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生物碳农田应用的环境效应及其对污染物迁移转化的影响

孙红文  张鹏  李力  周尊龙  
【摘要】:生物碳(biochar)是由动植物残体在缺氧的情况下,经缓慢高温热解产生一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质。近年,生物碳作为一类新型碳质材料引起广泛关注,主要是因为其在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复上都展现出应用潜力,为解决农田肥力下降、全球气候变化、农田污染等环境问题提供了新的思路。对生物碳提升土壤肥力的报道最初见于对南美亚马逊流域黑土terra preta的研究中。这种高质量黑色壤土是当地居民先人烧制生物碳质改良之后的耕作土,其生物碳平均含量超出周围土壤的4倍,部分地区甚至高达70倍。早在1879年,Herbert Smith在其出版的《Scribner's Monthly》一书中就注意到当地烟草和甘蔗的富饶多产与富含生物碳的黑土密切相关。被誉为"生物碳教父"的WimSombroek于1966年在其专著《Amazon Soils》中详细描述了黑土的分布和特性。以CO_2为代表的温室气体减排已经成为应对气候变化挑战的一个重要议题。生物碳作为一种具有高度稳定性的富碳物质,在其产生和储存的过程中都能起到将生物质中碳素锁定而避免经微生物分解等途径进入大气的功效,生物碳的产生能够留存至少40%的有机碳,降低其矿化作用强度,从而有效发挥土壤碳汇的作用,起到了增汇减排,影响气候变化和全球热辐射平衡的积极作用。生物碳施加到农田中,不但改变土壤的肥力和营养元素的迁移转化,还会对土壤中的污染物的迁移转化产生重要影响。本文系统研究了生物碳与重金属、农药、多环芳烃的相互作用。首先,通过控制原料、烧制温度和时间,可以控制生物碳的化学组成和结构。当以动物粪便为原料时,生物碳中将存留较多的矿物。随着烧制温度和时间的提高,生物碳的含碳量升高、极性下降,比表面积上升。这有利于所有污染物的吸附。对于重金属,生物碳的吸附表现出竞争效应,重金属复合存在时,重金属的吸附下降。当生物碳烧制温度较低,有溶解性有机质存在时,生物碳加到土壤中不但不能锁定重金属,反而使重金属的淋滤,特别是在短期的淋滤增加。对于多环芳烃,生物碳的吸附能力是土壤颗粒的100倍以上,而且生物碳吸附态多环芳烃具有较高的解吸滞后性,因此,生物碳对持久性有机污染物是一个很好的固定剂。论文采用Polanyi方程耦合LFERs关系解释多环芳烃的吸附机理,发现多环芳烃在生物碳上的吸附主要为孔填充和表面吸附机制,在表面吸附中π-π电子受体供体作用具有一定贡献。而对于处理温度较低的生物碳,憎水性分配也不能忽略。对于极性农药(西维因和阿特拉津),生物碳不但有上述吸附作用,还表现出对于农药水解的促进作用。对于水解的促进可以通过下述途径完成:1)残留矿物对水解的促进作用;2)改变溶液pH对水解的促进作用。对于农药环境归宿的最终影响是吸附与水解促进两方面作用的共同结果。

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