生物炭对土壤-植物体系汞含量的影响

高翠翠 王道涵 王营军 汤家喜

摘要  ［目的］研究在生物炭影响下土壤和植物中汞含量的变化趋势。［方法］以章古台风沙土壤为研究对象，向土壤中添加不同浓度的外源汞、不同浓度梯度的生物炭，对土壤和植物样品进行测定。［结果］不同浓度外源汞处理下，土壤汞残留率、植物体内汞残留率和富集系数均在生物炭添加量为16.0 g/kg表现较好效果；当外源汞浓度为16.0 mg/kg，生物炭添加量为16.0 g/kg，土壤汞残留率提高，达到47.204%，植物体内汞残留率最小，为37.193%，富集系数最低，降至0.844。外源汞浓度为32.0 mg/kg，土壤汞残留率提高了7.949百分点；外源汞浓度为4.0 mg/kg，植物体内汞残留率降低了12.145百分点，富集系数减少了0.734。［结论］生物炭可以把汞钝化在土壤中，具有修复和改良汞污染土壤的特征，且添加量为16.0 g/kg效果较好。

关键词  土壤；植物；生物炭；汞污染；汞含量

中图分类号  X171.1   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2024）07-0055-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.014

Effect of Biochar on Hg Content in Soil-plant System

GAO Cui-cui，WANG Dao-han，WANG Ying-jun et al

（College of Environmental Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning 123000）

Abstract  ［Objective］To study the change trend of Hg content in soil and plants under the influence of biochar.［Method］The aeolian sandy soil of Zhanggu Platform was used as the research object.Different concentrations of exogenous Hg and different concentration gradients of biochar were added to the soil，and soil and plant samples were measured.［Result］Under the treatment of different concentrations of exogenous Hg，the Hg residual rate in soil，Hg residual rate and enrichment coefficient in plants all performed better under the biochar addition amount of 16.0 g/kg.When the exogenous Hg concentration was 16.0 mg/kg and the amount of biochar was 16.0 g/kg，the Hg residue rate in soil was increased and reached 47.204%，the lowest Hg residue rate in plants was 37.193%，and the lowest enrichment coefficient was 0.844.When the concentration of exogenous Hg was 32.0 mg/kg，soil Hg residue rate was increased by 7.949 percentage points.When the concentration of biochar was 4.0 g/kg，the residual rate of Hg in plants was reduced by 12.145 percentage points，the enrichment coefficient decreased by 0734.［Conclusion］Biochar can passivate mercury in soil and has the characteristics of repairing and improving mercurycontaminated soil，and the best effect is achieved when the addition amount is 16.0 g/kg.

Key words  Soil;Plants;Biochar;Hg pollution;Hg content

汞為剧毒性元素，其毒性具有持久性、迁移性和高度的生物累积性［1］，被世界卫生组织（WHO）列为“重大公共卫生关注的十大化学品或化学品类之一”［2］。每年大约有5 000 t汞进入环境中，随着大气和洋流运动，汞污染遍及全球。我国大气汞的主要污染来源为燃煤电厂，且具有排放量大、排放区域广等特点［3］。排放到大气中的汞，通过气体循环和沉降造成了严重土壤汞污染，其污染具有持久性、隐蔽性、易于迁移等特点，被植物吸收，富集在人体中［4］。高浓度汞胁迫会抑制植物叶绿素的生成，抑制植被的生长，汞浓度过高时甚至导致植被死亡［5］。汞中毒后的主要表现是轻度易兴奋症、神经衰弱综合征、汞毒性震颤、中毒性脑病和严重的肝肾损害等症状［6］。

近年来对土壤汞污染的研究备受关注，国际环境学术界围绕大气汞的来源和迁移转化规律、人体汞暴露的危害等方面开展了大量的研究工作。符倩等［7］研究改性生物炭对汞污染土壤绿豆生长及汞含量的影响，结果表明，施加适宜比例的改性生物炭能够缓解汞胁迫，促进绿豆植株的生长，降低各器官汞含量。有研究表明，土壤有机质及其溶解组分往往限制汞的生物可利用性，从而减少受污染稻田土壤中甲基汞的产生［8］。李胜鹏等［9］研究改性泥炭土对稻田土壤汞污染的修复效果，结果表明改性泥炭对土壤甲基汞和有效态汞具有显著的降低作用，可应用于稻田土壤汞的原位钝化修复。EDTA-有机酸淋洗后Hg有效态残留重金属含量大幅降低，稳定性显著提高，复合淋洗剂可有效降低污染土壤的生态风险［10］。研究重点大多数是化石燃料产生的汞污染以及工厂生产含汞元素的产品所造成的汞污染等，而与燃煤电厂周边土壤-植物体系中汞含量变化的研究较少。因此，笔者以HgCl2作为外源汞，选取彰武县地区的土壤为试验土样，模拟大气汞沉降，向土壤中添加不同量的生物炭，研究生物炭与土壤-植物体系汞含量变化的关系，对寻求土壤中汞的生物治理措施、防止植物受汞毒害具有重要意义，为土壤生态保护提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

野外试验样地位于辽宁阜新章古台风沙所，供试土壤理化性质为pH 6.34、土壤容量1.41 g/cm3、有机质含量24.5 g/kg、Hg含量0.01 mg/kg。供试生物炭为秸秆炭，来自沈阳农业大学陈温福院士生物炭工程技术中心，生物炭理化性质为pH 8.87、有机碳含量578.85 g/kg。

1.2 试验设计

野外定位试验样地设置在章古台风沙所，2021年10月进行试验样地的建设和处理。 选用分析纯氯化汞（HgCl2）作为外源汞，外源汞浓度设置6个梯度（1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg/kg），同时加入不同量的生物炭（0、05、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 g/kg），且每组试验设3个平行试验组，如表1所示。2022年5月进行土壤和植物样品采集。

1.3 样品处理    野外土壤样品经风干后去除土壤杂物并研磨，过100目过滤尼龙筛，保存备用。

野外植物样品为燕麦草，将整株植物样品用去离子水洗净，在105 ℃下杀青15 min后降至50 ℃烘干至恒重，将植物样品取出，置于干燥器中冷却，并粉碎后封袋，保存备用。

1.4 土壤和植物中汞含量

准确称取0.5 g（精确至0.000 1 g）土壤样品于消解管中，加入10 mL（1+1）王水，水浴消解2 h。待消解結束后，冷却至室温，将消解液移入50 mL容量瓶中，去离子水定容至50 mL，摇匀后待测。参照GB/T 22105.1—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》，用原子荧光光度计测定土壤汞含量。

准确称取0.1 g（精确至0.000 1 g）植物样品于消解管中，加入10 mL（1+1）王水，水浴消解2 h。待消解结束后，冷却至室温，将消解液移入50 mL容量瓶中，去离子水定容至50 mL，摇匀后待测。用原子荧光光度计测定植物汞含量。

1.5 数据处理

植物的汞富集系数（BCF）计算公式如下：

BCF= Ci Cs

式中：Ci为植物体内汞含量（mg/kg）； Cs为土壤汞含量（mg/kg）。

土壤汞残留率（RR）计算公式如下：

RR= Cs CHg+Ck

式中：Cs为土壤汞含量（mg/kg）； CHg为外源汞污染浓度（mg/kg）；Ck为土壤汞背景值（mg/kg）。

数据统计分析采用Excel 2010软件，以平行样测定数值的平均值表示测定结果。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤中汞含量的影响

由图1可知，外源汞浓度为1.0～32.0 mg/kg时，生物炭浓度与土壤中汞含量呈现明显的相关性。当外源汞浓度为1.0 mg/kg时，经过不同浓度梯度的生物炭处理后，土壤中汞含量由0.784 mg/kg上升至0.854 mg/kg，残留率由43.946%上升至47.869%；当外源汞浓度为2.0 mg/kg时，土壤中汞含量由1.439 mg/kg上升至1.598 mg/kg，残留率由41.846%上升至46.460%；外源汞浓度为4.0 mg/kg时，土壤中汞含量由2.238 mg/kg上升至2.600 mg/kg，残留率由35.870%上升至41.692%；外源汞浓度为8.0 mg/kg时，土壤中汞含量由4.532 mg/kg上升至5.261 mg/kg，残留率由36.160%上升至41.980%；外源汞浓度为16.0 mg/kg时，土壤中汞含量由10.500 mg/kg上升至12.509 mg/kg，残留率由39.622%上升至47.204%；外源汞浓度为32.0 mg/kg时，土壤中汞含量由17.605 mg/kg上升至21.548 mg/kg，残留率由35.490%上升至43.439%。

添加不同浓度生物炭后的土壤中汞含量均明显高于空白土壤的汞含量， 其中土壤中汞残留率最高的是生物炭添加量为16 g/kg处理后的土壤。同浓度外源汞污染的土壤中，土壤汞含量与生物炭添加量呈现明显的正相关；在相同生物炭添加的情况下，外源汞污染水平越高，土壤中汞含量也越高。由于生物炭含有高度芳香环分子结构和多孔特性［11］，比面积较大、过滤和吸附性能优良［12］，土壤中的Hg更容易被生物炭直接吸附。生物炭拥有着大量负电荷和有机官能团，影响其表面电荷特征［13］，这对重金属的吸附起着至关重要的作用。所以生物炭对于土壤汞具有较好的钝化效果，可作为良好的土壤改良剂。

2.2 生物炭对植物体内汞含量的影响

从图2可以看出，当外源汞浓度为1.0 mg/kg时，经过不同浓度梯度的生物炭处理后， 测得处理后植物体内汞含量由1.015 mg/kg下降至0.915 mg/kg，残留率由50.372%下降至45.409%；外源汞浓度为2.0 mg/kg时，测得处理后植物体内汞含量由3.398 mg/kg下降至2.881 mg/kg，残留率由62.949%下降至53.371%；外源汞浓度为 4.0 mg/kg时，测得处理后植物体内汞含量由5.889 mg/kg下降至4.668 mg/kg，殘留率由59551%下降至47.406%；外源汞浓度为8.0 mg/kg时 ，测得处理后植物体内汞含量由9.115 mg/kg下降至7.393 mg/kg， 残留率由53.257%下降至43.196%；外源汞浓度为16.0 mg/kg时，测得处理后植物体内汞含量由13.258 mg/kg下降至10.882 mg/kg，残留率由45.314%下降至37.193%；外源汞浓度为 32.0 mg/kg时，测得处理后植物体内汞含量由28.842 mg/kg下降至22.899 mg/kg，残留率由47.404%下降至37.636%。

添加不同浓度的生物炭后植物体内中汞含量均明显低于空白组植物体内的汞含量。当外源汞污染浓度一定时，向土壤中添加不同浓度梯度的生物炭，植物体内汞含量随着生物炭的加入明显减少。各组在生物炭添加量为16.0 g/kg时，植物体内汞残留率最小。随着外源汞量的增加，同一浓度梯度的生物炭对汞的吸附能力也随之增强，土壤中汞的活性降低，从而使植物体内的汞含量减少。生物炭的加入抑制土壤汞活性和减少汞向植株的迁移，从而有利于植物生长。刘晶晶等［14-16］研究表明生物炭可以降低重金属的活性，促进重金属向残渣态转化，降低重金属对植物毒害作用。生物炭能有效促进Pb、Cd的弱酸提取态、可氧化态、可还原态向残渣态转化，使土壤中Pb、Cd的生物有效性降低，降低其对土壤环境的危害［17］。

2.3 生物炭对植物富集汞能力的影响

富集系数能够体现植物吸附重金属的能力，富集系数越大说明植物对土壤汞吸收积累能力越强。由图3可知，在不同外源汞浓度下，植物富集能力随生物炭添加量的升高而降低，均在生物炭添加量为16.0 g/kg表现良好效果。当外源汞浓度为1.0 mg/kg时，富集系数从1.309降至1.065，降低了0.244；当外源汞浓度为2.0 mg/kg时，富集系数从2.414降至1.862，降低了0552；当外源汞浓度为4.0 mg/kg时，富集系数从2.676降至1.942，降低了0.734；当外源汞浓度为8.0 mg/kg时，富集系数从2.033降至1.389，降低了0.644；当外源汞浓度为 160 mg/kg时，富集系数从1.273降至0.844，降低了0.429；当外源汞浓度为32.0 mg/kg时，富集系数从 1.680降至1069，降低了0.611。

外源汞浓度在一定范围内，生物炭可以降低植物的富集能力，从而使植物吸收重金属汞的含量减少，降低汞对植物的毒害效应［18］。 在镉污染水平较高的黑土中添加菌糠生物炭降低白菜中镉的富集系数［19］，选用农业废弃物花生壳为供试生物炭原材料施加到土壤，降低土壤中有效态Cd、Pb含量，一定程度降低小麦幼苗对镉和铅的吸收［20］。生物炭的添加有助于减少重金属从土壤到植物的转移，使植物富集能力下降。

3 讨论

随着生物炭施加量的增加，土壤中的汞含量明显上升，生物炭可以将汞固化在土壤中，防止植物受汞毒害并阻碍其进入食物链，与前人的研究结果一致［21］。生物炭主要通过钝化、吸附2个方面对土壤重金属汞产生影响，其作用机理可能是：①生物炭表面丰富的孔隙结构，分子间作用力［22］，为物理吸附提供了坚实的基础。生物炭存在吸引汞自由力场，使得生物炭能够较为直接地将汞从被污染的土壤中被吸附出来。比面积较大、吸附力强，可以对汞产生直接吸附。②大量的官能团和负电荷集聚在生物炭表面，为化学吸附提供了坚实的基础。生物炭表面官能团可与Hg2+发生交换、协同、螯合作用，降低其迁移性［23］。③生物炭含有大量碳酸盐、碱性物质［16］，比如K2CO3、Na2CO3等碳酸盐可以让土壤的碱性变强，从而导致汞的活性降低。通过减少土壤中的汞，以及减少土壤中活性汞的源，让重金属污染土壤的状态得到了很好改善。正是因为生物炭和土壤、汞之间相互作用，使得土壤中汞活性降低，减缓了植物体内的汞胁迫。综上可知，添加生物炭可改善重金属污染土壤的状态，降低重金属生物有效性，促进植物正常生长。

植物主要通过茎叶表面和根系吸收土壤、水体和大气中汞。施加生物炭能减少汞的毒害效应，并抑制土壤汞活性和减少汞向植株的迁移，从而有利于植物生长。当土壤汞污染水平升高时，植物体内汞含量及土壤汞含量皆随之上升。但随着生物炭的施入，土壤中汞的活性被降低，部分各种形式的活性汞转化为惰性汞，抑制了植物对汞的吸收，使植物体内富集的汞含量下降。另外，由于作物存在导管、筛管等输送无机盐和有机物的通道，生物质炭化后这些微孔结构依然存在，汞离子或者氧化物可以进入到生物质炭的微孔结构中，从而可以进一步地被固定在生物质炭微晶腔内的空间中，被转化为残渣态，从而不容易被溶解或者还原［24］。

4 结论

该研究以章古台土壤为研究对象，添加生物炭和外源汞研究生物炭对土壤-植物汞含量影响，主要结论如下：

（1） 添加不同浓度生物炭后的土壤中汞含量均明显高于空白土壤的汞含量，并且随生物炭添加量的增加而增加。对于不同浓度外源汞处理的土壤，均在生物炭添加量为16.0 g/kg 表现较好效果，且在外源汞浓度1.0～32.0 mg/kg，土壤汞残留率均提高。生物炭能将土壤中的汞钝化存在于土壤中。

（2）添加不同浓度生物炭后植物体内中汞含量均明显低于空白组植物体内的汞含量，并且随生物炭添加量的增加而减少。对于不同浓度外源汞处理的土壤，均在生物炭添加量为16.0 g/kg植物体内汞残留率达到最小值，当外源汞浓度为16.0 mg/kg时，植物体内汞残留率最小，为37.193%；外源汞浓度为4.0 mg/kg，植物体内汞残留率降低了12.145百分点。生物炭的加入降低土壤中汞的活性，减少汞元素向植物体内转移量。

（3）在不同外源汞浓度下，植物富集能力随生物炭添加量的升高而降低。对于不同浓度外源汞处理的土壤，均在生物炭添加量为16.0 g/kg富集系数有最小值，当外源汞浓度为16.0 mg/kg時 ，富集系数最小，为0.844。生物炭的加入降低土壤毒性，使得植物吸收较少量的汞，正常生长；生物炭可以作为一种土壤改良剂，具有修复和改良汞污染土壤的特征。

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基金项目   辽宁工程技术大学学科创新团队资助项目（LNTU20NTD-24）；辽宁省教育厅科学技术基础研究项目（LJ2019JL029）。

作者简介   高翠翠（1998—），女，山东济宁人，硕士研究生，研究方向：土壤修复技术。*通信作者，教授，博士，博士生导师，从事污染生态学和土壤学研究。