生物炭在农田重金属镉污染治理中的应用分析

伍艺 郑敏怡 杨振东 朱芸

（桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心广西桂林541000）

生物炭在农田重金属镉污染治理中的应用分析

伍艺 郑敏怡 杨振东 朱芸

（桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心广西桂林541000）

随着我国经济的快速发展，人类对大自然的破坏程度也原来有严重，我国土地污染状态也呈现着逐年恶化的趋势，尤其是重金属对于土地的污染问题，已经成为了当今社会一大严峻的挑战。本文围绕生物炭在阻碍农田金属镉胁迫下农作物保护酶系统中的应用、生物炭在调控农田重金属土壤镉赋存形态分布中的应用、生物炭在农田重金属镉吸附上的应用三个方面展开讨论，对生物炭在农田重金属镉污染治理中的应用进行了分析，并提出了一些作者自己的拙见，希望能够对我国农田重金属镉的污染治理工作提供一些理论建议。

生物炭；农田；重金属镉；污染治理

1 生物炭在阻碍农田金属镉胁迫下农作物保护酶系统中的应用

根据目前的研究认为，重金属镉对农田作物产生伤害的主要方式是引起农作物体内过氧化胁迫，其中包括产生活性氧化代谢产物以及加快氧酶活性的清除，最终引起脂质过氧化以及蛋白结构的变化和断裂，最终导致细胞衰灭，引起农作物产量降低。

SODCATPOD三种酶共同组成保护酶系统，它们通过相互间的协同作用，来维持自由基始终保持在较低水平状态，避免自由基升高引起农田破坏。农作物中的SOD活性会随着镉胁迫处理浓度的增加而明显上升。在单一浓度条件下加入生物炭，由C1处理的SOD活性明显低于CK，由C2处理的SOD活性显著升高。在不同生物炭的使用条件下，农作物CAT活性未发生明显变化。农作物SOD活性与POD活性同时发生先降后升的变化，说明C2处理过程中施加的大量的生物炭，反而对农作物产生了另一种胁迫，导致酶活性的反复升高。

在不同的镉浓度条件下，不同处理方式的农作物的游离脯氨酸含量也会随着镉浓度的增加而增加。在加入生物炭后，C1及C2处理的农作物中的游离脯氨酸含量降低，且这一降低趋势会随着生物炭含量的增加而变得更加明显。

2 生物炭在调控农田重金属土壤镉赋存形态分布中的应用

相关研究表明，重金属镉对于农田的危害程度不仅仅取决于它在农田中的浓度高低，同时也与它的赋存形态分布状况具有较大的关系。现阶段，生物炭在农田重金属污染中治理中的应用价值已经得到了相关学术界的高度认可，但对于这一技术的应用主要还是集中在单一的赋存形态分布中。为此，笔者在此基础上增加了重金属土壤镉赋存形态分布改变下的应用研究，希望能够对后续的农田金属镉污染研究提供理论依据。

在加入生物炭之后，有机质硫化物结合态与残渣晶体结合态Cd占据了较大的比例，而气他种类物质的占比则低于1/2。土壤中的生活活性最高，能够被植物直接吸收的可交换金属镉在生物炭加入之前的含量最高，占据土壤中镉赋存总量的百分之二十；在加入生物炭之后，可交换态金属镉的占比逐渐降低。碳酸盐结合态镉的变化不大，仍然占比12%左右，并随着生物炭的加入而提升。而迁移能力较弱的铁锰氧化物结合态镉随着生物炭的加入呈现出逐渐增加的状态，但是增加趋势较为平缓。硫化物结合态镉并没有随着生物炭的加入而出现明显的变化。在加入生物炭后，可交换金属镉从百分之二十降到百分之九，而毒性较低且难以被植物吸收的残渣晶体格结合态镉的占比则呈现出四到五个点的增加，综上所述，生物炭的施加可以有效减少农田土壤中的有效镉金属，并有助于土壤中镉离子的锁定。

3 生物炭在农田重金属镉吸附上的应用

生物炭的吸附能力不仅与外界条件有关，更多地是由它本身的理化性质所决定的。生物炭颗粒越小、体表面积越大、孔数越多，其金属吸附能力也越强。吸附与解吸是生物炭用来吸附重金属的有效方式，这些过程的有效性会直接重金属镉在农田中的迁移情况。现阶段，大部分研究都集中在生物炭吸附及解吸过程在重金属上的应用，而针对不同的最髙热解温度处理如何影响生物炭的吸附容量这一问题却没有深入的研究，笔者试图在本文中对这一应用进行了研究。

根据下表3.1表明，生物炭对二价镉的吸附量与它的酸碱度、阳离子交换量等呈现明显的正比关系；而解吸量与酸碱度之间呈现明显的反比关系。平均孔径和吸附量以及固持量极之间存在显著的反比关系，与解吸量之间存在明显的正比例关系。上述结果表明，在所有影响生物炭吸附重金属镉的因素中，正向影响性较大的因素为酸碱度与阳离子交换量，其次为体表面积大小。反向影响较大的因素为生物炭的解吸能力大小。

表3 .1吸附解吸量、固持量与生物炭理化性质之间的关系

在农作物与不同热解温度生物解吸的同时，吸附状态下的二价镉解吸量会随着震荡时间的增加而不断上升。在低浓度二价镉状态下，高热结温度生物炭吸附二价镉之后能够快速实现解吸量平衡。在保持解吸平衡状态后，中热解温度生物炭固持镉量与高热解温度生物炭固持镉量均超出农作物与热解温度300摄氏度的生物炭，T-500可以实现最佳的二价镉固持效果。而对低浓度二价镉中接受吸附解吸处理的样品开展能谱分析后进一步验证了生物炭对重金属镉离子具有高度的吸附作用以及锁定作用。

[1]丁华毅.生物炭的环境吸附行为及在土壤重金属镉污染治理中的应用[J].厦门大学，2014.