生物炭-超富集植物联合修复镉污染土壤的研究

司马小峰 孟玉 吴东彪

摘要 [目的]探究生物炭与超富集植物联合修复镉污染土壤的效果。[方法]采用盆栽试验模拟镉污染土壤，构建生物炭-超富集植物联合修复试验系统，考察不同生物炭添加量和植物种类对植物重金属吸收与土壤中重金属形态的影响，并通过复种农作物评价修复效果。[结果]水稻秸秆生物炭添加比例为1%时，能显著提高超富集植物对镉的富集作用，且与黑龙葵联合时对镉修复效果最好，对镉的富集量比黑龙葵单独修复提高了26.74%，且修复后复种作物镉含量也有显著降低。[结论]生物炭和超富集植物联合可以用于镉污染土壤的修复，为该技术的工程应用提供了科学依据和理论支持。

关键词 镉;联合修复;生物炭;超富集植物;土壤

Abstract [Objective]The research aimed to explore the combined remediation of cadmium contaminated soil by biochar and hyperaccumulators.[Method]A pot experiment was conducted to simulate cadmium-contaminated soil，and a combined biochar/hyperaccumulators remediation system was established to investigate the effects of plant and biochar on heavy metal uptake by plant and heavy metal speciation in soil，and the remediation effect was evaluated by multiple cropping crops.[Result]When the proportion of rice straw biochar was 1%，the cadmium accumulation of plants was significantly improved，and the recovery effect was the best when combined with nightshade，which was 26.74% higher than that of nightshade alone.In addition，the cadmium content in the replanted crops was significantly reduced.[Conclusion]The biochar and hyperaccumulators can be used for remediation of cadmium contaminated soil，providing scientific references and theoretical support for the engineering application of this technology.

Key words Cadmium;Combined remediation;Biochar;Hyperaccumulators;Soil

随着我国社会经济的快速发展，有色金属开采、选矿及冶炼过程中产生的废石、废渣、污水导致土壤镉（Cd）污染严重。据土壤污染调查公报显示，我国镉污染超标率已高达7%[1]，而Cd是毒性最强的重金属之一[2]，如何解决土壤Cd污染已成为突出的环境问题。

生物炭是生物质在缺氧环境中高温碳化得到的固体物质[3]，是一种孔隙结构发达、含碳量高的碳化物质，具有较大的比表面积、孔容量和丰富的表面含氧官能团，并且在环境中稳定存在[4]。这些特性使其成为一种廉价有效的土壤修复剂，并引起国内外学者的广泛关注[5-8]，他们研究了其理化特性（原材料种类、热解温度、生物炭添加量）对土壤Cd修复的影响，研究发现，生物炭能在一定程度上降低Cd的生物有效性，但是不能固定所有的重金属，所以仍然有一部分Cd会进入农作物内，降低农作物的品质[9]。孟令阳等[10]研究发现，草炭、活性炭和风化煤可以有效降低突发性Cd污染土壤中有效态Cd的含量，却增强了已被污染的土壤中Cd的活性，导致玉米中Cd的含量也增加。另外，生物炭修复处理后，Cd仍保留在土壤中，随着时间的推移有更新活化的可能，存在进入植物体和渗透到地下水的风险[11]。超富集植物修复具有土壤微生態影响小、治理成本低、原位提取等特点[12-13]，也在国内外得到一定的应用，但是却受到见效周期长、效果不显著等条件的限制[14]。利用超富集植物进一步提取生物炭修复后土壤中剩余生物可利用的Cd却鲜有报道。因此，该研究通过室内盆栽试验，研究生物炭和不同超富集植物联合使用对土壤中Cd的修复效果，以期为Cd污染土壤的修复应用提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料。土壤取自合肥市肥东县巢湖附近农田，取样深度为耕层10～20 cm，带回实验室的土壤剔除杂物、自然风干后过60目筛备用，实验室分析得到土壤Cd背景值为0.07 mg/kg。

1.1.2 样品制备。生物炭在实验室制备，原料稻秸秆取自安徽六安农田，纯水洗净，105 ℃烘干至恒重，粉碎过筛（120目）后在 600 ℃ 热解2 h，置于密封袋中保存备用。通过实验室分析，生物炭的pH为10.70，Cd含量为0.28 μg/g，Cd最大吸附量为250.00 mg/g。

1.1.3 供试植物。黑龙葵（Solanum nigrum L.）、商陆（Phytolacca acinosa Roxb.）种子取自山东潍坊，生菜（Var.ramosa Hort.）种子购买于安徽当地种子公司。

1.2 试验设计

1.2.1 土培试验。将400 g过筛的土壤装入试验盆（直径10 cm，高8.5 cm），加入营养元素使土壤内N、P、K含量分别为0.18、0.09和0.11 g/kg，混合均匀后稳定7 d。以Cd2+溶液形式向试验盆中加入使土壤Cd含量为2.0 mg/kg，充分混匀稳定7 d后加入生物炭，添加量分别为土壤质量的0%、1%、3%和5%，试验组分别命名为0%RC、1%RC、3%RC、5%RC，数字表示生物炭浓度，RC表示稻秸秆生物炭，对照组（无生物炭及Cd添加）命名为CK。生物炭添加完成后，各组土壤的pH分别为CK 7.16、0%RC 7.06、1%RC 7.92、3%RC 8.44、5%RC 8.78。

共设10个试验组，分别为黑龙葵组（CK、0%RC、1%RC、3%RC、5%RC）、商陆组（CK、0%RC、1%RC、3%RC、5%RC），每组试验设2个重复。将消毒后（种子于10% H2O2溶液中消毒10 min，用纯水润洗数遍后浸泡2 h）的植物种子播种于准备好的试验盆内，每盆10粒种子，发芽后每盆定苗3株。随后，所有试验盆随机置于人工气候箱内（光照14 h，昼夜温度分别为25、20 ℃，相对湿度65%）。试验过程中定时定量浇水，并测量植物株高。土培试验持续60 d，试验结束后收割地上部分植株，并取少量土壤测定Cd形态。为方便对比，另外进行一组只添加不同比例生物炭的试验组，相同试验条件完成试验后测定土壤Cd形态。

1.2.2 复种试验。将土培后的土壤翻松，再播种生菜，每盆10粒种子，发芽后每盆定苗3株，随机置于人工气候箱内，定时定量浇水，1个月后进行收割。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 生物量。收割后的植株清水洗净后用吸水纸吸干，称重，即为植株湿重。然后105 ℃烘干至恒重，再次称重，即为植株干重。

1.3.2 植株镉含量测定。烘干后的植株样品采用 HNO3/H2O2消解，再通过ICP-MS测定Cd含量。

1.3.3 土壤镉形态测定。取修复后土壤自然风干至恒重后，磨碎过200目筛，采用Tessier顺序提取法[15]，依次测定Cd的可交换态、碳酸盐态、铁锰氧化态、有机态和残渣态含量。

1.4 统计分析 所有的误差均用标准差（SD）表示，试验数据统计分析采用软件 SPSS 13.0，用 one-way ANOVA （analysis of variance，HSD 检验法）进行显著性差异检验，P<0.05 时认为差异显著。

2 结果与分析

2.1 植物的生物量

黑龙葵和商陆收割时的生长状况见图1，黑龙葵和商陆生长情况均较好，试验结束时植物株高见图2，可以发现Cd的存在对黑龙葵和商陆的生长状态没有显著影响。然而，生物炭的添加对超富集植物的生长有一定影响，图2A显示，生物炭添加量为1%时，黑龙葵株高明显高于空白组和其他添加量试验组（P<0.05）。图2B显示，生物炭添加量为3%时商陆的生长形势最好，添加量为5%时最差，说明生物炭添加量对商陆的株高影响较大。植株湿重的结果（图3）与植株生长高度结果几乎一致。

2.2 植物对Cd的富集 从植株体内Cd含量的测定结果（图4）可以看出，在Cd污染的土壤中，无生物炭添加时，黑龙葵的Cd吸收量为48.09 mg/kg，高于商陆的Cd吸收量（9.69 mg/kg），结合2种植物的生物量，黑龙葵的生物量也明显高于商陆，表明黑龙葵相对于商陆而言是更理想的Cd污染修复植物。植物与生物炭联合使用时，生物炭添加量为1%时，黑龙葵体内Cd含量达54.18 mg/kg，相对无生物炭添加组，对Cd的吸收量提高了近13%，随着生物炭添加比例的继续提高，黑龙葵对Cd的吸收量开始降低。而商陆对Cd的吸收与生物炭的添加量表现为负相关，在添加生物炭后其对Cd的提取能力反而降低了，表明商陆并不适合与生物炭进行联合修复。

从表1可以看出，生物炭添加量为1%时，单株黑龙葵植株干重是0.54 g，吸收Cd总量为29.26 μg;生物炭添加量为3%时，单株商陆植株干重最大（0.52 g），其对Cd的吸收总量仅有3.07 μg，而不添加生物炭时，单株商陆对Cd的吸收总量最高，为3.59 μg。由此可见，在黑龙葵和商陆2种植物中，黑龙葵不仅生物量大，其对Cd的吸收量也是最高的。因此，生物炭-黑龙葵联合修复效果优于生物炭-商陆，且生物炭添加量为1%最佳。

2.3 土壤中Cd形態分布

植物收割后土壤中Cd形态的分析结果如图5所示。生物炭对土壤Cd形态的影响如图5a所示，土壤中Cd可交换态含量随生物炭添加量增加呈下降趋势，添加量为0%、1%、3%和5%时，Cd可交换态含量分别为1.44、1.25、1.13、1.04 mg/kg，而Cd的碳酸盐态、铁锰氧化态、有机结合态和残渣态含量随生物炭添加量增加均有升高的趋势，Cd残渣态含量增加最为明显，添加量为0%、1%、3%、5%时，Cd残渣态含量分别为0.12、0.27、0.30、0.31 mg/kg。表明生物炭的添加会改变土壤中的Cd形态，即将可交换态Cd转变为碳酸盐态、铁锰氧化态、有机结合态和残渣态的Cd，这与文献报道的生物炭修复机理一致[15-16]。

图5b、5c分别为黑龙葵和商陆与生物炭联合修复后的土壤Cd形态分布，黑龙葵和商陆单独修复后Cd可交换态含量分别为1.07和1.27 mg/kg，Cd残渣态含量分别是0.36和0.25 mg/kg，而对照组中Cd可交换态和残渣态含量分别为1.44 和0.12 mg/kg（图5a）。通过对比，可以发现可交换态的Cd含量均有较明显降低，而残渣态均有所提高，且土壤Cd总含量也有所降低，表明超富集植物会吸收土壤中可交换态的Cd，这也是超富集植物的修复机理。

生物炭添加量为1%时效果较好，为了便于比较，将超富集植物与1%生物炭修复后土壤中Cd形态分布进行合并分析（图6），从图6可以看出，空白、黑龙葵和商陆分别修复的土壤中，碳酸盐态、铁锰氧化态和有机结合态的Cd含量几乎没有差异，表明超富集植物与生物炭的联合修复对这3种形态Cd含量影响较小。空白、黑龙葵和商陆修复后的土壤中可交换态Cd含量分别为1.25、0.98 和1.24 mg/kg，残渣态Cd含量分别为0.27、0.36和0.29 mg/kg，表明黑龙葵与生物炭联合修复时明显促进Cd由可交换态向残渣态转化;而商陆修复后土壤中，Cd可交换态和残渣态含量几乎与空白一致。

2.4 联合修复效果评估

為评估生物炭-超富集植物联合修复Cd污染土壤的效果，对黑龙葵-生物炭修复后的土壤复种生菜并检测其Cd含量。如图7所示，未修复组生菜中Cd含量为1.57 mg/kg，1%生物炭组生菜中Cd含量为1.53 mg/kg，表明生物炭单独修复对降低复种生菜中Cd含量无显著作用，黑龙葵单独修复后种植的生菜中Cd含量为1.32 mg/kg，降低了15.92%，1%生物炭和黑龙葵联合修复后生菜中Cd含量为0.85 mg/kg，相对于未修复组降低了45.86%，相对于黑龙葵单独修复组降低了35.61%，3%生物炭和黑龙葵联合修复后生菜中Cd含量为1.14 mg/kg。可见，生物炭与黑龙葵联合修复后复种的生菜中Cd含量有明显降低，生物炭添加量为1%时效果好于3%。

3 讨论

有研究发现，当土壤中Cd含量不影响黑龙葵正常生长条件下，黑龙葵对土壤中的Cd具有超富集作用，且地上部分富集量要远高于根部[17]。该研究中的黑龙葵对Cd的吸收量没有达到超富集植物的临界值（100 mg/kg），主要是因为土壤中的Cd污染没有达到较高的水平，从而使得黑龙葵对土壤中的Cd表现出较低的富集能力[18]。

该研究结果显示添加1%和3%的生物炭对黑龙葵和商陆的生长有显著的促进作用，这与相关文献报道结果一致[19]，可能是生物炭提高了土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾等含量，为植物的生长提供了营养所致[20]。但是在生物炭添加量为5%时，黑龙葵生物量相对空白试验组无明显增加，而商陆生物量反而有所降低，可能是由于过量生物炭的添加导致土壤速效钾大幅度增加，提高了土壤盐分含量，致使植株的营养失衡而影响植株的生长[21]。

土壤中添加生物炭，导致土壤pH升高，可交换态的Cd2+与OH-形成沉淀，同时由于土壤中黏土矿物及有机质表面的负电荷增加，进而完成了可交换态Cd向铁锰氧化态、有机结合态和残渣态等形态转化，降低了土壤中Cd的生物有效性[22]。该研究中土壤Cd的形态转化呈现出随生物炭添加量增大而更加显著，这可能也是高生物炭添加量下，黑龙葵体内Cd含量反而降低的原因。

该研究中，修复后复种的生菜Cd含量依然高于我国蔬菜可允许的最高限含量0.2 mg/kg（GB 2762—2012）[23]，但是由于时间关系此次试验只进行了一次黑龙葵修复，如果能在生物炭修复基础上进行多次黑龙葵修复，则有可能实现蔬菜Cd含量到达食用标准。因此关于生物炭-超富集植物联合技术对Cd污染土壤的修复研究具有重大的意义。

4 结论

（1）试验结果显示，生物炭与超富集植物联合修复技术可以用于镉污染土壤的修复，且生物炭添加量为1%，超富集

植物选择黑龙葵时，修复效果较好，对镉的富集量比黑龙葵单独修复提高了近26.78%。

（2）生物炭与黑龙葵联合修复时，土壤中的可交换态Cd一部分转化为稳定态，一部分被黑龙葵富集，且生物炭提高

了黑龙葵的生物量和Cd含量。

（3）复种试验结果显示，1%生物炭与黑龙葵联合修复后生菜Cd含量最低，相对于未修复组降低了45.86%，说明生物炭与黑龙葵联合修复能够有效降低作物Cd含量，在土壤Cd污染修复方面有应用潜力。

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