生物炭-壳聚糖复合材料对镉污染土壤的修复效果研究

摘要 ［目的］探讨生物炭-壳聚糖复合材料（CBC）对镉（Cd）污染土壤的修复效果。［方法］以黑麦草为供试植物进行盆栽试验，探究向酸性低镉土壤、中性高镉土壤和碱性高镉土壤中分别添加0、0.5%、1.0% 和3.0%（W/W）的CBC时，土壤pH、全镉含量、有效态镉含量、黑麦草根和茎叶的生物量以及其中的全镉含量变化情况。［结果］施用CBC可以提高酸性和中性土壤的pH。随着CBC施用量的增加，土壤中有效态镉含量降低，当施加量至3.0%时达到显著水平。CBC可以钝化土壤中的镉活性，其钝化效果与土壤污染程度、酸碱性密切相关。随着CBC施加量的增加，黑麦草根和茎叶中镉含量降低，尤其植物地上部分降低效果明显，也证明了CBC对土壤中镉具有钝化作用；黑麦草的富集系数（BCF）和转运系数（TF）随CBC施用量的增加而减小，表明施用CBC能够减弱土壤中的镉向植株体内的迁移，从而达到缓解镉毒害的作用。［结论］CBC可以用于镉污染土壤的修复，尤其是在污染程度严重的酸性土壤中效果更加显著。

关键词 生物炭-壳聚糖复合材料；土壤酸碱性；钝化修复；镉污染土壤；黑麦草

中图分类号 X53 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）08-0066-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.016

Study on the Remediation Effect of Biochar-chitosan Composite on Cd Contaminated Soil

YANG Ke-jian1，LI Zhong-hui1，JIANG Ling2 et al

（1.Shaanxi Hydrogeology Engineering Geology and Environment Geology Survey Center，Xi’an，Shaanxi 710068;2.College of Water and Environment，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi 710054）

Abstract ［Objective］To explore the remediation effect of biochar-chitosan composite （CBC） on Cd contaminated soil.［Method］A pot experiment was conducted with ryegrass as the test plant，the changes of soil pH，total Cd content，available Cd content，biomass of ryegrass roots and leaves，and total Cd content in acidic low Cd soil，neutral high Cd soil and alkaline high Cd soil were investigated when CBC was added to 0，0.5%，1.0% and 3.0% （W/W） respectively.［Result］The application of CBC could increase the pH of acidic and neutral soils.The available Cd decreased with the increase of CBC application，and reached a significant level when the application amount reached 3.0%.CBC could passivate Cd activity in soil，and its passivation effect was closely related to the degree of soil pollution and acid-base property.With the increase of CBC application，the Cd content in the roots and shoots of ryegrass decreased，especially the effect on the aboveground part of plants was significant，directly indicating that CBC had a immobilization effect on Cd in soil.The BCF and TF of ryegrass decreased with the increase of CBC application rate，indicating that the application of CBC could reduce the migration of Cd from soil to the plant body，thereby achieving the effect of alleviating Cd toxicity.［Conclusion］The CBC can be used for the remediation of Cd contaminated soil，especially in heavily polluted acidic soils.

Key words Biochar-chitosan composite （CBC）;Soil acidity and alkalinity;Immobilization remediation;Cd contaminated soil;Ryegrass

镉（Cd）是重金属“五毒”元素之一，具有移动性大、毒性强、难降解等特点，易被植物吸收富集，严重影响农作物的产量和品质，并通过食物链进入人体，危害人体健康［1-2］。随着我国工业的发展，化肥和农药的大量施用以及工业废水和污泥的农业利用等，土壤镉污染状况越发严重［3］。《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤总点位污染超标率为16.1%，其中镉污染物点位超标率达7.0%，污染土壤的面积达到2×105 km2，占总耕地面积的1/6［4］。因此，近年来镉污染土壤的修复治理成为研究重点和热点。

为了消除镉污染土壤的毒性，探索有效降低土壤镉含量或生物有效性的技术措施非常重要。目前，镉污染土壤的修复方式主要为化学钝化和植物修复，其次还有物理修复、电化学修复和生态农业修复等［5］。土壤重金属污染物理工程修复只适用于污染严重且污染范围小的土壤，对于大范围的污染土壤治理成本太高［6］；热脱附技术仅适用于收集易挥发的重金属，且收集到的气态污染物还需进行进一步的处理［7］；植物修复效率低，影响农业生产［8］。稳定/固化修复是一种快速、经济的处理技术，它通过改变重金属的存在形式实现受污染耕地的安全利用［9］。大量研究结果表明钝化剂和富集植物的种类、土壤污染程度、土壤性质等都会影响镉污染土壤的修复效率和效果［10-13］，当下尚未形成一套治理镉污染土壤的统一、高效的技术体系。因此在镉污染土壤的治理修复过程中，探寻新的修复技术，采取“因地制宜”式的治理方案将更加有效。

陕西省关中地区某县部分农田因施用硫酸厂废水灌溉，造成约233.33 hm2耕地受到严重镉污染，土壤镉的平均含量为5.7 mg/kg，最大值为26.5 mg/kg，是土壤环境质量标准（GB 15618—2018）中土壤镉含量风险筛选值（0.6 mg/kg）的44倍［14］。面对严峻的镉污染形势，在关中地区针对当地农田土壤镉污染问题进行修复治理技术方法研究，寻求行之有效的修复材料及治理方案，修复受损害的农田土壤已经迫在眉睫。该研究通过盆栽试验，探究前期研发的生物炭-壳聚糖复合材料（CBC）对镉污染土壤的钝化修复效果，确定最佳施加量，以期为该修复材料的实际应用提供理论依据及技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试钝化剂为陕西省水工环地质调查中心前期研发的生物炭-壳聚糖复合材料（CBC），将其制备原料玉米秸秆生物炭、壳聚糖按5∶1的质量比例混合，改性后的生物炭材料进一步提高了其稳定性和重金属吸附量。

供试土壤采自陕西省宝鸡市，土壤类型为淋溶褐土。因施用硫酸厂废水灌溉，当地土壤pH和镉污染程度变异较大。该研究选取3个具有代表性的地块，分别为酸性低镉土壤（AL）、中性高镉土壤（NH）和碱性高镉土壤（BH），试验土壤采集于油菜地0～30 cm土层，去除动、植物残体后，风干、研磨并过5 mm筛，备用，采用常规方法［15］测定土壤理化性质，结果如表1所示。

供试作物选用黑麦草，种植于上、下底直径分别为17和12 cm，高为14 cm的塑料花盆中。每盆装土壤样品2 kg，每个花盆分别以尿素、磷酸二钾和硫酸钾施底肥，施用量按N、P2O5和K2O计分别为0.15、0.10 和 0.15 g/kg。

1.2 试验设计

该研究采用双因素完全随机方案设置盆栽试验，因素一为CBC（150目）施用量，设置4个水平：0（CK）、0.5%、1.0%和 3.0％（W/W）；因素二为土壤污染类型，设置酸性低镉土壤（Cd含量为6.71 mg/kg，pH=5.11，标号AL）、中性高镉土壤（Cd含量为15.10 mg/kg，pH=7.24，标号NH）和碱性高镉土壤（Cd含量为13.70 mg/kg，pH=8.00，标号BH）。

将黑麦草种子点播在配制好的不同土样中，每盆种50粒，均匀分布，14 d后种子萌发成幼苗时记录出苗率后间苗，每盆保留15株。将盆栽随机放置在日光温室，每天夜间浇水一次（用称重法计算水分差），使土壤湿度约保持20%左右，观察记录生长情况，50 d后采收。每个处理重复3次，共计36盆。

1.3 测定指标及方法

将采收后的植物样品轻轻抖落土壤，尽量保存根系。植物根系先用自来水反复冲洗干净后，再用去离子水冲洗3遍，最后用吸水纸吸干根系表面的游离水，将根与茎叶分别装入干燥纸袋，在烘箱中105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干24 h至恒量，自然冷却后分别测量根和茎叶的干重。

土壤全镉采用HF-HNO3-HClO4消煮，植物全Cd采用HNO3-H2O2消煮，土壤有效镉采用EDTA 浸提，消煮液和浸提液中的镉浓度采用原子吸收分光光度计测定［15］。

1.4 计算方法

转运系数（TF）、富集系数（BCF）、钝化率（SR）和经CBC处理后固定态镉含量占总镉含量的比例（IR）根据公式（1）～（4）计算［16-17］：

式中：Csoil为土壤中重金属含量（mg/kg）；Croot为植物根中重金属含量（mg/kg）；Cshoot为植物茎叶中重金属含量（mg/kg）。

Cd为本底土壤中重金属镉有效态含量（mg/kg）；Ci为施加不同用量的CBC处理后土壤中重金属镉有效态含量（mg/kg）；Ci0为施加不同用量的CBC处理后土壤中重金属镉总含量（mg/kg）。

1.5 数据处理

数据采用Excel 2010进行整理计算，利用SPSS 20软件对数据进行方差分析，用LSD检验方法进行差异显著性分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 CBC对土壤 pH 的影响

从图1可以看出，当CBC施用量为0.5%、1.0%、3.0%时，对于酸性土壤（AL），土壤pH与对照（CK）相比分别增加了0.02、0.18、0.63，在施用量为3.0%时增加幅度最大，达到显著水平（P<0.05）；对于中性土壤（NH），随着CBC施用量增加，pH与对照相比分别增加了0.13、0.62、0.81，施用量为1.0%和 3.0%时均达到显著水平（P<0.05）；对于碱性土壤（BH），CBC的施加使得土壤pH有所降低，但与对照相比降幅不显著，分别降低了0.22、0.51和0.35。