生物炭修复技术在铅污染土壤及植物生长中的应用研究①

吴春蕾

(安徽农业大学经济技术学院，安徽合肥230036)

生物炭修复技术在铅污染土壤及植物生长中的应用研究①

吴春蕾

(安徽农业大学经济技术学院，安徽合肥230036)

为了探讨生物炭对铅污染土壤的修复效果，以耕作农田土壤为供试土壤，分别向其中加入200 mg·L-1与1 000 mg·L-1铅溶液进行人为污染，采用1%、5%生物炭修复剂BC400(中药渣生物炭与花生壳生物炭1：1)进行修复处理，分析测定了印度芥菜(Brassicajuncea)生长前后土壤pH值、土壤铅含量、种子萌发率以及植物体内铅含量的变化.研究结果发现，人为加铅污染后，土壤pH值下降、NH4NO3浸提态铅含量上升、植物株高、茎粗均下降，植物体内重金属含量上升.加入生物炭修复剂后，可有效改善土壤pH值，提高种子萌发率及植株的高度和茎的粗度，显著降低NH4NO3浸提态铅含量、植物铅含量，且5%生物炭修复剂的改善效果优于1%.生物炭应用可铅污染土壤，有效降低重金属对植物生胁迫作用，可用于重金属污染土壤的生物修复.

铅污染，土壤修复，生物炭

0 引言

根据国际铅锌研究小组(ILZSG)报道显示，我国精炼铅产量大约占据了全球精炼铅的总产量达到了一半.因我国大规模冶炼、铅矿开采以及在工农业生产过程中，使得大量铅不可避免地进入到土壤和水体中，从而导致较为严重的环境污染[1].相较于水体重金属污染的治理，土壤中的重金属污染的修复难度更高，且更为复杂.随着我国经济的快速发展，我国土壤重金属污染问题日益严重，为此，加强修复治理成为了关键.生物炭主要是指在废弃生物质在限氧或者厌氧环境下，经由热解处理获得的一种高度芳香化的、稳定的多孔状富碳固型材料[2].因其含有相对较为发达的孔隙结构、表面含氧官能团以及大量的灰分组成等特性，使得生物炭在温室气体减排、固炭以及土壤改良等各个领域均有较好的发展前景[3].

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.2 生物炭.本研究修复剂为中药渣与10种花生壳生物炭.尽管通过500℃以上高温获得的生物炭其pH和灰分的含量均较高，但因考虑到高温制备条件的能量消耗也相对较高，生物炭的成本也会相应升高，为此，本研究采用低于400℃低温获得生物炭来作为铅污染土壤的修复，同时其还可为土壤提供丰富的营养成分[4].除此之外，因中药渣本身含有大量的水分，需要经过多道程序进行处理，但其铅吸附作用优于花生壳，故本研究修复剂按照1：1的比例，对中药渣生物炭与花生壳生物炭进行调配，制作成混合修复剂，并将混合后的生物炭标记为BC400.

1.2 方法

1.2.1 土培实验.本研究土培实验主要探讨生物炭对污染土壤中铅的固持作用.将供试土壤分为两个区域，取Pb2+溶解向供试土壤中添加，使两个区的土壤铅总量能够达到200 mg·kg-1与1 000 mg·kg-1，获得铅污染土壤.再次对铅污染土壤进行风干处理，并在充分混合之后，将其放入带装袋中备用.按照1%、5%的比例进行添加，共获得8个实验区，具体设计内容见表1.各实验区取200 g装入塑料花盆中，并做好相应标记，放置在温室条件下持续培养35 d.培养过程中，需对离子水进行称量，确保土壤湿度的饱和含水率能够达到60%左右，并在35 d后对土壤进行测定分析.

表1 土壤处理设计

1.2.2 盆栽实验.按照表1土壤处理方法，取各组土壤1000g装入塑料花盆中，持续进行14 d的培养.取无损伤印度芥菜(Brassica juncea)种子，种植在各组花盆中，每个花盆各种植10粒，观察各组花盆种子发芽情况.对植物培养35 d，分别进行地下部分与地上部分进行样品收割.通过抖根法对根际土壤样品进行采集；根系则在进行洗净之后，与地上部分共同放置在105℃烘箱进行30 min处理，然后在65℃烘箱中对其进行烘干处理，对植物干重处理之后研磨成粉末，并将其储备在干燥器中备用.

1.3 分析方法

1.3.1 pH测定.将土壤与去离子水按照1：5的比例进行土壤pH测试，取自然风干土壤1.6 g，将其放置于聚丙烯小瓶中，取离子水，向其中加入8 mL，并将其放置在磁力搅拌器中进行3 min搅拌处理，静止30 min后对溶液的pH值进行测定.

1.3.2 土壤中有效性铅测定.称取自然风干处理后土壤样品4 g，将其放置于聚乙烯离心管中，向其中加入NH4NO3溶液10 mL，充分混合之后，在25℃温度下，将其放置于恒温振荡箱内进行2 h振荡处理.在完成振荡处理之后，行离心处理，4 000 rpm，15 min，过滤，对滤液中铅浓度进行测定，并根据结果对单位土壤中铅含量进行计算.

1.3.3 植物体铅含量测定.取植物地下与地上部分的粉末，经由微波消解法处理后，对消解溶液中铅浓度进行测定，并根据结果对植物体中的铅含量进行计算.

1.4 数据分析

运用计算机系统自带软件EXCEL2007对本实验数据进行整理，并以统计学软件SPSS17.0对数据进行分析处理，以Duncan对显著差异进行检验，以Pearson检验相关性分析结果.运用EXCEL2007与Origin8.0行图标绘制.

2 结果与讨论

2.1 生物炭对土壤pH的影响

图1为不同处理处理方式下土壤的pH的大小.供试土壤pH值为5.82，表明供试土壤呈现微酸性.加入200 mg·kg-1和1 000 mg·kg-1重金属铅后， 1组与2组两处理组均明显下降.这主要是由于在向土壤中加入铅溶液后土壤中所含有的各种轻金属离子被快速吸附，并被铅替代，尤其是2组加入1 000 Pb溶液后，其pH值下降最为显著.向其中添加生物炭修复剂BC400，各组pH值均发现了不同程度的增加.除7组外，其余各组pH值均有显著升高，且表现为明显的5%BC400浓度越高，pH值越高的特点.结果表明，向铅污染土壤中添加生物炭，有利于土壤pH改善，且添加浓度越高其改善效果越显著.

图1 不同处理土壤的pH

2.2 生物炭对土壤固持重金属Pb的影响

通过向重金属污染土壤中添加含有碱性物质的溶液，可促使游离重金属离子被固定，这种效应可将其称之为“石灰效应”[5].通常情况下，绝大多数的生物炭均是因碱性灰分而致使其表现为碱性，故进一步分析了生物炭添加后对土壤中有效铅含量的影响，结果见图2所示.从图2可以看出，1组与2组处理时候铅浓度有显著提升，显著高于对照组，尤其是2组加入1 000 Pb溶液后其前浓度甚至相差了41 mg·kg-1，这很可能对植物带来损伤，但同时可能导致植物富集，致使食品安全性受到影响.通过向土壤中加入1%、5%BC后，3组、4组铅含量与对照组铅浓度水平一致，这表明BC400具有较高安全性可用于土壤的修复.另根据5组、6组、7组、8组变化来看，向200 Pb、1 000 Pb污染后土壤中加入1%、5%BC400，均可促使土壤中铅浓度下降，并且5%BC400的改善效果均显著优于1%BC400的效果.这充分表明，高添加量更利于土壤中铅浓度的固持.

图2 不同处理土壤的NH4NO3浸提态铅含量

2.3 生物炭对铅污染土壤植物芥菜种子发芽率的影响

根据图3来看，在向土壤中添加200Pb、1 000Pb后，1组与2组芥菜的发芽率均明显下降，尤其是添加1 000 Pb后，发芽率受抑严重.根据3组与4组情况来看，加入1%、5%BC400后其发芽率均出现了不同程度的升高，即表示BC400可促使土壤松软，增加通透性，从而达到增强土壤的持水能力，故有利于发芽率的提升.另向铅污染土壤添加BC400，可以看到其发芽率均有不同程度的增加，并且5%BC400的发芽率均明显高于1%BC400.即表明通过向铅污染土壤添加BC400可有效改善铅对种子的伤害，提高发芽率，同时BC400添加浓度越高其发芽率改善效果越显著.

图3 不同土壤处理中芥菜发芽率

2.4 生物炭对铅污染土壤植物芥菜株高、茎粗的影响

生物炭除了可对土壤质地进行改善，同时还能够补充一定的营养成分，更利于植物的生长.根据图4来看，1组、2组分别向土壤中加入200 Pb、1 000 Pb铅溶液，芥菜的株高明显低于对照组，即表明受铅污染的土壤不利于植物的生长，对植物生长产生胁迫作用.3组、4组向土壤中添加1%BC400芥菜株高无变化，但加入5%BC400株高明显上升，即表示通过高浓度BC400的添加有利于促进植物生长；分别向不同铅浓度污染后土壤添加不同浓度的BC400，可观察到5组、6组、7组、8组芥菜株高有不同变化，其中6组的株高最高，而8组株高最低，这表明高浓度的铅溶液致使土壤严重受损，即便是加入高浓度的BC400其修复效果也不理想.

图4 不同土壤处理中芥菜株高

根据图5来看，1组、2组分别向土壤中加入200 Pb、1 000 Pb铅溶液，芥菜的茎粗明显低于对照组，即表明受铅污染的土壤会对植物茎粗造成影响；3组、4组向土壤中添加1%BC400芥菜茎粗的有明显升高，即表示通过BC400的添加有利于促进植物茎粗的增加；分别向不同铅浓度污染后土壤添加不同浓度的BC400，可观察到5组、6组、7组、8组芥菜茎粗有不同变化，除7组茎粗小于对照组之外，其余三组茎粗均大于等于对照组，而根据浓度添加结果来看，添加5%BC400组的茎粗明显高于1%BC400组.这表明通过添加BC400可有效改善植物的茎粗，而添加浓度越高其效果越显著.

图5 不同土壤处理中芥菜茎粗

2.5 生物炭对铅污染土壤植物芥菜地上部、地下部铅含量的影响

图6和图7为印度芥菜在不同处理方式下植物体地上部分和地下部分重金属的含量.从图中可知，向土壤中加入200 Pb、1 000 Pb铅溶液，1组、2组芥菜地上部、地下部铅含量出现了不同程度的升高，其中加入1 000 Pb溶液的3组其铅含量甚至达到了90 mg·kg-1，这意味着土壤中铅含量的增加必然会致使植物地上部、地下部铅含量升高.向土壤中加入1%、5%BC400后，3组、4组与对照组比较，其芥菜地上部、地下部铅含量均明显下降，这表明BC400可有效改善植物地上部、地下部的铅含量.另向铅污染土壤中加入BC400，无论200 Pb组还是1 000 Pb组芥菜的地上部、地下部铅含量均出现了显著下降，且5%BC400的改善效果均显著优于1%BC400的效果.这充分表明，铅污染土壤可导致植物地上部铅含量增加，而通过运用BC400生物炭对土壤进行修复处理后，其植物地上部、地下部铅含量能够得到不同程度的改善，且生物炭的浓度越高其改善效果越明显.

图6 不同土壤处理中芥菜地上部铅含量

图7 不同土壤处理中芥菜地下部铅含量

3 结论

本研究选取普通耕作农田土壤作为研究对象，通过加入不同浓度的铅溶液对其进行人为污染处理，并通过土培实验分析生物炭对污染土壤中铅的固持效果以及通过盆栽实验对生物炭铅污染土壤的修复效果进行分析，最后得出以下结果.

(1)采用200 Pb、1 000 Pb铅溶液对土壤进行处理，其pH值明显下降，而经过1%、5%BC400修复处理后，pH值出现不同程度升高，且5%BC400的升高幅度更大.铅溶液污染后土壤NH4NO3浸提态铅含量显著上升，而BC400处理后，NH4NO3浸提态铅含量均表现为明显下降，且5%BC400组下降更显著.这表明生物炭具有较好的铅固持效果，且浓度越高其固持效果越明显.

(2)铅污染土壤芥菜的株高、茎粗均小于对照组，而地上下部铅含量高于对照组，但通过BC400处理后，芥菜的株高、茎粗均不同程度增加，地上下部铅含量有不同程度下降，且5%BC400组明显高于1%BC400组.这表明生物炭对印度芥菜的生物量有显著改善.

总而言之，生物炭可有效修复铅污染土壤，避免土壤中营养成分的丢失，促进植物生长，这表明生物炭修复技术是一种用于植物增产和污染治理的技术，未来可广泛用于土壤修复.

[1] 郭文娟，梁学峰，林大松，等.土壤重金属钝化修复剂生物炭对镉的吸附特性研究[J].环境科学，2013，37(9)：3 716-3 721.

[2] 刘旻慧，王震宇，陈蕾，等.花生壳及中药渣混合生物炭对铅污染土壤的修复研究[J].中国海洋大学学报：自然科学版，2016，28(1)：101-107.

[3] 李江遐，吴林春，张军，等. 生物炭修复土壤重金属污染的研究进展[J]. 生态环境学报，2015，23(12)：2 075-2 081.

[4] 杨惟薇，张超兰，曹美珠，等.4种生物炭对镉污染潮土钝化修复效果研究[J].水土保持学报，2015，28(1)：239-243.

[5] 梁媛，李飞跃，杨帆，等.含磷材料及生物炭对复合重金属污染土壤修复效果与修复机理[J].农业环境科学学报，2013，32(12)：2 377-2 383.

[6] 杨璋梅，方战强.生物炭修复Cd，Pb污染土壤的研究进展[J].化工环保，2014，34(6)：525-531.

[7] 曹美珠，张超兰，潘丽萍，等.两种生物炭对两种质地土壤中阿特拉津淋溶与迁移的影响[J].农业环境科学学报，2015，34(1)：65-71.

[8] 蒋艳艳，胡孝明，金卫斌.生物炭对镉污染土壤中镉形态的影响及其钝化效果[J].湖北农业科学，2014，59(24)：5 984-5 987.

Application and Remediation Function of Biochar for the Plant Growth on Lead Contaminated Soils

WU Chun-lei

(School of Economic Technology,Anhui Agricultural University,Hefei 230036，China)

In order to investigate remediation effects of the biochar to Pb contaminated soil, the soil pH, soil, plants, seed germination rate and lead changes in 200 mg·L-1and 1 000 mg·L-1Pb man-made contaminated soils from the farm with 1%, 5%, biochar remediation agent BC400 (for Chinese medical Residues biochar and peanut shells volume ratio is 1:1) for Brassica juncea were studied in this paper. The results showed that soil pH decreased and NH4NO3Pb concentration was increased after adding Pb to the soils. The plant height, stem diameter were decreased, too. Heavy metal Pb concentration in plant were increased.After adding biochar remediation agent, soil pH can be effectively improved. The seed germination rate, plant height and the stem diameter were improved. NH4NO3extracted Pb and plant Pb concentrations could be reduced with biochar remediation agent. The remediation effects of 5% biochar was better than that of 1% biochar.Biochar can be applied for lead contaminated soils, which can reduce the heavy metal stress on plants. It can be used in the bioremediation of heavy metal contaminated soils.

lead pollution，soil remediation，biological carbon

2016-06-19

安徽省高校优秀青年人才支持计划项目(gxyq2017146);安徽省国土资源厅基金项目(2013-K-06)；安徽省生物学重点学科经费(2014QJK015)资助

吴春蕾，E-mail:371036925@qq.com.

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1672-6634(2017)01-0066-06