生物质炭对铅锌复合污染土壤修复机理的研究

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　　摘  要：为研究生物质炭对铅锌复合污染土壤修复的机理，以松木棒炭、玉米秸秆炭、秸秆块炭、花生壳炭、木质颗粒炭和机制木棒炭为重金属钝化剂，以铅锌复合污染土壤为对象，利用盆栽试验研究了不同原材料制成的生物质炭对重金属污染土壤pH、有机质、小白菜体内Pb、Zn含量的影响。结果表明：施用生物质炭可以显著提高重金属污染土壤pH值、有机质含量，施用玉米秸秆炭的效果最佳，小白菜地上部Pb、Zn含量与对照相比显著降低65.3%和41.6%。由此可见，生物质炭是一种能有效降低作物中重金属含量及减轻作物受到的重金属毒害的重金属钝化材料。
　　关键词：铅锌复合污染;生物质炭;小白菜
　　中图分类号：S153          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）08-0032-04
　　Abstract： In order to study the mechanism of remediation of lead-zinc contaminated soil by material carbon， pine stick carbon， corn straw carbon， straw block carbon， peanut shell carbon， wood granular carbon and mechanism stick carbon were used as heavy metal passivators， and lead-zinc compound polluted soil was taken as the object. Pot experiments were conducted to study the effects of biomass charcoal made from different raw materials on the contents of pH， organic matter， lead and zinc in heavy metal contaminated soil. The results showed that the application of biomass carbon could significantly increase the pH value and organic matter content of heavy metal contaminated soil， and the application of corn straw carbon had the best effect. the contents of lead and zinc in the aboveground part of Brassica chinensis L. were significantly decreased by 65.3% and 41.6% compared with the control. It can be seen that biomass carbon is a kind of heavy metal passivation material which can effectively reduce the content of heavy metals in crops and reduce the toxicity of heavy metals to crops.
　　Keywords： lead-zinc combined pollution; biomass carbon; Brassica chinensis L.
　　我国未来经济发展仍将保持较高的增长速度，随着工业化、城镇化的加快推进，我国土壤重金属污染形势将越发严峻[1]。常见的重金属污染治理技术有物理修复、化学修复和植物修复[2]。其中植物修复技术成本低、对环境影响小、能使地表稳定、可在清除土壤污染的同时清除污染土壤周围的大气和水体中的污染物，从而有改善生态环境[3]，但是植物修复技术修复的时间长，修复效率低[4]。生物质炭具有巨大的比表面积、丰富的表面官能团、大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性，可以通过改变土壤的物理、化学和微生物学性质来实现改良土壤性能，增加土壤肥力的作用[5]。由于生物质炭的这种特性，所以对重金属离子（Pb2+、Zn2+、Cd2+等）有着很好的吸附固定作用，且去除率较高[6]，可以使得土壤中重金属的有效态减少，从而降低植物体内的重金属含量。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　供試土壤采自上虞东关街道小担山铅锌矿区附近苗圃（120°46′35″E;30°0′4″N） 0～20cm土层的重金属污染土壤，风干过5mm筛，土壤基本理化性质如下：pH为5.91，有机质2.33mg·kg-1，碱解氮108.5mg·kg-1，有效磷2.63mg·kg-1，速效钾7.4mg·kg-1，全铅325.56mg·kg-1，全锌189.96mg·kg-1。
　　供试植株为小白菜Brassica chinensis L.‘上海青’。供试的生物质炭为松木棒炭、玉米秸秆炭、秸秆块炭、花生壳炭、木质颗粒炭、机制木棒炭六种，由辽宁恒辉新能源科技有限公司在800℃的高温电炉中限氧热裂解制成。其基本理化性质如表1。
　　1.2 试验设计
　　选取长势一致的小白菜‘上海青’作为试验材料，试验于2017年10月17日-2017年12月5日，整个试验过程在浙江省杭州市浙江农林大学玻璃温室大棚内完成，整个实验周期为50天。盆栽试验采用完全随机区组设计，共设7个处理：（1）松木棒炭（PB）、（2）机制木棒炭（MPB）、（3）木质颗粒炭（WPB）、（4）花生壳炭（PSB）、（5）秸秆块炭（SBB）、（6）玉米秸秆炭（MSB）、（7）CK（不加生物质炭），每个处理3个重复，生物质炭粒径0.25mm，按10%比例与土样混合，搅拌均匀，每盆土装2kg，按照试验设计标好标号，总共21盆。装盆结束后，沿盆壁往盆中加入去离子水，使得土壤保持70%的田间持水量，静置24h后种上小白菜幼苗，共21盆，生长50天后进行各指标的测定。小白菜在生长期内定期浇水，保证各个处理组阳光空气水分条件一致。 　　1.3 样品分析
　　种植50天后，对盆栽里的小白菜及土样进行采集，将盆栽采集的土壤置于阴凉干燥处风干，研磨过10目及100目尼龙筛，按鲍士旦（2000）推荐方法测定土壤基本理化性质[7]，其中pH采用土水比为1：2.5电极法测定;有机质采用重铬酸钾滴定法。
　　将收获的小白菜用自然水冲洗干净，再将根浸入20 mmol·L-1EDTA溶液进行交换，去除根表附着的重金属，最后用自来水和蒸馏水分别润洗三次，吸干植株表面的水分，分地上部和地下部两部分。将小白菜样品于105℃下杀青30min，然后在65℃下烘干72h至恒量，用不锈钢粉碎机将植物样磨细，过0.1mm尼龙筛进行重金属含量分析，称量0.3g样品，加入5mL的浓硝酸进行消煮，消煮完成冷却后，用蒸馏水定容至25mL，采用美国PE公司ICP-OES7000DV电感耦合等离子体发射光谱仪，测定重金属含量，所有药品及试剂均为优级纯或基准试剂。
　　1.4 数据统计
　　采用软件Microsoft Excel 2016对实验数据进行统计处理;采用SPSS 21.0进行方差分析和显著性检验（Duncan新复极差法，P<0.05）;采用Sigmaplot 12.5软件作图。
　　2 结果与讨论
　　2.1 生物质炭对土壤理化性质的影响
　　生物质炭以其多孔结构、比表面积巨大和丰富的含氧官能团，在施入土壤后，能够吸附土壤中的有毒物质，从而使得重金属的生物有效性及利用度大大降低，还能通过改善土壤物理和生物特性来促进植物的生长发育[8]。有研究表明，当生物质炭添加到酸性土壤中，可有效地增加土壤的pH值，随着pH的增加，土壤中重金属的生物有效性降低，减少了对植物的毒性[9]。
　　图1所示不同生物质炭对土壤基本理化的影响。由图1-A可知，与对照相比，施用生物质炭可显著提高土壤的pH值，提高幅度为14.3%～24.9%。施用不同原材料制作的生物质炭对土壤pH值的影响不同。与对照相比，施用花生壳炭，土壤pH值的提高幅度最大，达24.9%;施用秸秆块炭、木质颗粒炭，土壤pH值分别显著提高22.1%和20.2%;施用松木棒炭和玉米秸秆炭，土壤pH值的提高幅度一致，为14.3%;施用机制木棒炭，土壤pH值提高了14.2%。图1-B中显示，不同原材料制作的生物質炭对土壤有机质的影响不同，施用生物质炭均可显著提高土壤的有机质含量。松木棒炭对土壤有机质含量提高幅度最大，达433.9%。玉米秸秆炭、花生壳炭、木质颗粒炭、机制木棒炭、秸秆块炭对土壤有机质含量分别显著提高了323.1%、257.6%、201.4%、190.6%、182.9%。因此，在酸性土壤中添加生物质炭有效的升高了土壤的pH值。生物质炭作为土壤的一种改良剂，可提高土壤中的养分来促进植物的生长[10]。本研究中发现土壤中有机质含量显著升高，为小白菜提供了大量的养分。
　　2.2 生物质炭对小白菜地上部和地下部铅、锌含量的影响
　　施用不同原材料制作的生物质炭对小白菜地上部和地下部的铅、锌含量具有不同程度的影响，从图2-A可以看出，与对照相比，施加生物质炭可显著降低小白菜地上地下部重金属铅含量，其中施用玉米秸秆炭效果最佳，小白菜地上部中的铅含量为6.4mg·kg-1，相比CK显著降低了65.3%，通过施加松木棒炭、机制木棒炭、木质颗粒炭、花生壳炭、秸秆块炭，与对照相比，小白菜地上部的铅含量分别显著降低16.9%、14.4%、51.5%、48.9%、50.5%;施用花生壳炭效果最佳，小白菜地下部中的铅含量为7.9mg·kg-1，相比CK显著降低了73.9%，通过施加松木棒炭、机制木棒炭、木质颗粒炭、秸秆块炭，玉米秸秆炭，与对照相比，小白菜地下部的铅含量分别显著降低了51.5%、25.1%、65.1%、68.4%、62.8%。可见施加生物质炭可有效降低小白菜中铅的含量，减轻了铅对小白菜的毒害。
　　在图2-B中可以观察到施加生物质炭可显著降低小白菜地上地下部重金属锌含量（除松木棒炭），与对照相比，施用玉米秸秆炭的效果最佳，小白菜地上部中的锌含量为55.8mg·kg-1，相比CK显著降低了41.6%，通过施加木质颗粒炭、花生壳炭、秸秆块炭，与对照相比，小白菜地上部的锌含量分别显著降低23.4%、38.3%、36.3%;施用松木棒炭的效果最佳，小白菜地下部中的锌含量显著降低了60.1%，通过施加机制木棒炭、木质颗粒炭、花生壳炭、秸秆块炭，玉米秸秆炭，与对照相比，小白菜地下部的铅含量分别显著降低20.1%、32.6%、40.9%、45.1%、49.6%。然而与对照相比，通过施用松木棒炭，小白菜地上部中的锌含量显著提高了188.7%，可能是由于施用松木棒炭提高了小白菜对锌的转运能力，从而提高了小白菜地上部体内锌含量。
　　周建斌等[11]研究发现棉秆炭与土壤镉直接接触，通过吸附和共沉淀作用降低了土壤镉的生物有效性，进一步研究发现，棉秆炭的加入使得小白菜可食用部分镉质量分数降低了49.43%～68.29%，根部镉质量分数降低了64.14%～77.66%。在本研究得出添加生物质炭后显著的降低了小白菜体内的重金属含量。有学者研究发现，在重金属污染土壤中添加生物质炭能够减轻重金属毒害，促进植物生长[12]。Zheng[13]等研究发现，添加5%的稻秆炭能有效地降低了水稻地上部Cu和Pb的含量。张丽娟[14]研究发现无论污染浓度的高低，小白菜体内的Pb含量都是地下部>地上部，而Zn含量都是地上部>地上部，说明同一种植物的不同部分对Pb、Zn有着不同的吸收转运能力。在本研究中添加松木棒炭显著增加了地上部锌含量，小白菜对锌的迁移转化能力很好，可能锌是植物生长发育必需的微量元素之一，小白菜吸收锌主要用于新陈代谢。
　　3 结束语
　　施加生物质炭可有效提高重金属污染土壤pH值、有机质含量，增加土壤肥力;施加生物质炭还可有效降低小白菜体内铅、锌这两种重金属的含量，显著降低了铅、锌重金属复合污染对植物的危害。因此，生物质炭是减轻重金属污染土壤危害，提高土壤利用率，从而有效提高作物品质量、改善蔬菜质量安全的一种重金属钝化材料。 　　参考文献：
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