生物炭对土壤有机碳封存和镉稳定性的影响：来自有机-矿物复合体老化过程的启示

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effect of biochar on soil organic carbon sequestration and cadmium stability: Insights from aging in organic-mineral complexes

　　

颜马|郭玲玲|谷天宇|姚宇|张珂|吴文倩|陈云晓|史毅

中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京，100083，中国

摘要

土壤镉（Cd）污染日益严重，对生态安全和人类健康构成威胁。生物炭（BC）可以固定重金属并储存碳，但其长期稳定性及其与环境因素的相互作用仍不明确。本研究通过结合湿干循环、冻融循环和紫外线照射等老化实验，以及土壤物理分级和¹³C同位素追踪技术，进一步探讨了BC在不同环境条件下的镉固定作用和有机矿物复合体（OMCs）形成过程。结果表明，BC能够提高土壤稳定性，增强溶解有机物的抗分解能力，并减少土壤有机质的持续流失，显著降低有效镉含量，提高残余镉的比例，从而降低镉的环境风险。同时，BC还可增加土壤碳含量。添加5%的BC可减少土壤老化过程中的有机碳损失；直径小于2 μm的OMCs中的有机碳更为稳定。¹³C追踪显示，老化后直径大于200 μm的OMCs中BC的比例增加，表明碳从细颗粒转移到了粗颗粒。相关性分析表明，土壤有机碳与残余镉呈正相关。生物炭增加了大尺寸OMCs的数量，改善了土壤稳定性，并促进了有机质与矿物的反应，增强了镉和碳的协同稳定作用，为土壤中镉和有机质的联合控制提供了依据。

引言

随着工业和农业的快速发展，许多重金属通过大气沉降、废水排放和固体废物储存持续进入土壤，对土壤生态安全造成严重威胁[1]。其中，镉（Cd）尤为值得关注，因为它在土壤中迁移性强，急性毒性高，来源广泛[2]。化肥的滥用和工业活动的扩张将镉释放到环境中[3]。含有镉的废水、废气和固体废物的排放导致大量镉在土壤中积累[4]。在广西和湖南等污染严重的地区，镉的积累水平已达到自然背景水平的3-8倍[5]。土壤镉污染降低了土壤肥力，影响作物品质，并通过食物链危害人体健康[6]。此外，镉污染破坏了土壤团聚体结构，减少了水分和养分的保持能力，导致耕地面积减少[7]。因此，亟需有效的修复方法来减缓镉的生态风险并提高土壤安全性。

镉污染是土壤修复中的关键问题，因为镉在土壤中停留时间较长，会造成长期危害。大多数修复方法侧重于其稳定化和固定[8][9]。常用的稳定剂如波特兰水泥、石灰、粉煤灰和某些磷酸盐肥料需要大量使用，可能造成二次污染。而生物炭（BC）具有更好的环境相容性，表现出明显优势，具有较高的成本效益且对环境安全无害。先前的研究已验证BC、木炭粉和原始污泥及其混合物对土壤改良的效果[10]，在这些受污染的土壤中，BC的固定效果优于传统方法[11]。BC具有较大的比表面积和多种功能基团，可通过物理吸附、离子交换、表面复合和沉淀作用固定镉，同时还能改善土壤质量并促进植物生长[12][13]。

当BC和矿物颗粒通过静电作用相互吸引时，会形成有机矿物复合体（OMCs）[14]。随后，这些复合体与有机物质结合并与矿物离子反应形成复杂结构，成为土壤结构的基本单位[15]。其粒度分布和组成直接影响土壤物理性质[16]。添加BC可提高有机矿物团聚体的机械稳定性，改善土壤结构并影响土壤有机碳（SOC）的储存[17]。研究表明，BC作为外部碳源，改变了土壤团聚体结构，从而增强了碳的储存和稳定性。OMCs对土壤结构至关重要，是污染物传输和积累的关键媒介。研究显示，这些复合体可通过沉淀和吸附作用稳定重金属，镉在土壤中的固定和迁移受其与不同尺寸OMCs相互作用的影响[18][19]。

土壤本身的物理化学性质（如pH值、含水量等）主要影响土壤微界面与重金属之间的反应[20]。BC对土壤环境的影响受土壤固有特性的制约，进而影响重金属在土壤中的迁移和转化[21]。土壤pH值和含水量影响BC与重金属的稳定性，从而影响OMCs在土壤中的粒径分布和稳定性[22]。BC的应用不仅直接改变土壤的物理化学性质和碳库结构，还通过调节碳封存的动态平衡影响整个生态系统中的碳循环过程[23]。现有研究表明，BC主要通过三种途径实现SOC封存：作为外源碳源促进碳富集、影响土壤团聚体结构间接改变碳稳定性，以及改变参与SOC降解的微生物群落[24][25]。BC进入土壤后会逐渐老化，老化过程中其微观结构会受到损伤，增加溶解性和迁移性[25]。同时，矿物吸附、有机质相互作用和微生物定殖会改变BC的孔结构和表面活性，增加比表面积和阳离子交换容量（CEC），从而增强重金属固定能力[26][27]。另有研究表明，老化后的BC具有更多表面功能基团，镉吸附能力更强[28]。利用BC修复镉污染土壤可减少镉污染并增加土壤碳储存，改善区域碳平衡[29]。因此，BC为污染控制与碳封存提供了新的结合途径。

然而，以往的大多数老化研究仅采用单一或传统因素。本研究的新颖之处在于应用了一种新的耦合老化方案，包括湿干循环、冻融循环和紫外线照射，将粒度解析的OMCs与镉成分和SOC稳定性联系起来。具体来说，本研究的目的是：(1)探究不同土壤/BC老化条件下土壤物理化学性质和OMCs的变化；(2)明确土壤OMCs粒径变化对BC长期固定镉效果的影响；(3)阐明老化过程中OMCs演变模式对镉固定和SOC稳定性的影响。这些发现将为BC在镉污染土壤中的稳定作用提供理论基础，并为长期应用策略提供科学支持。

章节片段

土壤条件

土壤样本采自中国北京附近一个镉污染严重的矿区。采集后，将土壤带回实验室进行预处理，风干均匀后通过2毫米筛网去除杂质。实验前测量了土壤的基本物理和化学性质，主要参数见表1。

BC制备

玉米秸秆被用作BC生产的原料，在85°C的烤箱中干燥至恒重

SOC的物理和化学结构

本研究中，BC3和BC5分别表示与土壤混合3%和5%的老化样品。图1a显示了土壤/BC老化后的FTIR光谱。在对照组（CK）中，观察到3600 cm^-1（羧基O-H伸缩振动）、2925 cm^-1（烷烃C-H伸缩振动）、1030 cm^-1（脂肪族醚C-O不对称伸缩振动）和700-900 cm^-1（芳香族C-H面内弯曲振动）等峰[33]。添加BC后，C-H和C-O伸缩振动的强度发生变化

结论

本研究通过BC与土壤共同老化的实验，研究了BC用量、pH值和含水量对土壤物理化学性质、SOC及镉形态的影响。结合粒度分级和碳同位素追踪技术，全面揭示了BC对土壤镉和有机碳的长期稳定作用。结果显示，BC提高了土壤的CEC和pH值，同时降低了EC；而酸性和碱性条件则通过增加EC来促进镉的移动

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CRediT作者贡献声明

史毅：项目监督、管理。陈云晓：写作 – 审稿与编辑、监督、数据管理、概念构思。张珂：方法设计、实验研究。吴文倩：实验研究、数据分析。谷天宇：方法设计、实验研究、数据分析。姚宇：实验研究、数据分析、数据管理。颜马：初稿写作、方法设计、实验研究。郭玲玲：方法设计、实验研究、资金申请、数据分析。

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

本研究得到了国家自然科学基金（42577011）、鄂尔多斯市国家可持续发展议程创新示范区建设科技支撑项目（JB20251445）、北京市自然科学基金（项目编号8222072）、辽宁省重点研发计划（2024JH2/102500010）以及辽宁省农业科学院基础研究计划（2026JC4023）的支持。