生物炭对矿区土壤重金属有效性及形态的影响

与对照CK相比，添加不同比例的生物炭均可以提高土壤的pH，而且随着生物炭添加量的增加而增加。培养结束后，与对照CK相比，1%、3%和5%添加水平下pH分别增加了1.14个、1.42个和1.67个单位。这首先是由于玉米秸秆生物炭本身呈碱性，加入土壤后，生物炭中的碱性物质逐步释放出来，不断中和土壤中的酸性离子，使得pH升高，且添加量越大越明显。其次，玉米秸秆生物炭中含有较高含量的矿物灰分（22.81%），灰分中含有丰富的钾、钙、钠和镁等盐基离子，施入土壤后增加了土壤的盐基饱和度。一些可溶性的盐基离子通过交换作用，降低了土壤中H+和Al3+的浓度，使土壤pH升高[16]。

土壤CEC表示在一定的pH条件下，每千克土壤中带负电荷的土壤胶体通过静电引力能够吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数量[17]。土壤CEC不仅可以反映土壤吸附能力，还可以评价土壤的保水保肥能力（CEC<10cmol/kg，保肥能力较弱；10cmol/kg20cmol/kg，保肥能力较强）[18]。添加生物炭对土壤CEC的影响如图4所示，在56d的培养过程中，未添加生物炭的对照CK组土壤CEC没有太大变化，在6.41～6.58cmol/kg之间波动，土壤保肥供肥能力较差。添加生物炭后，前7d土壤的CEC随时间变化较大，之后逐渐趋于稳定。1%添加水平在第14d时CEC达到最大值8.53cmol/kg；3%添加水平在第56d时CEC达到最大值10.01cmol/kg；5%添加水平在第7d时CEC达到最大值11.85cmol/kg。56d培养结束后，土壤CEC在1%、3%和5%添加水平下分别比对照CK组增加了2.02cmol/kg、3.60cmol/kg和5.39cmol/kg，CEC随着生物炭施用量的增大而增大。这主要是因为施加生物炭后，生物炭与土壤胶体中的颗粒会形成很多有机胶体、有机无机复合体和土壤团聚体，增加土壤胶体表面阳离子的吸附和置换能力，使得土壤CEC增大，进而增加土壤对重金属离子的固持作用[19]。此外，生物炭本身具有较大的CEC和比表面积以及大量的含氧官能团，这些特性都对CEC的增加贡献很大。

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2.3 施用生物炭对土壤重金属有效性的影响

土壤重金属污染风险不仅与重金属全量有关，更与其存在形态密切关联。重金属的有效性一般是指环境中重金属元素在生物体内的吸收、积累或毒性程度。分析重金属有效态的方法有很多，本次研究采用CaCl2法提取土壤中重金属的有效态。图5反映的是施用不同含量生物炭对土壤重金属有效性的影响。从图中可以看出，各对照CK组的土壤重金属有效态除了Mn有效态在21～35d之间波动较大之外，其余各对照组的重金属元素有效态基本都保持在稳定状态。与对照组相比，添加不同含量生物炭后，土壤中重金属有效态均呈现不同程度的降低，而且生物炭添加量越大，降幅也越大。在56d培养结束时，与对照CK相比，在1%添加水平下，生物炭分别使Cu、Zn、Pb和Mn有效态下降了31.4%、25.9%、41.5%和11.1%；在3%添加水平下，生物炭分别使Cu、Zn、Pb和Mn有效态下降了42.4%、36.2%、62.7%和20.3%；在5%添加水平下，生物炭分别使Cu、Zn、Pb和Mn有效态下降了49.2%、46.2%、72.5%和26.3%。