生物炭与土壤界面的电化学过程及其环境行为

Land application of biochar can not only sequester atmospheric CO2 but also as improve soil fertility and immobilize contaminants. These functions are related to the biochar properties and depend on chemical processes in soil. Biochar contains electrons, protons, ions, etc., and therefore it will alter soil electrochemical properties when it is applied into soil. The overall objective of this project will focus on the investigation of electrochemical process in the biochar-soil system and its environmental behaviors. Specifically, we will investigate (i) biochar-soil redox process and its effects on the transformation of contaminants and Fe/Mn oxides; (ii) effects of biochar on soil acidity, buffer capacity, and alleviation of Al toxicity; (iii) "bridge connection" between biochar and soil minerals as well as biochar stability; and (vi) effect of biochar on the soil colloids and on the sorption of N, P, and heavy metals by soil colloids. The results obtained from this project will benefit the further understanding of biochar chemical process and the corresponding environmental behavior in soil.

生物炭输入土壤中不仅可以发挥固碳作用，同时还能产生土壤改良、污染修复等环境效应。生物炭这些环境行为与其本身的理化性质以及在土壤中发生一系列化学过程密切相关。生物炭本身含有丰富的电子、质子、离子等带电粒子，当其输入土壤后，土壤的电化学性质将可能发生改变。因此，本项目拟从电化学水平上研究生物炭与土壤界面的化学过程以及相应的环境行为：探讨基于电子传递的生物炭与土壤界面氧化还原过程及其对土壤中污染物、Fe/Mn氧化物的氧化还原转化；建立基于质子交换的生物炭对土壤酸度、酸碱缓冲能力影响以及对土壤的Al毒缓解机制；探明基于离子成键的多价金属阳离子在生物炭与土壤矿物之间的架桥作用及其对土壤中生物炭稳定性的影响；揭示基于胶粒荷电性变化的生物炭对土壤胶粒双电层的影响以及土壤胶体对N、P及重金属吸附固持规律。为生物炭的土壤化学过程及环境效应提供理论基础和科学依据。

生物炭是一种由生物质固体废物热解得到的富“C”材料，其输入土壤中不仅可以发挥固碳作用，同时还能产生土壤改良、污染修复等环境效应。生物炭这些环境行为与其本身的理化性质以及在土壤中发生一系列化学过程密切相关。生物炭本身含有丰富的电子、质子、离子等带电粒子，当其输入土壤后，土壤的电化学性质将可能发生改变。因此，项目从电化学水平研究了生物炭与土壤界面的化学过程及相应的环境行为，取得了系列创新成果：建立了基于电子得失测定生物炭氧化还原活性的介导电化学分析方法；构建了原位表征生物炭-土壤界面过程的聚焦离子束切割（FIB）与光谱（SEM-EDS、TEM-EELS、XAS等）联用技术，以及生物炭-土壤-根际界面重金属吸附-解吸动力学过程的DGT原位动态监测联合DIFS模型模拟方法；探明了生物炭作为“电子供体”及“电子通道”与有机酸、铁矿和微生物等土壤活性组分之间的界面电子传递协同机制及其对土壤重金属（As、Cr）形态转化与归趋的影响；揭示了生物炭与土壤矿物质“离子架桥”形成M-O-C有机矿物复合体以及“离子成矿”形成M-Al-Si沉淀的界面离子交互机制及其对生物炭稳定性和重金属固定的影响；阐明了生物炭胶体与土壤胶体的界面异相团聚行为，以及不同环境场景下生物炭胶体协同土壤重金属的共迁移规律；在上述理论基础上，为强化生物炭在土壤中的氧化还原活性，设计制备功能生物炭，并将其应用于土壤污染控制。研究结果可为生物炭的土壤化学过程及环境效应提供理论基础和科学依据。. 项目完成了研究计划内容，达到了预期目标。在ES&T等环境类重要期刊上发表标注本项目资助相关论文49篇，其中第一标注36篇；申请国家发明专利4项，其中授权专利2项；作为大会主席之一联合举办了“第一、第二、三届生物炭与新兴物质的应用和影响国际研讨会”，受邀担任国际、国内学术会议学术委员会委员、分会主席、分会召集人并做大会报告、邀请报告或主旨报告10余次；培养博士后2名、博士毕业生4名、硕士毕业生6名，80%以上毕业生进入高校或科研院所工作。