定性及其中铜锌的潜在释放风险；在炭际微域尺度下探讨生物炭还田后重金属在生物炭及炭际微域土壤中的迁移转化过程及其影响机理；通过野外田间试验探讨生物炭还田后铜锌在土壤和小麦中的吸收积累特征，并采用稳定同位素技术明确生物炭还田对土壤-小麦锌同位素组成的影响。结果表明：①高温热解制备猪粪生物炭可以显著降低生物炭中铜锌的生物有效性，使铜锌由交换态向残渣态转化；在过氧化氢氧化条件下，BC300、BC500和BC700中碳的最大损失率分别为94%、95%和88%，铜和锌的最大释放率分别为84%、42%、13%和64%、19%、12%，即高温热解处理猪粪生成生物炭可显著降低猪粪中铜锌的潜在环境释放风险。②猪粪生物炭还田显著增加酸性土壤pH值，且随培养时间延长呈逐渐下降并趋于平稳；生物炭还田显著增加炭际微域土壤中总锌和有效锌的含量，培养末期生物炭BC300和BC500总锌含量较原生物炭分别增加17%和5%，而BC700中总锌含量始终低于原生物炭；生物炭还田后增加炭际微域土壤中可交换态和可氧化态锌的含量，但降低土壤中可还原态锌的含量；稳定同位素测定结果显示猪粪生物炭还田可减少炭际微域土壤和生物炭中重锌组分量。③生物炭还田可增加炭际微域土壤中铜锌的总量和有效锌含量，但降低土壤中有效铜的含量；生物炭在1.5 t/ha施用水平下可降低小麦籽粒中铜锌的含量，但生物炭处理显著增加小麦根系中铜锌含量；生物炭还田后对土壤中锌的同位素组成无影响，但可增加小麦根系及籽粒对重的锌同位素的吸收积累。通过本项目研究，揭示生物炭还田后重金属在土壤中释放的微观过程、生物有效性及迁移转化机制，为生物炭在农田土壤中的安全、科学应用提供了依据。