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摘 要

本实验采用两种土壤与两种生物质炭，构造了四个不同的土壤-生物炭基质，包括单独的土壤M1、添加2.5%生物质炭与土壤混合M2、添加5%生物质炭与土壤分层M3、添加5%生物质炭与土壤混合M4,探究生物质炭添加对土壤中重金属迁移性的影响，结果表明：生物质炭的添加能有效促进水的渗透，并且能诱导更多的重金属通过土壤-生物质炭基质渗透， Cu的迁移活性大于Pb。另外，渗滤液的pH均显示出由小变大再变小的趋势，在淋溶的中间阶段，四种基质的pH差异较小，电导率随渗滤液体积的增加而降低。

关键词：生物质炭 土壤 重金属 迁移性

Effects of biochar addition on heavy metals’ transport in soil

Abstract

Two kinds of soil and two kinds of biochar were used to design four different treatments of soil columns, soil (M1), 2.5% biochiar mixed with soil (M2), 5% biochar mixed as a soil layer (M3), and 5% biochar mixed with soil (M4). The results show that the addition of biochar could effectively promote the infiltration of water, and could induce more heavy metals to penetrate through the soil-biochar Matrix. Cu was easier to move than Pb. In addition, the pH value of the leachate showed a trend of increasing and then decreasing. In the intermediate stage of leaching, the pH differences among the four substrates were small. The electrical conductivity decreased with the increase of the volume of leachate.

Keywords： Biochar; soil; heavy metals; mobility

目 录

第一章 前言 1

1.1土壤中超标重金属环境污染现状分析 1

1.2 目前多种修复技术的应用状况 1

1.2.1 植物修复 1

1.2.2化学淋洗 2

1.2.3土壤性能改良 2

1.2.4 固化 / 稳定化 2

1.3 生物质炭的特性 2

1.3.1 比表面积 2

1.3.2 表面官能团 3

1.3.3 表面结构 3

1.4生物质炭的添加对重金属迁移行为的探究 3

1.5 生物质炭对重金属污染土壤的修复效果 4

1.6 本研究内容、目的及意义 4

第二章 材料与方法 5

2.1 实验药品 5

2.2 实验仪器 5

2.3 实验土壤及生物质炭 5

2.4 实验方法 6

2.4.1 土壤理化性质分析 6

2.4.2 土壤-生物炭基质建设 7

2.4.3 水的渗透率测定 9

2.4.4 模拟径流的淋溶实验 9

2.4.5 污染水淋溶完毕后续实验 9

2.5 数据处理与分析 10

第三章 实验结果讨论与分析 11

3.1 水的渗透率 11

3.2模拟径流的淋溶实验中重金属浓度变化 13

3.3 模拟径流中渗滤液的pH变化 18

3.3.1铜淋溶组1 18

3.3.2铅淋溶组1 19

3.3.3铜淋溶组2 20

3.3.4铅淋溶组2 20

3.4 模拟径流中渗滤液的EC变化 21

3.4.1铅淋溶组2 21

3.4.2铜淋溶组2 22

3.5 污染水淋溶完毕后续实验 23

3.5.1 污染水淋溶完毕后继续加水淋滤液的pH变化 23

3.5.2 污染水淋溶完毕后继续加水淋滤液的电导率变化 24

第四章 讨论 25

4.1 土壤-生物炭基质的结构随时间的变化 25

4.2 重金属与土壤-生物质炭基质的动态相互作用 25

4.3 影响重金属渗透行为的重要因素——pH 26

第五章 结论 27

参考文献 28

致谢 31

第一章 前言

1.1土壤中超标重金属环境污染现状分析

土壤中超负荷的重金属所造成的环境污染是指土壤中所携带的多种重金属元素超过土壤所能承受的标准值，并且超过标准的过量重金属具有很强的污染转化能力，不仅对土壤本身有严重危害，也会损害人类的健康^[1]。根据调查分析发现，我国遭受污染的土壤面积为5,000平方公里。土壤中超标的重金属元素主要是汞、铅、镉、铜、锌、铬等元素^[2]。近年来，土壤中重金属元素的含量也显示出缓慢增加的趋势。

有两个主要因素会影响土壤中重金属元素的转化。首先，由于地理位置、气候条件等影响，土壤在所有风化层中积累重金属元素。在风与水的作用下，土壤中的重金属元素的组成会发生物理与化学变化。其次，自然界中的人类活动也将促进土壤中重金属元素含量的缓慢增长。近年来，随着工业发展速度的逐渐加快，土壤的破坏越来越严重，例如，金属吸附、生活污水处理^[3]以及化学农药和有机肥料在农业和畜牧业中的超标准应用使土壤中的重金属含量超过了标准。

土壤污染具有交叉性，持续性^[4]，修复困难的特点，其对自然环境的破坏非常严重。自然环境中的重金属无法在物质循环和能量转换的整个过程中被去除，这使得其很容易在绿色植物体内聚集和转移，然后根据食物链的传递进入人体内，损害人类身体健康。土壤污染的修复周期长以及危害的不可逆性也严重危害了我国经济的稳定发展趋势^[5]。

1.2 目前多种修复技术的应用状况

1.2.1 植物修复

植物修复是指将绿色植物施用于土壤中，用于去除土中重金属污染物的修复技术。研究表明，由于绿色植物对重金属具有一定的吸附降解性，将生物质炭和植物修复技术相结合可以减轻其对环境的影响和对人体的伤害。在植物修复体中添加一定量的生物质炭可以有效促进修复效果^[6]。

1.2.2化学淋洗

化学淋洗是指应用有机化学浸出液从被环境污染的土壤中去除一定量的重金属污染物。尽管这种方法具有效率高和易于操作的优点^[7]，但是如果产生大量的浸出液，则会有对地表可饮用水资源造成污染的风险。作为多孔材料的生物质炭带有很多负电荷，将生物质炭用于去除土壤中重金属可以达到零污水排放的目的。

1.2.3土壤性能改良

生物质炭多孔材料以及含氧官能团的异构化对改善土壤质地和特性具有积极意义。将生物质炭添加到土壤中，土壤的pH值有明显升高的趋势，其颗粒表面的负电荷也相应增加，重金属离子的静电吸附也增加，对于重金属离子，很容易引起氢氧化镍，硫酸盐和多磷酸盐的沉淀^[8]。

1.2.4 固化 / 稳定化

固化/稳定化技术是指使用固化/稳定化药物来改变土壤层中重金属的组成及含量，以此来阻碍土壤中重金属的迁移和转化。常见的固定材料包括固体废物、混凝土、粘土矿物和生物质炭。生物质炭来源于生物质，其具有更大的孔隙率，并且具有消化和吸收过量的重金属并将其的能力，采用生物质炭具有明显优势^[9]。

1.3 生物质炭的特性

生物质炭是指在高温催化条件下，在厌氧或缺氧情况下裂解生成的含碳的生物质燃料，生物质炭是一种多孔结构的固体颗粒化学物质。

1.3.1 比表面积

生物质炭表面疏松多孔的特性使其具有较大表面积 ^[10]。由于具有多孔结构和比表面积大的特点，在土壤中使用生物质炭可以改善土壤的水分和养分吸收，而氧化的生物质炭可以显著提高黏土的持水能力。另外，作为土壤改良剂^[11]，生物质炭还可以改善土壤有机质和土壤中的养分，改善土壤中微生物菌株的自然环境，并促进植物生长。

1.3.2 表面官能团

生物质炭的表面层具有众多含氧表面官能团 ^[12]。其特定官能团的异构化使得生物质炭具有良好的吸收特性，在将生物质炭施用于土壤后能有效提高土壤的持水性，其与生物质炭极性官能团的数量成正比。生物质炭进入土壤的时间越长，生物质炭表面的阳离子交换量越高^[13]。

1.3.3 表面结构

从宏观结构的角度来看，生物质炭是一种多孔材料^[14]，因此具有较大的堆积密度和较高的表面能。从微观结构的角度看，生物质炭的关键部分是芳香环片层，其紧密堆积、高度扭曲。就元素组成而言，生物质炭主要由碳、氢、氧、氮等元素组成，并且还含有植物所需的许多营养元素，例如磷，硫和钾。就pH而言，它通常是碱性的（pH 7-12）。就表面交换性能而言^[15]，生物质炭可以增加土壤中阳离子的交换，其表面具有多种含氧官能团如-COOH，-OH和-CO等，以及部分碱性离子，这些性质是影响阳离子交换能力的重要因素^[16]。

1.4生物质炭的添加对重金属迁移行为的探究

赵玲^[17]等根据模拟径流的浸出试验得出结论，生物炭的改良可以显著促进植物的生长，根据渗滤液各层中金属物质浓度值动态变化的观察，得出其土壤-生物质炭基质中Pb，Cu和Zn三种重金属的转移特点。结果表明三种重金属的渗透行为明显不同，随着水的不断浸出，金属浓度从上到下缓慢变化，但并非全部被截留在土壤-生物质炭基质中。尽管使用生物质炭有许多好处，但生物炭的添加也会导致重金属渗透率大大超出原有标准，这会对自然环境构成潜在风险。研究表明，随着多次浸出，生物质炭释放磷和缓冲pH的能力迅速减弱，系统研究不同生物质炭的不同含量及与土壤结合的形态对重金属迁移的影响，进行不同重金属的迁移行为轨迹研究，还有很大的上升空间。

1.5 生物质炭对重金属污染土壤的修复效果

将生物质炭添加到土壤中后，其对不同类型的重金属离子的作用不同。对于阳离子，迁移率降低，吸收增加，对于阴离子，迁移率增加，吸收减少。生物质炭可以改变土壤的持水能力，CEC，pH值等理化性质^[18]，从而减少土壤中残留的重金属对作物生长的影响。生物质炭可以不同程度地提高土壤pH值,可以增加土壤表面活性吸附位点，还可以形成金属磷酸盐、碳酸盐或氢氧化物而沉淀,使土壤对重金属阳离子的吸附更强^[19]。

1.6 本研究内容、目的及意义

本研究以两种土壤、两种生物质炭为研究对象，通过土柱搭建、水的渗透率测定、土柱淋溶等实验，研究生物质炭的添加方式与添加量对土壤中重金属迁移性的影响，并结合土壤渗滤液pH、电导率变化等探究重金属铜及铅迁移转化的原因，分析原因，提出合理猜想。

第二章 材料与方法

2.1 实验药品

2.2 实验仪器

其他：滤纸、0.45um过滤滤头、25mL针头注射器、尼龙网纱、量筒、玻棒、烧杯、容量瓶、漏斗、胶头滴管、一次性手套等

2.3 实验土壤及生物质炭

土壤1：园林表层土（0-20cm），将土壤剔除草根、沙粒及植物残体后，风干一周，过20目筛，备用。

土壤2：农田表层土（0-20cm），将土壤剔除草根、沙粒及植物体后，风干一周，过20目筛，备用。

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