改性生物质炭对原油污染土壤中苏丹草萌发的影响

周文君，朱新萍，2*，陈康怡，申志博，谷林珠，刘菲，贾宏涛，2

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，乌鲁木齐 830052）

原油是现代工业的“血液”，是应用最广泛的能源之一，但原油中含有多种难降解的烃类和2 000 多种毒性有机物质。原油在生产、运输和提炼过程中可能对空气和水生、陆地生态系统造成污染，对人类健康产生不同程度的影响[1-2]。原油污染会威胁土壤生态系统安全，造成土地资源浪费，使作物种子萌发、根系生长受到胁迫，地上生物量降低[3]。因此，探寻有效的土壤污染改良材料并减少原油对土壤植物的毒害作用是环境领域关注的热点之一。

生物质炭作为土壤改良剂，施入土壤中可以增加土壤的持水能力和孔隙度，促进植物生长和提高土壤微生物活性[4]。研究发现，生物质炭可以显著提高苦草种子萌发率，有利于幼苗生长[5]；在Pb2+胁迫下施加生物质炭，可以减弱重金属对玉米幼苗生长的胁迫作用，促进幼苗的早期生长[6]。此外，生物质炭作为一种新型的土壤吸附剂，还可以高效吸附重金属、农药、染料和多环芳烃（PAHs）等污染物质。孔露露等[7]的研究发现农作物秸秆生物质炭可以显著降低石油污染土壤中PAHs 浓度。石丽芳等[8]的研究表明，与石油烃的自然降解相比较，添加生物质炭可有效促进总石油烃及各组分降解。由此可见，生物质炭对原油污染的吸附去除效果和对植物生长的促进作用均显著。然而，生物质炭对土壤污染胁迫的研究多集中在东南地区酸性土壤区域，在低肥力的碱性土壤上的研究尚有不足。在碱性土壤中施用生物质炭，生物质炭本身的矿物养分难以被利用，同时会造成土壤pH值升高，阻碍植物对养分的吸收；在处理污染土壤时，生物质炭也存在吸附量小、寿命短和效率低等问题。一些研究者发现通过改性的方式可以改变生物质炭的结构和性质，使其具有更大的优势。研究表明HNO3改性后生物质炭的比表面积和官能团增加，对重金属的吸附性能增强，对植物生长发育具有显著促进作用[9-10]。研究表明，生物质炭表面存在持久性自由基（PFRs），具有活化H2O2的作用，将生物质炭作为负载体，与Fe结合组成新型芬顿体系，不仅增强了吸附污染物的能力[11]，还加速了活化H2O2的速率[12]。近年来，生物质炭作为芬顿催化剂载体被广泛使用，在芬顿催化去除有机物方面发挥一定作用，但直接将芬顿氧化用于改性生物质炭的研究仍缺乏。硝酸改性生物质炭和利用芬顿氧化改性生物质炭在修复污染土壤和促进作物生长方面具有巨大潜力。杨兰等[13]的研究发现，在镉污染土壤中施加改性生物质炭，降低了重金属在土壤中的迁移性和生物可利用性。郭大勇等[14]的研究发现，在碱性土壤中施用酸改性生物质炭促进了玉米的生长发育。然而，在原油污染胁迫下改性生物质炭对植物生长的影响鲜有报道。

苏丹草是广泛分布于新疆的一种人工牧草，对原油污染具有一定的耐受性和污染修复作用[15]，但同时也会受到污染物的毒害，使修复效果变差。已有研究表明，原油污染浓度越高，其对苏丹草生长抑制作用越强，添加生物质炭可缓解原油污染对苏丹草的胁迫作用[16]。因此，本研究将硝酸酸化和芬顿氧化应用于改性棉花秸秆生物质炭中，针对西北地区碱性土壤原油污染问题，采用原油污染土壤苏丹草发芽试验，分析不同改性方法和不同添加比例的改性生物质炭对苏丹草种子发芽率、幼苗生长、土壤理化性质以及石油烃降解率的影响，以期探明改性生物质炭对原油污染的缓解作用，为改性生物质炭与植物联合修复原油污染土壤的实践应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生物质炭为棉花秸秆生物质炭，由新疆农业科学院提供，炭化温度为360 ℃，炭化时间为16 h，过0.5 mm 筛，备用；硝酸改性生物质炭（HBC）由供试生物质炭制成[17]，在2 mol·L-1HNO3溶液中25 ℃恒温振荡24 h 后，反复过滤、冲洗至滤液澄清，60 ℃烘干，备用；芬顿改性生物质炭（FBC）由供试生物质炭制成，在配制的芬顿试剂中25 ℃恒温振荡24 h 后，反复过滤、冲洗至滤液澄清，60 ℃烘干，备用。芬顿试剂由30% H2O2溶液与FeSO4·7 H2O 按照摩尔比20∶1 进行配制，具体方法：将FeSO4溶于水，用H2SO4调节pH 为4，再加入30%H2O2溶液。

以新苏2 号苏丹草为研究材料，供试土壤来自乌鲁木齐市米东区农田，土壤过0.5 mm 筛，备用。供试原油来源于新疆某油田，人工模拟原油污染土壤浓度设置为4%[18]。将供试原油按照1∶5 配比（1 g 原油加入5 mL 石油醚充分混合）施入土壤后陈化，原油污染土壤平衡20 d 后加入不同比例的生物质炭进行发芽试验，供试土壤和模拟原油污染土壤理化性状见表1。

表1 供试土壤和模拟原油污染土壤理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil and simulated crude oil contaminated soil

1.2 种子萌发试验

将棉秆生物质炭（BC）、硝酸改性生物质炭（HBC）和芬顿改性生物质炭（FBC）按2%和4%（质量比）的施用比例与人工模拟的原油污染土壤混合均匀后装入50 孔育苗盘中，并设置不添加生物质炭的对照处理组（CK），浇水陈化24 h 后进行土培发芽试验，不同处理设置见表2。将种子用清水冲洗后，取下沉饱满种子，播种于育苗盘中，每孔播种8 粒，每处理设置5 个重复，每日浇水一次，使土壤保持湿润。试验结束后，计算苏丹草种子的发芽率，测量苏丹草幼芽长、幼根长、鲜质量和干质量，并测定土壤pH、电导率、有机质含量和总石油烃含量。

表2 试验设置Table 2 Different treatment groups

1.3 生物质炭特性表征和土壤理化性质测定

生物质炭pH 测定参照《木质活性炭试验方法》（GB/T 12496.7—1999）；生物质炭电导率测定参照《粉状活性炭电导率测定方法》（LY/T 1616—2004）；生物质炭灰分含量采用缓慢灰化法（GB/T 17664—1999）测定；生物质炭所含C、H、N 元素用元素分析仪测得，O 元素含量由C、H、N 元素和灰分含量经差减法计算而得；利用扫描电镜（SEM）对生物质炭进行表征，观察其表面形貌特征和结构变化。土壤理化性质测定参考鲁如坤《土壤农业化学分析方法》[19]。

1.4 种子萌发指标测定

自播种后每日同一时间观察苏丹草的发芽数，以胚芽长0.1 cm 为标志，至第8 天停止计数；试验结束后，用细线和直尺（单位0.1 mm）测量苏丹草胚芽长和胚根长；用分析天平称量幼苗鲜质量和干质量（杀青烘干至恒质量后称量）；并计算植物叶片数。

1.5 总石油烃（TPH）含量测定

土壤总石油烃含量采用超声-质量法测定[20]。称取5.00 g 风干土样于50 mL 离心管中，加20 mL 二氯甲烷充分混合，在60 W 功率下超声萃取15 min，4 000 r·min-1离心10 min，用0.45 μm 有机系针头过滤器将萃取液过滤至已知质量的锥形瓶中，重复以上步骤3 次，将全部萃取液放入锥形瓶中，后放入通风橱中，等待溶剂挥发干后测定质量，得到从土壤中萃取的石油质量，前后质量差即为土壤中总石油烃的含量。

1.6 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019 进行数据统计分析，用SPSS 23.0 进行单因素方差分析（One-Way ANOVA）和多重比较分析（Duncan 法），用不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。使用SigmaPlot 14.0 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 生物质炭和改性生物质炭特性

生物质炭和改性生物质炭的性质见表3。未改性生物质炭呈碱性，硝酸和芬顿改性后生物质炭均呈酸性，硝酸改性生物质炭pH 最低，为2.33，芬顿改性生物质炭pH 为4.79。硝酸和芬顿改性后生物质炭的灰分含量显著低于改性前（P＜0.05）。不同改性方式生物质炭的电导率差异显著（P＜0.05），与未改性生物质炭相比，硝酸改性生物质炭的电导率提高了75%，而芬顿改性生物质炭的电导率下降了2%。改性后生物质炭的C、H、N、O 含量均显著增加，其中生物质炭的原子比C/H 和（O+N）/C 可用于表征生物质炭的芳香性和极性大小，硝酸和芬顿改性后生物质炭的C/H和（O+N）/C增大，说明两种改性生物质炭的芳香性和极性增大。

表3 生物质炭特性Table 3 Characteristics of biochar

用扫描电镜观察未改性和改性生物质炭表面结构，结果如图1 所示。未改性生物质炭表面存在大量灰分，有瘤状的凸起结构，各夹层之间疏松多孔；硝酸改性生物质炭呈明显的蜂窝状结构，孔道数量有所增加，孔内没有灰分物质存在，表面结构排列更为规则；芬顿改性生物质炭表面附着大量不规则团块，孔内出现多级褶皱，表面形成形状各异、大小不同的孔隙结构。可见，硝酸酸化和芬顿氧化均改变了生物质炭原有的表面纹理、孔隙结构和孔径大小，这些孔隙是生物质炭具有较强吸附能力的主要原因，也是土壤微生物活动的主要场所。

图1 生物质炭和改性生物质炭的扫描电镜观察结果（×1 000倍）Figure 1 Scanning electron microscopy（SEM）of biochars and modified biochar（×1 000 times）

2.2 不同改性生物质炭对原油污染土壤性质的影响

不同改性生物质炭处理后土壤的性质见表4。与CK 相比，BC 处理下土壤pH 有所上升，且随生物质炭添加量的增加而增加。HBC和FBC处理下土壤pH降低，且随生物质炭添加量的增加而降低，在添加量为4%时与CK、BC 处理呈显著性差异（P＜0.05）。添加生物质炭处理的土壤有机质含量均显著高于CK处理，且增幅随生物质炭添加量的增加而增大，其中芬顿改性生物质炭处理组的促进效果最为明显。FBC2处理的电导率和有机质含量均最大，与CK 相比分别增加了54.62%和29.71%（P＜0.05）。

表4 不同生物质炭添加后原油污染土壤的pH、电导率和有机质含量Table 4 The pH，electrical conductivity and organic matter incrude oil contaminated soil treated by different biochars

2.3 改性生物质炭对原油污染土壤中苏丹草种子萌发的影响

原油污染土壤中添加生物质炭后苏丹草种子的发芽率如图2 所示。由图2 可见，第8 天不同处理的苏丹草发芽率均超过70%，添加生物质炭各处理中除HBC1 外，苏丹草发芽率均高于CK 处理，且随生物质炭添加量的增加而增加。未改性生物质炭处理组和添加量为2%的改性生物质炭处理组的发芽率与CK相比均无显著差异（P＞0.05），说明未改性生物质炭和低添加量对苏丹草发芽率影响较小。在生物质炭添加量为4%的处理组中，FBC2处理的苏丹草种子发芽率最高，达到100%，HBC2处理的种子发芽率次之，为96%，分别较CK 处理显著增加了24、20 个百分点（P＜0.05）。

图2 不同处理原油污染土壤中苏丹草的发芽率Figure 2 Germination rate of sudangrass in crude oil contaminated soil with different treatments

不同处理原油污染土壤中苏丹草的胚芽长和胚根长如图3 所示。与CK 相比，添加生物质炭的各处理组苏丹草胚芽长显著增加（P＜0.05），并随生物质炭添加量的增加而增加。与未改性生物质炭和芬顿改性生物质炭相比，硝酸改性生物质炭对苏丹草胚芽的促进效果最好，当HBC 添加量为4%时，苏丹草胚芽长达到最大值，较CK 显著增加了67.83%（P＜0.05）。添加生物质炭处理对苏丹草胚根长具有一定的促进作用，但随着土壤中生物质炭添加量的增大，生物质炭对胚根长的促进作用逐渐减弱。其中，未改性生物质炭处理对苏丹草胚根的促进作用最好，在添加量为2%时苏丹草胚根长达到最大值，为11.5 cm，较CK 显著增加了87.50%（P＜0.05），而改性生物质炭处理组的苏丹草胚根长与CK 相比无显著差异（P＞0.05），说明苏丹草根系对改性生物质炭添加不敏感。

图3 不同处理原油污染土壤中苏丹草的胚芽长和胚根长Figure 3 Germ length and radicle length of sudangrass in crude oil contaminated soil under different treatments

原油污染土壤中添加不同生物质炭对苏丹草鲜质量、干质量和叶片数的影响见表5。不同处理下苏丹草鲜质量、干质量差异不显著（P＞0.05），但添加生物质炭的处理组与CK相比有增加的趋势。HBC施加量为4%时鲜质量比CK 增加了80.26%；而BC 施加量为2%时苏丹草干质量与其他施加生物质炭的处理组无显著差异（P＞0.05），说明生物质炭作为基质对苏丹草生物量的影响较小。从叶片数来看，生物质炭添加可以显著增加苏丹草叶片数（P＜0.05），而生物质炭种类及不同添加量之间的叶片数差异不显著（P＞0.05）。

表5 不同处理原油污染土壤中苏丹草的鲜质量、干质量和叶片数Table 5 Fresh weight，dry weight and leaf number of sudangrass in crude oil contaminated soil under different treatments

2.4 添加改性生物质炭对土壤中原油降解的短期影响

不同处理原油污染土壤中总石油烃降解率如表6 所示。与CK 相比，添加生物质炭处理组的总石油烃降解率显著增加（P＜0.05），其中未改性生物质炭与芬顿改性生物质炭处理组的总石油烃降解率随生物质炭添加量的增加而提高，而硝酸改性生物质炭处理组则随添加量的增加而降低。未改性生物质炭对土壤中总石油烃的降解效果最好，在添加量为4%时总石油烃降解率达到最高，为35.77%，与CK 相比提高了23.86 个百分点；芬顿改性生物质炭对总石油烃的降解作用次之，FBC2 处理降解率比CK 显著提高了20.89 个百分点；硝酸改性生物质炭对总石油烃降解率的促进作用最小，HBC1 处理的降解率为18.24%。可知未改性生物质炭和两种改性生物质炭短期内可显著提高种植苏丹草的原油污染土壤中总石油烃的降解率，而生物质炭改性方法和添加量的不同会影响原油污染土壤中总石油烃降解率。

表6 不同处理原油污染土壤的总石油烃降解率Figure 6 Degradation rate of TPH in crude oil contaminated soil with different treatments

3 讨论

种子萌发是幼苗建立和植物种群维持与发展的基础，容易受到机械伤害、病害和环境胁迫的影响，种子萌发除了需要自身生命力之外，还需要适宜适量的温度、水分和空气。利用植物修复原油污染土壤，其修复效果的影响因素错综复杂[21]。有研究表明，原油性质黏稠，进入土壤环境后会影响土壤通气性和保水性，降低土壤质量，原油中的化合物会进入植物组织，破坏植物的生理机能，对植物生长产生毒害作用，主要表现为发芽率低、生育期延后、结实率减少和贪青晚熟等[22]。因此，植物修复污染土壤通常需要与其他物理化学方法相结合，以达到联合修复的目的。生物质炭施入土壤后可以有效改善土壤物理结构、增加土壤肥力，对植物生长具有显著促进作用[23]。在碱性土壤中施加生物质炭会造成土壤pH 过高，使土壤中有效营养物质减少，对植物种子萌发产生不良影响[24]。因此，通过硝酸和芬顿试剂对生物质炭进行改性处理，研究改性后生物质炭对土壤理化性质和植物幼苗生长的影响，可评价改性生物质炭联合植物修复原油污染土壤的潜力。

研究发现，硝酸和芬顿改性后生物质炭的pH 值降低，C、H、N、O 含量均有明显增加，这与改性后生物质炭表面灰分减少、酸性官能团增多有关[25-26]。硝酸改性及芬顿改性均改变了棉花秸秆生物质炭原有的表面纹理及孔径分布。硝酸改性生物质炭表面结构更加疏松，孔道数量增加，具有更大的比表面积，有利于吸附污染物[27]，这与刘蕊等[9]的研究结果一致。芬顿改性生物质炭内部空间构造发生改变，存在不规则的孔隙结构，表面更加粗糙，并分散着较多小颗粒物，这可能与芬顿氧化反应中·HO、·HO2等活性自由基增加，或Fe离子以氧化物的形式负载在生物质炭表面有关[28-29]。生物质炭本身呈碱性，施入碱性原油污染土壤后，其高度芳香化的结构可以吸附土壤中的H+，使土壤pH升高，这与张圣也等[24]的研究结果一致。硝酸改性和芬顿改性生物质炭的pH较低，施入土壤后，土壤pH 显著降低，而土壤电导率和有机质含量显著增加，说明改性生物质炭具有固碳能力，可以改善土壤环境，显著提高土壤理化性质和养分含量，这与改性后生物质炭C、O 含量和表面含氧官能团增加有关[30]，可见改性生物质炭在土壤改良方面具有较大的潜在应用价值。

在原油污染条件下施加生物质炭与改性生物质炭，减缓了原油对苏丹草幼苗生长的抑制作用，明显促进了苏丹草种子萌发、胚芽生长和干物质积累。其中，添加生物质炭处理的发芽率显著高于未添加生物质炭处理，硝酸和芬顿改性生物质炭处理对苏丹草生长的促进作用强于未改性生物质炭，说明两种改性生物质炭均有助于植物种子的萌发和生长，这可能是因为改性生物质炭较低的pH 中和了土壤碱性，使其达到适宜植物发芽和生长的中性环境条件，且改性生物质炭较大的比表面积和孔隙结构有效改善了土壤理化性质，使土壤电导率和有机质含量升高，增强了土壤营养水平，不仅有助于减缓原油对苏丹草幼苗的胁迫作用，而且会促进植物种子发芽和生长，这与郭大勇等[14]的研究结果一致。随生物质炭添加量的增加，各处理组苏丹草胚根长均呈低添加量促进、高添加量抑制的趋势，说明生物质炭的添加对植物根系影响较大，过量生物质炭的添加不利于植物根系的生长，阻碍了植物对养分和水分的吸收，这与李瑞霞等[31]的研究结果一致。因此，应根据土壤类型、污染物性质和修复场地特点适当选择不同类型的生物质炭，从而降低污染对修复植物带来的负面效应[32]，提高修复效率。

总石油烃降解率是直接反映土壤污染修复效果的重要指标之一[33]，它受修复植物种类和土壤环境因子的共同影响。本研究发现，施加生物质炭处理的总石油烃降解率显著高于未施加生物质炭处理，说明生物质炭添加有助于土壤中原油的降解。硝酸和芬顿改性生物质炭处理下总石油烃降解率显著低于未改性生物质炭处理，且不同添加量处理的总石油烃降解率显著不同，这是因为总石油烃的降解主要发生在植物根际微生物环境中。一方面，生物质炭的添加改善了植物生长的土壤环境条件，促进植物生长发育，保证植物在原油胁迫条件下具有一定的抗逆性和耐受性，提升了植物对土壤原油污染物的降解能力；另一方面，生物质炭较大的比表面积和高度芳香化的结构，不仅能够吸附土壤中的污染物质，还可以提高土壤中碳氢化合物的生物利用度以及根系分泌物和石油降解细菌的活性，有利于污染物的降解，但生物质炭的过量添加不利于植物根系的生长，这可能是本研究中硝酸改性生物质炭在高添加量处理下石油烃降解率较低的主要原因。有研究表明，不同生物质炭材料对石油烃去除率的影响随修复时间延长而增大，生物质炭对污染土壤的修复需要长期观察[8]。BARATI等[34]比较了两种有机改良剂（鸡粪和鸡粪生物质炭）对大麦降解污染土壤中石油烃的效果，发现生物质炭处理具有较高的石油烃降解率，提高了植物修复效率。因此，改性生物质炭对原油污染植物修复效果的影响与生物质炭原料种类、改性方式、投加比例和投加时间有关，然而这种影响的机制是复杂的，本研究仅进行了短期初步研究与分析，今后还需要从改性生物质炭进入土壤后与植物根系、有机物相互作用以及长期降解效果等方面深入探讨。

4 结论

（1）施用生物质炭和改性生物质炭均能显著提高土壤有机质含量，未改性生物质炭添加会提升土壤pH 值，硝酸和芬顿试剂改性生物质炭添加会降低土壤pH值。

（2）在碱性原油污染土壤中施用生物质炭有利于提升苏丹草发芽率、胚芽长、胚根长，促进植株干物质积累，且经过硝酸和芬顿试剂改性后的生物质炭对苏丹草种子萌发的促进效果更好，有助于减缓原油污染对苏丹草种子萌发的负面效应。

（3）生物质炭施用联合苏丹草修复显著促进了土壤中总石油烃的降解，短期内，未改性生物质炭对土壤中总石油烃的降解效果最好，芬顿改性生物质炭次之。在修复植物生长初期，生物质炭的改性方法和添加量均会显著影响苏丹草联合生物质炭对土壤中总石油烃的降解效果。