生物炭对土壤-植物体系汞含量的影响

摘要  ［目的］研究在生物炭影响下土壤和植物中汞含量的变化趋势。［方法］以章古台风沙土壤为研究对象，向土壤中添加不同浓度的外源汞、不同浓度梯度的生物炭，对土壤和植物样品进行测定。［结果］不同浓度外源汞处理下，土壤汞残留率、植物体内汞残留率和富集系数均在生物炭添加量为16.0 g/kg表现较好效果；当外源汞浓度为16.0 mg/kg，生物炭添加量为16.0 g/kg，土壤汞残留率提高，达到47.204%，植物体内汞残留率最小，为37.193%，富集系数最低，降至0.844。外源汞浓度为32.0 mg/kg，土壤汞残留率提高了7.949百分点；外源汞浓度为4.0 mg/kg，植物体内汞残留率降低了12.145百分点，富集系数减少了0.734。［结论］生物炭可以把汞钝化在土壤中，具有修复和改良汞污染土壤的特征，且添加量为16.0 g/kg效果较好。

关键词  土壤；植物；生物炭；汞污染；汞含量

中图分类号  X171.1   文献标识码  A   文章编号  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，Fuxin，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

汞为剧毒性元素，其毒性具有持久性、迁移性和高度的生物累积性［1］，被世界卫生组织（WHO）列为“重大公共卫生关注的十大化学品或化学品类之一”［2］。每年大约有5 000 t汞进入环境中，随着大气和洋流运动，汞污染遍及全球。我国大气汞的主要污染来源为燃煤电厂，且具有排放量大、排放区域广等特点［3］。排放到大气中的汞，通过气体循环和沉降造成了严重土壤汞污染，其污染具有持久性、隐蔽性、易于迁移等特点，被植物吸收，富集在人体中［4］。高浓度汞胁迫会抑制植物叶绿素的生成，抑制植被的生长，汞浓度过高时甚至导致植被死亡［5］。汞中毒后的主要表现是轻度易兴奋症、神经衰弱综合征、汞毒性震颤、中毒性脑病和严重的肝肾损害等症状［6］。

近年来对土壤汞污染的研究备受关注，国际环境学术界围绕大气汞的来源和迁移转化规律、人体汞暴露的危害等方面开展了大量的研究工作。符倩等［7］研究改性生物炭对汞污染土壤绿豆生长及汞含量的影响，结果表明，施加适宜比例的改性生物炭能够缓解汞胁迫，促进绿豆植株的生长，降低各器官汞含量。有研究表明，土壤有机质及其溶解组分往往限制汞的生物可利用性，从而减少受污染稻田土壤中甲基汞的产生［8］。李胜鹏等［9］研究改性泥炭土对稻田土壤汞污染的修复效果，结果表明改性泥炭对土壤甲基汞和有效态汞具有显著的降低作用，可应用于稻田土壤汞的原位钝化修复。EDTA-有机酸淋洗后Hg有效态残留重金属含量大幅降低，稳定性显著提高，复合淋洗剂可有效降低污染土壤的生态风险［10］。研究重点大多数是化石燃料产生的汞污染以及工厂生产含汞元素的产品所造成的汞污染等，而与燃煤电厂周边土壤-植物体系中汞含量变化的研究较少。因此，笔者以HgCl2作为外源汞，选取彰武县地区的土壤为试验土样，模拟大气汞沉降，向土壤中添加不同量的生物炭，研究生物炭与土壤-植物体系汞含量变化的关系，对寻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义，为土壤生态保护提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

野外试验样地位于辽宁阜新章古台风沙所，供试土壤理化性质为pH 6.34、土壤容量1.41 g/cm3、有机质含量24.5 g/kg、Hg含量0.01 mg/kg。供试生物炭为秸秆炭，来自沈阳农业大学陈温福院士生物炭工程技术中心，生物炭理化性质为pH 8.87、有机碳含量578.85 g/kg。

1.2 试验设计

野外定位试验样地设置在章古台风沙所，2021年10月进行试验样地的建设和处理。 选用分析纯氯化汞（HgCl2）作为外源汞，外源汞浓度设置6个梯度（1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg/kg），同时加入不同量的生物炭（0、05、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 g/kg），且每组试验设3个平行试验组，如表1所示。2022年5月进行土壤和植物样品采集。

1.3 样品处理    野外土壤样品经风干后去除土壤杂物并研磨，过100目过滤尼龙筛，保存备用。

野外植物样品为燕麦草，将整株植物样品用去离子水洗净，在105 ℃下杀青15 min后降至50 ℃烘干至恒重，将植物样品取出，置于干燥器中冷却，并粉碎后封袋，保存备用。

1.4 土壤和植物中汞含量

准确称取0.5 g（精确至0.000 1 g）土壤样品于消解管中，加入10 mL（1+1）王水，水浴消解2 h。待消解结束后，冷却至室温，将消解液移入50 mL容量瓶中，去离子水定容至50 mL，摇匀后待测。参照GB/T 22105.1—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》，用原子荧光光度计测定土壤汞含量。

准确称取0.1 g（精确至0.000 1 g）植物样品于消解管中，加入10 mL（1+1）王水，水浴消解2 h。待消解结束后，冷却至室温，将消解液移入50 mL容量瓶中，去离子水定容至50 mL，摇匀后待测。用原子荧光光度计测定植物汞含量。

1.5 数据处理

植物的汞富集系数（BCF）计算公式如下：

BCF= Ci Cs

式中：Ci为植物体内汞含量（mg/kg）； Cs为土壤汞含量（mg/kg）。

土壤汞残留率（RR）计算公式如下：

RR= Cs CHg+Ck

式中：Cs为土壤汞含量（mg/kg）； CHg为外源汞污染浓度（mg/kg）；Ck为土壤汞背景值（mg/kg）。

数据统计分析采用Excel 2010软件，以平行样测定数值的平均值表示测定结果。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤中汞含量的影响

由图1可知，外源汞浓度为1.0～32.0 mg/kg时，生物炭浓度与土壤中汞含量呈现明显的相关性。当外源汞浓度为1.0 mg/kg时，经过不同浓度梯度的生物炭处理后，土壤中汞含量由0.784 mg/kg上升至0.854 mg/kg，残留率由43.946%上升至47.869%；当外源汞浓度为2.0 mg/kg时，土壤中汞含量由1.439 mg/kg上升至1.598 mg/kg，残留率由41.846%上升至46.460%；外源汞浓度为4.0 mg/kg时，土壤中汞含量由2.238 mg/kg上升至2.600 mg/kg，残留率由35.870%上升至41.692%；外源汞浓度为8.0 mg/kg时，土壤中汞含量由4.532 mg/kg上升至5.261 mg/kg，残留率由36.160%上升至41.980%；外源汞浓度为16.0 mg/kg时，土壤中汞含量由10.500 mg/kg上升至12.509 mg/kg，残留率由39.622%上升至47.204%；外源汞浓度为32.0 mg/kg时，土壤中汞含量由17.605 mg/kg上升至21.548 mg/kg，残留率由35.490%上升至43.439%。

添加不同浓度生物炭后的土壤中汞含量均明显高于空白土壤的汞含量， 其中土壤中汞残留率最高的是生物炭添加量为16 g/kg处理后的土壤。同浓度外源汞污染的土壤中，土壤汞含量与生物炭添加量呈现明显的正相关；在相同生物炭添加的情况下，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环分子结构和多孔特性［11］，比面积较大、过滤和吸附性能优良［12］，土壤中的Hg更容易被生物炭直接吸附。生物炭拥有着大量负电荷和有机官能团，影响其表面电荷特征［13］，这对重金属的吸附起着至关重要的作用。所以生物炭对于土壤汞具有较好的钝化效果，可作为良好的土壤改良剂。