摘要 為探究秸稈生物炭對煤矸石污染土壤中黑麥草富集特征金屬的影響，本研究利用室內(nèi)盆栽試驗，向煤矸石污染土壤中添加分別1%、2%和5%的秸稈生物炭，分析各處理組中黑麥草體內(nèi)特征金屬元素Fe、Mn、Cu和Zn的含量，并采用生物富集系數(shù)（BCF）及轉運系數(shù)（TF）等方法對黑麥草富集和遷移特征金屬進行評價。結果表明，當添加量為1%時，生物炭促進黑麥草根部Fe、Mn和Zn含量增加1%，而當添加量為2%和5%時，生物炭則阻控土壤中特征重金屬Fe、Mn、Cu及Zn向黑麥草根部及地上部分富集遷移。綜上，黑麥草對特征金屬的富集能力與秸稈生物炭的添加比例密切相關，在研究設置條件下，與對照組相比，從草黑麥草富集特征金屬的含量來評價，添加2%以上的秸稈生物炭可以阻控黑麥草對煤矸石污染土壤中特征金屬的富集和遷移。

關鍵詞 秸稈生物炭；煤矸石；特征金屬；黑麥草

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）21-0128-05

Effects of biochar on the growth and enrichment of characteristic metals of

ryegrass in coal gangue contaminated soil

CHEN Hao1" " XU Xiuyue1，2*" " WANG Ningning3" " ZHAO Manman1" " ZHAO Ruirui1" " CHEN Guanglong1" " CHEN Fan1

（1School of Geography and Resources， Guizhou Normal University， Guiyang 550018， China;

2Guizhou Province Key Laboratory of Geographical Monitoring of River Basin， Guizhou Normal University， Guiyang 550018， China;

3Chongqing Key Laboratory of External Mining and Mine Environment， Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources， Chongqing 401120， China）

Abstract To explore the influence of straw biochar on the enrichment of ryegrass in coal gangue contaminated soil， this study used the indoor pot experiments to add 1%， 2% and 5% straw biochar to coal gangue contaminated soil. The contents of Fe， Mn， Cu and Zn in ryegrass were analyzed， and their biological enrichment coefficient （BCF） and transport coefficient （TF） were evaluated. The results showed that when the amount of 1%， biochar promoted the increase of Fe， Mn and Zn content in the root of ryegrass was 1%， while when the amount was 2% and 5%， the enrichment migration of Fe， Mn， Cu and Zn in the characteristic heavy metals in the soil to the root and aboveground parts of ryegrass was controlled. In summary， ryegrass of metal enrichment ability is closely related to the proportion of straw biochar. Compared with the control group under the set conditions， ，" adding more than 2% straw biochar can control the metal enrichment and migration in the coal gangue pollution soil.

Keywords straw biochar; coal gangue; characteristic metal; ryegrass

煤矸石是煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的一種熱值低、利用困難的固體廢棄物，其主要處理方式包括回收熱量用于發(fā)電，作為沉陷礦坑充填原料等，這些方式利用的煤矸石不到30%，仍有大部分煤矸石由于質(zhì)地差、熱量低等原因難以被循環(huán)利用[1]。未被利用的部分煤矸石露天堆放在礦區(qū)周邊[2]，不僅占用大量土地，還會帶來嚴重的水土流失以及有毒有害氣體和元素的釋放，引起礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化[3]。崔龍鵬等[4]研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石長期風化、淋溶導致其周邊土壤發(fā)生重金屬累積性污染，土壤重金屬含量呈現(xiàn)出隨煤矸石堆積時長和風化程度增加而增加的趨勢，這也表明煤矸石中重金屬釋放是一個長期持續(xù)的過程，因此，對煤矸石污染土壤的修復尤為重要。

近年來，植物修復以其價格低廉、操作簡便、可美化環(huán)境等優(yōu)點被學者所重視。植物修復即通過植物提取、固定和揮發(fā)等方式穩(wěn)固或去除土壤中的污染物質(zhì)，降低環(huán)境受污染物質(zhì)的危害[5]。植物修復因具有安全環(huán)保及可進行大規(guī)模原位修復等特點被認為是一種經(jīng)濟有效的土壤重金屬去除方法[6]。同時，煤矸石中含有的Zn、Fe和Cu等元素可供給植物生長所需，因此，對煤矸石污染土壤性質(zhì)進行改良，并用于植物栽培是一條優(yōu)良的利用途徑[7]。

相關研究證明，生物炭能顯著影響土壤中重金屬的形態(tài)、富集和遷移[8]。生物炭具有較大比表面積和孔隙度，表面各種基團發(fā)生配位反應以及表面離子進行離子交換反應，都對重金屬有很強的吸附能力，可以降低土壤中重金屬可交換態(tài)含量、降低重金屬的生物有效性，對于提高土壤pH效果明顯，可使煤矸石與秸稈生物炭結合并處于一個平衡狀態(tài)[9]。生物炭的添加能增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤肥力，使作物增產(chǎn)[10]，秸稈生物炭還可通過釋放磷元素來有效固定土壤中的重金屬，抑制作物對重金屬的富集和轉運，減輕重金屬對地表植物的毒害[11]，從而使得煤矸石土壤可以為作物栽培所用，實現(xiàn)安全利用。本試驗以植物和生物炭為試驗材料，以煤矸石污染土壤為研究對象，探討生物炭的不同添加量對煤矸石污染土壤中植物的生長及富集特征金屬的影響，以期為生物炭修復煤矸石污染土壤提供一定的實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自貴州師范學院周邊田間土壤，采集0～20 cm的表層土樣，經(jīng)自然風干，去除雜草、砂石等雜質(zhì)后研磨過2 mm的尼龍篩，裝袋備用。供試土壤的理化性質(zhì)：pH值7.4，EC 834 μm/cm，有機質(zhì)21.6 mg/kg，F(xiàn)e 32 741.0 mg/kg，Mn 42.7 mg/kg，Cu 37.4 mg/kg和Zn 79.8 mg/kg。煤矸石來自貴州省清鎮(zhèn)市某矸石堆場。煤矸石的理化性質(zhì)：pH值2.76，EC 2 219 μm/cm，有機質(zhì)9.7 mg/kg，F(xiàn)e 37 200.0 mg/kg，Mn 112.0 mg/kg，Cu 118.6 mg/kg和Zn 199.1 mg/kg。黑麥草種子購于網(wǎng)上農(nóng)資專賣店，秸稈生物炭購于線上生物炭專賣店。

1.2 試驗方法

試驗于貴州師范學院試驗大棚內(nèi)進行，共設4個處理組：CK，不添加秸稈生物炭；BP1，按質(zhì)量比添加1%秸稈生物炭；BP2，按質(zhì)量比添加2%秸稈生物炭；BP3，按質(zhì)量比添加5%秸稈生物炭，每個處理組分別設置3個平行試驗。

400 g煤矸石與1 600 g土壤混合均勻置于直徑16 cm、高12 cm的塑料花盆中，將不同比例秸稈生物炭置于各處理土壤中，靜置過夜。黑麥草種子用75%乙醇浸泡30 s殺菌處理，然后用去離子水沖洗干凈，選擇顆粒飽滿、成熟度一致的黑麥草種子播于盆中，每盆180粒，盆栽試驗在自然條件下進行，各盆栽的土壤水分含量均保持在土壤田間持水量的50%。15 d后進行間苗，整個試驗過程中隨機交換花盆位置，并定期澆水，種植90 d后收獲。

1.3 測定項目及方法

黑麥草生長90 d后，用不銹鋼剪刀將植株地下部分、地上部分截取后用去離子水沖洗干凈，分別置入烘箱中，在105 ℃下殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，粉碎后過100目篩，于自封袋中保存?zhèn)溆茫桓H土壤樣品自然風干后過100目篩備用。

采用硝酸—氫氟酸—高氯酸對土壤及植物樣品進行消解，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（iCAP RQ，賽默飛世）測定土壤中Mn、Cu和Zn含量，F(xiàn)e采用原子吸收分光光度計（WFX-110，北京瑞利）進行測定。

富集系數(shù)（BCF）=植物地上部分特征金屬含量/土壤特征金屬含量；轉運系數(shù)（TF）= 植物地上部分特征金屬含量/植物根部重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS statistics 25.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，采用Origin 2022作圖。使用BCF、TF對黑麥草的富集能力及轉運能力進行分析與評價。

2 結果與分析

2.1 不同處理組黑麥草體內(nèi)重金屬富集量的變化

植物對重金屬的富集能力是重金屬污染土壤生態(tài)修復的重要評價指標。植物對重金屬的富集能力與根際土壤的理化特征[12]、植物種類[13]及根際土壤重金屬含量有關[14]。本試驗中各處理組黑麥草對煤矸石污染土壤中特征金屬的富集量如圖1所示。在煤矸石污染土壤中，與對照組相比，添加1%秸稈生物炭的BP1處理組植株地下部分Fe含量提高；而BP2和BP3處理組中植株地上部分、地下部分Fe含量均顯著降低（Plt;0.05），其中BP3處理組中植株地上部分和地下部分Fe含量分別降低65.55%和34.74%，低添加量的生物炭可以促進植株體內(nèi)Fe含量的增加，而高添加量的生物炭則抑制植物對Fe的吸收和富集。秸稈生物炭不同添加量的黑麥草體內(nèi)Mn含量的變化如圖1-（b）所示，當秸稈生物炭的添加量為1%時，植株地下部分Mn含量明顯高于對照處理，當秸稈生物炭添加量大于2%時，BP2和BP3處理組中黑麥草地下部分和地上部分Mn含量均顯著減少（Plt;0.05）。BP2處理組植株地下部分Cu含量顯著低于對照組（Plt;0.05），在各處理組中植株地上部分Cu含量均顯著低于對照組（Plt;0.05），其中BP3處理組中植株地上部分Cu含量降低了61.23%。上述結果表明，添加秸稈生物炭會影響黑麥草對污染土壤中特征金屬的富集，其富集量與秸稈生物炭添加量及重金屬的種類不同而不同，當秸稈生物炭的添加為1%時，黑麥草地下部分Fe、Mn和Zn的含量明顯高于對照組，當添加量達到2%或5%時，黑麥草體內(nèi)重金屬含量明顯降低，說明高比例添加量的生物炭抑制了植物對重金屬的吸收和富集。

2.2 不同處理組中黑麥草對重金屬遷移的影響

植物對重金屬的富集系數(shù)（BCF）反映重金屬元素從土壤向植物體內(nèi)遷移的難易程度，轉運系數(shù)（TF）是植物地上部分或者植物莖葉部分重金屬含量與植物根系重金屬含量的比值，反映植物地上部分或莖葉部分對重金屬元素的吸收能力的差異。根據(jù)富集系數(shù)和轉運系數(shù)計算公式，對不同處理組中黑麥草及污染土壤中特征金屬含量進行計算，分別得到不同處理組中特征金屬在植株地上部分、地下部分的BCF和TF，計算結果如表1所示。秸稈生物炭的添加量對黑麥草富集特征金屬的富集系數(shù)有一定影響，不同處理組中黑麥草對污染土壤中4種特征金屬的富集系數(shù)差異較大，BP1處理組中，黑麥草根部對Fe、Mn、Cu和Zn等4種重金屬的富集系數(shù)均大于對照處理組，說明1%添加量的生物炭促進了黑麥草地下部分對4種特征金屬的富集和吸收，但隨著生物炭添加量的增加，黑麥草根部及地上部分對Fe、Mn、Cu和Zn的富集系數(shù)均小于對照處理組，說明生物炭的添加比例超過2%時，抑制黑麥草對4種特征金屬的富集和吸收。由此可見，秸稈生物炭的添加對黑麥草轉運特征金屬具有一定的影響，高比例添加量的生物炭抑制煤矸石污染土壤中特征金屬向黑麥草體內(nèi)的轉移，并且隨著添加量的增加抑制效果更加明顯。

3 結論與討論

本試驗條件下，當添加量為1%時，生物炭促進了煤矸石污染土壤中黑麥草根部Fe、Mn和Zn含量的增加，而當添加量為2%和5%時，生物炭則阻控土壤中特征重金屬Fe、Mn、Cu及Zn向黑麥草根部及地上部分的富集。生物炭對黑麥草的富集系數(shù)產(chǎn)生了一定的影響，黑麥草體內(nèi)Fe、Mn、Cu和Zn 4種特征金屬的富集整體趨勢與植株地下、地上部分的變化趨勢基本一致；各處理組中黑麥草對Mn的富集能力較強。綜合來看，針對本研究中的煤矸石污染土壤，從黑麥草富集重金屬的含量來評價，添加2%以上的秸稈生物炭可以降低植物對煤矸石污染土壤中特征金屬的富集和遷移。

本研究結果表明，當秸稈生物炭的添加量在1%時，黑麥草根部Fe、Mn和Zn的含量均增加。李金輝等[15]的研究表明，煤矸石中Ni、Pb、Cd和Cr主要以穩(wěn)定態(tài)存在，生物有效性較差，可利用量較少，而土壤中養(yǎng)分物質(zhì)的利用大多是由酶催化的，因此，土壤酶活性是土壤質(zhì)量變化的重要指標之一[16]。生物炭通過改變土壤理化性質(zhì)（尤其是pH值）影響酶活性。生物炭是在高溫條件下裂解形成的，其巨大的表面積和陽離子交換量為微生物提供了棲息地，并且置換出來大量的游離態(tài)金屬，可供植物吸收利用[17]，因此在生物炭添加量為1%時，黑麥草根部Fe、Mn和Zn的含量均出現(xiàn)增加的趨勢。當添加量為2%和5%時，生物炭則阻控土壤中特征重金屬Fe、Mn、Cu及Zn向黑麥草根部及地上部分的遷移，這可能是由于生物炭的增多引起游離態(tài)的金屬元素開始出現(xiàn)競爭，通過競爭運輸位點，打破根系鐵膜[18]等方式抑制Fe、Mn、Cu及Zn的富集；且生物炭強大的吸附性降低了特征金屬的生物有效性，進而抑制了其向黑麥草地上部分轉移，達到了降低黑麥草生物富集系數(shù)和轉運系數(shù)的效果[19]。有研究表明，秸稈生物炭中的有機質(zhì)組分易被土壤中微生物分解轉化為富含官能團（如-COOH、-OH、-C=O及-SH等）的類腐殖質(zhì)物質(zhì)，這類物質(zhì)可與重金屬發(fā)生絡合、螯合等反應形成相應的絡合物和螯合物，絡合物和螯合物可以有效阻控重金屬向植物體內(nèi)的富集[20-21]。生物炭的添加促進了煤矸污染土壤中活性態(tài)重金屬的轉化，使土壤中活性態(tài)重金屬向其他穩(wěn)定態(tài)轉換[22]，從而降低了重金屬的移動性和有效性，減少了植物對重金屬的富集量。各處理組中黑麥草對Mn的富集能力較強。

本研究通過盆栽試驗，向煤矸石污染土壤中添加不同比例（1%、2%和5%）的秸稈生物炭，探索秸稈生物炭對煤矸石污染土壤中黑麥草富集特征金屬的影響。從試驗結果來看，秸稈生物炭的添加對煤矸石污染土壤上黑麥草富集和遷移特征金屬有一定效果，但仍需從不同生物炭之間的配比、生物炭施用對微生物的影響、不同土壤類型等方面開展進一步的探索，并開展大田試驗，從多方位來評價生物炭施用效果，明確相關作用機理。

參考文獻

[1] 胡振琪.酸性煤矸石山污染原位控制與生態(tài)重建聯(lián)合治理技術及示范[J].中國科技成果，2014（5）：17-18.

[2] 王玉濤.煤矸石固廢無害化處置與資源化綜合利用現(xiàn)狀與展望[J].煤田地質(zhì)與勘探，2022，50（10）：54-66.

[3] 田莉，于曉萌，秦津.煤矸石資源化利用途徑研究進展[J].河北環(huán)境工程學院學報，2020，30（5）：31-36.

[4] 崔龍鵬，白建峰，史永紅，等.采礦活動對煤礦區(qū)土壤中重金屬污染研究[J].土壤學報，2004，41（6）：896-904.

[5] 邢艷帥，喬冬梅，朱桂芬，等.土壤重金屬污染及植物修復技術研究進展[J].中國農(nóng)學通報，2014，30（17）：208-214.

[6] 李婉怡，於維維，余瓊陽，等.土壤重金屬–有機物復合污染環(huán)境效應與修復技術研究進展[J].土壤，2023，55（3）：453-463.

[7] 李振，雪佳，朱張磊，等.煤矸石綜合利用研究進展[J].礦產(chǎn)保護與利用，2021，41（6）：165-178.

[8] 安茂國.兗州煤田煤矸石中敏感性元素動態(tài)淋濾特征及環(huán)境效應評價[J].山東國土資源，2019，35（7）：51-57.

[9] 胡紅青，黃益宗，黃巧云，等.農(nóng)田土壤重金屬污染化學鈍化修復研究進展[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2017，23（6）：1676-1685.

[10] 吳烈善，曾東梅，莫小榮，等.不同鈍化劑對重金屬污染土壤穩(wěn)定化效應的研究[J].環(huán)境科學，2015，36（1）：309-313.

[11] 候月卿，趙立欣，孟海波，等.生物炭和腐植酸類對豬糞堆肥重金屬的鈍化效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（11）：205-215.

[12] ADAMCZYK S D，MARKIEWICZ J，WOLF W M. Heavy metal uptake by herbs.IV.influence of soil pH on the content of heavy metals in Valeriana officinalis L[J]. Water，air，amp;soil pollution，2015，226（4）：106.

[13] THATOI H，MISRA A K，PADHI G S. Comparative growth，nodulation and total nitrogen content of six tree legume species grown in iron mine waste soil[J]. Journal of tropical forest science，1995，8（1）：107-115.

[14] 徐磊，周靜，崔紅標，等.重金屬污染土壤的修復與修復效果評價研究進展[J].中國農(nóng)學通報，2014，30（20）：161-167.

[15] 李金輝，王平，何超，等.某礦區(qū)煤矸石山重金屬形態(tài)分布及生態(tài)風險評價[J].云南化工，2022，49（10）：75-79.

[16] SAMUEL A D，DOMUTA C，CIOBANU C，et al. Field management effects on soil enzyme activities[J]. Romanian agricultural research，2008，25：61-68.

[17] 劉新源，劉國順，劉宏恩，等.生物炭施用量對煙葉生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學，2014，43（2）：58-62.

[18] 張亞東，劉海學，楊仁杰，等.鎘對不同品種水稻地下部礦質(zhì)元素吸收的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學報，2021，34（10）：2248-2257.

[19] 杜彩艷，木霖，王紅華，等.不同鈍化劑及其組合對玉米（Zea mays）生長和吸收Pb Cd As Zn影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（8）：1515-1522.

[20] 悅飛雪，李繼偉，王艷芳，等.施用秸稈生物炭和雞糞對鎘脅迫下玉米生長及鎘吸收的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2018，37（10）：2118-2126.

[21] 沈皖豫，吳旋，蔣澤倫，等.施用稻殼生物炭對番茄植株中Cu和Pb含量的影響[J].土壤通報，2020，51（5）：1232-1237.

[22] 董雙快，王麗萍，李典鵬，等.生物炭對蘇丹草吸收Cd、Pb的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2017，31（5）：186-191.

（責編：何 艷）