生物炭对镉污染农田土壤改良及甘蔗生长的影响研究

李银光，张宝珠，孙守权，秦高远

（1.云南优居生态环境科技有限公司，云南昆明 650000；2.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，云南昆明 650000）

改革开发以来，我国工业，特别是矿产开采与利用行业粗犷式的快速发展，带来大量经济效益的同时，也将大量重金属带入了农田，导致矿区周边农田重金属严重超标，这极大的阻碍了农业的发展[1]。镉作为一种重金属，其毒性较大，可以通过空气、食物链等途径进入人体，且其在人体内自然代谢排出缓慢，人体富集过多镉会带来各种疾病[2]，日本闻名于世的“痛痛病”就是由镉中毒引起的。

重金属污染的治理，迄今为止尚无可大规模推广的成熟技术。生物炭来源广泛并具有多孔结构[3]，含有多种自由基，能有效改良土壤理化性质，在土壤污染治理中有较好的应用前景，因而被许多研究者给予了厚望[4]。本文以菠萝蜜壳为原料制备生物炭，通过盆栽对比实验研究生物炭的添加对甘蔗生长情况、土壤理化性质及土壤镉稳定化效果的影响。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

实验土壤 取种植甘蔗的农田土壤，除杂，在通风处风干，破碎，过60 目筛，加入Cd（NO3）2溶液后，混合均匀，保持土壤含水率在20%～30%之间，土壤老化8 周后自然风干，研磨过60 目筛，制得镉含量为10.0mg·kg-1的实验土。

菠萝蜜壳生物炭 将菠萝蜜壳洗净、烘干、破碎，置于气氛炉中，N2作保护气，以5℃·min-1的升温速率升温到550℃，恒温炭化3h，N2中自然冷却即可得到菠萝蜜壳生物炭。

HNO3、Cd（NO3）2、H2O2、HCl、HAc，北京化工厂；K2Cr2O7、NaAc、NaHCO3、NH4OAc，中天精细化工有限公司，以上试剂均为分析纯。

KBF1700-Q2 型气氛炉（南京莱步科技实业有限公司）；ICP-MS7500 型电感耦合等离子体质谱仪（美国安捷伦公司）；ST-WB6 型智能微波消解仪（山东三体仪器有限公司）；Z-5000 型原子吸收分光光度计（日立）。

1.2 实验方法

（1）盆栽实验 取实验土与生物炭（质量为实验土质量的0%、2%、4%、6%、8%、10%）混合均匀，置于50×40×30cm 的塑料盒中，取长势相近甘蔗幼苗移植到塑料盒中，每盒种植2 株，定苗1 株，每个实验组设置3 个平行样。将实验样品置于甘蔗种植田边源，与非实验种植的甘蔗一同定期进行施肥、杀虫及收割。

（2）植株测试 通过电子天平分别测量每株甘蔗的甘蔗茎和甘蔗叶的质量。

（3）重金属含量测试 将甘蔗茎和甘蔗叶洗净后烘干，研磨成粉，在浓HNO3-H2O2溶液中微波消解0.5h，过滤，用去离子水洗涤滤渣，取滤液定容至25.00mL，火焰原子吸收光谱法测定溶液中镉的浓度。

（4）土壤理化性质测试 参考《土壤农业化学分析方法》[5]进行测试。土壤pH 值以电位法测定（水∶土=2.5∶1）；土壤有机质采用高温外加热重铬酸钾氧化容量法测定；阳离子交换量采用乙酸钠浸提火焰光度计法测定；有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用NH4OAc 浸提-火焰光度计法测定。

（5）毒性浸出实验 取种植甘蔗后的土样，风干后过40 目筛，取筛下土样，用TCLP 法进行毒性浸出实验（USEPA , Method-1311），探究炭材料对土壤中铅锌的稳定效果，用ICP-MS 测定重金属浓度。

土壤重金属稳定化率计算公式如下：

式中 δ：稳定化率，%；C：未加生物炭时土壤中重金属浸出浓度，mg·L-1；Ci：加入生物炭后的土壤重金属浸出浓度，mg·L-1。

2 结果与讨论

2.1 生物炭添加量对甘蔗生长的影响

不同生物炭添加量对甘蔗的产量和土壤中镉含量的影响结果见表1。

表1 生物炭添加量对甘蔗生长的影响Tab.1 Effects of biochar additions on sugarcane growth

同列字母不同表示差异显著（P＜0.05）。

由表1 可见，生物炭添加量在不高于6%时，甘蔗茎的鲜重未出现较大的差异，当生物炭添加量从6%增加到8%时，甘蔗茎鲜重有明显下降，从2.82kg·株-1下降到了2.13kg·株-1，且较未添加生物炭的情况减少了0.41kg·株－1。分析甘蔗叶的鲜重变化可知，生物炭的添加，对甘蔗叶生长的影响并未见到明显规律，8 组样品的质量差在0.11kg·株－1以内。

对甘蔗茎和甘蔗叶中重金属镉含量分析可知，甘蔗茎中的镉含量高于甘蔗叶中的镉含量，且随着生物炭的加入，甘蔗茎和甘蔗叶中的镉含量都有不同程度的减小，且随着生物炭添加量增加，镉含量减小的幅度也增大，当生物炭的添加量为10%时，甘蔗茎中的镉含量为5.07mg·kg-1，较未添加生物炭时减小了55.01%，甘蔗叶中的镉含量为1.50mg·kg-1，较未添加生物炭时减小了33.33%。

综上所述，生物炭的添加对甘蔗叶的生长无明显影响，且少量生物炭（6%及以下）对甘蔗茎的生长也无明显影响，但大量生物炭的添加（超过6%）对甘蔗茎的生长是不利的。对于甘蔗中重金属镉的含量，生物炭的添加能减小甘蔗生长过程中镉的富集，且生物炭添加量越多，影响越大。从甘蔗的生长和植株内的镉含量综合考虑，生物炭的最佳添加量为6%，此时既能保证甘蔗的生长，且植株内镉含量也有了大的减少。

2.2 生物炭对土壤理化性状的影响

2.2.1 生物炭对土壤pH 值的影响 土壤pH 值不仅是土壤的重要理化指标，且还直接影响重金属镉在土壤中的迁移转化，故考察了不同生物炭添加量对土壤pH 值的影响，结果见图1。由图1 可见，生物炭的添加能增加土壤pH 值，且随着生物炭添加量的增加，土壤pH 值持续上升，最小增加了0.43（出现在生物炭添加量为2%土壤中），最大增加了0.85（出现在生物炭添加量为10%土壤中），这是由于生物炭内部孔道中富含各种氢氧化物和碳酸盐类，使得生物炭呈现碱性[6]，加入土壤中使得土壤pH 值上升。从土壤pH 值的角度考虑，生物炭的最佳添加量为10%。

2.2.2 生物炭对土壤有机质的影响 土壤有机质、土壤阳离子交换量是评价土壤肥力的重要指标，其在提升土壤透气、透水性，增强土壤的保肥性能等方面起着关键作用[7]，所以考察了生物炭的添加对土壤有机质含量的影响，结果见图2。

图2 生物炭对土壤有机质含量的影响Fig.2 Influence of biochar additions on soil organic matter content

由图2 可见，生物炭的添加使得土壤中有机质质量分数有了一定提高，土壤有机质含量从3.52%增加到5.27%（生物炭添加量为10%），增加了1.75个百分点，提升了土壤的肥力，这是由于生物炭中含有大量含碳自由基团以及部分不稳定的脂肪族有机物，能为土壤补充一定量的有机质[8]。从土壤有机质的含量角度考虑，生物炭的最佳添加量为10%。

2.2.3 生物炭对土壤阳离子交换量的影响

土壤阳离子交换量变化情况见图3。由图3 可见，生物炭添加量为2%时对土壤的阳离子交换量影响不大，土壤阳离子交换量呈现略微下降，但添加量从2%增加到10%的过程中，土壤的阳离子交换量呈现先上升后下降的趋势，土壤的阳离子交换量达最高点时生物炭的添加量为8%，此时阳离子交换量为5.42cmol·kg－1，相较未添加时提高了11.29%。生物炭的加入使得土壤阳离子交换量提高的原因是，生物炭进入土壤后，其内部孔道表面的自由基在微生物或非微生物的协同作用下，会氧化为含氧官能团，进而增强了生物炭的表面电荷量，导致土壤阳离子交换量值的提高[9]。而当添加量超过8%后呈现下降趋势的原因还需进一步研究。因此，当生物炭的最佳添加量为8%时，土壤阳离子交换量增加量最优。

图3 生物炭对土壤阳离子交换量的影响Fig.3 Effect of biochar on soil cation exchange capacity

2.2.4 生物炭对土壤养分的影响 土壤养分，如磷、钾元素含量，是土壤肥力的物质基础。生物炭的添加对土壤中磷、钾元素含量的影响结果见图4。

图4 生物炭对土壤养分中磷、钾的影响Fig.4 Effects of biochar on P and K in soil nutrients

由图4 可见，生物炭的添加能较大幅度提升土壤中有效磷的含量，添加2%的生物炭，土壤中的有效磷较未添加生物炭土壤增加了10.97%，当生物炭添加量达到6%时，土壤中的有效磷达到顶峰，为99.69mg·kg-1，继续增加活性炭的添加量，土壤中的有效磷含量基本趋于稳定，维持在97mg·kg-1以上。

对土壤中速效钾含量进行分析，少量生物炭（2%～4%）添加影响不大，当生物炭添加量为6%时，土壤中速效钾含量有了一个较大的提高，达到195.34mg·kg-1，继续增加生物炭添加量，土壤中速效钾继续增加。

生物炭的添加导致土壤中有效磷和速效钾增加的主要原因是生物炭内本身含有一定量的有效磷和速效钾，通过对制备的生物炭进行理化性质检测分析，其有效磷含量为237.69g·kg-1，速效钾含量为1827.31mg·kg-1。综合考虑对磷、钾元素含量影响和尽可能少的生物炭用量，当生物炭添加量为6%时，土壤中有效磷和速效钾都较好的增加，效果最优。

2.3 生物炭对土壤稳定化效果的影响

对添加不同加量生物炭后的土壤进行TCLP 法毒性浸出实验，考察生物炭对土壤中镉的稳定效果，结果见图5。

图5 生物炭对土壤中镉的稳定效果Fig.5 Stabilization effect of biochar on cadmium in soil

由图5 可见，随着生物炭添加量的增加，镉的稳定化率呈现先增加后稳定的变化趋势，且少量的生物炭（2%）的添加，即可显著提高镉的稳定化率，当生物炭的添加量大于6%以后，镉的稳定化率基本趋于稳定，稳定化率为60.26%，较未添加生物炭的土壤增加了30.03 个百分点。生物炭能提高镉稳定化率的原因主要是因为生物炭内部大量的孔道结构和较大的比表面积能较好的吸附镉离子，使其不易流失[10]。

3 结论

生物炭对甘蔗叶的生长无明显影响，少量生物炭对甘蔗茎的生长也无明显影响，但高剂量生物炭对甘蔗茎的生长有抑制作用，且生物炭的添加能有效减小甘蔗对重金属镉的吸收。从甘蔗的生长和植株内的镉含量综合考虑，生物炭的添加量为6%最优。

随着生物炭添加量的增加，土壤pH 值、有机质、有效磷呈现持续增加的趋势，土壤阳离子交换量则呈现先增后减的变化趋势，土壤中速效钾含量则呈现先增后趋于稳定的趋势，当生物炭最佳添加量为8%时对土壤阳离子的影响最优，生物炭添加量为6%时，对土壤中的速效钾的影响最优。

生物炭的添加能显著增强镉污染土壤的稳定化率，随着生物炭的添加镉污染土壤的稳定化率呈现先增后趋于稳定的趋势，最佳的添加量为8%，此时土壤的稳定化率为60.26%。