老化作用和瞬态化学条件对生物炭胶体在多孔介质中迁移和滞留的影响研究

This proposed research will investigate the mechanisms of colloidal biochar transport, transformation, and fate in soils under complex environmental conditions. Biochar has been considered as a potential and cost-effective material for carbon sequestration, biowaste treatment, bioenergy production, and agronomic benefit. It is being widely used as soil amendment as it alters soil structure, retains nutrients and organic compounds, encourages microbial activities in soils, and increases soil pH and crop production. However, there is currently little knowledge available related to fate and transport of colloidal biochar in porous media. In this study, we will conduct aggregation, stability, batch and column experiments to study the effect of raw materials, natural organic matter, aging process, and transient chemistry conditions on retention and transport of biochar colloids in saturated porous media. The results will fill the knowledge gap of the role of natural organic matter, aging process, and transient chemistry on biochar fate in soils and subsurface and provide mechanistic interpretation of biochar long-term mobility and stability in soils.

生物炭施用到田间具有不可逆性和长期性，其在土壤复杂环境下的归趋和环境风险还存在很多的不确定性，研究生物炭胶体在土壤中的归趋和迁移行为具有重要的指导意义，以期为生物炭利用战略提供环境风险的科学决策依据。本项目拟以生物炭胶体为主要研究对象，综合运用胶体聚集、稳定性、土柱迁移等实验，查明物料和热解温度对生物炭胶体聚集和归趋的影响，研究生物炭胶体在环境介质中的迁移转化规律，探究天然有机质、老化作用、瞬态化学条件对生物炭胶体迁移转化的影响机理，揭示复杂环境条件下生物炭胶体表面电势、结构、聚集和稳定性，建立在瞬态化学条件下胶体迁移转化的胶体迁移和释放的耦合模型，预测生物炭在环境介质中的归趋和迁移行为。将从机理上揭示在复杂环境条件下生物炭胶体在土壤和地下水中的归趋，预测老化过程和瞬态条件对土壤中生物炭胶体迁移和滞留的影响，从而为田间大范围生物炭的应用提供环境风险评价的科学依据。

生物炭施用到田间具有不可逆和长期性，研究老化作用和瞬态化学条件变化对生物炭在环境中的稳定性和迁移性具有重要意义，对评价生物炭环境功能意义重大。本项目选取木质和秸秆生物炭为代表，研究了生物炭胶体在水溶液介质中的团聚行为及老化作用、热解温度和腐殖酸对其团聚行为的影响机制，还研究了老化作用、瞬态化学条件、有机质及抗生素等对生物炭胶体在饱和多孔介质中迁移性的影响。我们还考察了在实际的土壤体系中生物炭胶体的老化现象，取得了一些有意义的成果。本项目的主要研究结果如下：（1）原材料对生物炭胶体的聚集和迁移能力的影响较小；低温热解的生物炭具有更大的环境稳定性和更强的迁移能力。（2）在湖南湘潭（红壤）、吉林梨树（黑土）、北京上庄实验站（潮土）三种土壤中进行了生物炭田间自然老化实验，发现生物炭在3种土壤中均出现了类似的含氧官能团增加现象，这与在实验室进行的人工老化实验结果类似。（3）老化作用会增加生物炭表面含氧官能团和表面粗糙度，显著增加了生物炭胶体的稳定性和迁移性。（4）瞬态溶液化学条件（离子强度和pH值）的研究明确了生物炭胶体在环境条件受到扰动时再释放行为，研究表明离子强度的瞬态降低大量地促进滞留的生物炭胶体的再释放，而环境pH变化较少影响生物炭胶体的再释放，因为生物炭胶体具有很好的酸碱缓冲能力。当多孔介质中存在腐殖酸时，腐殖酸对生物炭胶体的再释放行为影响很小。（5）由于空间位阻作用，带负电荷的可溶性有机物蛋白质在高离子强度溶液中可以显著减少生物炭胶体的团聚性，促进其在多孔介质中迁移性。本项目的研究成果详细阐明了土壤和地下水环境中生物炭胶体的团聚行为和迁移性，从而更全面地了解生物炭在环境中的稳定性和长期性，为生物炭技术应用的土壤环境风险评估提供一定的科学依据。