生物炭对矿区土壤重金属有效性及形态的影响-第2页-北极星环境修复网

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土壤pH和CEC是重要的土壤化学性质之一，其中土壤的pH可以决定重金属在土壤中的溶解度和土壤胶体电荷，对土壤中重金属的形态分布和迁移转化有较大的影响[15]。图3为不同处理对土壤pH的影响，从中可以看出，对照CK土壤在培养过程中pH先缓慢上升，在35d左右逐渐趋于平缓，到56d时，pH达到6.7，仍属于酸性土壤。1%和3%添加水平下，土壤pH逐渐上升，在28d后趋于稳定。5%添加水平下，土壤pH一直处于缓慢上升状态，56d时pH为8.42。

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与对照CK相比，添加不同比例的生物炭均可以提高土壤的pH，而且随着生物炭添加量的增加而增加。培养结束后，与对照CK相比，1%、3%和5%添加水平下pH分别增加了1.14个、1.42个和1.67个单位。这首先是由于玉米秸秆生物炭本身呈碱性，加入土壤后，生物炭中的碱性物质逐步释放出来，不断中和土壤中的酸性离子，使得pH升高，且添加量越大越明显。其次，玉米秸秆生物炭中含有较高含量的矿物灰分（22.81%），灰分中含有丰富的钾、钙、钠和镁等盐基离子，施入土壤后增加了土壤的盐基饱和度。一些可溶性的盐基离子通过交换作用，降低了土壤中H+和Al3+的浓度，使土壤pH升高[16]。

土壤CEC表示在一定的pH条件下，每千克土壤中带负电荷的土壤胶体通过静电引力能够吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数量[17]。土壤CEC不仅可以反映土壤吸附能力，还可以评价土壤的保水保肥能力（CEC<10cmol/kg，保肥能力较弱；10cmol/kg20cmol/kg，保肥能力较强）[18]。添加生物炭对土壤CEC的影响如图4所示，在56d的培养过程中，未添加生物炭的对照CK组土壤CEC没有太大变化，在6.41～6.58cmol/kg之间波动，土壤保肥供肥能力较差。添加生物炭后，前7d土壤的CEC随时间变化较大，之后逐渐趋于稳定。1%添加水平在第14d时CEC达到最大值8.53cmol/kg；3%添加水平在第56d时CEC达到最大值10.01cmol/kg；5%添加水平在第7d时CEC达到最大值11.85cmol/kg。56d培养结束后，土壤CEC在1%、3%和5%添加水平下分别比对照CK组增加了2.02cmol/kg、3.60cmol/kg和5.39cmol/kg，CEC随着生物炭施用量的增大而增大。这主要是因为施加生物炭后，生物炭与土壤胶体中的颗粒会形成很多有机胶体、有机无机复合体和土壤团聚体，增加土壤胶体表面阳离子的吸附和置换能力，使得土壤CEC增大，进而增加土壤对重金属离子的固持作用[19]。此外，生物炭本身具有较大的CEC和比表面积以及大量的含氧官能团，这些特性都对CEC的增加贡献很大。

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2.3 施用生物炭对土壤重金属有效性的影响

土壤重金属污染风险不仅与重金属全量有关，更与其存在形态密切关联。重金属的有效性一般是指环境中重金属元素在生物体内的吸收、积累或毒性程度。分析重金属有效态的方法有很多，本次研究采用CaCl2法提取土壤中重金属的有效态。图5反映的是施用不同含量生物炭对土壤重金属有效性的影响。从图中可以看出，各对照CK组的土壤重金属有效态除了Mn有效态在21～35d之间波动较大之外，其余各对照组的重金属元素有效态基本都保持在稳定状态。与对照组相比，添加不同含量生物炭后，土壤中重金属有效态均呈现不同程度的降低，而且生物炭添加量越大，降幅也越大。在56d培养结束时，与对照CK相比，在1%添加水平下，生物炭分别使Cu、Zn、Pb和Mn有效态下降了31.4%、25.9%、41.5%和11.1%；在3%添加水平下，生物炭分别使Cu、Zn、Pb和Mn有效态下降了42.4%、36.2%、62.7%和20.3%；在5%添加水平下，生物炭分别使Cu、Zn、Pb和Mn有效态下降了49.2%、46.2%、72.5%和26.3%。

不同处理对土壤重金属有效性的影响：

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整个实验中，与对照CK组相比，钝化效果依次为5%生物炭> 3%生物炭> 1%生物炭，对比这4种重金属元素，钝化效果依次为Pb>Cu>Zn>Mn。Pb的钝化效果最好，这是因为生物炭表面的一些羧基、酚羟基等官能团对Pb有着更强烈的亲和力[20]。此外，土壤中的水合硅酸钙类黏性大的化合物因为生物炭的添加而会大量增加[21]，特别有利于Pb的固定。Cu的钝化效果次之，生物炭主要是利用吸附、络合和沉淀作用降低Cu的生物有效性。Zn和Mn的钝化效果较差，加入生物炭后，有效态降低幅度不是很大，这主要是因为在多种重金属共存的环境中，Zn和Mn的竞争能力要弱于其余两种重金属，而且在土壤中Zn和Mn主要以稳定形式存在[22]。

原标题：生物炭对矿区土壤重金属有效性及形态的影响

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