生物质炭中重金属的分子形态及其在农田土壤中的归趋

Biochar derived from different solid waste may accumulate high content of toxic metals and possess representative speciation of metals in different pyrolysis conditions, hence, affecting the soil application. Mechanistic understandings in the fates of heavy metals are necessary for appropriate selection and application of biochar in the agricultural soil. The objective of this project was to determine the molecular speciation of Cu, Zn and Pb in the biochar by synchrotron-based X-ray spectroscopy, to illustrate the microprocess and reaction mechanism of metal release in the agriculture soil as its application, to assess the distribution of heavy metal in plants/animal and different soil phase by stable isotope tracer studies, and finally to establish the relationship of microprocess such as molecular species of metals and macroscopic phenomena such as chemical extraction and plant/animal accumulation. The aims of this experiment are to illustrate the mechanisms of metal release, transformation, bioavailability, regulation method and risk assessment in the molecular level. The results will be useful as a basic knowledge for both alternative use of solid waste and the safe application of biochar.

生物质固废往往含有较高含量的重金属，因此针对日益兴起的生物质炭还田处理问题，有必要加强对不同类型的生物质炭中重金属的环境归趋进行研究。本项目拟采用同步辐射X射线光谱、稳定同位素溯源技术等先进的现代分析技术，研究不同类型生物质炭的重金属分子形态，阐明生物质炭还田后重金属在农田土壤中释放的微观过程和反应机理，明确不同类型生物质炭重金属在植物/动物以及土壤各相中的分配，建立生物质炭重金属的微观分子形态与宏观的化学提取、动植物富集的关系。从分子水平上理解生物质炭还田后重金属在农田土壤中的释放、形态转化、植物可利用性、生物可给性、调控措施以及风险评价等多方面的特性，为合理评估和调控生物质炭的农用提供理论与技术支撑，为保障土壤环境质量和农产品安全提供理论依据。

生物质固废往往含有较高含量的重金属，因此针对日益兴起的生物质炭还田问题，有必要加强对不同类型的生物质炭中重金属的环境归趋进行研究，这不仅仅是固体废弃物资源化利用的前提，更是土壤重金属污染防治的国家需要。本项目采用同步辐射X射线光谱研究了不同类型生物质炭（猪粪炭、鸡粪炭、污泥炭）的铜锌分子形态，发现裂解过程显著改变铜锌的存在形态，生物质炭中铜的形态主要以有机结合态、硫化物态、氧化物态存在，不同源物质产生的生物质炭铜锌形态有较大差异从而影响其淋沥性、植物有效性以及生物可给性；生物质炭施入酸性红壤导致矿质元素淋溶，含氧功能团增加，CuO，CuS逐渐溶解并与有机官能团结合，生物质炭中锌发生溶解、再沉淀并富集，部分活性态锌释放到土壤中，并随土壤溶液迁移；矿区土壤锌主要形态为Zn3(PO4)2、Zn-LDH、交换吸附态锌，铅主要为化学沉淀相，包括磷酸铅、氧化铁结合铅等，生物质炭施入矿区污染农田对重金属的稳定化作用机理复杂，种植水稻条件，生物质炭还田由于磷硫释放能力强，导致砷活化加剧，水稻受害加深；种植玉米条件，由于根际的酸化作用，导致矿区污染土壤Zn活性增加，作物受害，加入生物质炭后，磷酸盐对Zn的化学沉淀，碱度对根际土壤pH的缓冲作用，作物毒害减轻，但生物质炭固定稳定的锌在培养条件下还存在再度释放的风险；铅在土壤中的活性较低，生物质炭还田对土壤的植物有效性、淋沥性均有明显抑制作用。项目的研究从分子水平上理解生物质炭还田后重金属在农田土壤的释放、形态转化、植物可利用性、生物可给态等多方面的特性，为合理评估和调控生物质炭的农用提供理论与技术支撑。