玉米秸稈炭對紅壤鎘吸附及養分含量、賦存形態的影響

汪宜敏，唐豆豆，張曉輝，袁旭音，徐 蘭

玉米秸稈炭對紅壤鎘吸附及養分含量、賦存形態的影響

汪宜敏，唐豆豆，張曉輝，袁旭音*，徐 蘭

（河海大學環境學院，南京 210098）

為明確玉米秸稈炭添加對土壤重金屬鎘（Cd）的吸附固持及主要養分元素N、P形態轉化的影響，以土壤質量0%、2%、4%和8%的比例向紅壤中加入玉米秸稈生物質炭材料，混合后培養35 d，通過等溫吸附實驗探究玉米秸稈炭施加對紅壤中Cd2+吸附的影響及其作用機制，并結合逐級化學提取法對紅壤養分元素N、P和K的生物可利用性及其賦存形態變化進行研究。結果表明，玉米秸稈炭的施加能增加紅壤pH值和有機碳總量，并顯著提高紅壤上Cd2+的吸附量，Freundlich和Langmuir方程均能夠較好擬合該等溫吸附過程（R2＞0.90）；SEM－EDAX分析表明生物質炭吸附了部分土壤中的Cd2+，在pH 4～8范圍內，土壤pH值的增大促進了紅壤對Cd2+的吸附；土壤懸液Zeta電位結果表明玉米秸稈炭的施加增加了土壤表面的負電荷量，使得紅壤通過靜電吸附作用結合更多的Cd2+。此外，生物質炭的施加提高了土壤中離子交換態磷（KCl－P）、離子交換態氮（IEF－N）和速效鉀含量，土壤中不同形態磷（Ca－P、Fe－P）含量隨著生物質炭的增加均呈現上升趨勢，而土壤中總可轉化態氮（TTN）的含量則變化不明顯。以上結果表明，玉米秸稈炭的施用能有效降低重金屬污染土壤的環境風險，提高土壤質量。

紅壤；玉米秸稈炭；鎘；養分元素；等溫吸附

重金屬鎘（Cd）是我國土壤重金屬污染的主要污染物之一，其超標點位占到了全國土壤調查點位的7%[1]。Cd 是一種生物毒性極強的重金屬元素[2－3]，低濃度的Cd能夠抑制小麥、甘藍型油菜（Brassica napus L.）等植物的根系生長，增加植物地下和地上組織中Cd的積累。當植物體中Cd含量達到5～10 μg·g－1（干質量）即會引起生物體毒性效應，帶來嚴重的農產品安全問題[4]。Cd污染不僅會降低農作物產量和品質，還會影響土壤養分元素循環，導致土壤退化。研究[5－6]表明，外源Cd、Cu的加入能夠顯著降低土壤對養分元素K的吸附，增加土壤中可提取態K的含量；相反地，重金屬污染物的存在增加了土壤對養分元素P的固持，降低土壤中P的生物有效性。然而，重金屬污染物對土壤N循環過程影響的研究結果卻不盡相同，這與土壤氮素礦化、硝化/反硝化等過程的復雜性相關。紅壤風化程度高，養分（如N、P等）含量低，并且呈強酸性（pH≈4.5），重金屬污染物，尤其是具有較強生物富集性和毒性的Cd進入紅壤后，其重金屬活性較高，對土壤養分元素循環的影響更為顯著，還將會進一步增加Cd通過植物體富集進入食物鏈的風險[7]。因此，有必要開展紅壤上Cd污染的修復研究工作。

研究[8－9]表明，生物質炭具有較為發達的微孔結構和巨大的比表面積，其表面豐富的含氧官能團和較高的電荷密度能夠增強土壤對重金屬污染物的吸附固持能力，從而降低重金屬元素在土壤中的移動性和生物有效性，已經被廣泛應用于土壤重金屬鈍化修復中。蔣田雨等[10]研究發現，土壤質量5%添加量的稻草生物質炭能顯著增加酸性土壤（廣西柳州紅壤、海南昆侖紅壤和海南澄邁磚紅壤）的表面負電荷量，土壤上Cd2+的吸附量也隨生物質炭添加量的增加而增大。稻草生物質炭的添加不僅促使土壤中酸溶態Cd和Cu向低生物有效性的還原態和可氧化態轉化，還顯著提高了土壤有效態磷的含量，這與生物質炭本身攜帶豐富的營養元素關系密切[11]。盡管越來越多的研究[9－10]已經表明生物質炭的添加能夠影響土壤上重金屬的賦存形態和養分元素的生物可利用性，但不同量的生物質炭影響土壤上重金屬元素生物有效性和養分元素形態轉化的效力是存在差異的，這些差異及其內在作用機制仍亟待研究。

本研究以典型Cd污染紅壤為供試土樣，通過添加不同量的玉米秸稈炭，研究其對紅壤上主要理化性質（pH、有機碳含量等）和Cd吸附固持能力的影響，通過zeta電位的變化來探討靜電效應在土壤－生物質炭－重金屬系統中的作用，明確不同量生物質炭的加入對紅壤中主要養分元素（N、P、K）賦存形態的影響，以期為合理評價生物質炭修復土壤重金屬污染，降低環境風險提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試生物質炭與土壤

供試生物質炭材料來自于玉米秸稈，將玉米秸稈用自來水和去離子水洗凈后放入105℃烘箱中烘干7 h，用粉碎機粉碎后過0.250 mm篩保存，以備生物質炭燒制使用。玉米秸稈采用中國科學院南京土壤研究所的ZBX1型炭化爐進行厭氧燒制，操作過程參考文獻[12－13]方法：抽真空，充氮氣至儀器壓力為 1～3 MPa，在無氧條件下緩慢升溫至400℃（升溫速率為20℃·min－1），并保持該溫度8 h后緩慢降溫，待儀器冷卻后開啟，取出制備好的生物質炭材料，研磨后過0.250 mm篩備用。生物質炭pH值按照炭∶水=1∶20攪拌均勻后，采用復合pH電極測定為pH=8.71；生物質炭樣品的C、H、O元素的質量分數采用Vario MICRO型元素分析進行測定，分別為80.8%、1.05%和11.9%；生物質炭樣品經HF－HNO3－HClO4三酸消解后經ICPOES測定，其總Cd含量均低于檢測限。

供試紅壤采自于安徽省宣城市，為自然植被覆蓋下的底層土壤，采樣層為表層0～20 cm。土壤樣品剔除植物根系等雜物后自然風干、研磨過0.250 mm篩備用。土樣的主要理化性質參照《土壤農業化學分析方法》[14]測定；土壤有機質含量、CEC和養分元素含量等性質送至南京土壤研究所紅壤站分析中心進行檢測，土壤基本理化性質如表1所示。稱取500 g紅壤樣品于燒杯，分別加入質量分數為0%、2%、4%和8%的玉米秸稈炭，混和均勻后用去離子水將土壤含水量調至田間最大持水量的50%。在25℃下培養35d后取出土壤樣品[10，15]，自然風干后磨細過0.250 mm篩保存，用于后續土壤重金屬Cd吸附實驗。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Physico－chemical properties of test soil

1.2 土壤上Cd2+的吸附實驗

等溫吸附實驗：配制 Cd2+濃度為 0、0.1、0.25、0.5、1.0、1.5 mmol·L－1的 CdCl2溶液，支持電解質選擇 1 mmol·L－1NaCl。稱取質量為 1.000 g 的混合了玉米秸稈炭的土壤樣品（見1.1）于80 mL塑料離心管中，分別加入25 mL上述濃度的Cd2+溶液，用HCl和NaOH調節土壤懸液pH值為5.5（接近土壤本身pH值），每個處理組重復 3 次。封蓋，25℃恒溫振蕩（250 r·min－1）24 h 后以 4500 r·min－1離心 10 min，上清液過 0.45 μm濾膜后得到吸附平衡液。

紅壤上 Cd2+的吸附量（qe，mmol·kg－1）可通過以下公式計算。

式中：Ci和Ce分別為Cd2+在初始溶液和吸附平衡溶液中的濃度，mmol·L－1；V 為平衡溶液的體積，mL；m為土壤質量，kg。

不同pH影響下紅壤上Cd2+的吸附實驗：Cd2+溶液濃度設定為 1.0 mmol·L－1，目標 pH 值選為 4.0、5.0、6.0、7.0、7.5，加入 4 mmol·L－1的 MES 或 MOPS 控制溶液pH值。吸附過程同上，經恒溫振蕩離心后得到不同pH處理下土壤Cd2+的吸附濃度并計算吸附量。

SEM－EDAX樣品準備：配制Cd2+濃度為0、1.5 mmol·L－1的 CdCl2溶液，支持電解質選擇 1 mmol·L－1NaCl。稱取質量為1.000 g的玉米秸稈炭樣品于80 mL塑料離心管中，通過等溫吸附實驗獲得吸附溶液[10]，倒掉上清液，剩下的溶液在70℃條件下烘干8 h后研磨，樣品送至河海大學環境學院分析中心測定（Hitachi，S－4800；Octane Plus）。

1.3 Zeta電位測定

稱取0.050 g過0.053 mm篩的混合了玉米秸稈炭的土壤樣品（見1.1）于250 mL聚乙烯白色塑料瓶，加入1 mmol·L－1的NaCl作為支持電解質。將配制的懸液超聲波分散1 h，在25℃恒溫培養箱中靜置1 d后用HNO3和NaOH調節至不同的目標pH值，繼續靜置平衡2 d后用JS94H微電泳儀測定膠體土壤懸液的Zeta電位。每個處理設置3個平行。

1.4 等溫吸附模型

為研究Cd在土壤上的吸附特性，采用Langmuir和Freundlich模型對吸附等溫線進行擬合。公式分別表示如下。

式中：qe和qm分別是紅壤上Cd2+的平衡吸附量和最大吸附量，mmol·kg－1，Ce為 Cd2+在吸附平衡溶液中的濃度，mmol·L－1，KL、Kf、n 均為吸附常數。

1.5 土壤主要養分元素形態分析

稱取500 g自然風干、研磨過0.250 mm篩的紅壤樣品于1 L大塑料杯中，人為添加CdCl2溶液后均勻攪拌使得土壤保持較高的Cd污染水平，混和均勻后用去離子水將土壤含水量調節至實際田間持水量的70%，恒溫培養箱中25℃下培養1個月（每隔2 d檢查并調整土壤含水量），培養結束后測定土壤中總Cd含量為3.1 mg·kg－1。向該污染土壤中分別加入質量分數為0%、2%、4%和8%的玉米秸稈炭，混和后用去離子水將土壤含水量調節至實際田間持水量的50%，25℃下培養35 d后取出樣品（參看1.1），自然風干，研磨過0.150 mm孔徑篩備用。

土壤中總磷含量采用鉬銻抗比色法測定，氮含量采取紫外分光光度法測定，速效鉀含量通過醋酸銨提取法測定，具體可參照《土壤農業化學分析方法》[14]?？偪赊D化態氮（TTN）主要包括四種形態：離子交換態氮（IEF－N）、弱酸可浸取態氮（WAEF－N）、強堿可提取態氮（IMOF－N）和強氧化劑可提取態氮（OSF－N）。土壤中可轉化態氮形態的分析方法參考沉積物中氮的逐級浸取分離法[16]。土壤中磷的分級提取方法主要參照張雷等[17]的研究。

1.6 數據處理與分析

實驗數據主要通過SPSS 18.0進行單因素方差分析，比較不同處理組對土壤基本理化性質和養分元素含量影響的差異，文中不同小寫字母表示差異具有統計學意義（P＜0.05）；通過 Sigmaplot 10.0進行數據擬合和作圖。

2 結果與討論

2.1 生物質炭對紅壤pH和有機碳含量的影響

培養35 d后土壤pH值隨著生物質炭添加量的增加而增大，如圖1a所示。與對照相比，4%和8%玉米秸稈炭的添加均能顯著提高土壤pH，分別比對照增加了57.4%和59.8%。這主要由于生物質炭材料表面豐富的堿性含氧基團（－COO－和－O－等）和養分元素，使得生物質炭通常呈堿性，能夠有效降低紅壤上交換性酸的含量，提高土壤pH值。此外，生物質炭材料大多制備于富含碳、氮、氧等元素的有機物料，如玉米秸稈，其輸入能夠顯著地增加土壤有機碳含量，提升土壤碳庫。如圖1b所示。當生物質炭添加量為2%時，紅壤有機碳含量從 1.69 g·kg－1增加到 4.73 g·kg－1；而當添加量為4%和8%時，有機碳含量分別為7.78 g·kg－1和 13.7 g·kg－1。土壤 pH 和有機碳含量的快速增加不僅與玉米秸稈炭的添加量有關，還與培養時間、培養條件等密切相關。研究[12，18]發現，向水稻土中添加1%（質量分數）玉米秸稈炭，培養初期pH上升較快，但隨著培養時間的增加土壤pH不斷降低，在培養135 d后土壤pH值和有機碳含量分別較對照增加了0.16個單位和26.1%。而一次性施用小麥秸稈生物質炭3年后，盡管土壤有機碳含量隨施用量的增加而增大，但活性有機碳比例呈下降趨勢[19]。這可能與土壤緩沖性能、微生物活動、水分條件等因素相關。

圖1 不同量生物質炭處理下土壤pH（a）和有機碳含量（b）Figure 1 Effect of biochar addition on soil pH values（a）and organic carbon contents（b）

2.2 紅壤上Cd2+的等溫吸附過程

生物質炭的添加不僅能夠影響土壤基本理化指標，如pH、有機碳含量，還能夠對土壤中重金屬污染物的遷移、吸附解吸等行為產生影響。如圖2所示，隨著玉米秸稈炭添加量的增大，紅壤上吸附Cd2+的量不斷增加。這與蔣田雨等[10]關于稻草生物質炭影響三種可變電荷土壤上Cd2+吸附量變化的研究結果相一致。與對照相比，在Cd2+的初始濃度為1.0 mmol·L－1時，2%的生物質炭添加使得紅壤上Cd2+的吸附量增加了9.56%；當生物質炭添加量分別為4%、8%時，紅壤上Cd2+的吸附量較對照分別增加了18.8%和20.2%。分別通過Freundlich和Langmuir方程對吸附等溫線進行了擬合，如表2所示，兩個方程擬合的決定系數R2均在0.92以上，且Freundlich方程擬合R2為0.97～0.99之間。從方程擬合的相關參數也可以發現，Langmuir方程中 Cd2+的最大吸附量（qm）從 29.2 mg·kg－1增加到 32.7 mg·kg－1，表明玉米秸稈炭的添加顯著增大了紅壤上Cd2+的最大吸附量；KL是與吸附容量相關的參數[20]，隨著玉米秸稈炭添加量的增大，KL值從6.91增加到17.5。錢林波[8]通過元素分級、紅外光譜技術表征以及Zeta電位測定技術研究發現，生物質炭不僅能夠通過釋放無機組分，如PO3－4對重金屬離子產生絡合作用，固定重金屬污染物，還能夠通過其表面豐富的芳環結構和含氧官能團，如－COO－、－COH等增加土壤上的離子交換位點，提高土壤CEC水平，增加土壤表面負電荷數量，進而通過靜電吸附作用提高土壤對Cd2+的吸附量。此外，通過SEM－EDAX分析發現玉米秸稈炭表面富有褶皺和孔隙，粒徑大約在0.15～0.25 mm，能夠吸附和負載環境中的重金屬污染物（圖3a、圖3b）。其能譜結果表明一部分Cd2+的確被負載在生物質炭材料中，如圖3c所示。這表明生物質炭不僅能夠增強土壤對Cd2+的吸附能力，還能夠通過自身的截留作用[21]，降低土壤上Cd2+的生物有效性和環境風險，起到修復重金屬污染土壤的作用。

圖2 不同量生物質炭處理對土壤上Cd2+吸附的影響Figure 2 Adsorption isotherms of Cd2+on soil with different levels of biochar addition

表2 生物質炭影響下土壤上Cd2+等溫吸附方程的擬合參數Table 2 Isotherm parameters of different isotherm equations for Cd2+adsorption by soil

圖3 玉米秸稈生物質炭負載Cd2+后電鏡掃描（a，b）及b圖在X區域的圖譜（c）Figure 3 The scanning electron microscope（a，b）and the EDAX map（c）of the corn－straw biochar loaded Cd2+in the X area of（b）

土壤重金屬污染一方面能夠直接產生生態環境毒性，危害生物生長；另一方面能夠通過影響土壤養分元素的生物有效性，進而產生間接危害。研究表明，重金屬Cu、Cd、Zn等的硫酸鹽污染物進入到土壤環境中能夠通過競爭吸附效應顯著降低土壤上Al－P、Fe－P的含量，導致植物生長過程中出現缺磷的癥狀[5]。此外，土壤上高濃度的重金屬脅迫還能夠降低生物體內與養分元素吸收、運輸相關的酶活性，從而抑制生物體對養分元素的利用，影響作物的生長[22]。而生物質炭因其自身富含養分元素，如Mg、Si、P和Ca等（圖3c），在降低重金屬污染物生物有效性的同時，還能夠緩解重金屬污染物脅迫對土壤養分元素循環所造成的影響，改善土壤質量。

2.3 pH影響下Cd2+的吸附行為

在上述研究中發現，生物質炭的加入顯著地增加了土壤pH值。眾多研究[10，23]表明，pH是影響土壤中重金屬吸附行為的重要因素，這不僅表現為pH影響了Cd2+在紅壤上的靜電吸附過程，還與土壤中Cd的賦存形態改變有關。因此，進一步針對不同pH下生物質炭影響土壤上Cd2+的吸附行為展開了研究。通過Visual Minteq 3.0軟件計算了模擬土壤溶液體系中，不同pH值對Cd賦存形態的影響（圖4），結果表明，pH＜8.0時，Cd主要是以Cd2+的形式存在于環境中。當pH＞8.0時，溶液中Cd（CO3）2－2和CdCO3所占百分比開始上升，而Cd2+含量則開始下降。因此，我們主要針對pH為4.0～7.5的情況，開展了不同pH值影響下Cd2+的吸附解吸行為研究。

圖4 不同pH值條件下模擬土壤溶液（0.25 mmol·L－1CaCl2+MgCl2，2.5 mmol·L－1NaCl+KCl）中 Cd 的形態分布Figure 4 Fraction distribution of Cd speciation in the simulated soil solution containing 0.25 mmol·L－1CaCl2and MgCl2，2.5 mmol·L－1 NaCl and KCl，with different pH series

圖5 不同pH處理下生物質炭對土壤上Cd2+吸附（a）和Zeta電位值（b）的影響Figure 5 Effect of different pH values on soil Cd2+adsorption（a）and zeta potential variations（b），with biochar addition

如圖5a所示，隨著玉米秸稈炭添加量的增加，紅壤上Cd2+的吸附量不斷增大；與此同時，pH升高促進了紅壤上Cd2+吸附量的增加。與對照相比，pH 4.0時2%、4%和8%玉米秸稈炭的施加使得紅壤上Cd2+吸附量分別增加了 0.36、0.44、0.83 mmol·kg－1。而pH 7.0時紅壤上 Cd2+吸附量分別增加了 2.94、3.62、6.62 mmol·kg－1。pH 升高導致土壤上表面負電荷量增加，提高了土壤對Cd2+的靜電吸附能力；同時，土壤上較高的pH值能夠促進玉米秸稈炭表面含氧官能團-COOH、-OH等的解離，從而增加土壤的表面負電荷量，使得土壤通過靜電吸附結合更多的Cd2+[10]。土壤懸液Zeta電位值的變化為土壤固體顆粒表面所帶電荷的數量和性質提供了直接的證據，如圖5b所示。當pH為4.0時，土壤懸液電負性能夠從-10.2 mV增加到-15.2 mV；而當pH增加到7.0時，土壤懸液電負性能夠從-28.3 mV增加到-56.2 mV。由此可見，生物質炭作為一種來源廣泛的有機鈍化劑，其在修復土壤重金屬污染，尤其是降低南方酸性紅壤重金屬生物有效性上具有巨大的應用潛力。

2.4 生物質炭對紅壤主要養分元素含量及其形態的影響

土壤養分元素含量及有效性的變化是污染土壤治理效果的重要指標之一。向Cd污染土壤中施加玉米秸稈炭培養35 d后，紅壤中主要養分元素無機磷、氮和速效鉀含量及賦存形態隨生物質炭添加量的變化而改變，如表3及圖6所示。總磷含量隨生物質炭添加量的增加而增大（表3）。與對照相比，8%玉米秸稈炭的添加使得土壤總磷的含量增加了121%。這與生物質炭本身含有豐富的磷元素關系密切。Biederman等[24]通過Metal-analysis統計學分析也發現，土壤磷和鉀含量均會隨著生物質炭輸入的增加而增大，而生物質炭上大量可溶性磷的釋放還能夠在短期內增加土壤中可溶性磷（KCl-P）的含量，提高磷的生物有效性。從圖6a中可以看出，鐵結合態磷（Fe-P）、鈣結合態磷（Ca-P）和KCl-P含量均隨著生物質炭添加量的增加而增大，且在8%添加量下生物可利用態磷含量最高。土壤中鋁結合態磷（Al-P）含量在4%生物質炭添加量時開始下降，與2%添加量相比，Al-P含量降低了26%。土壤中不同形態無機磷的含量大小依次為 Al－P＞Fe－P＞Ca－P＞KCl－P。一方面，生物質炭的添加降低了土壤中Cd的生物有效性，減輕了Cd對不同磷形態的脅迫。另一方面，生物質炭的加入能夠通過影響磷在土壤上的吸附－解吸行為，從而改變磷的賦存形態及其環境行為[5]。盡管有研究發現[24]，生物質炭通過吸附土壤中的大量陽離子，如Al3+、Fe3+和Ca2+等，能夠阻礙磷與這些金屬氧化物的結合，增加其生物有效性；然而，在本研究發現隨著玉米秸稈炭添加量的增加，土壤中Ca－P、Fe－P的含量均呈現增大的趨勢，而Al－P含量則先增加后降低。Xu等[25]的研究也發現了類似的現象。其原因可能是（1）生物質炭的添加盡管提高了土壤pH值，導致土壤溶液中的Al3+和Fe3+以沉淀態存在，但這些沉淀態金屬化合物表面仍然存在結合磷的位點[26]；（2）生物質炭本身含大量的Al3+、Fe3+和Ca2+等金屬陽離子，能夠為磷的吸附結合提供充足的位點[25]。

表3 紅壤中生物質炭不同添加量對土壤總磷和速效鉀含量的影響Table 3 Effect of different biochar addition rates on total phosphorus and available potassium contents in the soil

圖6 不同量生物質炭處理下土壤中磷（a）和可轉化態氮（b）的賦存形態Figure 6 Effect of different biochar addition rates on forms of phosphorus（a）and nitrogen（b）in the soil

與磷形態變化相比，土壤中TTN含量隨生物質炭輸入的變化趨勢不明顯（圖6b）。TTN是土壤中氮素的重要存在形式，能在適宜的環境條件下向水體或土壤中釋放氮素營養[16]。其中，IMOF－N和OSF－N為主要賦存形態，IEF－N含量高于WAEF－N含量。玉米秸稈炭 4%添加量下，IMOF－N 含量從 123 mg·kg－1降低到 103 mg·kg－1，但 OSF－N 和 IEF－N 含量則分別從89.1、35.9 mg·kg－1增加到 105、40.6 mg·kg－1。WAEF－N含量則呈現先降低后穩定的趨勢。其中，IEF－N作為一種吸附態氮，是土壤中最活躍的氮素形態，一般占土壤總氮的比例較低[16]。隨著外源生物質炭材料的加入，紅壤上IEF－N的含量呈現不斷增加的趨勢，這與生物質炭本身含有較高的可交換態氮有關，能夠有效補充土壤氮素養分，改良土壤養分營養[12]。與IFE－N類似，WAEF－N也是土壤活性氮的來源之一，能夠在酸性條件下向土壤間隙水中轉移，被作物吸收和利用。然而，隨著玉米秸稈炭添加量的增大，土壤pH值增加，WAEF－N含量也隨之減少。此外，有研究[27]表明，生物質炭的輸入能夠提高土壤通透性，降低土壤厭氧還原水平，從而有利于IMOF－N的穩定存在。土壤中OSF－N含量則主要受土壤氧化還原水平、有機質含量等的影響。隨著生物質炭的輸入，土壤各形態氮之間存在一定的相互轉化，但主要以IFE－N和WAEF－N兩種形態的轉化最為活躍，進而影響土壤環境中氮的生物可利用性。隨著生物質炭添加量的增大，紅壤中速效鉀含量也顯著增加（表3）。與對照相比，8%玉米秸稈炭的添加使得速效鉀含量從92.5 mg·kg－1增加到 1968 mg·kg－1。究其原因，一方面，生物質炭的添加提高了土壤pH值，增加了土壤陽離子交換性，從而增加H+或NH+4的含量，促進土壤緩效鉀轉化成速效鉀[28]；另一方面，生物質炭添加還可能提高與鉀素釋放相關的微生物如解鉀細菌（Potassium bacteria）的活性，促進土壤速效鉀的釋放[29]。

3 結論

（1）玉米秸稈炭表面豐富的表面含氧官能團和特殊的形貌結構促進了土壤對Cd2+的吸附，其表面負電荷能夠顯著提高土壤膠體的電負性，從而使得土壤通過靜電吸附作用結合更多的Cd2+，有效降低重金屬污染土壤的生態環境風險。

（2）玉米秸稈炭材料富含堿性含氧基團和碳、氮、氧等元素，向Cd污染紅壤中添加不同百分含量玉米秸稈炭能夠有效提高土壤pH值和有機碳含量，增加土壤中磷、氮和鉀的生物可利用性，改善土壤養分條件。

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Effects of corn-straw biochar on cadmium adsorption,nutrient contents,and chemical forms in red soil

WANG Yi－min,TANG Dou－dou,ZHANG Xiao－hui,YUAN Xu－yin*,XU Lan
（College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China）

To better understand the effects of corn－straw biochar on soil cadmium（Cd）adsorption,and chemical forms of nitrogen（N）and phosphorus（P）and their transformation in soil,we performed an incubation experiment with the addition of different biochar levels.Red soil samples were mixed with corn－straw biochar,at a ratio of 0%,2%,4%,and 8%soil weight.These mixtures were cultivated in an incubator for 35 days.We explored the effects and mechanisms of biochar addition on soil Cd2+adsorption,and the bioavailability and chemical forms of nutrient elements[N,P,and potassium（K）]in red soil using isothermal adsorption and chemical extraction methods.Results showed that biochar addition increased the soil pH and organic matter content,and enhanced the Cd2+adsorption capacities in soil.These adsorption behaviors were well fitted with both Freundlich and Langmuir equations（R2＞0.90）.The results of SEM－EDAX indicated that the biochar had adsorbed some Cd2+in the studied soil.Owing to soil pH changes by biochar addition,we explored the role of different pH values on red soil Cd2+adsorption behavior.At pH 4～8,Cd2+adsorption by red soil was enhanced with increasing pH.Zeta potential results of soil suspension showed that biochar application could increase the amount of negative charge in soil,thus proving that more Cd2+would be adsorbed in red soil through the electrostatic effect.In addition,the chemical forms of the nutrient elements varied in response to biochar application in red soil.Specifically,the bioavailable forms of P（KCl－P）,N（IEF－N）,and K in red soil significantly increased with biochar addition.The P forms（Ca－P,Fe－P）were also enhanced by biochar addition,but no significant changes in total transferable N（TTN）content was observed.Based on the above results,we concluded that corn－straw biochar application could decrease the environmental risk of heavy metal contaminated soil,and significantly improve the quality of soil fertility.

red soil;corn－straw biochar;cadmium;nutrient elements;isothermal adsorption

X712

A

1672－2043（2017）12－2445－08

10.11654/jaes.2017－0964

汪宜敏，唐豆豆，張曉輝，等.玉米秸稈炭對紅壤鎘吸附及養分含量、賦存形態的影響[J].農業環境科學學報,2017,36（12）：2445－2452.

WANG Yi－min,TANG Dou－dou,ZHANG Xiao－hui,et al.Effects of corn－straw biochar on cadmium adsorption,nutrient contents,and chemical forms in red soil[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（12）:2445－2452.

2017－07－08 錄用日期：2017－09－12

汪宜敏（1988—），女，安徽安慶人，博士，講師，從事土壤重金屬污染修復及毒理學研究。E－mail：wangym@hhu.edu.cn

*通信作者：袁旭音 E－mail：yxy_hjy@hhu.edu.cn

中央高校基本科研業務費專項資金（2015B12314）；江蘇省自然科學基金（BK20160859）；國家自然科學基金（41601540）；國家重點研發計劃專項（2017YFD0800302）

Project supported：The Fundamental Research for the Central Universities（2015B12314）；The Foundation Research Project of Jiangsu Province（BK20160859）；The National Natural Science Foundation of China（41601540）；The National Key Research and Development Program of China（2017YFD0800302）