1、Cd/Pb是對(duì)人類(lèi)健康具有極大威脅的重金屬元素，隨著土壤-作物-食物的食物鏈遷移，農(nóng)田Cd/Pb污染已日益顯現(xiàn)為我國(guó)環(huán)境健康的突出問(wèn)題．我國(guó)南方是稻米的主要產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)土壤重金屬污染日益擴(kuò)張，大多土壤偏酸，稻米重金屬吸收和積累存在著重要的食品安全風(fēng)險(xiǎn)．因此，重金屬污染稻田稻米安全生產(chǎn)的有效修復(fù)措施成為大家研究的熱點(diǎn)．修復(fù)措施主要包括工程修復(fù)、物理化學(xué)修復(fù)以及植物修復(fù)等方面，工程修復(fù)具有效果徹底、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)施復(fù)雜、治理費(fèi)用高和易引起

2、土壤肥力降低等缺點(diǎn)；物理化學(xué)修復(fù)，見(jiàn)效快，但有的改良劑可能會(huì)帶來(lái)二次污染，并且還有活化的風(fēng)險(xiǎn)；植物修復(fù)費(fèi)用低，可清除污染物，但是生物量小，修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)．因此為了實(shí)現(xiàn)降低重金屬的作物吸收，提高糧食安全.尋找一種改善和提高土壤質(zhì)量，降低重金屬的有效性的經(jīng)濟(jì)有效措施和技術(shù)顯得尤為重要．
　　 生物黑炭是生物質(zhì)原料在中低溫(350-500℃)熱裂解過(guò)程產(chǎn)生的一種低密度炭化物質(zhì)，它具有很高的穩(wěn)定性、很大的比表面、大量的表面負(fù)電荷和高的電子

3、密度，同時(shí)，其pH值高，吸附和固定重金屬能力強(qiáng)，從而具有修復(fù)土壤重金屬的潛力．因此通過(guò)施用生物黑炭，達(dá)到改善土壤環(huán)境、緩解并治理土壤污染、同時(shí)，提高土壤碳庫(kù)，減緩氣候變化的目的．從探討生物黑炭對(duì)重金屬的吸附解吸能力出發(fā)，試驗(yàn)分析生物黑炭鈍化農(nóng)田重金屬而降低作物吸收的效果，討論其作用機(jī)制，以期為發(fā)展生物黑炭產(chǎn)業(yè)和農(nóng)田環(huán)境治理技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)．主要結(jié)果如下：
　　 1．在室內(nèi)進(jìn)行了生物黑炭在Cd濃度序列，時(shí)間序列，溶液初始pH值序列

4、，不同粒徑大小以及用量的吸附解吸試驗(yàn)，在生物黑炭對(duì)不同濃度Cd的等溫吸附試驗(yàn)中，生物黑炭對(duì)溶液中Cd2+的吸附效率達(dá)到98％以上，隨著Cd溶液濃度的升高生物黑炭的單位吸附量呈增加的趨勢(shì)．吸附效率同吸附量成反比，即隨著吸附量的增加吸附效率呈下降趨勢(shì)，但是吸附效率下降的速率遠(yuǎn)低于吸附量增加速度．生物黑炭對(duì)溶液中Cd的吸附僅需10多分鐘即達(dá)到平衡，生物黑炭對(duì)Cd的吸附量隨溶液的pH值升高而增加，并且生物黑炭固液比對(duì)溶液pH值也有明顯影響，吸附

5、達(dá)到平衡時(shí)，溶液pH值相對(duì)于初始值提高了10.4%-73.9%．
　　 生物黑炭吸附能力隨粒徑減小而增大，當(dāng)粒徑小于0.84 mm時(shí)，單位吸附量增加幅度變小；當(dāng)粒徑小于0.84 mm時(shí)，吸附量增加幅度變?。憾酱笥?.84 mm時(shí)，單位生物黑炭吸附量會(huì)大幅度減少，降幅度達(dá)21.8%．隨著生物黑炭使用量的增加，單位吸附量逐漸減少，而吸附效率逐漸增大：當(dāng)生物黑炭用量在8gL-1，吸附效率可達(dá)90%以上。
　　 生物黑炭吸附

6、Cd的解吸效率在1.83%-5.39%間，用量越大，單位重量的生物黑炭解吸量越小，解吸率越低。這表明Cd與生物黑炭產(chǎn)生了結(jié)合固定。通過(guò)生物黑炭與污染土壤的競(jìng)爭(zhēng)吸附試驗(yàn)，表明污染土壤中Cd相對(duì)于Pb在生物黑炭的競(jìng)爭(zhēng)吸附中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，這可能與Pb在土壤中的化學(xué)活性較低有關(guān)．
　　 2．采用田間試驗(yàn)驗(yàn)證分析了生物黑炭對(duì)污染土壤的Cd/Pb鈍化和降低作物吸收的效果。選擇蘇南某地重污染農(nóng)田，2009年水稻播種前施用了O，10，20，40 t

7、 ha-1的生物黑炭，在2009-2010年水稻和小麥?zhǔn)斋@時(shí)采集作物樣品和土壤樣品，分析表明，施用生物黑炭顯著提高了土壤pH值，與對(duì)照相比提高了0.16-0.38單位.
　　 施用不同量生物黑炭顯著降低了水稻季CaCI2浸提態(tài)Cd顯著降低了32.0%-52.5%(2009)，39.8%-43.4%(2010)，CaCl2浸提態(tài)Pb兩年內(nèi)沒(méi)有顯著變化；DTPA浸提態(tài)Cd/Pb與對(duì)照相比2009年沒(méi)有顯著差異，但2010年顯著降低了

8、21.6%-48.6%和11.9%-20.3%；小麥季土壤中Cd含量也得到顯著的降低，與對(duì)照相比，CaCl2和DTPA浸提態(tài)Cd分別下降了23.4%-40.1%和11.1%-12.0%；但對(duì)CaCl2浸提態(tài)Pb含量無(wú)顯著影響，不過(guò)生物黑炭顯著降低了麥季土壤中DTPA浸提態(tài)Pb含量(15.0%-18.8%)．
　　 施用生物黑炭對(duì)水稻和小麥的產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響，保持穩(wěn)產(chǎn)，但顯著降低了稻麥籽粒中Cd含量，水稻糙米Cd含量與對(duì)照相比降低

9、了16.8-45.0%(2009年)和39.9%-61.9%(2010年)，而小麥籽粒中Cd含量與對(duì)照相比降低了24.8％-44.2%(2010年)；對(duì)Pb含量幾乎沒(méi)有影響．同時(shí)，水稻和小麥各組織中Cd的含量隨生物黑炭施用量的增加也有著不同程度的降低．對(duì)比單位農(nóng)田面積籽粒吸收Cd的數(shù)量可以看出，每公頃稻米的Cd吸收量與對(duì)照相比減少了45.8%-64.5%(2009年)和39.8%-64.5%(2010年)，而小麥則減少了32.1%-42

10、.3%(2010年)．從以上的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本試驗(yàn)效果與要優(yōu)于相鄰試驗(yàn)田施用鈣鎂磷肥和氫氧化鈣的效果．
　　 施用生物黑炭處理下，作物組織Cd富集系數(shù)降低了39.8%-66.1%(水稻)和29.0%-49.6%(小麥)，Cd地上部轉(zhuǎn)移系數(shù)降低了15.9%-38.5%(水稻)和5.9%-36.6%(小麥)；說(shuō)明生物黑炭處理下抑制作物根系對(duì)Cd的吸收以及Cd的向上轉(zhuǎn)運(yùn)，是降低籽粒Cd積累的重要途徑．
　　 上述研究證明，生物

11、黑炭鈍化土壤Cd活性的作用顯著，并且此效果至少可持續(xù)兩年，但對(duì)Pb無(wú)顯著影響．
　　 3．選擇中度污染重金屬稻田，研究生物黑炭用于農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的可行性．
　　 于2010年選取重金屬中度污染稻田，設(shè)置了0，10，20，40tha-1四個(gè)用量梯度，探討污染稻田生物黑炭修復(fù)和稻米安全生產(chǎn)可行性．中度污染土壤的pH為5.36，土壤CaCl2和DTPA浸提態(tài)Cd達(dá)0.55 mg kg-l和2.72 mg kg-1，水稻糙米Cd

12、含量達(dá)到0.72mg kg-l．施用不同用量生物黑炭顯著提高土壤pH值(0.65-1.08個(gè)單位)．同時(shí)，CaCl2浸提態(tài)Cd顯著降低了(48.0%-70.9%)，土壤有效態(tài)Pb也降低了17.0%-34.0%，而DTPA浸提態(tài)Cd和Pb沒(méi)有顯著變化．生物黑炭的施用對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)顯著影響，但糙米中Cd含量下降了18.8%-43.3%，Pb含量下降了13.7%-38.1%．施用生物黑炭之后水稻不同組織的Cd/Pb含量也有著不同程度的降低，糙米

13、Cd含量降低到0.41 mg kg-1，基本達(dá)到CCFAC(Codex Committee on Food Additives and Contaminants)規(guī)定的農(nóng)產(chǎn)品安全限值標(biāo)準(zhǔn)0.4 mg kg-1．同時(shí)，在成熟期水稻Cd富集系數(shù)降低了66.2%-78.3%之間；而拔節(jié)期和灌漿期降低了41.0%-76.8%之間；同時(shí)還觀(guān)察到Pb的富集系數(shù)在各個(gè)時(shí)期顯著降低，幅度在17.4%-64.1%之間，成熟期，灌漿期和拔節(jié)期Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)變

14、化趨勢(shì)基本一致，生物黑炭處理下降低了23.9%-47.3%之間，不過(guò)Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)沒(méi)有顯著變化．
　　 4．污染土壤施用生物黑炭后，土壤有效態(tài)Cd/Pb與pH呈顯著相關(guān)關(guān)系，由此可見(jiàn)，生物黑炭的施用引起的土壤pH的升高是導(dǎo)致土壤Cd/Pb有效性降低的重要影響因素，同時(shí)，連續(xù)兩年的土壤有效態(tài)Cd/Pb和籽粒Cd/Pb含量結(jié)果比較顯示，隨著生物黑炭施用年限的延長(zhǎng)，黑炭對(duì)土壤重金屬的固持作用增強(qiáng)，進(jìn)一步降低土壤Cd的有效性，明顯抑制了

15、水稻籽粒中Cd的富集．
　　 綜上所述，無(wú)論在重度污染還是中度污染農(nóng)田，生物黑炭的施用均能顯著降低土壤中重金屬的有效性，減少農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收；試驗(yàn)結(jié)果表明生物黑炭的改良修復(fù)效應(yīng)至少可以持續(xù)兩年．生物黑炭鈍化土壤重金屬、降低作物重金屬吸收量的機(jī)制在于，其巨大的比表面可以大量、快速地吸附和固持土壤中重金屬，并由于其較強(qiáng)的堿性，降低重金屬的化學(xué)移動(dòng)性而達(dá)到鈍化重金屬的效果，從而抑制了土壤-作物系統(tǒng)的遷移和籽粒積累，大大降低了稻麥籽