刘艳，王聪颖，史志明，杨斌

(1.山西大学 环境与资源学院，山西 太原 030006；2.山西省农业科学院 小麦研究所，山西 临汾 041000)

重金属是一类重要的污染物，广泛分布于土壤、水体等环境介质中，具有持久性、高累积性，致使生物毒性效应不断富集放大[1,2]。当土壤中重金属累积量超过一定浓度时，会导致土壤环境质量恶化，并最终进入食物链而威胁人体健康[3]。

生物炭是生物质在限氧条件下经高温热解而形成的一种富碳固体物质。作为环境友好型的土壤改良剂，生物炭不仅能够降低温室气体排放，提高土壤碳固存，还可以改善土壤结构，减少土壤养分流失，继而增加土壤肥力和农作物产量[4～7]。因此，生物炭的施用对维持土壤生态平衡发挥着重要作用。近年来，大量研究还表明[8～11]，生物炭对土壤中的重金属具有强烈的吸附作用，其原理是通过改善土壤性质，使重金属在土壤中的存在形态发生改变，以减少土壤中的重金属含量、控制金属的迁移和转化，以及降低污染物的生物可利用性和毒性累积。Kim[8]和Gonzaga[10]等的研究发现利用绿色废物制备的生物炭样品，可显著降低土壤中Pb、Cd、Cu、Zn的可提取态浓度，有效地将重金属固定于土壤中，以及降低了金属在植物中的积累量。

虽然生物炭本身具有较好的稳定性，但在环境中亦会受到各种生物与非生物因子的氧化作用，使其表面结构和理化性质随着时间的延长而发生改变，这一过程称之为“老化”[12]。一些学者用过氧化氢、浓硫酸和浓硝酸等氧化剂对生物炭进行化学氧化[13,14]，发现氧化作用可以增加生物炭的阳离子交换量(CEC)和表面含氧官能团的数量。尽管如此，目前关于老化生物炭对土壤重金属有效性及对植物体内重金属累积效应的影响等方面的报道相对较少[15]。考虑到生物炭在土壤环境中的长期存在，阐明老化作用如何影响重金属的生物有效性，对生物炭的环境效益做准确评估，具有实际意义。

因此，本研究以玉米秸秆作为原料制备新鲜生物炭(原始炭)，采用氧化剂-干湿-冻融交替循环的方法对原始生物炭进行老化，并分析老化前后生物炭的CEC、元素组成、表面官能团等参数的变化，再通过盆栽试验，研究生物炭老化前后对土壤pH值和有机质含量的改变、对小白菜累积重金属的影响，以期为生物炭在土壤修复中的长期应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自山西省吕梁市的农田土壤(37°36′66″N，112°03′34″E)，采样时取0～20 cm的表层土。采集的土壤样品经过风干，去除样品中的根系、石砾等杂物，过2 mm筛，保存备用。土壤的基本理化性质：pH为7.17，CEC为27.07 cmol·kg-1，土壤有机质占比为0.88%，金属元素含量：Cu 45.08 mg·kg-1、Pb 23.46 mg·kg-1、Cd 0.81 mg·kg-1，均低于土壤环境质量三级标准(GB 15618—1995)。供试作物为四季小白菜，购自太原市现代农业研究中心。

1.2 生物质炭的制备

以玉米秸秆为原料制备原始生物炭(BC)：将玉米秸秆于限氧、550 ℃的马弗炉中高温处理2.5 h，经收集、研磨、过筛，制得原始的生物炭样品(原始炭，BC)，储存备用。

老化炭(OBC)是以氧化剂结合人工模拟自然风化法制备的[16,17]。简言之，取部分制备好的原始生物炭与30% H2O2溶液以1∶2(m/v)混合，充分搅拌3 h后，加入适量去离子水，放置于80 ℃烘箱内12 h，重复三次干湿交替老化；再次加入适量去离子水，放置于-20 ℃环境中冷冻12 h，于室温下融化，重复三次冻融交替老化；再重复三次干湿和冻融两个交替循环的过程，从而制得老化生物炭样品(老化炭，OBC)。

1.3 土壤培养试验

在土壤中加入Pb(NO3)2、CuSO4·5H2O、CdCl2·2.5H2O溶液进行污染处理，使Pb、Cu、Cd的最终浓度分别为500、500、2 mg·kg-1，高于土壤环境质量三级标准(GB 15618—1995)。将污染后的土壤于暗处避光平衡1周，并保持田间持水量的60%。用平衡好的土壤进行盆栽实验，每盆装入2 kg土壤，然后将两种生物炭分别以0%、1%、2%、5%的质量比与土壤混合，标记为CK、B1、B2、B5、OB1、OB2、OB5，每个处理设3个重复。取预先萌发好且长势相近的6颗小白菜种子，移植到每盆中[18]。并将盆栽置于昼温22±2 ℃，夜温18±2 ℃的自然条件下，培养周期自2017年11月17日开始至2018年2月1日结束，每隔2天给盆中加去离子水以维持土壤含水率。待生长周期结束后，采集土壤和植物样品，并测定土壤pH值、有机质含量、重金属有效态含量，以及小白菜样品中重金属的累积量。

1.4 测定方法

生物质炭的元素组成用元素分析仪(Flash EA1112，Thermo Finnigan，美国)测定。表面官能团采用傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)(Tensor27，Bruker，德国)进行分析。土壤理化性质的测定参考[19]：pH值用水浸提法(样品：水=1∶2.5m/v)，用pH计(PHS-3E，中国)测定。有机质含量采用重铬酸钾容量法测定。土壤重金属有效态含量采用DTPA浸提剂，于25 ℃水平振荡提取2 h，离心、过滤取清液，用火焰原子吸收分光光度计(AA140/240，美国)测定其含量[20]。植物样品以HNO3-H2O2(1∶1v/v)微波消解法(CEM，MARS)提取重金属，用火焰原子吸收分光光度计测定其含量。

1.5 数据分析

所有数据均采用Excel 2007和SPSS软件进行分析。并采用ANOVA方差分析和Duncan法进行的显著性检验。使用Origin8.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭理化性质

生物炭老化前后的理化性质如表1所示，原始炭(BC)经过氧化得到的老化炭(OBC)，其理化性质发生了明显的变化。老化炭的pH值由原始炭的9.37下降为8.18。老化炭的CEC(27.12 cmol·kg-1)较原始炭(12.20 cmol·kg-1)升高了2.2倍。老化炭的BET比表面积(104.21 m2·g-1)比原始炭(41.56 m2·g-1)减少了约60.1%；微孔容积与比表面积的变化趋势一致。通过对老化前后的生物炭进行元素分析，得到C元素含量由原始炭的78.29%下降至72.92%，O含量从11.01%增加至15.03%，即碳的相对含量下降，氧的相对含量增加，而H、N元素含量无明显变化。

图1所示为生物炭老化前后的傅里叶红外光谱图，从图中可以看出，生物炭老化前后的图谱峰型基本一致，但峰强各有不同。在3 419 cm-1处的宽峰为-OH伸缩振动峰，与BC相比，OBC在此处有明显的吸收峰，可能是因为生物炭与H2O2发生氧化还原反应，造成-OH伸缩振动峰的振幅增强，出现了较明显的吸收峰。在1 000～1 800 cm-1处，老化炭表现的特征峰与原始炭相比，振幅明显增强，特别是在1 565 cm-1左右处的-COOH、C=O、芳香基上的C=C键伸缩振动峰和在1 050 cm-1处的脂肪族中C-O吸收峰的弹性振动所引起的。在3 000 cm-1左右处的为振动强度较小的脂肪族中的C-H伸缩振动峰，2 362 cm-1左右处的为Si-H键的振动峰，以及807 cm-1处芳香族中的C-H键的伸缩振动峰，两种生物炭在该波数下吸收峰强度基本相同。以上数据表明，老化作用增加了生物炭表面羟基、羰基等含氧官能团的数量和种类。

表1 原始炭和老化生物炭的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the pristine biochar and aged biochar

图1 生物质炭老化前后的FTIR分析Fig.1 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)of pristine biochar and aged biochar

2.2 生物炭对土壤pH值和有机质含量的影响

如图2所示，相比未添加生物炭的处理(CK，空白对照)，生物炭的施加增加了土壤的pH值，且随着两种炭的添加比例的增加，土壤pH值增加显著(P<0.05)。同一添加比例下，与BC相比，OBC提高土壤pH值的效果较弱，例如，与CK相比，B5和OB5处理中土壤的pH值分别提高了0.18、0.11个单位。

土壤有机质含量也随两种炭添加量的增加而显著升高(P<0.05)，并且，在同一添加量下，OBC处理的土壤有机质含量显著高于BC处理组。例如，B5和OB5处理中，土壤的有机质含量较CK分别提高了19.9%和33.8%。

图2 土壤pH值和有机质含量的变化Fig.2 Changes of pH value and organic matter content of soil

2.3 生物炭对土壤重金属有效态含量的影响

土壤重金属有效态含量见图3，在对照处理中Pb、Cu、Cd三种金属有效态含量分别为349.17 mg·kg-1，338.34 mg·kg-1，1.07 mg·kg-1。生物炭的施加显著降低了土壤重金属有效态含量，且随着施加比例的增加其降低效果更明显(P<0.05)。例如，与空白对照相比，在5%添加比例下，BC中有效态Pb、Cu、Cd的减少率分别为11.20%、5.96%、2.80%，而OBC中的减少率分别为12.42%、11.67%、11.21%，表明老化炭比原始炭更能降低重金属的有效态含量。

图3 土壤中重金属有效态(Pb、Cu、Cd)含量Fig.3 Bioavailable content of metals (Pb、Cu、Cd)in soil

2.4 生物炭对小白菜重金属累积量的影响

生物质对小白菜体内重金属的积累也产生了一定的影响。如图4所示，随着生物炭施加比例的增加，小白菜体内的三种金属含量显著减少(P<0.05)。空白对照中小白菜体内Pb、Cu、Cd的含量分别为24.33 mg·kg-1、28.8 mg·kg-1、0.2 mg·kg-1，B5中小白菜体内Pb、Cu、Cd的含量各减少至5.33 mg·kg-1、12.53 mg·kg-1、0.05 mg·kg-1，而在OB5中小白菜体内Pb、Cu、Cd的含量各减少至3.33 mg·kg-1、7.23 mg·kg-1、0.03 mg·kg-1，且OBC处理的植物体内重金属累积量较BC是显著降低的(P<0.05)，除了Cd元素。也就是说，炭的相同施加比例下，老化炭处理组中植物吸收量更少，表明老化炭对植物累积重金属的抑制作用更强。

图4 小白菜中重金属(Pb、Cu、Cd)的累积量Fig.4 Heavy metal concentrations accumulated in pakchoi (Brassica chinensis L.)

3 讨论

本研究中，生物炭老化前后的理化性质差异较大，老化过程使生物炭表面生成更多的含氧官能团，从而提高了CEC，但羧基等官能团数量的增加引起了老化炭pH值的降低[16]。老化作用也降低了生物炭的比表面积，这与Zhao等[21]的结果相似，即生物炭经过4个月的自然老化，其比表面积仅是原始炭比表面积的二分之一。此外，老化作用对生物炭的元素含量影响也较大，与原始炭相比，老化作用使O/C比从0.14增加到0.21，而C/H比由31.70减少至30.01。O/C比是物质极性的参数，该值越大，生物炭极性越强；而C/H用于表示芳香性，该值越大，芳香性越强[22,23]。因此，老化过程使生物炭的芳香性减弱，极性增强，这可能是因为一系列的氧化过程使生物炭表面的不饱和脂肪烃和芳香环被破坏，并引入了含氧官能团[24,25]。之前的研究也发现生物炭在地球化学及风化作用下，生物炭的羧基和羰基含量会增加[26,27]。综上，老化作用增加了生物炭表面羧基、羟基、羰基等官能团的种类和数量，改变了生物炭的基本理化性质。

生物炭的施加增加了土壤的pH值，5%添加比例下，BC和OBC处理土壤的pH值分别较CK处理提高了0.18、0.11个单位，这与供试的生物炭本身呈碱性有关；而在同一添加比例下，老化炭提高土壤pH值的效果相对原始炭较弱，这与生物炭经过氧化处理导致其自身pH值的降低有关。此外，B5和OB5处理中，土壤的有机质含量较CK分别提高了19.9%和33.8%，表明生物炭的施用也增加了土壤有机质含量，使土壤团聚体、通透性等得到改善，有效改变了土壤质量状况，这与现有的研究[19,21]结果是一致的。本文的结果还表明，即使生物炭发生老化作用，仍然可增强土壤有机质的稳定性，提高土壤有机碳的积累，这一点对于利用生物炭来长期增加土壤碳固存具有重要的意义。

生物炭施加后，改善了土壤理化性能，通过吸附、沉淀和络合作用等方式降低了土壤中重金属有效态含量，抑制了植物体内重金属的吸收累积量，降低了重金属的生物有效性，从而利于植物的生长发育[33]。本研究结果中，相比BC，施用OBC更加显著降低了以DTPA法提取的土壤Pb、Cu、Cd的有效态含量，表明OBC对土壤Pb、Cu、Cd具有更强的固定作用，可有效控制土壤重金属向植物体的转移，这与小白菜体内Pb、Cu、Cd的积累量随生物炭施加量增加而减少的结果是一致的，即OBC比BC更有效降低了土壤重金属生物有效性。综上，土壤重金属更易被老化生物炭所固定，表明生物炭应用于土壤具有一定的长期稳定性。生物炭可改善土壤性质，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，受老化作用的生物炭较原始炭具有更多的表面含氧官能团，从而为固定土壤重金属提供了更多的吸附位点，使土壤重金属有效态含量降低[15,29]。此外，相比原始炭，老化生物炭减少了植物对重金属的摄取，有效降低了重金属的生物有效性，从而促进了植物的生长。

4 结论

生物炭老化之后，其pH值降低，阳离子交换量和表面氧化官能团的种类、数量明显增加。施于重金属污染土壤中，可有效降低重金属生物有效性，减少植物对重金属的累积。因此，生物炭在土壤的应用具有一定的长期稳定性，本文的结论对于利用生物炭控制和修复重金属污染土壤，降低重金属的环境风险具有重要的意义。