不同改性生物炭对农田土壤理化性质及铅、镉钝化的影响机制研究

摘要

改性生物炭是良好的重金属钝化剂。但针对不同生物炭,联合多种方法进行改性后生物炭的吸附性能尚待深入研究,其对土壤理化性质和重金属铅(Pb)、镉(Cd)长期钝化效果的影响也有待研究。选取水稻秸秆、木屑和椰壳为生物炭材,经硝酸-高锰酸钾联合改性后进行表征,明确改性前后生物炭理化性质。开展室内培养实验,将改性生物炭按质量比为2.5%、5%和10%加入受试土壤,培养6个月后,测定土壤理化性质、Pb、Cd形态分布及钝化效率,探讨改性生物炭钝化土壤Pb、Cd的作用机制。结果表明:改性后,不同生物炭的比表面积、孔隙结构和含氧官能团数量均得到不同程度的改善,重金属吸附性能有效增强,以改性椰壳炭最为显著。添加改性生物炭能提高土壤pH并改善土壤结构,当其用量>5%时,土壤阳离子交换量和有机质含量分别提高了15.89 g/kg和5.28 cmol/kg,土壤自身对养分及重金属的固定能力得到了显著提升。改性生物炭-土壤体系主要通过离子交换、络合反应和共沉淀反应等促使土壤有效态Pb、Cd向其潜在活化形态和残渣态转化,转化程度与钝化培养时间和改性生物炭用量呈正相关。受元素特性和竞争吸附作用的影响,土壤Pb^(2+)可被优先吸附,并在2个月内逐渐达到吸附平衡。改性椰壳炭对土壤Pb(1000 mg/kg)、Cd(10 mg/kg)的钝化效果最佳,当用量为10%时,钝化率最高分别可达到59.72%和36.37%。此外,钝化培养过程中,生物炭“老化作用”促使土壤阳离子交换量和有机质含量持续升高,土壤Pb、Cd生物有效性不断降低,且无二次释放风险。相关研究结果表明:添加改性生物炭能改善土壤结构、提升土壤地力并能长期有效地固定土壤Pb、Cd,可在重金属污染土壤的修复中大面积推广应用。