不同改性生物炭對農田土壤理化性質及鉛、鎘鈍化的影響機制研究

【摘要】：改性生物炭是良好的重金屬鈍化劑，但針對不同生物炭材，聯合多種方法進行改性，生物炭吸附性能變化的相關信息尚待補充，其對土壤理化性質和重金屬鉛（Pb）、鎘（Cd）長期鈍化效果的影響也有待研究。本文選取水稻秸稈、木屑和椰殼為生物炭材，經硝酸-高錳酸鉀聯合改性后進行表征，明確改性前后生物炭理化性質變化情況。開展室內培養實驗，將改性生物炭按質量比2.5%、5%和10%加入受試土壤，培養6個月后，測定土壤理化性質、Pb、Cd形態分布及鈍化效率，探討改性生物炭鈍化土壤Pb、Cd的作用機制。結果顯示，改性后，不同生物炭的比表面積、孔隙結構和含氧官能團數量均得到不同程度的改善，重金屬吸附性能有效增強，以改性椰殼炭最為顯著。添加改性生物炭能提高土壤pH并改善土壤結構，當其用量大于5%時，土壤陽離子交換量和有機質含量分別提高了15.89 g/kg和5.28 cmol/kg，土壤自身對養分及重金屬的固定能力得到了顯著提升。改性生物炭-土壤體系主要通過離子交換、絡合反應和共沉淀反應等促使土壤有效態Pb、Cd向其潛在活化形態和殘渣態轉化，轉化程度與鈍化培養時間和改性生物炭用量呈正相關。受元素特性和競爭吸附作用影響，土壤Pb~(2+)可被優先吸附，并在2個月內逐漸達到吸附平衡。改性椰殼炭對土壤Pb（1000 mg/kg）、Cd（10 mg/kg）的鈍化效果最為理想，用量為10%時，鈍化率最高分別可達59.72%和36.37%。此外，鈍化培養過程中，生物炭“老化作用”促使土壤陽離子交換量和有機質含量持續升高，土壤Pb、Cd生物有效性不斷降低且無二次釋放風險。相關研究結果表明，添加改性生物炭能改善土壤結構、提升土壤地力并能長期有效地固定土壤Pb、Cd，可在重金屬污染土壤的修復中大面積推廣應用。