施用典型有机固废生物炭对土壤重金属生物有效性的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-31

兰玉顺^1,,
刘维娜¹,
王丹¹,
孙浩^2,3,
黄红林²,
温蓓^2,3,
吕继涛²,
罗磊^2,,,
刘振刚^2,3
1.北京云水浩瑞环境科技有限公司，北京 100015
2.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085
3.中国科学院大学，北京 100049

作者简介: 兰玉顺(1978—)，男，硕士，高级工程师。研究方向：有机固废资源化利用。E-mail：lanyushun@yunnanwater.com.cn.

通讯作者: 罗磊,leiluo@rcees.ac.cn ;

中图分类号: X705

Effects of application of typical organic solid wastes-derived biochar on bioavailability of heavy metals in soil

LAN Yushun^1,,
LIU Weina¹,
WANG Dan¹,
SUN Hao^2,3,
HUANG Honglin²,
WEN Bei^2,3,
LV Jitao²,
LUO Lei^2,,,
LIU Zhengang^2,3
1.Beijing Yunshui Haorui Environmental Technology Co., Ltd, Beijing 100015, China
2.Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Corresponding author: LUO Lei,leiluo@rcees.ac.cn ;

CLC number: X705

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摘要:将有机固废经热解转化为生物炭，具有改良土壤、促进碳固定、钝化重金属等优点，但有机固废生物炭中被钝化重金属进入土壤后生物有效性尚不明确。采用盆栽方法评估了施用市政污泥、中药渣等典型有机固废生物炭对受纳土壤中重金属有效性及植物吸收、传输重金属的影响。结果表明，施用污泥炭、中药渣炭显著增加了土壤中As、Zn的化学提取有效态含量，从而降低了Cr、Pb有效态含量(P < 0.05)，对Cd、Cu、Ni有效态含量也有不同程度的降低趋势；同时，抑制了除Zn以外As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb等6种重金属从土壤向植物的传输、累积，降幅最高达30%。中药渣炭联合污泥炭施用可进一步抑制7种重金属在植物地上部分以及除As、Cr外其他重金属在根中的吸收、累积。本研究结果可为评估有机固废生物炭土地利用的环境风险提供参考。
关键词: 市政污泥/
中药渣/
生物炭/
重金属生物有效性/
有机固废

Abstract:Converting organic solid wastes (OSW) into biochar through pyrolysis has been receiving increasing attention due to the merits including ameliorating soil properties, facilitating carbon sequestration, and immobilizing heavy metals. However, the bioavailability of the immobilized heavy metals in soil remains unclear. The effects of two typical OSW- (i.e., municipal sludge- and medicinal herb residue-) derived biochars on the availability of heavy metals in the receiving soil and the uptake and transport of the heavy metals by plants were investigated using pot experiments. The results indicated that the two biochars significantly increased the chemical availability of As and Zn whereas decreased the available contents of Cr and Pb (P < 0.05) in the soil. The available contents of Cd, Cu, and Ni were also decreased to a certain extent by the biochar introduction. Meanwhile, these two biochars significantly decreased, with a maximum decreasing rate of 30%, the uptake of six heavy metals (i.e., As, Cd, Cr, Cu, Ni, and Pb) except for Zn in both the aerial and root parts of maize. The combined application of medicinal herb residue-derived biochar with municipal sludge-derived biochar further decreased the uptake of heavy metals in the plant from soil except for the increased uptake of As and Cr in the root compared to application of municipal sludge-derived biochar alone. This study provides vital basis for assessing the environmental risks of OSW-derived biochar when applied to land.
Key words:municipal sludge/
medicinal herb residue/
biochar/
heavy metal bioavailability/
organic solid wastes.

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图1施用有机固废生物炭对玉米地上部和根组织生物量(单株干重)影响
Figure1.Effects of organic solid wastes-derived biochars on aerial and root biomass of maize (dry weight per plant)

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图2红外光谱分析有机固废生物炭及土壤有机官能团组成
Figure2.FTIR spectra reflect organic functional group compositions in organic solid wastes-derived biochars and soil

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图3有机固废生物炭影响下玉米地上部及根组织对重金属吸收量与其土壤有效态组分之间的关系(P=0.05时r临界值为0.631，n=10)
Figure3.Correlation of heavy metal uptake by maize aerial and root parts with their available contents in soils following different organic solid waste-derived biochar treatments (critical value of r is 0.631 when P = 0.05, n=10)

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图4有机固废生物炭对不同重金属在玉米地上部及根组织生物富集系数的影响
Figure4.Effects of organic solid wastes-derived biochars on bioconcentration factors of heavy metals in maize aerial and root parts

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表1盆栽实验设置
Table1.Pot experimental design

处理组	污泥炭	中药渣炭
空白土壤	0	0
+ MRB1%	0	1%
+ MSB0.5%	0.5%	0
+ MSB1%	1%	0
+ MSB2%	2%	0
+ MSB5%	5%	0
+ MSB1%+ MSB0.1%	1%	0.1%
+ MSB1%+ MSB0.25%	1%	0.25%
+ MSB 1%+ MSB0.5%	1%	0.5%
+ MSB5%+ MSB0.25%	5%	0.25%
注：表中百分数字为有机固废生物炭施用量与土壤质量比。

处理组	污泥炭	中药渣炭
空白土壤	0	0
+ MRB1%	0	1%
+ MSB0.5%	0.5%	0
+ MSB1%	1%	0
+ MSB2%	2%	0
+ MSB5%	5%	0
+ MSB1%+ MSB0.1%	1%	0.1%
+ MSB1%+ MSB0.25%	1%	0.25%
+ MSB 1%+ MSB0.5%	1%	0.5%
+ MSB5%+ MSB0.25%	5%	0.25%
注：表中百分数字为有机固废生物炭施用量与土壤质量比。

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表2供试土壤、有机固废生物炭的基本理化性质及重金属总量分布
Table2.Basic physical and chemical properties and total distribution of heavy metals of soil and organic solid waste-derived biochars

样品或相关标准	pH	有机碳/%	全磷/ (g·kg^?1)	全氮/ (g·kg^?1)	重金属/(mg·kg^?1)
样品或相关标准	pH	有机碳/%	全磷/ (g·kg^?1)	全氮/ (g·kg^?1)	As	Cd	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
供试原始土壤	8.13	1.5	1.2	0.6	5.39	0.1	54.5	19.2	0.03	23.3	15.6	32
污泥炭	8.49	14.9	37.5	30.8	8.36	1.14	196.8	122.6	0.06	84	37.2	1 926
中药渣炭	9.91	35.2	24.8	16.1	8.44	0.38	139.3	80.3	0.04	73.2	24.3	1 129
NY/T 3618-2020	—	—	—	—	15	3	150	—	2	—	50	—
GB 4284-2018 A级限值	—	—	—	—	30	3	500	500	3	100	300	1 200

样品或相关标准	pH	有机碳/%	全磷/ (g·kg^?1)	全氮/ (g·kg^?1)	重金属/(mg·kg^?1)
样品或相关标准	pH	有机碳/%	全磷/ (g·kg^?1)	全氮/ (g·kg^?1)	As	Cd	Cr	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
供试原始土壤	8.13	1.5	1.2	0.6	5.39	0.1	54.5	19.2	0.03	23.3	15.6	32
污泥炭	8.49	14.9	37.5	30.8	8.36	1.14	196.8	122.6	0.06	84	37.2	1 926
中药渣炭	9.91	35.2	24.8	16.1	8.44	0.38	139.3	80.3	0.04	73.2	24.3	1 129
NY/T 3618-2020	—	—	—	—	15	3	150	—	2	—	50	—
GB 4284-2018 A级限值	—	—	—	—	30	3	500	500	3	100	300	1 200

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表3施用有机固废生物炭对土壤重金属、磷有效态含量分布影响
Table3.Effects of organic solid wastes-derived biochars on available heavy metals and phosphorus in soil

处理组	有效态重金属/(μg·kg^?1)							有效磷/(mg·kg^?1)
处理组	As	Cd	Cr	Cu	Ni	Pb	Zn	有效磷/(mg·kg^?1)
污泥炭	283±18	56.0±0.8	17.9±0.2	761±25	377±3	581±5	99 882±686	359±29
中药渣炭	403±14	25.6±2.0	16.8±0.1	981±32	345±15	566±25	68 882±1 250	244±19
空白土壤	366±7^a	12.3±0.7^c	6.7±0.1^f	827±24^b	126±4^c	983±43^d	447±29^a	55±1^a
+MRB1%	406±11^b	10.0±0.4^a	6.1±0.0^e	809±12^b	119±1^b	904±36^c	1 198±62^b	65±3^b
+MSB0.5%	443±10^c	11.6±0.1^c	5.1±0.0^b	805±1^b	118±2^b	870±8^c	1 219±117^bc	73±6^c
+MSB1%	454±18^c	10.8±0.2^b	4.9±0.1^a	783±9^a	119±2^b	798±2^b	1 410±112^c	75±4^c
+MSB2%	406±7^b	10.9±0.6^ab	5.2±0.1^bc	759±53^ab	114±9^ab	732±52^a	2 210±172^d	84±1^d
+MSB5%	404±22^b	10.4±0.9^ab	5.3±0.2^bc	751±15^a	121±3^c	756±24^a	5 542±120^f	107±5^e
+MSB1%+MRB0.1%	414±16^b	10.7±0.1^b	5.4±0.0^c	771±5^a	117±2^b	802±9^b	1 343±71^c	75±1^c
+MSB1%+MRB0.25%	424±18^bc	10.6±0.0^b	5.9±0.1^d	786±13^ab	116±2^b	756±10^a	1 240±24^b	73±3^c
+MSB1%+MRB0.5%	435±13^bc	10.4±0.4^ab	5.2±0.1^bc	773±17^a	109±4^a	744±20^a	1 275±93^bc	76±1^c
+MSB5%+MRB0.25%	417±10^b	9.9±0.6^a	5.3±0.0^c	747±37^a	107±7^a	724±28^a	3 622±165^e	110±9^e
注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P <0.05)。

处理组	有效态重金属/(μg·kg^?1)							有效磷/(mg·kg^?1)
处理组	As	Cd	Cr	Cu	Ni	Pb	Zn	有效磷/(mg·kg^?1)
污泥炭	283±18	56.0±0.8	17.9±0.2	761±25	377±3	581±5	99 882±686	359±29
中药渣炭	403±14	25.6±2.0	16.8±0.1	981±32	345±15	566±25	68 882±1 250	244±19
空白土壤	366±7^a	12.3±0.7^c	6.7±0.1^f	827±24^b	126±4^c	983±43^d	447±29^a	55±1^a
+MRB1%	406±11^b	10.0±0.4^a	6.1±0.0^e	809±12^b	119±1^b	904±36^c	1 198±62^b	65±3^b
+MSB0.5%	443±10^c	11.6±0.1^c	5.1±0.0^b	805±1^b	118±2^b	870±8^c	1 219±117^bc	73±6^c
+MSB1%	454±18^c	10.8±0.2^b	4.9±0.1^a	783±9^a	119±2^b	798±2^b	1 410±112^c	75±4^c
+MSB2%	406±7^b	10.9±0.6^ab	5.2±0.1^bc	759±53^ab	114±9^ab	732±52^a	2 210±172^d	84±1^d
+MSB5%	404±22^b	10.4±0.9^ab	5.3±0.2^bc	751±15^a	121±3^c	756±24^a	5 542±120^f	107±5^e
+MSB1%+MRB0.1%	414±16^b	10.7±0.1^b	5.4±0.0^c	771±5^a	117±2^b	802±9^b	1 343±71^c	75±1^c
+MSB1%+MRB0.25%	424±18^bc	10.6±0.0^b	5.9±0.1^d	786±13^ab	116±2^b	756±10^a	1 240±24^b	73±3^c
+MSB1%+MRB0.5%	435±13^bc	10.4±0.4^ab	5.2±0.1^bc	773±17^a	109±4^a	744±20^a	1 275±93^bc	76±1^c
+MSB5%+MRB0.25%	417±10^b	9.9±0.6^a	5.3±0.0^c	747±37^a	107±7^a	724±28^a	3 622±165^e	110±9^e
注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P <0.05)。

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表4有机固废生物炭影响下玉米植株地上部对重金属吸收量
Table4.Heavy metal uptake by maize aerial part as affected by organic solid wastes-derived biochars

处理组	重金属吸收量/(μg·kg^?1)
处理组	As	Cd	Cr	Cu	Ni	Pb	Zn
空白土壤	256±13^e	49.4±2.6^e	1 580±80^c	8 750±50^e	586±15^b	592±26^d	29 325±265^a
+MRB1%	141±11^a	22.3±1.8^a	1 355±75^b	7 960±25^b	502±31^a	495±17^ab	33 825±625^b
+MSB0.5%	223±8^d	45.3±1.8^ef	1 260±90^a	8 425±25^d	535±12^a	522±3^c	39 260±850^c
+MSB1%	208±10^cd	45.0±0.5^ef	1 215±85^a	8 190±176^c	542±18^a	509±7^b	43 525±615^f
+MSB2%	201±11^c	44.0±0.5^e	1 193±43^a	8 075±25^bc	556±15^ab	486±2^a	48 025±925^g
+MSB5%	217±22^cd	46.2±0.3^f	1 465±86^c	7 975±72^b	551±37^ab	485±22^a	51 800±820^h
+MSB1%+MRB0.1%	215±18^cd	44.6±2.0^ef	1 193±91^a	8 175±115^c	542±19^a	527±8^c	39 100±200^c
+MSB1%+MRB0.25%	201±15^cd	40.4±1.4^d	1 205±60^a	8 075±75^bc	540±17^a	520±15^bc	40 325±567^d
+MSB1%+MRB0.5%	188±7^c	36.0±1.2^c	1 175±56^a	7 865±135^b	527±12^a	515±25^bc	42 425±425^e
+MSB5%+MRB0.25%	168±13^b	32.6±0.3^b	1 385±45^b	6 950±85^a	509±28^a	473±15^a	47 925±725^g
注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P <0.05)。

处理组	重金属吸收量/(μg·kg^?1)
处理组	As	Cd	Cr	Cu	Ni	Pb	Zn
空白土壤	256±13^e	49.4±2.6^e	1 580±80^c	8 750±50^e	586±15^b	592±26^d	29 325±265^a
+MRB1%	141±11^a	22.3±1.8^a	1 355±75^b	7 960±25^b	502±31^a	495±17^ab	33 825±625^b
+MSB0.5%	223±8^d	45.3±1.8^ef	1 260±90^a	8 425±25^d	535±12^a	522±3^c	39 260±850^c
+MSB1%	208±10^cd	45.0±0.5^ef	1 215±85^a	8 190±176^c	542±18^a	509±7^b	43 525±615^f
+MSB2%	201±11^c	44.0±0.5^e	1 193±43^a	8 075±25^bc	556±15^ab	486±2^a	48 025±925^g
+MSB5%	217±22^cd	46.2±0.3^f	1 465±86^c	7 975±72^b	551±37^ab	485±22^a	51 800±820^h
+MSB1%+MRB0.1%	215±18^cd	44.6±2.0^ef	1 193±91^a	8 175±115^c	542±19^a	527±8^c	39 100±200^c
+MSB1%+MRB0.25%	201±15^cd	40.4±1.4^d	1 205±60^a	8 075±75^bc	540±17^a	520±15^bc	40 325±567^d
+MSB1%+MRB0.5%	188±7^c	36.0±1.2^c	1 175±56^a	7 865±135^b	527±12^a	515±25^bc	42 425±425^e
+MSB5%+MRB0.25%	168±13^b	32.6±0.3^b	1 385±45^b	6 950±85^a	509±28^a	473±15^a	47 925±725^g
注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P <0.05)。

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表5有机固废生物炭影响下玉米植株根组织对重金属吸收量
Table5.Heavy metal uptake by maize root as affected by organic solid waste-derived biochars

处理组	重金属吸收量/(μg·kg^?1)
处理组	As	Cd	Cr	Cu	Ni	Pb	Zn
空白土壤	2 913±97^c	202±6^d	17 485±615^d	19 300±240^f	12 100±195^e	3 471±59^f	68 160±960^b
+MRB1%	4 127±117^ef	123±16^a	20 700±833^e	17 020±193^d	10 533±367^c	2 717±90^cd	65 633±630^a
+MSB 0.5%	2 668±78^ab	192±16^cd	14 795±605^bc	17 800±315^e	11 281±435^d	2 813±8^d	71 850±950^c
+MSB1%	2 682±107^ab	197±12^cd	14 650±300^b	17 190±279^d	10 475±375^c	2 837±58^de	83 750±750^f
+MSB2%	2 625±65^a	198±5^cd	12 150±550^a	16 650±350^cd	9 975±175^c	2 815±80^de	88 675±975^h
+MSB5%	2 748±58^b	189±7^c	11 850±230^a	14 650±161^b	9 275±325^b	2 907±72^e	91 575±875ⁱ
+MSB1%+MRB0.1%	3 025±52^c	169±12^b	15 807±407^c	16 653±647^cd	10 287±253^c	2 243±97^b	75 687±504^d
+MSB1%+MRB0.25%	3 973±98^e	160±6^b	15 425±275^c	16 075±492^cd	10 095±310^c	2 145±75^a	78 500±767^e
+MSB1%+MRB0.5%	4 173±40^f	158±11^b	15 633±500^c	15 737±667^c	9 967±333^c	2 035±93^a	82 330±825^f
+MSB5%+MRB0.25%	3 795±85^d	108±7^a	14 605±290^b	13 450±376^a	8 450±315^a	2 567±167^c	85 005±795^g
注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P <0.05)。

处理组	重金属吸收量/(μg·kg^?1)
处理组	As	Cd	Cr	Cu	Ni	Pb	Zn
空白土壤	2 913±97^c	202±6^d	17 485±615^d	19 300±240^f	12 100±195^e	3 471±59^f	68 160±960^b
+MRB1%	4 127±117^ef	123±16^a	20 700±833^e	17 020±193^d	10 533±367^c	2 717±90^cd	65 633±630^a
+MSB 0.5%	2 668±78^ab	192±16^cd	14 795±605^bc	17 800±315^e	11 281±435^d	2 813±8^d	71 850±950^c
+MSB1%	2 682±107^ab	197±12^cd	14 650±300^b	17 190±279^d	10 475±375^c	2 837±58^de	83 750±750^f
+MSB2%	2 625±65^a	198±5^cd	12 150±550^a	16 650±350^cd	9 975±175^c	2 815±80^de	88 675±975^h
+MSB5%	2 748±58^b	189±7^c	11 850±230^a	14 650±161^b	9 275±325^b	2 907±72^e	91 575±875ⁱ
+MSB1%+MRB0.1%	3 025±52^c	169±12^b	15 807±407^c	16 653±647^cd	10 287±253^c	2 243±97^b	75 687±504^d
+MSB1%+MRB0.25%	3 973±98^e	160±6^b	15 425±275^c	16 075±492^cd	10 095±310^c	2 145±75^a	78 500±767^e
+MSB1%+MRB0.5%	4 173±40^f	158±11^b	15 633±500^c	15 737±667^c	9 967±333^c	2 035±93^a	82 330±825^f
+MSB5%+MRB0.25%	3 795±85^d	108±7^a	14 605±290^b	13 450±376^a	8 450±315^a	2 567±167^c	85 005±795^g
注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P <0.05)。

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出版历程

收稿日期:2021-04-19
录用日期:2021-07-04
网络出版日期:2021-09-15
-->刊出日期:2021-08-10

-->

施用典型有机固废生物炭对土壤重金属生物有效性的影响

兰玉顺^1,,
刘维娜¹,
王丹¹,
孙浩^2,3,
黄红林²,
温蓓^2,3,
吕继涛²,
罗磊^2,,,
刘振刚^2,3

通讯作者: 罗磊,leiluo@rcees.ac.cn ;

作者简介: 兰玉顺(1978—)，男，硕士，高级工程师。研究方向：有机固废资源化利用。E-mail：lanyushun@yunnanwater.com.cn 1.北京云水浩瑞环境科技有限公司，北京 100015
2.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085
3.中国科学院大学，北京 100049
收稿日期: 2021-04-19
录用日期: 2021-07-04
网络出版日期: 2021-09-15
关键词: 市政污泥/
中药渣/
生物炭/
重金属生物有效性/
有机固废
摘要:将有机固废经热解转化为生物炭，具有改良土壤、促进碳固定、钝化重金属等优点，但有机固废生物炭中被钝化重金属进入土壤后生物有效性尚不明确。采用盆栽方法评估了施用市政污泥、中药渣等典型有机固废生物炭对受纳土壤中重金属有效性及植物吸收、传输重金属的影响。结果表明，施用污泥炭、中药渣炭显著增加了土壤中As、Zn的化学提取有效态含量，从而降低了Cr、Pb有效态含量(P < 0.05)，对Cd、Cu、Ni有效态含量也有不同程度的降低趋势；同时，抑制了除Zn以外As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb等6种重金属从土壤向植物的传输、累积，降幅最高达30%。中药渣炭联合污泥炭施用可进一步抑制7种重金属在植物地上部分以及除As、Cr外其他重金属在根中的吸收、累积。本研究结果可为评估有机固废生物炭土地利用的环境风险提供参考。

English Abstract

Effects of application of typical organic solid wastes-derived biochar on bioavailability of heavy metals in soil

LAN Yushun^1,,
LIU Weina¹,
WANG Dan¹,
SUN Hao^2,3,
HUANG Honglin²,
WEN Bei^2,3,
LV Jitao²,
LUO Lei^2,,,
LIU Zhengang^2,3

Corresponding author: LUO Lei,leiluo@rcees.ac.cn ;

1.Beijing Yunshui Haorui Environmental Technology Co., Ltd, Beijing 100015, China
2.Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Received Date: 2021-04-19
Accepted Date: 2021-07-04
Available Online: 2021-09-15
Keywords: municipal sludge/
medicinal herb residue/
biochar/
heavy metal bioavailability/
organic solid wastes
Abstract:Converting organic solid wastes (OSW) into biochar through pyrolysis has been receiving increasing attention due to the merits including ameliorating soil properties, facilitating carbon sequestration, and immobilizing heavy metals. However, the bioavailability of the immobilized heavy metals in soil remains unclear. The effects of two typical OSW- (i.e., municipal sludge- and medicinal herb residue-) derived biochars on the availability of heavy metals in the receiving soil and the uptake and transport of the heavy metals by plants were investigated using pot experiments. The results indicated that the two biochars significantly increased the chemical availability of As and Zn whereas decreased the available contents of Cr and Pb (P < 0.05) in the soil. The available contents of Cd, Cu, and Ni were also decreased to a certain extent by the biochar introduction. Meanwhile, these two biochars significantly decreased, with a maximum decreasing rate of 30%, the uptake of six heavy metals (i.e., As, Cd, Cr, Cu, Ni, and Pb) except for Zn in both the aerial and root parts of maize. The combined application of medicinal herb residue-derived biochar with municipal sludge-derived biochar further decreased the uptake of heavy metals in the plant from soil except for the increased uptake of As and Cr in the root compared to application of municipal sludge-derived biochar alone. This study provides vital basis for assessing the environmental risks of OSW-derived biochar when applied to land.

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--> --> --> 随着我国城镇化进程的加快，以市政污泥为代表的有机固废排放量迅猛增长。2019年，我国污泥年产量已突破6 000×10⁴ t^[1]。市政污泥富含有机碳、氮、磷以及钙、铁、锌等植物生长所需的营养物质，具有良好的土地利用潜力^[2-4]。但是，市政污泥中含有的重金属是制约其土地安全利用的最大风险因素^[4-6]。通过高温热解可将市政污泥转化为性质稳定的生物炭。由于该技术具有可以减少残留体积、分解病原微生物及部分有机污染物、促进碳固定、钝化重金属等优点^[6-9]，而成为市政污泥资源化处理、降低其环境风险的推荐方法^[6]。市政污泥热解产物污泥炭，作为一种典型的生物炭，可以增加土壤阳离子交换量、提高作物生物量及产量、减少温室气体排放等，其土地利用前景在近年来受到广泛关注^{[2, 5, 10]}。然而，高温热解处理虽然降低了污泥炭中重金属有效态含量，但是重金属总浓度相对于原污泥通常显著富集^{[5, 9, 11]}。目前，关于污泥炭进入土壤环境后其被钝化重金属的生物有效性和环境风险还缺乏了解，特别是关于污泥炭中被钝化重金属的生物有效性和植物暴露风险能否降低至可以忽略的水平尚不明确^[12-15]，限制了对其土地施用等资源化利用安全性的认识。
中药渣富含纤维素、木质素等有机成分，是一类未被充分利用的生物质资源。与市政污泥类似，安全、合理处置排放量逐年递增的中药渣已成为中药制药行业面临的迫切需求。中药渣经热解后产生丰富的含碳官能团，可以吸附、络合重金属，钝化其有效态组分^[16-17]。因此，污泥炭配施中药渣炭有望进一步降低污泥炭中重金属环境风险^{[9, 13, 18]}。截至目前，关于中药渣炭对污泥炭中重金属在受纳土壤中生物有效性的影响研究尚未见报道。
本研究选取市政污泥和中药渣等有机固废制备生物炭，通过盆栽植物吸收实验，系统开展2种有机固废生物炭进入土壤后其被钝化重金属生物有效性及其联合施用效应研究，重点探明施用有机固废生物炭影响下重金属化学有效性与植物吸收、传输重金属之间的响应关系、作用规律。通过该研究，将加深对市政污泥、中药渣等有机固废生物炭中重金属环境行为和风险的认识，为有机固废无害化处置、资源化利用提供参考。

1. 材料与方法

1.1. 实验材料

市政污泥采自河北省某污水处理厂，中药渣为某制药厂莲花清瘟提取残留物。2种有机固废分别在工业热解炉内于500 ℃温度限氧热解45 min，自然冷却后，得到污泥炭(MSB)和中药渣炭(MRB)。将所得生物炭粉碎至0.25 mm(60目筛)，备用。
供试土壤采自河北省望都县某处荒地土壤，为砂壤质褐土，经风干、粉碎后过2 mm尼龙筛。供试盆栽植物为玉米(Zea mays L., 郑单958)。

1.2. 盆栽实验

盆栽实验共设10个处理(表1)，每个处理设3次重复。土壤、生物炭混匀后，每盆装(混合)土1.75 kg，每盆种植玉米4株，所有盆栽土壤均施入等量氮、磷、钾肥，即每盆0.76 g尿素、1.16 g 磷酸氢二铵、0.70 g 氯化钾。在温室中培养45 d后，分别收获玉米地上部分和根样品(包括残留在土壤中过筛得到的根样品)；用去离子水冲洗干净，植物样品于70 ℃烘干至恒质量，称重，然后粉碎混匀，进行重金属含量分析。同时，收集盆栽土壤，分析施用有机固废生物炭对土壤理化性质及重金属有效性的影响。

1.3. 化学分析

土壤、生物炭中As、Hg、P总量采用HCl-HNO₃消解液，其他重金属总量采用HCl-HNO₃-HF-HClO₄消解液，分别在微波消解仪(CEM Mars 6 Classic)进行消解提取^[19]；有效态重金属含量采用0.005 mol·L^?1 DTPA、0.1 mol·L^?1 三乙醇胺(TEA)和0.01 mol·L^?1 CaCl₂混合浸提液提取^[20]；有效态砷、磷含量采用0.5 mol·L^?1 NaHCO₃(pH=8.5)提取^[21-22]；植物样品(地上及根组织)采用HNO₃-HClO₄消解。上述消解/提取液中As、Hg含量采用原子荧光光谱测定，其他重金属含量采用ICP-MS测定，磷含量采用钼锑抗比色法测定。
土壤、生物炭中有机碳含量采用元素分析仪(Vario EL III, Elementar)测定；阳离子交换量(CEC)采用三氯化六氨合钴浸提、分光光度法测定^[23]；生物炭官能团组成采用傅里叶红外光谱仪(Nicolet 8700)分析测定。所有化学分析均设3次平行实验。在分析土壤、生物炭样品同时，分析空白样品和土壤标准物质GBW07401(GSS-1)作为平行样进行质量控制，标样回收率为93.8%~107.2%。

1.4. 数据分析

采用生物富集系数(bioconcentration factor，BCF)评价有机固废生物炭影响下受纳土壤中重金属的生物有效性及植物对其吸收、累积特征^[24]，见式(1)。
式中：C_p、C_s分别表示某重金属元素在玉米植株(地上、根)、土壤中的含量，μg·kg^?1。BCF值越大，表明土壤中该重金属元素生物有效性越高。
采用Duncan多重比较法进行方差分析(差异显著性水平设为 P < 0.05)，以检验不同处理间重金属有效态组分、植物吸收重金属量等的差异显著性。

4. 结论

1) 施用市政污泥、中药渣等有机固废生物炭显著降低了除Zn以外重金属的生物有效性，并抑制重金属从植物根部向地上部的传输，不同重金属对有机固废生物炭的阻滞效应响应不同，其中Cd、Cu、Zn受有机固废生物炭影响较为显著。
2) 中药渣炭联合污泥炭施用可以进一步钝化重金属，但存在促进植物根组织吸收As、Cr等污染物的风险。
3) 进入到土壤环境以后，有机固废生物炭中被钝化重金属生物有效性在短期内相对较低，其长期环境行为和风险研究亟待加强。

参考文献 (33)

施用典型有机固废生物炭对土壤重金属生物有效性的影响

本站小编 Free考研考试/2021-12-31

作者简介: 兰玉顺(1978—)，男，硕士，高级工程师。研究方向：有机固废资源化利用。E-mail：lanyushun@yunnanwater.com.cn.

通讯作者: 罗磊,leiluo@rcees.ac.cn ;

Effects of application of typical organic solid wastes-derived biochar on bioavailability of heavy metals in soil

Corresponding author: LUO Lei,leiluo@rcees.ac.cn ;

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施用典型有机固废生物炭对土壤重金属生物有效性的影响

通讯作者: 罗磊,leiluo@rcees.ac.cn ;

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Corresponding author: LUO Lei,leiluo@rcees.ac.cn ;

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1.1. 实验材料

1.2. 盆栽实验

1.3. 化学分析

1.4. 数据分析

2.1. 土壤、有机固废生物炭中重金属总量及有效态分布

2.2. 施用有机固废生物炭对土壤重金属有效态组分的影响

2.3. 有机固废生物炭对植物生长影响

2.4. 有机固废生物炭对植物吸收重金属影响

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1.2. 盆栽实验

1.3. 化学分析

1.4. 数据分析

2.1. 土壤、有机固废生物炭中重金属总量及有效态分布

2.2. 施用有机固废生物炭对土壤重金属有效态组分的影响

2.3. 有机固废生物炭对植物生长影响

2.4. 有机固废生物炭对植物吸收重金属影响

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