《Environmental Research》：Effects of Biochar Amendment on Rice Fe/As Uptake and Growth in Mine Drainage-Polluted Paddy Soil under Continuous Cropping
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本研究针对高砷酸性矿井废水污染的稻田，通过两年盆栽实验探究竹炭改良效果。发现竹炭显著提高土壤pH（5.5→6.2），增加Fe/As溶解量（分别115.5%和24.6%），但老化后固持能力下降65%。水稻根系/茎部Fe/As累积受竹炭调控，籽粒砷含量未显著增加，适量竹炭促进生长且部分效果持续两年。
宋万胜|刘风竹|张赤鹏|张顺远|陈汉|张晓天|杨月月|张瑞雪
资源与环境工程学院，教育部喀斯特地质资源与环境重点实验室，贵州大学，贵阳550025，中国
摘要
受含砷酸性矿井排水污染的稻田表现出土壤酸化现象，铁（Fe）和砷（As）含量升高，这会阻碍水稻的生长。生物炭具有独特的化学成分和物理结构，具有修复此类退化农田的潜力。然而，生物炭在土壤中会逐渐老化，因此需要准确了解其长期修复效果。本研究收集了受高砷含量煤矿排水污染的土壤，并以3%和5%（重量百分比）的用量添加了竹子衍生的生物炭。通过为期两年的盆栽实验，研究了土壤-生物炭-水稻系统中铁/砷的地球化学行为变化以及生物炭老化对水稻生长的影响。结果表明，生物炭将淹水土壤的pH值从5.5平均提高到了6.2，同时使土壤水中的铁/砷浓度分别增加了115.5%和24.6%。这些效应在生物炭老化一年后有所减弱。这两种溶解离子主要通过与生物炭表面丰富的官能团结合而被固定。然而，在生物炭老化过程中，这些官能团会逐渐脱离，导致固定能力下降超过65%。在两年期间，由于生物炭的应用，水稻根部的铁/砷含量减少，而水稻茎部的砷含量增加。重要的是，水稻籽粒中的砷含量没有显著变化。水稻生长受土壤中提高的铁/砷生物可利用性的影响很小。适量的生物炭应用促进了根部和茎部的生长，并显著增加了1000粒稻谷的重量；而过量应用虽然也促进了根部和茎部的生长，但这种促进生长的效果在生物炭老化后仍能保持一定程度。
引言
生物炭（BC）作为一种有前景的土壤改良剂，近年来受到了广泛关注，特别是在修复受采矿活动污染的农田方面的应用研究日益增多（Chen等人，2025；Ippolito等人，2024；Ye等人，2025）。它不仅可以补充退化土壤中的养分，还因其丰富的官能团而表现出很强的重金属固定能力，从而提高谷物产量并改变作物组织中的重金属含量（Bano等人，2025；Qian等人，2025；Wang等人，2022）。然而，关于含砷稻田的生物炭应用研究所得到的结论并不一致，这主要是由于影响土壤-水稻系统中砷迁移和转化的因素复杂（Herath等人，2020；Mandal等人，2024；Yuan等人，2021）。此外，生物炭在土壤中会老化，导致其物理化学性质发生变化，从而影响其作为土壤改良剂的效果（Ivanova等人，2023；Liu等人，2024；Long等人，2024）。因此，需要对含砷稻田进行多种植物周期的观察研究，以评估基于生物炭的修复和改良效果。
含砷的酸性矿井排水（AMD）会污染稻田，不仅导致土壤酸化、铁积累以及砷含量超标，还会导致矿物质淋溶和养分含量减少，从而阻碍水稻生长。生物炭含有碳酸盐和氢氧化物等碱性成分、氮（N）、磷（P）和有机物（OM）等营养成分，以及羧基和羟基等丰富的官能团，并具有多孔结构。这些性质都在修复和改良受污染稻田的过程中发挥作用。具体来说，生物炭可以中和酸性物质并提高土壤pH值（Xia等人，2023；Zheng等人，2022），这可能会增强微生物还原铁氧化物过程中释放的砷的迁移性（Wang等人，2017）。然而，自由的亚铁离子容易与生物炭表面的含氧官能团结合形成铁氧化物。这些经过自然改性的生物炭对含砷阴离子具有很强的吸附能力，可以促进砷在土壤水中的二次分配，从而防止水稻过量吸收砷（Irshad等人，2022）。此外，一些研究表明生物炭表面的官能团可以直接结合砷（Wang等人，2019；Zhang等人，2022）。所有这些机制都有助于减少生物炭应用后水稻对砷的吸收（Gong等人，2022）。然而，不同的应用条件也可能导致相反的结果。当生物炭用量较高时，不仅会显著增强微生物的代谢活动（Kerner等人，2023），还会使溶解有机物（DOM）与砷结合，促进砷的迁移，最终导致水稻中砷含量增加，可能危害其生长（Fan等人，2024）。新施用的生物炭含有丰富的养分和官能团，并具有明显的多孔结构特征，这些有利因素有助于减轻砷的毒性并增加水稻的生物量和产量（Hao等人，2025；Yang等人，2024）。然而，随着生物炭在土壤中逐渐老化，其性质会发生变化，其对水稻中砷吸收和生长的影响也可能发生变化。
在稻田的多种植物周期中，生物炭通过与土壤矿物质和微生物的持续相互作用而老化。因此，其化学成分和物理化学性质都会发生明显变化。特别是在受AMD污染的农田中，土壤胶体中含有大量酸性离子且矿物组成复杂，老化的潜在影响可能更为显著。生物炭的碱性成分不断溶解和淋溶，削弱了其中和及缓冲能力。一些有机成分分解，而在有氧条件下，表面含氧官能团的数量可能会增加，从而增强对重金属离子的吸附和固定能力（Ge等人，2024）。然而，对于木质素含量高的生物质制备的生物炭来说，这种转化过程不太明显（Wang等人，2020；Yuan等人，2021）。其孔隙可能会被细小粘土颗粒堵塞，从而降低其砷吸附能力；但这种能力也可能因矿物沉积而得到增强（Ren等人，2018；Si等人，2024；Zanutel等人，2023）。生物炭还可能因土壤水分含量的周期性变化和冻融循环而发生破碎（Tan等人，2020；Wang等人，2021）。随着生物炭施用于土壤后的时间延长，其组成和结构的变化会影响稻田中砷的转化，以及水稻的生长和发育，因为砷胁迫强度和养分供应的变化。因此，有必要准确掌握生物炭修复含砷AMD污染稻田效果年的变化。
本研究以高砷含量煤矿地区受酸性排水污染的稻田为研究对象，通过盆栽实验探讨了使用竹子衍生的生物炭修复后两年内土壤性质和水稻生长表现的变化。主要内容涵盖三个方面：1）实验两年期间水稻生长过程中土壤中铁/砷释放模式的相似性和差异；2）铁/砷从土壤转移到生物炭的过程及其随生物炭老化的变化；3）水稻对这两种元素的吸收和积累特征及其生长和发育的变化。这些发现可以为预测应用生物炭改善AMD污染稻田的长期效果提供理论基础。
材料准备
土壤样本取自中国西南部贵州省兴仁县废弃稻田的耕作层。基岩为沉积碳酸盐岩，土壤质地为粉质粘壤土。这些稻田受到20世纪90至21世纪高砷含量煤矿尾矿堆产生的含砷AMD的污染。土壤呈酸性（pH值3.9），铁含量约为13克/千克，砷含量约为95毫克/千克（Chen等人，2022）。
生物炭对土壤pH值和Eh值的影响
土壤的酸碱性及氧化还原电位是影响矿物环境行为的两个关键因素，这些因素会随着物质组成的变化而变化。将生物炭加入稻田土壤中可以提高土壤pH值（图1a）。碳酸盐和氨基（-NH2）等碱性物质可以改良酸化的土壤（Zheng等人，2022）。在第一年，从分蘖期到抽穗期，土壤pH值有所上升，随后在所有处理组中均有所下降。
结论
将生物炭应用于修复受含砷酸性矿井排水污染的稻田后，水稻连续种植了两年。在此期间，土壤pH值和Eh值均有所升高，同时土壤中铁/砷的释放也增强。然而，生物炭在两年实验过程中逐渐老化，其调节能力随之减弱。原始生物炭倾向于在土壤中吸附铁氧化物和砷，但在持续种植过程中，这些物质的吸附能力逐渐降低。
CRediT作者贡献声明
宋万胜：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。
杨月月：数据管理。
张瑞雪：概念构思。
陈汉：数据可视化。
张晓天：数据管理。
刘风竹：方法学研究、实验设计。
张顺远：数据分析。
张赤鹏：概念构思。
本研究使用或分析的数据集可向相应作者提出合理请求后获取。
作者声明没有与本文内容相关的利益冲突。
? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
作者感谢贵州省基础研究项目（项目编号ZK[2024]016）和贵州省科学技术部门项目（项目编号GCC[2023]045、LH[2024]029）的支持。
