磁性氧化铁/桑树杆生物炭的制备及其对砷污染土壤溶解性有机碳和砷形态的影响

以桑树杆为原料,制备了原始桑树杆生物炭（M-BC）及磁性氧化铁/桑树杆生物炭（Fe-BC）并对其进行表征.通过土壤培养实验,研究了3个温度下炭化制备的Fe-BC和M-BC在不同培养时间对土壤浸出液溶解性有机碳（DOC）和土壤砷（As）形态等的影响.结果表明：①Fe-BC负载的铁氧化物主要为Fe₃ O₄,且有磁性,主要官能团有C＝O双键、O—H键、C—O键和Fe—O键;Fe-BC-400、Fe-BC-500和Fe-BC-600的pH_zpc分别为8.92、8.74和9.19,比表面积分别为447.412、482.697和525.708 m² ·g^-1.②土壤浸出液中ρ（DOC）随着M-BC和Fe-BC炭化温度的升高而分别降低11.6~315.6 mg ·L^-1和78~365.6 mg ·L^-1,土壤浸出液中DOC浓度与土壤电导率（EC）值呈负相关;在培养第35 d,添加Fe-BC-600的土壤浸出液中As浓度比对照组土壤浸出液中的降低了55.96%.土壤浸出液中As浓度与DOC浓度相关性不显著.③添加Fe-BC的土壤有效态As占比均低于对照组的,在培养第35 d时,Fe-BC-600可使土壤有效态As占比降低39.21%.④在培养第35 d时,添加M-BC的土壤残渣态As含量减少了17.76%~49.11%,添加Fe-BC-600的土壤残渣态As占比增加了80%.Fe-BC-600最有利于降低土壤溶液DOC浓度,提高残渣态As含量,从而降低土壤As生物有效性.研究可为磁性氧化铁/生物炭在砷污染土壤修复提供理论依据.     

改性生物炭修复砷镉复合污染土壤研究进展

砷镉复合污染(As/Cd污染)已成为我国主要的土壤环境问题,改性生物炭作为一种吸附固定剂在修复土壤As/Cd污染中正发挥日益重要的作用.在明确原始生物炭作为钝化剂修复As/Cd污染土壤局限性的基础上,综述了针对As/Cd污染土壤修复的生物炭改性方法研究进展,分析了相关作用机制,并对未来利用改性生物炭修复As/Cd污染土壤的前景和存在问题进行展望.结果表明,金属改性生物炭具有较好的协同修复As/Cd污染土壤的效应,从而具有良好的应用前景.通过不同改性方法制备的生物炭材料修复As/Cd污染的固定机制各异,其中,金属改性和无机非金属改性生物炭对As/Cd的固定作用主要涉及官能团配位、共沉淀和As氧化还原;微生物改性生物炭涉及沉淀作用和As氧化还原;物理和酸改性方法则局限于物理吸附和弱静电引力.针对当前研究现状,建议未来应加强生物质原料类型、热解温度、制备工艺、经济成本和土壤老化等因素对改性生物炭修复As/Cd污染土壤的影响研究,实施不同因素影响下材料对重金属固定的稳定性和长效性评估,揭示材料修复As/Cd污染土壤的关键作用机制.     

针铁矿改性生物炭对砷吸附性能

为了提高生物炭(BC)对砷的吸附能力,本研究选取小麦秸秆作为原料,采用共沉淀方法制备了针铁矿(Goethite)改性生物炭材料(Goethite@BC).比较了BC、Goethite和Goethite@BC对As(Ⅲ)的吸附特性,同时使用SEM-EDS、BET、FT-IR、XRD和XPS等技术对改性吸附剂的理化性质和吸附机制进行表征.结果表明,扫描电子显微镜分析显示有纳米级针铁矿附着在生物炭表面,可有效提高生物炭的比表面积和总孔容; 3种吸附剂对As(Ⅲ)的吸附符合伪二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,Goethite@BC对As(Ⅲ)的最大吸附量为65. 20 mg·g~(-1),与BC相比吸附量提高了62. 10倍. Goethite@BC吸附机制包括非特异性吸附(静电引力)和特异性吸附(配位、络合、离子交换等),纳米针铁矿颗粒在Goethite@BC表面对污染物的吸附起到重要作用. Goethite@BC在污染物修复领域具有很好地应用前景.     

两种铁改性生物炭对微碱性砷镉污染土壤的修复效果

改性生物炭作为良好的重金属钝化剂,已被广泛应用于环境修复.为探究不同改性方法对生物炭钝化土壤砷-镉(As-Cd)的影响,采用共沉淀法和浸渍热解法制备铁改性生物炭,通过吸附试验和土壤培养试验,对生物炭性质、吸附As-Cd以及钝化土壤As-Cd的能力进行分析.结果表明,两种改性方法均可提高生物炭铁含量和零电荷点,且共沉淀法制备的铁改性生物炭(FeBC-1)负载的铁矿物主要为Fe₃O₄、 FeO(OH)和γ-Fe₂O₃等,而浸渍热解法制备的铁改性生物炭(FeBC-2)主要为α-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃等铁氧化物.FeBC-1对As和Cd均展现出很强的吸附去除能力,去除率达21.40%～34.14%,可显著促进土壤中非专性吸附态As向残渣态As转化,而FeBC-2仅对As具有较好的吸附效果.BC、 FeBC-1和FeBC-2对Cd的吸附能力与自身的阳离子交换量(CEC)呈正比,其中,BC对Cd的吸附去除效果优于FeBC...     

纳米Fe3O4覆盖对沉积物-水界面砷释放的影响

为揭示纳米四氧化三铁(nFe₃O₄)覆盖对沉积物溶解态砷(As)和有效态As的钝化效果,在开展室内培养试验的基础上,利用微界面分析技术、高分辨率平衡式间隙水采集技术(HR-peeper)和薄膜扩散梯度技术(DGT),探究nFe₃O₄覆盖下沉积物氧化还原环境、铁锰含量等因素对As的作用机制.结果表明:在nFe₃O₄覆盖下沉积物pH值较对照组逐渐增大,Eh先减小后增大;nFe₃O₄可以有效去除沉积物溶解态As,最大有效去除率为22%;nFe₃O₄覆盖使得有效态As的平均值降低了2.30μg/L;溶解态As与溶解态Fe(Ⅱ)、溶解态As与溶解态Mn、有效态As与有效态Fe(Ⅱ)、有效态As与有效态Mn均存在显著正相关关系(P<0.001);nFe₃O₄的覆盖可以促进铁铝低结晶状无定形水合氧化态As含量的增加.     

铈锰改性生物炭对土壤As的固定效应

利用高温热解法在600℃下制备铈锰改性生物炭(modified biochar,MBC),以3种基本性质差异较大的砷(As)污染红壤、黄壤和紫色土为研究对象,探讨了MBC的施用对土壤活性As的影响及固定效应.结果表明:改性生物炭(MBC)的施用导致3种土壤中水溶态As含量显著降低,随着施用量的增加,MBC对As的固定效率不断升高,当添加量为1%～10%时,MBC对3种土壤中活性As的固定效率为:红壤70. 59%～94. 72%,黄壤75. 24%～98. 35%,紫色土为76. 53%～99. 61%,在MBC添加量为10%时,其对3种土壤中有效As的固定效率均达到了95%以上,而未改性生物炭的施用则导致土壤As的活化效应明显.比较而言,MBC对3种土壤中有效As的固定效率大小排序为:紫色土黄壤红壤,MBC的施用导致了土壤中活性态As向稳定态转化,发生了由非专性吸附(F1)、专性吸附态(F2)向结晶水合铁铝氧化物结合态(F4)和残渣态(F5) As的转化过程,使得土壤中As的迁移性能降低,根据扫描电镜(SEM)及X射线衍射分析(XRD)的结果,MBC对As的固定作用与生物炭上铈锰氧化物的成功负载有关.因此,MBC对As污染土壤表现出良好的应用修复潜力.     

玉米秸秆生物炭对稻田土壤砷、镉形态的影响

通过室内土壤培养的方法模拟稻田土壤环境,研究淹水环境下添加(1%添加量)不同温度制备的玉米秸秆生物炭(CB-300、CB-400、CB-500)对砷、镉复合污染稻田土壤氧化还原电位(Eh)、pH值及不同形态砷、镉含量动态变化的影响.结果表明,热解温度会影响玉米秸秆生物炭的理化性质,热解温度由300℃升至500℃,玉米秸秆生物炭芳香性增加,亲水性和极性降低,灰分含量增加,pH值升高.淹水环境下添加玉米秸秆生物炭处理相比对照(CK)可提高土壤pH值0.20~1.24,升高幅度大小为CB-500CB-400CB-300CK,随着培养时间的延长,pH值趋于平衡状态;淹水环境下土壤氧化还原电位均迅速下降,且不同处理组间存在显著差异,生物炭制备温度越高下降效果越明显,培养至第96 d时氧化还原电位降到最低.CK、CB-300、CB-400、CB-500处理组弱酸可提取态镉含量由淹水前的73.55%分别降至63.46%、57.73%、54.50%、53.94%,随着培养时间的延长,土壤中弱酸可提取态及可氧化态镉逐渐向残渣态及可还原态镉转化.土壤pH值与弱酸可提取态镉含量之间呈显著负相关关系.淹水环境下土壤可交换态砷含量升高,玉米秸秆生物炭的施加导致土壤交换态、Ca-结合态、Al-结合态和Fe-结合态砷含量逐渐上升,上升幅度分别为75.68%、20.92%、13.49%、48.66%,残渣态砷含量下降;土壤pH值与交换态砷含量之间呈显著正相关关系.研究结果可为砷、镉复合污染稻田安全生产与阻控提供数据支持.     

生物质炭与铁钙材料对镉砷复合污染农田土壤的修复

选取了铁钙材料（FC）和山核桃蒲生物质炭（BC）制备得到复合材料（BF）,用于修复农田土壤中镉砷复合污染,以降低水稻糙米中的镉和砷含量.通过水稻盆栽试验,在植物生长期内,采集了土壤孔隙水、根际土壤、非根际土壤、水稻植株和水稻根表铁膜,探究了铁钙材料、生物质炭及其复合材料对土壤中镉和砷生物有效性和植株中镉和砷含量的影响及机制.结果表明,生物质炭材料能显著（P <0.05）提高非根际土壤（0.55～0.66个单位）和根际土壤（0.28～0.36个单位）pH,且提升土壤DOC含量;铁钙材料能显著（P <0.05）降低非根际土壤（0.14～0.27个单位）和根际土壤（0.38～0.41个单位）pH,同时降低土壤DOC含量.铁钙材料和复合材料能够同时降低土壤孔隙水、根际土壤和非根际土壤有效态Cd和As含量,而生物质炭能降低Cd含量,却提高了As含量,其中复合材料1%添加处理的效果最佳,土壤有效态Cd和As分别降低了41.8%～48.2%和6.1%～10.1%.生物质炭、铁钙材料和复合材料均能提高植株生物量（根、茎、叶和籽粒的干重）,水稻籽粒干重较CK增加了48.5%～184.0%,根...     

干湿交替对铈锰改性生物炭固定红壤As的影响

以砷(As)污染红壤为研究对象,通过静态培养试验,探讨了铈锰改性生物炭(cerium-manganese modified biochar,MBC)在干湿交替老化条件下对红壤中As的固定效应.结果表明,与常规培养比较,干湿交替条件下MBC的施用显著降低了红壤中水溶态As(WSAs)含量(P＜0.05)和pH值,且随着材...     

两种生物炭对稻米中砷累积的影响研究

为探究土壤添加低剂量生物炭对稻米中砷累积的影响及作用机理,使用矿区砷污染土壤添加小麦和棉花秸秆生物炭进行盆栽和模拟试验.盆栽试验结果表明:添加质量分数为0.5％的低剂量小麦和棉花秸秆生物炭,可以降低稻米(糙米)砷浓度(约10％),作用有限.糙米中砷浓度的降低主要是由于其生物量增加所致.模拟试验结果表明:添加质量分数为1％?—?5％的高剂量生物炭可以显著促进土壤中砷释放,相比对照组,生物炭添加组土壤溶液中砷浓度增加了69％?—?243％,推测其可能是生物炭促进了微生物作用下铁氧化物的还原,进而导致砷释放.研究表明:土壤中施加低剂量小麦和棉花秸秆生物炭对减少水稻砷累积作用可能有限,而高剂量可能增加水稻砷污染健康风险.     

无定形Fe (OH)3 和Fe3 O4 共沉淀态As的化学提取

无定形铁氧化物结合态砷的迁移性和生物可利用性易受环境变化影响.分别以1 mol·L-1盐酸和0.2 mol·L-1草酸铵缓冲溶液为提取剂,以新制备和室温老化(3个月、6个月)的共沉淀态Fe(OH)3-As和Fe3O4-As为提取对象,研究提取时间、液固比、Fe/As摩尔比和室温老化对As提取效率的影响.结果表明,1 mol·L-1盐酸提取Fe(OH)3-As、Fe3O4-As共沉淀时液固比应分别为50、200左右,0.2 mol·L-1草酸铵缓冲溶液提取Fe(OH)3-As、Fe3O4-As共沉淀时需保证加入的草酸根与固相中Fe的摩尔比分别为4、2.5;盐酸和草酸铵缓冲溶液提取时间2 h即可.样品Fe/As摩尔比和室温老化对Fe(OH)3-As共沉淀的溶解提取影响不大,但对Fe3O4-As共沉淀的提取影响比较大,Fe/As摩尔比越大,Fe3O4-As共沉淀越不易被提取;老化时间越长,其中共沉淀的As越不易被溶解提取.值得注意的是:盐酸和草酸铵缓冲溶液提取过程中如果有不溶固相存在,会发生As的再吸附,使无定形铁氧化物共沉淀态砷的测定不准确.     

蚯蚓/铈锰改性生物炭对As污染红壤中细菌多样性和群落结构的影响

在明确铈锰改性生物炭(MBC)和赤子爱胜蚓(Eisenia foetida)联合修复可有效固定红壤As的前提下,采用高通量测序技术,探讨MBC与赤子爱胜蚓联合作用对As污染红壤中细菌多样性和群落结构的影响.结果表明,蚯蚓与生物炭/MBC单一和联合处理中,细菌多样性指数均以单一蚯蚓处理下最高,而单一生物炭、MBC的施用均...     

1株肠杆菌与硫肥联合施用对水稻积累镉砷的影响

为探究不同硫肥联合硫酸盐还原菌在长期淹水条件下对水稻积累镉（Cd）和砷（As）,以及对根表铁膜形成的影响,为中轻度Cd-As复合污染稻田安全生产提供参考.采用盆栽试验的方法,选取了硫磺和硫酸钙两种硫肥及具有硫酸盐还原能力的肠杆菌M5,设计单一施用及不同硫肥与菌株联合施用共6个处理.结果显示,同时基施硫酸钙和菌株的处理（CM5）降低水稻根际土中有效态Cd和As的效果均最好.淹水条件下基施硫肥或菌株会使早稻籽粒中Cd含量降低8%~51%,无机As含量降低42%~61%;使晚稻籽粒中Cd含量降低81%~92%,无机As含量降低41%~62%.其中,同时基施硫磺和菌株的处理（SM5）和CM5处理降低早、晚稻籽粒中Cd、As含量效果均最佳.SM5处理和CM5处理能促进水稻根表铁膜对Cd、As的吸附,二者ACA提取态Cd和As含量较CK显著增加,且CM5处理ACA提取态铁含量较CK也显著增加,说明同时基施硫酸钙和菌株会促进水稻根表铁膜的形成.结果表明,硫肥和菌株联合施用相较单一施用降低籽粒中Cd、As含量的效果更好,而同时基施硫酸钙和菌株是效果最佳且最为稳定的方法.     

施硅对水稻铁膜砷固定和体内砷转运的影响

水稻铁膜对砷(As)的固定及其体内As的转运深刻影响着糙米中As的累积.施硅(Si)能够抑制水稻对As的累积,然而,施Si如何调控铁膜对As的固定和水稻各部位的As向糙米的转运,相关机制目前尚未十分清楚.以As超标土壤中的水稻铁膜为研究对象,通过开展不同Si处理水平的土壤盆栽试验,研究施Si对水稻根表铁膜固定As和各组织器官中As向糙米转运的影响及作用机制.结果表明,Si2(0.66 g·kg^-1)处理显著提高了水稻根系CAT(1.81倍)、SOD(7.98倍)和POD(1.25倍)酶活性,增加了铁膜中的DCB-Fe含量(44.35%),提高了铁膜的表面粗糙度(108.91%),导致铁膜的DCB-As含量明显升高(88.32%);而且,Si2处理显著增加了水稻根中As的累积率,降低了根和叶对As的转运能力,最终导致糙米中As含量的显著降低(53.12%).施Si增强水稻根表铁膜对As固定的原因可归结于Si促进铁膜的形成和增大铁膜的表面粗糙度,而施Si抑制根和叶中As向糙米的转运则可能与Si竞争水稻体内As的转运蛋白,促进As-巯基络合物形成以及增强As液泡区隔化等...     

水稻秸秆生物炭对耕地土壤有机碳及其CO2释放的影响

为探究生物炭自身稳定性及其输入土壤后对于土壤本体有机碳的影响,本研究模拟自然条件,分别将500℃和700℃裂解的水稻秸秆生物炭(RBC500和RBC700)以0%(空白土壤)、3%、6%和100%(纯生物炭)的比例添加至耕地土壤进行室内培养实验,观测总有机碳(TOC)与易氧化态碳(EOC)含量的变化及CO2排放特征.结果表明,与空白土壤处理相比,土壤TOC、EOC含量均随水稻秸秆生物炭添加量的增加而升高;相同添加量条件下,RBC500对土壤TOC与EOC增加的贡献均高于RBC700.各处理土壤TOC含量在前30 d内均降低(最大降幅为15.8%),并于培养后期趋于稳定;土壤EOC含量在培养初30 d内均降低,当生物炭添加比例为3%和6%时,RBC500使土壤的EOC含量降幅分别为72.4%和81.7%,大于RBC700的61.3%和69.8%;培养结束时,添加相同裂解温度生物炭的土壤EOC值相近.培养前期土壤中EOC含量的下降可能与生物炭中易分解组分引起的矿化作用有关.在130 d培养期内,CO2累计排放量大小顺序为:土壤+生物炭混合处理<纯土壤处理<纯生物炭处理,可见,生物炭的土壤处理可以减少土壤CO2的排放,最大减排率可达41.05%.在一个长的时间尺度内,生物炭的土壤处理有利于土壤碳的固定.生物炭施用于土壤可作为碳储存载体.     

稻草生物炭对土壤中Cd2+和Pb2+的吸附特性

为了探究稻草生物炭对土壤中重金属Cd2+和Pb2+的吸附机制,采用水稻秸秆在500℃下热解制备稻草生物炭,设置不同吸附时间、Na+和Ca2+离子强度、pH等影响因素,拟合稻草生物炭对重金属的吸附动力学、吸附等温线;在此基础上,采用黄沙模拟土柱试验得出稻草生物炭固定Cd2+和Pb2+的穿透曲线,着重分析比较pH和Na+离子强度对稻草生物炭吸附固定重金属的影响.结果表明:在高pH、低离子强度下,稻草生物炭对重金属的吸附效果较好;当pH为6时,稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附效率分别为92.58%、63.36%;当离子强度为10 mmol/L时,稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的最高吸附效率分别为97.58%、68.35%;准二级动力学模型能很好地拟合稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附规律,拟合系数（R2）均大于0.995 8,表明稻草生物炭吸附速率主要由化学吸附机制决定;此外,稻草生物炭对Pb2+的吸附规律适合采用Langmuir等温吸附模型进行描述,而对Cd2+的吸附规律采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型均能进行很好的模拟,表明稻草生物炭对Pb2+的吸附是近似单分子层吸附,而对Cd2+的吸附存在多分子层吸附.由黄沙土柱模拟试验结果得出,稻草生物炭对Pb2+和Cd2+的滞留率随着pH的升高和离子强度的降低而增强.在Pb2+和Cd2+同时存在条件下,当pH为6、离子强度为1 mmol/L、稻草生物炭按黄沙质量的0.5%投加时,稻草生物炭对土柱中Pb2+、Cd2+的滞留效果最好.研究显示,高pH对稻草生物炭吸附固定重金属起到促进作用,而高离子强度对稻草生物炭吸附固定重金属起到抑制作用.      

秸秆还田配施生物炭对关中平原夏玉米产量和土壤N2O排放的影响

为探明秸秆还田配施生物炭对夏玉米产量和土壤氧化亚氮（N₂O）排放的影响,基于2019~2020年关中平原田间定位试验,利用静态暗箱-气相色谱法监测了土壤N₂O排放通量,综合分析夏玉米产量、土壤N₂O排放和土壤活性氮组分,明确了秸秆还田配施生物炭在培肥土壤、增产减排方面的效应.以秸秆不还田（S₀）为对照,设置秸秆还田（S）和秸秆还田配施生物炭（SB）共3个处理.结果表明,各处理N₂O排放峰值出现在秸秆还田后10 d,秸秆还田30 d后土壤N₂O排放通量处于较低水平,土壤N₂O排放通量与铵态氮（NH₄⁺-N）、无机氮、微生物量氮（MBN）和可溶性有机氮（DON）含量呈显著的正相关关系（P<0.05）.S较S₀显著增加夏玉米产量、N₂O累积排放量、单位产量N₂O累积排放量和土壤总氮（TN）含量,分别为7.4%~13%、65.8%~132.2%、54.6%~103%和27.8%~33%.虽然SB较S提高夏玉米产量（2.5%~3.3%）的趋势不显著（P>0.05）,但是SB较S显著降低N₂O累积排放量和单位产量N₂O累积排放量,分别为24.0%~27.3%和26.4%~29.2%.在土壤N₂O排放通量达到峰值时,SB较S显著降低土壤N₂O排放通量45.1%~69.6%,生物炭能够缓解秸秆还田所诱发的土壤N₂O排放,具有削峰的作用.SB较S显著增加土壤总氮9.1%~12.2%.综合作物产量、N₂O排放和土壤总氮,对夏玉米生产而言,秸秆还田配施生物炭不仅培肥地力,提高夏玉米产量,而且减少单位产量N₂O累积排放量,是可供推广的兼顾作物产量和环境友好的适宜管理措施.