生物炭對(duì)土壤-植物體系汞含量的影響

高翠翠 王道涵 王營(yíng)軍 湯家喜

摘要? ［目的］研究在生物炭影響下土壤和植物中汞含量的變化趨勢(shì)。［方法］以章古臺(tái)風(fēng)沙土壤為研究對(duì)象，向土壤中添加不同濃度的外源汞、不同濃度梯度的生物炭，對(duì)土壤和植物樣品進(jìn)行測(cè)定。［結(jié)果］不同濃度外源汞處理下，土壤汞殘留率、植物體內(nèi)汞殘留率和富集系數(shù)均在生物炭添加量為16.0 g/kg表現(xiàn)較好效果；當(dāng)外源汞濃度為16.0 mg/kg，生物炭添加量為16.0 g/kg，土壤汞殘留率提高，達(dá)到47.204%，植物體內(nèi)汞殘留率最小，為37.193%，富集系數(shù)最低，降至0.844。外源汞濃度為32.0 mg/kg，土壤汞殘留率提高了7.949百分點(diǎn)；外源汞濃度為4.0 mg/kg，植物體內(nèi)汞殘留率降低了12.145百分點(diǎn)，富集系數(shù)減少了0.734。［結(jié)論］生物炭可以把汞鈍化在土壤中，具有修復(fù)和改良汞污染土壤的特征，且添加量為16.0 g/kg效果較好。

關(guān)鍵詞? 土壤；植物；生物炭；汞污染；汞含量

中圖分類號(hào)? X171.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? A?? 文章編號(hào)? 0517-6611（2024）07-0055-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.014

Effect of Biochar on Hg Content in Soil-plant System

GAO Cui-cui，WANG Dao-han，WANG Ying-jun et al

（College of Environmental Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning 123000）

Abstract? ［Objective］To study the change trend of Hg content in soil and plants under the influence of biochar.［Method］The aeolian sandy soil of Zhanggu Platform was used as the research object.Different concentrations of exogenous Hg and different concentration gradients of biochar were added to the soil，and soil and plant samples were measured.［Result］Under the treatment of different concentrations of exogenous Hg，the Hg residual rate in soil，Hg residual rate and enrichment coefficient in plants all performed better under the biochar addition amount of 16.0 g/kg.When the exogenous Hg concentration was 16.0 mg/kg and the amount of biochar was 16.0 g/kg，the Hg residue rate in soil was increased and reached 47.204%，the lowest Hg residue rate in plants was 37.193%，and the lowest enrichment coefficient was 0.844.When the concentration of exogenous Hg was 32.0 mg/kg，soil Hg residue rate was increased by 7.949 percentage points.When the concentration of biochar was 4.0 g/kg，the residual rate of Hg in plants was reduced by 12.145 percentage points，the enrichment coefficient decreased by 0734.［Conclusion］Biochar can passivate mercury in soil and has the characteristics of repairing and improving mercurycontaminated soil，and the best effect is achieved when the addition amount is 16.0 g/kg.

Key words? Soil;Plants;Biochar;Hg pollution;Hg content

汞為劇毒性元素，其毒性具有持久性、遷移性和高度的生物累積性［1］，被世界衛(wèi)生組織（WHO）列為“重大公共衛(wèi)生關(guān)注的十大化學(xué)品或化學(xué)品類之一”［2］。每年大約有5 000 t汞進(jìn)入環(huán)境中，隨著大氣和洋流運(yùn)動(dòng)，汞污染遍及全球。我國(guó)大氣汞的主要污染來源為燃煤電廠，且具有排放量大、排放區(qū)域廣等特點(diǎn)［3］。排放到大氣中的汞，通過氣體循環(huán)和沉降造成了嚴(yán)重土壤汞污染，其污染具有持久性、隱蔽性、易于遷移等特點(diǎn)，被植物吸收，富集在人體中［4］。高濃度汞脅迫會(huì)抑制植物葉綠素的生成，抑制植被的生長(zhǎng)，汞濃度過高時(shí)甚至導(dǎo)致植被死亡［5］。汞中毒后的主要表現(xiàn)是輕度易興奮癥、神經(jīng)衰弱綜合征、汞毒性震顫、中毒性腦病和嚴(yán)重的肝腎損害等癥狀［6］。

近年來對(duì)土壤汞污染的研究備受關(guān)注，國(guó)際環(huán)境學(xué)術(shù)界圍繞大氣汞的來源和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、人體汞暴露的危害等方面開展了大量的研究工作。符倩等［7］研究改性生物炭對(duì)汞污染土壤綠豆生長(zhǎng)及汞含量的影響，結(jié)果表明，施加適宜比例的改性生物炭能夠緩解汞脅迫，促進(jìn)綠豆植株的生長(zhǎng)，降低各器官汞含量。有研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)及其溶解組分往往限制汞的生物可利用性，從而減少受污染稻田土壤中甲基汞的產(chǎn)生［8］。李勝鵬等［9］研究改性泥炭土對(duì)稻田土壤汞污染的修復(fù)效果，結(jié)果表明改性泥炭對(duì)土壤甲基汞和有效態(tài)汞具有顯著的降低作用，可應(yīng)用于稻田土壤汞的原位鈍化修復(fù)。EDTA-有機(jī)酸淋洗后Hg有效態(tài)殘留重金屬含量大幅降低，穩(wěn)定性顯著提高，復(fù)合淋洗劑可有效降低污染土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)［10］。研究重點(diǎn)大多數(shù)是化石燃料產(chǎn)生的汞污染以及工廠生產(chǎn)含汞元素的產(chǎn)品所造成的汞污染等，而與燃煤電廠周邊土壤-植物體系中汞含量變化的研究較少。因此，筆者以HgCl2作為外源汞，選取彰武縣地區(qū)的土壤為試驗(yàn)土樣，模擬大氣汞沉降，向土壤中添加不同量的生物炭，研究生物炭與土壤-植物體系汞含量變化的關(guān)系，對(duì)尋求土壤中汞的生物治理措施、防止植物受汞毒害具有重要意義，為土壤生態(tài)保護(hù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

野外試驗(yàn)樣地位于遼寧阜新章古臺(tái)風(fēng)沙所，供試土壤理化性質(zhì)為pH 6.34、土壤容量1.41 g/cm3、有機(jī)質(zhì)含量24.5 g/kg、Hg含量0.01 mg/kg。供試生物炭為秸稈炭，來自沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳溫福院士生物炭工程技術(shù)中心，生物炭理化性質(zhì)為pH 8.87、有機(jī)碳含量578.85 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

野外定位試驗(yàn)樣地設(shè)置在章古臺(tái)風(fēng)沙所，2021年10月進(jìn)行試驗(yàn)樣地的建設(shè)和處理。 選用分析純氯化汞（HgCl2）作為外源汞，外源汞濃度設(shè)置6個(gè)梯度（1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg/kg），同時(shí)加入不同量的生物炭（0、05、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 g/kg），且每組試驗(yàn)設(shè)3個(gè)平行試驗(yàn)組，如表1所示。2022年5月進(jìn)行土壤和植物樣品采集。

1.3 樣品處理??? 野外土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后去除土壤雜物并研磨，過100目過濾尼龍篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

野外植物樣品為燕麥草，將整株植物樣品用去離子水洗凈，在105 ℃下殺青15 min后降至50 ℃烘干至恒重，將植物樣品取出，置于干燥器中冷卻，并粉碎后封袋，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 土壤和植物中汞含量

準(zhǔn)確稱取0.5 g（精確至0.000 1 g）土壤樣品于消解管中，加入10 mL（1+1）王水，水浴消解2 h。待消解結(jié)束后，冷卻至室溫，將消解液移入50 mL容量瓶中，去離子水定容至50 mL，搖勻后待測(cè)。參照GB/T 22105.1—2008《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法》，用原子熒光光度計(jì)測(cè)定土壤汞含量。

準(zhǔn)確稱取0.1 g（精確至0.000 1 g）植物樣品于消解管中，加入10 mL（1+1）王水，水浴消解2 h。待消解結(jié)束后，冷卻至室溫，將消解液移入50 mL容量瓶中，去離子水定容至50 mL，搖勻后待測(cè)。用原子熒光光度計(jì)測(cè)定植物汞含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

植物的汞富集系數(shù)（BCF）計(jì)算公式如下：

BCF= Ci Cs

式中：Ci為植物體內(nèi)汞含量（mg/kg）； Cs為土壤汞含量（mg/kg）。

土壤汞殘留率（RR）計(jì)算公式如下：

RR= Cs CHg+Ck

式中：Cs為土壤汞含量（mg/kg）； CHg為外源汞污染濃度（mg/kg）；Ck為土壤汞背景值（mg/kg）。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2010軟件，以平行樣測(cè)定數(shù)值的平均值表示測(cè)定結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤中汞含量的影響

由圖1可知，外源汞濃度為1.0～32.0 mg/kg時(shí)，生物炭濃度與土壤中汞含量呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。當(dāng)外源汞濃度為1.0 mg/kg時(shí)，經(jīng)過不同濃度梯度的生物炭處理后，土壤中汞含量由0.784 mg/kg上升至0.854 mg/kg，殘留率由43.946%上升至47.869%；當(dāng)外源汞濃度為2.0 mg/kg時(shí)，土壤中汞含量由1.439 mg/kg上升至1.598 mg/kg，殘留率由41.846%上升至46.460%；外源汞濃度為4.0 mg/kg時(shí)，土壤中汞含量由2.238 mg/kg上升至2.600 mg/kg，殘留率由35.870%上升至41.692%；外源汞濃度為8.0 mg/kg時(shí)，土壤中汞含量由4.532 mg/kg上升至5.261 mg/kg，殘留率由36.160%上升至41.980%；外源汞濃度為16.0 mg/kg時(shí)，土壤中汞含量由10.500 mg/kg上升至12.509 mg/kg，殘留率由39.622%上升至47.204%；外源汞濃度為32.0 mg/kg時(shí)，土壤中汞含量由17.605 mg/kg上升至21.548 mg/kg，殘留率由35.490%上升至43.439%。

添加不同濃度生物炭后的土壤中汞含量均明顯高于空白土壤的汞含量， 其中土壤中汞殘留率最高的是生物炭添加量為16 g/kg處理后的土壤。同濃度外源汞污染的土壤中，土壤汞含量與生物炭添加量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)；在相同生物炭添加的情況下，外源汞污染水平越高，土壤中汞含量也越高。由于生物炭含有高度芳香環(huán)分子結(jié)構(gòu)和多孔特性［11］，比面積較大、過濾和吸附性能優(yōu)良［12］，土壤中的Hg更容易被生物炭直接吸附。生物炭擁有著大量負(fù)電荷和有機(jī)官能團(tuán)，影響其表面電荷特征［13］，這對(duì)重金屬的吸附起著至關(guān)重要的作用。所以生物炭對(duì)于土壤汞具有較好的鈍化效果，可作為良好的土壤改良劑。

2.2 生物炭對(duì)植物體內(nèi)汞含量的影響

從圖2可以看出，當(dāng)外源汞濃度為1.0 mg/kg時(shí)，經(jīng)過不同濃度梯度的生物炭處理后， 測(cè)得處理后植物體內(nèi)汞含量由1.015 mg/kg下降至0.915 mg/kg，殘留率由50.372%下降至45.409%；外源汞濃度為2.0 mg/kg時(shí)，測(cè)得處理后植物體內(nèi)汞含量由3.398 mg/kg下降至2.881 mg/kg，殘留率由62.949%下降至53.371%；外源汞濃度為 4.0 mg/kg時(shí)，測(cè)得處理后植物體內(nèi)汞含量由5.889 mg/kg下降至4.668 mg/kg，殘留率由59551%下降至47.406%；外源汞濃度為8.0 mg/kg時(shí) ，測(cè)得處理后植物體內(nèi)汞含量由9.115 mg/kg下降至7.393 mg/kg， 殘留率由53.257%下降至43.196%；外源汞濃度為16.0 mg/kg時(shí)，測(cè)得處理后植物體內(nèi)汞含量由13.258 mg/kg下降至10.882 mg/kg，殘留率由45.314%下降至37.193%；外源汞濃度為 32.0 mg/kg時(shí)，測(cè)得處理后植物體內(nèi)汞含量由28.842 mg/kg下降至22.899 mg/kg，殘留率由47.404%下降至37.636%。

添加不同濃度的生物炭后植物體內(nèi)中汞含量均明顯低于空白組植物體內(nèi)的汞含量。當(dāng)外源汞污染濃度一定時(shí)，向土壤中添加不同濃度梯度的生物炭，植物體內(nèi)汞含量隨著生物炭的加入明顯減少。各組在生物炭添加量為16.0 g/kg時(shí)，植物體內(nèi)汞殘留率最小。隨著外源汞量的增加，同一濃度梯度的生物炭對(duì)汞的吸附能力也隨之增強(qiáng)，土壤中汞的活性降低，從而使植物體內(nèi)的汞含量減少。生物炭的加入抑制土壤汞活性和減少汞向植株的遷移，從而有利于植物生長(zhǎng)。劉晶晶等［14-16］研究表明生物炭可以降低重金屬的活性，促進(jìn)重金屬向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，降低重金屬對(duì)植物毒害作用。生物炭能有效促進(jìn)Pb、Cd的弱酸提取態(tài)、可氧化態(tài)、可還原態(tài)向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，使土壤中Pb、Cd的生物有效性降低，降低其對(duì)土壤環(huán)境的危害［17］。

2.3 生物炭對(duì)植物富集汞能力的影響

富集系數(shù)能夠體現(xiàn)植物吸附重金屬的能力，富集系數(shù)越大說明植物對(duì)土壤汞吸收積累能力越強(qiáng)。由圖3可知，在不同外源汞濃度下，植物富集能力隨生物炭添加量的升高而降低，均在生物炭添加量為16.0 g/kg表現(xiàn)良好效果。當(dāng)外源汞濃度為1.0 mg/kg時(shí)，富集系數(shù)從1.309降至1.065，降低了0.244；當(dāng)外源汞濃度為2.0 mg/kg時(shí)，富集系數(shù)從2.414降至1.862，降低了0552；當(dāng)外源汞濃度為4.0 mg/kg時(shí)，富集系數(shù)從2.676降至1.942，降低了0.734；當(dāng)外源汞濃度為8.0 mg/kg時(shí)，富集系數(shù)從2.033降至1.389，降低了0.644；當(dāng)外源汞濃度為 160 mg/kg時(shí)，富集系數(shù)從1.273降至0.844，降低了0.429；當(dāng)外源汞濃度為32.0 mg/kg時(shí)，富集系數(shù)從 1.680降至1069，降低了0.611。

外源汞濃度在一定范圍內(nèi)，生物炭可以降低植物的富集能力，從而使植物吸收重金屬汞的含量減少，降低汞對(duì)植物的毒害效應(yīng)［18］。 在鎘污染水平較高的黑土中添加菌糠生物炭降低白菜中鎘的富集系數(shù)［19］，選用農(nóng)業(yè)廢棄物花生殼為供試生物炭原材料施加到土壤，降低土壤中有效態(tài)Cd、Pb含量，一定程度降低小麥幼苗對(duì)鎘和鉛的吸收［20］。生物炭的添加有助于減少重金屬?gòu)耐寥赖街参锏霓D(zhuǎn)移，使植物富集能力下降。

3 討論

隨著生物炭施加量的增加，土壤中的汞含量明顯上升，生物炭可以將汞固化在土壤中，防止植物受汞毒害并阻礙其進(jìn)入食物鏈，與前人的研究結(jié)果一致［21］。生物炭主要通過鈍化、吸附2個(gè)方面對(duì)土壤重金屬汞產(chǎn)生影響，其作用機(jī)理可能是：①生物炭表面豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，分子間作用力［22］，為物理吸附提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。生物炭存在吸引汞自由力場(chǎng)，使得生物炭能夠較為直接地將汞從被污染的土壤中被吸附出來。比面積較大、吸附力強(qiáng)，可以對(duì)汞產(chǎn)生直接吸附。②大量的官能團(tuán)和負(fù)電荷集聚在生物炭表面，為化學(xué)吸附提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。生物炭表面官能團(tuán)可與Hg2+發(fā)生交換、協(xié)同、螯合作用，降低其遷移性［23］。③生物炭含有大量碳酸鹽、堿性物質(zhì)［16］，比如K2CO3、Na2CO3等碳酸鹽可以讓土壤的堿性變強(qiáng)，從而導(dǎo)致汞的活性降低。通過減少土壤中的汞，以及減少土壤中活性汞的源，讓重金屬污染土壤的狀態(tài)得到了很好改善。正是因?yàn)樯锾亢屯寥馈⒐g相互作用，使得土壤中汞活性降低，減緩了植物體內(nèi)的汞脅迫。綜上可知，添加生物炭可改善重金屬污染土壤的狀態(tài)，降低重金屬生物有效性，促進(jìn)植物正常生長(zhǎng)。

植物主要通過莖葉表面和根系吸收土壤、水體和大氣中汞。施加生物炭能減少汞的毒害效應(yīng)，并抑制土壤汞活性和減少汞向植株的遷移，從而有利于植物生長(zhǎng)。當(dāng)土壤汞污染水平升高時(shí)，植物體內(nèi)汞含量及土壤汞含量皆隨之上升。但隨著生物炭的施入，土壤中汞的活性被降低，部分各種形式的活性汞轉(zhuǎn)化為惰性汞，抑制了植物對(duì)汞的吸收，使植物體內(nèi)富集的汞含量下降。另外，由于作物存在導(dǎo)管、篩管等輸送無機(jī)鹽和有機(jī)物的通道，生物質(zhì)炭化后這些微孔結(jié)構(gòu)依然存在，汞離子或者氧化物可以進(jìn)入到生物質(zhì)炭的微孔結(jié)構(gòu)中，從而可以進(jìn)一步地被固定在生物質(zhì)炭微晶腔內(nèi)的空間中，被轉(zhuǎn)化為殘?jiān)鼞B(tài)，從而不容易被溶解或者還原［24］。

4 結(jié)論

該研究以章古臺(tái)土壤為研究對(duì)象，添加生物炭和外源汞研究生物炭對(duì)土壤-植物汞含量影響，主要結(jié)論如下：

（1） 添加不同濃度生物炭后的土壤中汞含量均明顯高于空白土壤的汞含量，并且隨生物炭添加量的增加而增加。對(duì)于不同濃度外源汞處理的土壤，均在生物炭添加量為16.0 g/kg 表現(xiàn)較好效果，且在外源汞濃度1.0～32.0 mg/kg，土壤汞殘留率均提高。生物炭能將土壤中的汞鈍化存在于土壤中。

（2）添加不同濃度生物炭后植物體內(nèi)中汞含量均明顯低于空白組植物體內(nèi)的汞含量，并且隨生物炭添加量的增加而減少。對(duì)于不同濃度外源汞處理的土壤，均在生物炭添加量為16.0 g/kg植物體內(nèi)汞殘留率達(dá)到最小值，當(dāng)外源汞濃度為16.0 mg/kg時(shí)，植物體內(nèi)汞殘留率最小，為37.193%；外源汞濃度為4.0 mg/kg，植物體內(nèi)汞殘留率降低了12.145百分點(diǎn)。生物炭的加入降低土壤中汞的活性，減少汞元素向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移量。

（3）在不同外源汞濃度下，植物富集能力隨生物炭添加量的升高而降低。對(duì)于不同濃度外源汞處理的土壤，均在生物炭添加量為16.0 g/kg富集系數(shù)有最小值，當(dāng)外源汞濃度為16.0 mg/kg時(shí) ，富集系數(shù)最小，為0.844。生物炭的加入降低土壤毒性，使得植物吸收較少量的汞，正常生長(zhǎng)；生物炭可以作為一種土壤改良劑，具有修復(fù)和改良汞污染土壤的特征。

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基金項(xiàng)目?? 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目（LNTU20NTD-24）；遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（LJ2019JL029）。

作者簡(jiǎn)介?? 高翠翠（1998—），女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向：土壤修復(fù)技術(shù)。*通信作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事污染生態(tài)學(xué)和土壤學(xué)研究。