王雨琦，吳迪，張秀芳，李明堂

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

吉林省磐石紅旗嶺鎳礦區(qū)開采歷史較長，產(chǎn)生的尾砂中鎳的平均含量為0.31%，經(jīng)過風(fēng)化和侵蝕作用鎳緩慢溶解釋放進入附近的土壤和地表水中，且隨著鎳礦的開采和冶煉，硫以硫酸鹽的形式通過干濕沉降和地表徑流等進入土壤，導(dǎo)致附近土壤酸化和水環(huán)境質(zhì)量明顯下降[1]。謝忠雷等[2]發(fā)現(xiàn)紅旗嶺鎳礦區(qū)附近土壤鎳和鎘平均含量均高于吉林省土壤背景值，分別是土壤背景值的4.38倍和1.10倍。賈麗[3]的研究表明吉林省紅旗嶺和漂河川鎳礦區(qū)耕地土壤的pH呈明顯下降趨勢，低于5.0的點位占44%；玉米籽粒鎳單因子污染指數(shù)大于3的點位占57.9%。商云濤等[4]發(fā)現(xiàn)紅旗嶺鎳礦區(qū)地表水受礦山采礦和選礦等活動影響嚴重，淺層地下水中有鎳超標現(xiàn)象。李想等[5]和龍振華等[6]研究發(fā)現(xiàn)吉林省紅旗嶺鎳礦區(qū)附近設(shè)施土壤鎳和鎘超標，土壤呈酸性并有酸化趨勢，且個別蔬菜中鎳含量對人體健康具有潛在的風(fēng)險。因此針對寒區(qū)鎳和鎘復(fù)合污染酸性土壤開展修復(fù)研究具有重要的實際意義。

生物炭具有較大的比表面積，豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和官能團，在鎳和鎘修復(fù)方面越來越受到學(xué)者們的重視，研究表明原料、制備溫度和競爭作用可以影響生物炭對鎳和鎘的吸附能力[7]。一般情況下高溫制備的生物炭對鎳和鎘的吸附能力高于低溫制備的生物炭，不同原料在不同溫度下制備的生物炭對鎳和鎘的吸附能力差異較大，并且重金屬之間的競爭吸附也會受到生物炭種類的影響[8]。另外，為了增強生物炭對鎳和鎘的吸附能力，學(xué)者們將生物炭進行改性，但也有研究發(fā)現(xiàn)改性后生物炭對重金屬的吸附能力反而下降，說明改性生物炭對重金屬的吸附能力可能與重金屬種類和改性方法有關(guān)[9]。因此，為了實現(xiàn)生物炭對鎳和鎘的吸附效果最大化，需要從原料、制備溫度和改性方法等方面系統(tǒng)研究，優(yōu)選出可對鎳和鎘同時具有高吸附性能的生物炭。

生物炭對土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定作用，不僅與生物炭對鎳和鎘的吸附能力有關(guān)，而且與土壤類型、土壤pH 和氣溫變化有關(guān)。張文杰[10]發(fā)現(xiàn)凍融作用和土壤pH 下降會使生物炭固定的鉛和鎘溶出，王昱璇[11]發(fā)現(xiàn)凍融會使生物炭修復(fù)后的土壤弱酸性提取態(tài)鉛增加。另外，生物炭對重金屬污染土壤的修復(fù)效果不僅表現(xiàn)在對有效態(tài)重金屬的固定，而且可以通過固碳、緩釋營養(yǎng)物質(zhì)、調(diào)控土壤微生態(tài)和改良土壤結(jié)構(gòu)來促進植物生長，改善其營養(yǎng)品質(zhì)[12-13]。目前生物炭對重金屬污染土壤的修復(fù)主要是針對南方地區(qū)，并且以鎘和鉛的單一及復(fù)合污染為主，對鎳污染土壤的生物炭修復(fù)的研究較少，而對鎳和鎘復(fù)合污染土壤修復(fù)的研究則更少。因此本研究針對寒區(qū)的土壤類型、氣候特征，以最常見的農(nóng)業(yè)廢棄物木耳菌糠、雞糞和玉米秸稈為原料，研究了溫度和改性方法等對生物炭吸附鎘、鎳的影響，改性方法對生物炭固定土壤鎳、鎘以及抗凍融和酸化的影響，以及不同生物炭對小白菜的生長、品質(zhì)、鎳和鎘富集轉(zhuǎn)運及分布的影響，期望通過溶液-土壤-植物三級篩選來獲得能精準有效修復(fù)寒區(qū)鎳和鎘復(fù)合污染酸性土壤的生物炭，并為其應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

生物炭的制備原料雞糞、木耳菌糠和玉米秸稈分別采自長春市附近養(yǎng)雞場、食用菌生產(chǎn)基地和農(nóng)田，將原料風(fēng)干后去除雜物，經(jīng)粉碎機打碎過2 mm篩后備用。

供試土壤采自吉林省紅旗嶺鎮(zhèn)鎳礦區(qū)附近農(nóng)田，自然風(fēng)干后過2 mm 篩備用。土壤的pH 為5.12，有機質(zhì)含量為20.34 g·kg-1，鎳總量和有效態(tài)含量分別為285.2 mg·kg-1和81.3 mg·kg-1，鎘總量和有效態(tài)含量分別為6.1 mg·kg-1和0.94 mg·kg-1。

1.2 生物炭的制備與改性

將風(fēng)干過篩的雞糞、木耳菌糠和玉米秸稈分別放入坩堝，壓實后放入馬弗爐，在缺氧條件下以10 ℃·min-1的速率升至設(shè)定溫度（300 ℃和600 ℃）后保持2 h，自然冷卻后取出，去除表面灰色雜質(zhì)后，剩下的黑色物質(zhì)為制備的原生物炭，分別標記為雞糞炭、菌糠炭和秸稈炭，過100目篩備用并進行理化性質(zhì)分析。

將600 ℃下制備的雞糞炭（CM）和菌糠炭（AG）分別進行H2O2（H-x）、H2O2+K3PO4[14]（HP-x）、MgCl2[15]（Mg-x）、CaCl2[16]（Ca-x）、堿-磁改性[17]（FK-x）、KMnO4[18]（Mn-x）、十六烷基三甲基溴化銨[19]（Br-x）和硫化錳改性[20]（MS-x）。

1.3 原生物炭和改性生物炭對鎳和鎘的吸附能力

準確稱取原生物炭和改性生物炭0.02 g于50 mL離心管中，分別加入一定濃度（依據(jù)預(yù)實驗各生物炭等溫吸附確定）的鎳和鎘溶液20 mL，置于搖床中在25 ℃、150 r·min-1下振蕩12 h，過0.45 μm 濾膜，測定溶液中鎳和鎘的含量并按公式（1）計算飽和吸附量。

式中：Qe為飽和吸附量，mg·g-1；C0為溶液中鎳和鎘的初始濃度，mg·L-1；Ce為吸附后溶液中鎳和鎘濃度，mg·L-1；V為溶液體積，L；m為吸附劑的質(zhì)量，g。

準確稱取飽和吸附鎳和鎘的原生物炭和改性生物炭0.02 g 于50 mL 離心管中，加入20 mL 的蒸餾水后置于搖床中，在25 ℃、150 r·min-1下振蕩12 h，過0.45 μm濾膜，測定溶液中鎳和鎘含量并根據(jù)公式（2）計算各生物炭解吸后的剩余吸附量。

式中：Q剩為原生物炭和改性生物炭解吸后的剩余吸附量，mg·g-1；C1為溶液中鎳和鎘的濃度，mg·L-1。

1.4 原生物炭和改性生物炭對土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定作用

稱取100 g 土壤樣品，加入到容積為360 mL 的塑料盆中，按照3%的比例分別均勻添加具有高吸附、低解吸鎳和鎘性能的原生物炭和改性生物炭，以未添加任何生物炭的土樣為對照，在60%田間持水量、25 ℃條件下培養(yǎng)，基于預(yù)實驗結(jié)果選擇在培養(yǎng)后5 d和10 d時取樣，風(fēng)干后測定土壤中鎳和鎘的有效態(tài)含量，按公式（3）計算土壤有效態(tài)鎳和鎘的固定率。

式中：η為土壤有效態(tài)鎳和鎘的固定率，%；q1為原土有效態(tài)鎳和鎘含量，mg·kg-1；q為處理后土壤有效態(tài)鎳和鎘含量，mg·kg-1。

1.5 凍融和酸化對土壤中鎳和鎘有效態(tài)固定效果的影響

將添加生物炭修復(fù)10 d 后的土壤樣品于4 ℃冰箱中冷藏12 h，然后轉(zhuǎn)移到-20 ℃冰箱中冷凍12 h，再轉(zhuǎn)移到4 ℃冰箱中解凍12 h，再轉(zhuǎn)移到-20 ℃冰箱中冷凍12 h，如此冷凍-解凍循環(huán)進行，最后將在4 ℃冰箱中解凍12 h的樣品取出進行指標的測定分析，根據(jù)冷凍-解凍的次數(shù)分為5 次凍融循環(huán)和10 次凍融循環(huán)。依據(jù)預(yù)實驗結(jié)果分別在凍融影響較大的5 個和10 個凍融循環(huán)后取樣，風(fēng)干后測定土壤鎳和鎘的有效態(tài)含量。用0.1 mol·L-1的稀硫酸溶液以補充水分的方式不斷酸化生物炭修復(fù)10 d后的土壤樣品，直至土壤pH降至4.5左右，自然風(fēng)干后測定土壤鎳和鎘有效態(tài)含量。

1.6 小白菜盆栽實驗

稱取1.5 kg 的土壤樣品于容積為1.8 L 的塑料盆中，按照3%的比例分別均勻添加原生物炭或改性生物炭進行盆栽，并以未添加任何生物炭的土樣為對照，在60%田間持水量、25 ℃條件下培養(yǎng)10 d 后均勻種下8 顆小白菜種子，放入恒溫光照培養(yǎng)箱中，設(shè)置光照時間12 h，無光照時間12 h，濕度為60%，溫度為25 ℃。種植7 d 后間苗，保留長勢均勻且健壯的4 棵植株，繼續(xù)培養(yǎng)28 d后收獲小白菜作為植物樣品。將小白菜整株從土壤中挖出后，抖掉與根系結(jié)合松散的土，用刷子將與根際結(jié)合緊密的土壤刷下來作為根際土壤樣品。測定小白菜的株高、鮮質(zhì)量、根形態(tài)，葉片的葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白、鎳和鎘的亞細胞分布及其形態(tài)分布，地上部和地下部鎳、鎘的含量以及根際土壤中鎳、鎘的形態(tài)分布。參考文獻[21]的方法計算小白菜對鎳和鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)。

1.7 分析測定方法

鎳和鎘的測定：土壤中鎳、鎘總量和有效態(tài)含量，以及植物體鎘、鎳總量測定前處理、質(zhì)量控制和分析方法參考文獻[5]和文獻[6]進行，土壤中不同形態(tài)鎳和鎘的測定分析參考文獻[22]進行，小白菜葉片鎳和鎘的形態(tài)和亞細胞分布測定分析參考文獻[23]進行，樣品在預(yù)處理后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS 7900）測定。

生物炭的表征[24]：制備的生物炭中C、N 元素含量用元素分析儀（Vario MACRO Cube）測定；比表面積（BET）采用Micromeritics 測定。生物炭灰分的測定參照《木炭和木炭試驗方法》（GB/T 17664—1999），采用pH計測定pH值；采用比表面積及孔徑分布儀測定比表面積及孔徑分布。

小白菜葉片葉綠素采用SPAD-502Plus手持葉綠素儀測定，可溶性糖、可溶性蛋白含量的測定參考文獻[25]進行。采用高分辨率掃描儀（EPSON V800）進行根部圖像掃描，而后使用WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)分析根系長度、表面積、體積等參數(shù)。

1.8 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 進行整理分析，并通過SPSS系統(tǒng)進行差異顯著性分析（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 原生物炭理化性質(zhì)

從表1 可以看出隨著制備溫度的升高，生物炭的灰分、pH、比表面積、孔體積增加，C含量升高；平均孔徑減小，H、O、N 的含量降低。600 ℃下三種生物炭的灰分和pH 的大小順序均表現(xiàn)為菌糠炭>雞糞炭>秸稈炭，孔體積和比表面積大小順序表現(xiàn)為菌糠炭>秸稈炭>雞糞炭，平均孔徑大小順序表現(xiàn)為雞糞炭>秸稈炭>菌糠炭。C和H含量為秸稈炭最高，O和N含量為雞糞炭最高。

表1 原生物炭的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of biochar

2.2 原生物炭對鎳和鎘的飽和吸附量

300 ℃和600 ℃下制備的雞糞炭、菌糠炭和秸稈炭對溶液中鎳和鎘的飽和吸附量如圖1 所示，從圖中可以看出對鎳的飽和吸附量大小順序表現(xiàn)為雞糞炭>菌糠炭>秸稈炭，對鎘的飽和吸附量大小順序表現(xiàn)為菌糠炭>雞糞炭>秸稈炭；600 ℃下制備的雞糞炭與菌糠炭對鎳和鎘的飽和吸附量顯著大于300 ℃下制備的雞糞炭和菌糠炭；制備溫度對秸稈炭吸附鎳和鎘沒有明顯的影響。綜上說明600 ℃下制備的雞糞炭與菌糠炭在鎳和鎘復(fù)合污染土壤修復(fù)方面有較好的應(yīng)用潛力。

圖1 制備的各種生物炭對鎳和鎘的飽和吸附量Figure 1 Saturated adsorption capacity of nickel and cadmium on various biochars

2.3 改性對生物炭吸附鎳和鎘的影響

為了進一步提高生物炭對鎳和鎘的吸附量，將600 ℃下制備的雞糞炭與菌糠炭進行了8 種改性處理，制備的改性生物炭對鎳和鎘的飽和吸附量如圖2所示，從圖2A 中可以看出，與雞糞炭相比，十六烷基三甲基溴化銨改性雞糞炭對鎳的吸附量顯著增加了4.40%，H2O2改性雞糞炭的吸附量沒有顯著變化，而其他改性雞糞炭對鎳的飽和吸附量下降，降幅為12.49%～39.05%，且均達到了顯著水平。與鎳不同，對鎘的飽和吸附量具有提升作用的改性方法包括H2O2、H2O2+K3PO4、堿-磁和十六烷基三甲基溴化銨改性，增幅為6.01%～33.22%，差異均達到顯著水平，而MgCl2改性、CaCl2改性等則降低了雞糞炭對鎘的飽和吸附量，降幅為32.28%～59.88%。由圖2B 可以看出，菌糠炭經(jīng)CaCl2和KMnO4改性后對鎳的飽和吸附量分別增加了35.31%和23.25%，其他改性方法則降低了菌糠炭對鎳的飽和吸附量，降幅為9.30%～29.39%。僅有CaCl2改性能增加菌糠炭對鎘的飽和吸附量，增幅為10.42%，其余改性方法都不同程度地降低其對鎘的飽和吸附量，降幅為17.19%～58.71%。因此將吸附能力較好且較原生物炭有提升作用的H2O2、H2O2+K3PO4、堿-磁和十六烷基三甲基溴化銨改性雞糞炭，CaCl2、KMnO4改性菌糠炭用于土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定研究。

圖2 改性對生物炭吸附鎳和鎘飽和吸附量的影響Figure 2 Effects of biochar modification on saturated adsorption capacity of nickel and cadmium

解吸后各種生物炭對鎳和鎘的剩余吸附量如圖3 所示。從圖中可以看出，相同的改性方法下，雞糞炭及改性雞糞炭對鎳的剩余吸附量多數(shù)高于菌糠炭及改性菌糠炭。就鎘的剩余吸附量來說，改性方法對多數(shù)雞糞炭的剩余吸附量影響較小，對菌糠炭的剩余吸附量影響較大。CaCl2改性菌糠炭、菌糠炭、KMnO4改性菌糠炭對鎘的剩余吸附量較高且與其他生物炭對鎘的吸附量相比差異顯著，說明這三種生物炭對鎘吸附能力強且吸附效果穩(wěn)定。

圖3 改性生物炭對鎳和鎘剩余吸附量的影響Figure 3 Effects of modified biochar on residual adsorption capacity of nickel and cadmium

2.4 生物炭對土壤有效態(tài)鎳和鎘的固定作用

2.4.1 生物炭對土壤鎳和鎘有效態(tài)含量的影響

生物炭對土壤鎳和鎘有效態(tài)含量的影響如圖4所示，從圖中可以看出各種生物炭對土壤有效態(tài)鎳的固定率為49.92%～72.30%，對有效態(tài)鎘的固定率為15.43%～52.05%。對土壤中有效態(tài)鎳和鎘均有很好固定效果的生物炭為CaCl2改性菌糠炭和KMnO4改性菌糠炭，其中CaCl2改性菌糠炭對土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定率分別為72.30%和52.05%，KMnO4改性菌糠炭對土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定率分別為67.30%和51.10%?？傮w來看，原生物炭和改性生物炭對土壤有效態(tài)鎳的固定率明顯高于對有效態(tài)鎘的固定率。

圖4 生物炭對土壤有效態(tài)鎳和鎘的影響Figure 4 Effects of biochar on the immobilization of available nickel and cadmium in soil

2.4.2 凍融和酸化對生物炭固定土壤有效態(tài)鎳和鎘的影響

從圖5A 中可以看出修復(fù)10 d 后的土壤經(jīng)凍融5個循環(huán)后，生物炭對土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定率均有所下降，其中CaCl2改性、KMnO4改性菌糠生物炭和堿-磁改性雞糞生物炭對土壤有效態(tài)鎳的固定率下降不顯著，其余生物炭對土壤有效態(tài)鎳的固定率均顯著降低。KMnO4改性、CaCl2改性菌糠生物炭對土壤有效態(tài)鎘的固定率下降不顯著，其余生物炭對土壤有效態(tài)鎘的固定率均顯著降低。凍融10 個循環(huán)后土壤有效態(tài)鎳和鎘的固定率與凍融5 個循環(huán)相比呈下降趨勢。就土壤有效態(tài)鎳的固定率而言，與CK相比，降幅最高的是H2O2改性雞糞炭和十六烷基三甲基溴化銨改性雞糞炭，分別降低了20.81、22.29 個百分點，其余處理的土壤有效態(tài)鎳固定率經(jīng)過凍融僅下降了3.57～8.82個百分點。凍融10 個循環(huán)后CaCl2改性菌糠炭和KMnO4改性菌糠炭對土壤有效態(tài)鎳的固定率仍高達68.73%和63.21%，且與其他生物炭相比差異顯著。凍融10 個循環(huán)后，就土壤有效態(tài)鎘的固定率而言，H2O2和H2O2+K3PO4改性雞糞炭降幅較大，分別下降了10.62、14.15 個百分點，其他的改性生物炭降幅較小，為4.54～9.96 個百分點，其中CaCl2改性菌糠炭和KMnO4改性菌糠炭對土壤有效態(tài)鎘的最終固定率仍較高，可達45.74%和46.56%，且與其他生物炭相比差異達到顯著水平。

圖5 凍融對生物炭固定土壤有效態(tài)鎳和鎘的影響Figure 5 Effects of freezing and thawing on the immobilization of available nickel and cadmium in soil by various biochars

從圖6中可以看出土壤酸化可明顯降低生物炭對有效態(tài)鎳和有效態(tài)鎘的固定率，酸化使土壤有效態(tài)鎳的固定率下降了3.35～19.69個百分點。從對土壤有效態(tài)鎘的固定率來看，酸化使土壤有效態(tài)鎘固定率下降了1.74～25.85個百分點。土壤經(jīng)酸化后，CaCl2改性菌糠炭和KMnO4改性菌糠炭對土壤有效態(tài)鎳的固定率較高，分別為52.61%和51.69%，對土壤有效態(tài)鎘的固定率分別為26.20%和25.32%，表明KMnO4改性菌糠炭、CaCl2改性菌糠炭具有較高的實際應(yīng)用價值。

圖6 酸化對生物炭固定土壤有效態(tài)鎳和鎘的影響Figure 6 Effects of soil acidification on the immobilization of available nickel and cadmium by various biochar

2.5 小白菜盆栽實驗

2.5.1 生物炭對小白菜生長和品質(zhì)的影響

從表2 可以看出，3 種生物炭均促進小白菜的生長，同時提高小白菜可食部分的品質(zhì)，其中CaCl2改性菌糠炭處理后的小白菜株高和鮮質(zhì)量與對照相比分別增加了90.8%和110.37%；葉綠素SPAD 值增加了11.4，差異均達到顯著水平。CaCl2改性菌糠炭處理后的小白菜的可溶性糖和可溶性蛋白含量分別為8.26 mg·g-1和0.45 mg·g-1，與對照相比增加了76.12%和95.65%，差異達到顯著水平，但與菌糠炭處理后的小白菜的可溶性糖和可溶性蛋白含量相比，差異不顯著。3 種生物炭對小白菜生長和品質(zhì)的促進作用大小順序表現(xiàn)為CaCl2改性菌糠炭>KMnO4改性菌糠炭>菌糠炭。

表2 生物炭對小白菜地上部分生長和品質(zhì)的影響Table 2 Effects of biochar on growth and quality of stem parts of pakchoi

生物炭對小白菜根系的影響如表3 所示，3 種生物炭均對小白菜總根長、根投影面積、根表面積、根直徑與根體積具有促進作用，其中CaCl2改性菌糠炭對小白菜根系的促進作用更明顯。CaCl2改性菌糠炭處理下的小白菜總根長、根投影面積、根表面積、根直徑和根體積與對照相比，分別增加了95.42%、132.89%、221.96%、60.00%和200.00%，差異均達到顯著水平。3 種生物炭對小白菜根系的促進作用大小順序表現(xiàn)為CaCl2改性菌糠炭>KMnO4改性菌糠炭>菌糠炭。

表3 生物炭對小白菜根系的影響Table 3 Effects of biochar on root system of pakchoi

2.5.2 生物炭對小白菜鎳和鎘吸收與分布的影響

從表4中可以看出3種生物炭均能顯著降低小白菜對鎳和鎘的富集系數(shù)，其中CaCl2改性菌糠炭與對照相比，可使小白菜對鎳和鎘富集系數(shù)分別顯著降低41.94%和38.89%。與對照相比，3種生物炭可抑制小白菜根部將鎳和鎘向地上部分轉(zhuǎn)運，且CaCl2改性菌糠炭可使小白菜對鎳和鎘的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別降至0.83和0.93，均小于1 且與其他生物炭相比差異顯著，說明3 種生物炭中CaCl2改性菌糠炭可使小白菜根部鎳和鎘更不易向地上部分轉(zhuǎn)運。

表4 生物炭對小白菜富集和轉(zhuǎn)運鎳和鎘的影響Table 4 Effects of biochar on accumulation and transport of nickel and cadmium in pakchoi

生物炭對小白菜葉片中鎳和鎘形態(tài)分布的影響如圖7所示，3種生物炭使較高毒性形態(tài)（水提取態(tài)與乙醇提取態(tài)）的鎳分布比例之和降低了11.38～18.52個百分點，同樣使較低毒性形態(tài)（NaCl提取態(tài)、HCl提取態(tài)、乙酸提取態(tài)和殘渣態(tài)）的鎳分布比例之和增加11.38～18.52 個百分點；同時使較高毒性形態(tài)的鎘分布比例之和降低10.65～15.61 個百分點，較低毒性形態(tài)的鎘分布比例之和增加10.65～15.61 個百分點?？梢? 種生物炭均有助于小白菜葉片中鎳和鎘由高毒性形態(tài)向低毒性形態(tài)轉(zhuǎn)化，其中CaCl2改性菌糠炭作用最為明顯。

圖7 生物炭對小白菜葉片中鎳和鎘形態(tài)分布的影響Figure 7 Effects of biochar on speciation distribution of nickel and cadmium in pakchoi leaves

2.5.3 生物炭對鎳和鎘在小白菜葉片亞細胞分布的影響

如圖8 所示，小白菜葉片亞細胞組分的鎳和鎘分布比例大小均表現(xiàn)為細胞壁>可溶性部分>細胞器。3 種生物炭均可使小白菜葉片細胞的細胞壁和可溶性部分結(jié)合更多的鎳和鎘，從而降低細胞器中鎳和鎘的分布比例，其中CaCl2改性菌糠炭與對照相比使小白菜葉片細胞器中鎳和鎘分布比例降低最多，可達18.74、24.78 個百分點，有效降低了鎳和鎘對小白菜葉片細胞器的毒害。

圖8 生物炭對小白菜葉片亞細胞組分中鎳和鎘分布比例的影響Figure 8 Effects of biochar on distribution of nickel and cadmium in subcellular components of pakchoi leaves

2.5.4 生物炭對小白菜根際土壤鎳和鎘形態(tài)分布的影響

生物炭對小白菜根際土壤鎳和鎘形態(tài)分布的影響如圖9 所示，土壤中鎳和鎘主要以弱酸提取態(tài)存在，3 種生物炭均能促進根際土壤中弱酸提取態(tài)鎳和鎘向可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，從而降低根際土壤中鎳和鎘的生物有效性。3 種生物炭中CaCl2改性菌糠炭促進土壤中鎳和鎘形態(tài)分布變化的作用最為明顯，與對照相比，弱酸提取態(tài)鎳的分布比例由40.36%降至25.23%；弱酸提取態(tài)鎘由49.49%降至22.38%；而殘渣態(tài)鎳和鎘的分布比例分別由9.24%、9.51%升至17.52%、20.80%。

圖9 生物炭對小白菜根際土壤鎳和鎘形態(tài)分布的影響Figure 9 Effects of biochar on speciation distribution of nickel and cadmium in rhizosphere soil of pakchoi

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)生物炭的原料與制備溫度會通過影響生物炭的灰分、pH、孔隙度、比表面積、孔體積和元素組成來影響生物炭對鎳和鎘的吸附能力，并且雞糞和木耳菌糠制備的生物炭對鎳和鎘的吸附能力優(yōu)于玉米秸稈制備的生物炭，原因是由于雞糞炭和菌糠炭的灰分、pH、孔體積等均高于秸稈炭，從而提高了生物炭對鎳和鎘的吸附作用[26]。另外，本研究也發(fā)現(xiàn)600 ℃下制備的雞糞炭和菌糠炭吸附能力顯著優(yōu)于300 ℃下制備的雞糞炭和菌糠炭，原因是隨著制備溫度的升高，雞糞炭和菌糠炭的灰分、pH、比表面積和孔體積也增大，從而促進了其對鎳和鎘的吸附[27]。

本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)氧化改性后雞糞炭對鎳的吸附能力下降，原因可能是雞糞炭的碳氮比較高，但氧化改性會使雞糞炭中的有機物氧化，減少雞糞炭的含氮量和含氮官能團，從而降低對鎳的絡(luò)合[28]。并且雞糞炭改性后對鎘的吸附能力上升，其原因可能是鎳和鎘對生物炭表面官能團的親和能力不同，且改性處理在改變生物炭官能團的同時也會改變生物炭的pH和比表面積等物理性質(zhì)[17]，因此雞糞炭改性后對鎳和鎘吸附能力的影響有一定差異。但菌糠炭經(jīng)氧化改性后對鎳和鎘的吸附均有一定程度下降，這可能是由于菌糠炭本身已經(jīng)具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，氧化劑的腐蝕可能會造成其比表面積減小，從而降低菌糠炭對鎳和鎘的物理吸附[29]。

本研究發(fā)現(xiàn)不同生物炭對土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定效果不同，總體來講，生物炭對土壤中有效態(tài)鎳的固定率高于對有效態(tài)鎘的固定率，這可能是由于土壤中有效態(tài)鎳含量較高，而Ni2+在較低的pH 條件下比Cd2+更容易形成沉淀[30]，說明生物炭更適合修復(fù)鎳污染的土壤，具體原因與機制有待進一步研究與探討。本研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會使生物炭對土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定率下降，原因可能是凍融循環(huán)會使生物炭pH 下降，電負性降低[31]，并且凍融還會使生物炭發(fā)生破碎，結(jié)構(gòu)被破壞，從而使生物炭對鎳和鎘的固定率下降[10]。本研究也發(fā)現(xiàn)酸化會使生物炭對土壤中有效態(tài)鎳和鎘的固定率下降，這可能是由于土壤酸化會增加土壤H+含量，增強其與Ni2+和Cd2+的競爭，從而促進土壤和生物炭對鎳和鎘的解吸并且溶解一些不太穩(wěn)定的鎳、鎘絡(luò)合物[32]，導(dǎo)致土壤有效態(tài)鎳和鎘的固定率下降。另外，本研究發(fā)現(xiàn)KMnO4和CaCl2改性菌糠炭對土壤中的有效態(tài)鎳和鎘均有很好的固定效果，原因可能是KMnO4作為強氧化劑會破壞菌糠炭表面的固有結(jié)構(gòu)并形成MnOx，產(chǎn)生更多的中/微孔，更大程度增加了菌糠炭的比表面積[18]；CaCl2改性則通過形成CaOx和CaCO3增加菌糠炭堿性官能團數(shù)量與灰分含量，進而增強固定能力[16]。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)CaCl2改性菌糠炭固定的鎳和鎘對土壤凍融和酸化有較強的抗性，其可能與改性反應(yīng)體系中原位形成的納米CaCO3的支撐作用有關(guān)[33]。

本研究發(fā)現(xiàn)菌糠炭以及KMnO4和CaCl2改性菌糠炭均會促進土壤中鎳和鎘由弱酸提取態(tài)向可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，原因可能是菌糠炭及改性菌糠炭pH 較高，會使土壤pH 升高，增加土壤膠體表面的吸附位點，也更容易使碳酸鹽、磷酸鹽和氫氧化物等與鎳和鎘形成沉淀，并且經(jīng)過2 種方法改性后菌糠炭促進了更多的弱酸提取態(tài)鎳和鎘向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化，這可能與改性后提高了菌糠炭比表面積、增加了官能團數(shù)量和負載了金屬氧化物有關(guān)[34]。本研究還發(fā)現(xiàn)土壤中易遷移（弱酸提取態(tài)）的鎳和鎘含量減少的同時，小白菜對土壤中鎳和鎘的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)也會降低，說明小白菜對土壤中鎳和鎘的吸收和轉(zhuǎn)運與土壤易遷移形態(tài)，即生物有效性高的鎳和鎘含量密切相關(guān)[35]。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)3 種菌糠炭對小白菜生長均具有多方面的促進作用，如增加植株鮮質(zhì)量、株高、葉片可溶性糖和可溶性蛋白含量以及葉綠素SPAD值，并促進根系生長發(fā)育，表明無論改性與否，菌糠炭對鎳和鎘污染土壤均具有一定的修復(fù)效果，可能是由于菌糠炭能夠通過固定重金屬來修復(fù)土壤，促進植物的生長，這與張海波等[21]關(guān)于菌糠炭修復(fù)Pb 和Cd復(fù)合污染后種植甜菜的研究結(jié)果一致，并且3 種菌糠炭的修復(fù)效果表現(xiàn)為CaCl2改性菌糠炭>KMnO4改性菌糠炭>菌糠炭。另外，2 種改性菌糠炭均使小白菜對鎳和鎘的富集和轉(zhuǎn)運能力下降，降低小白菜體內(nèi)的鎳和鎘含量，且CaCl2改性菌糠炭的修復(fù)效果優(yōu)于KMnO4改性菌糠炭。本研究還發(fā)現(xiàn)3 種菌糠炭與對照相比均可通過降低小白菜葉片中低毒性鎳和鎘形態(tài)含量、提高細胞壁和可溶性部分的鎳和鎘含量占比來減輕鎳和鎘對小白菜細胞器的毒害[23]，并且CaCl2改性菌糠炭的修復(fù)效果優(yōu)于KMnO4改性菌糠炭和原菌糠炭。綜合各級篩選結(jié)果，CaCl2改性菌糠炭在精準有效修復(fù)寒區(qū)鎳和鎘復(fù)合污染酸性土壤方面具有較高的實際應(yīng)用價值，但其具體的修復(fù)機理仍需要進一步研究。

4 結(jié)論

（1）通過對比分析溶液中鎳和鎘的飽和吸附量和解吸后的剩余吸附量發(fā)現(xiàn)，雞糞炭及H2O2等4種改性雞糞炭和菌糠炭及CaCl2等2 種改性菌糠炭對鎳和鎘均具有較高的吸附能力，且吸附較穩(wěn)定。

（2）CaCl2改性菌糠炭和KMnO4改性菌糠炭不僅能夠高效固定土壤中的有效態(tài)鎳和鎘，而且對土壤凍融和酸化抗性強，還可以使小白菜葉片中的鎳和鎘由高遷移性向低遷移性轉(zhuǎn)化，增強細胞壁和液泡等對鎳和鎘的固定截留能力，從而降低小白菜對土壤中鎳和鎘的富集和轉(zhuǎn)運，增強小白菜對鎳和鎘的抗性，促進小白菜的生長，改善小白菜的營養(yǎng)品質(zhì)。

（3）綜合溶液-土壤-植物三級篩選結(jié)果，CaCl2改性菌糠炭在精準有效修復(fù)寒區(qū)鎳和鎘復(fù)合污染酸性土壤方面具有較高的實際應(yīng)用價值。