生物炭和堿性修飾對(duì)鎘固定的影響

兩種選定土壤中萵苣的營(yíng)養(yǎng)物和鎘濃度

為了評(píng)估七種處理方式的效率，包括由干糞便物和糞便產(chǎn)生的生物炭作為穩(wěn)定的鎘（Cd）刺激來(lái)源，將萵苣在溫室中兩種土壤上對(duì)比生長(zhǎng)。所用的土壤是中度肥沃的粉砂壤土和較不肥沃的砂壤土，施用的處理為7％w / w。我們對(duì)植物體中生物可利用的Cd（NH₄NO₃提取物）的減少量及其對(duì)萵苣的植物利用率做出評(píng)價(jià)。NH₄NO₃提取與摻料對(duì)照相比結(jié)果表明，糞便物質(zhì)生物炭，牛糞生物炭和石灰中生物可利用的Cd分別顯著降低了 84-87,65-68和82-91％。不可預(yù)測(cè)地，咖啡殼生物炭誘導(dǎo)NH₄NO₃提取物中的Cd顯著增加。糞便物質(zhì)生物炭和石灰的固定潛力優(yōu)于其他處理方式。然而，與生物炭處理相比，石灰和卵殼促進(jìn)了萵苣植物的統(tǒng)計(jì)學(xué)下降的產(chǎn)量和P，K和Zn濃度響應(yīng)。在兩種土壤中通過(guò)糞便物和牛糞生物炭處理誘導(dǎo)了萵苣植物的zui低Cd和zui高P組織濃度。此外，萵苣zui大的Cd植物可利用性降低是由粉砂壤土中的家禽垃圾和牛糞生物炭引起的。我們的研究結(jié)果表明糞便物和動(dòng)物糞肥生物炭已顯示巨大的潛力，促進(jìn)Cd固定化和萵苣生長(zhǎng)反應(yīng)在嚴(yán)重污染的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

方法

土壤和原料取樣和制備

從兩個(gè)地點(diǎn)，即亞的斯亞貝巴的廢水灌溉城市蔬菜種植場(chǎng)和巴比爾的雨育周圍花生種植場(chǎng)，收集兩種不同質(zhì)地類別的土壤，即粉砂壤土（PK）和砂質(zhì)壤土（BA）埃塞俄比亞。在每個(gè)地點(diǎn)，從表面挖掘約100kg的復(fù)合土樣品至15cm的深度。土壤樣品在塑料袋中運(yùn)輸?shù)綔厥?。將樣品風(fēng)干，勻化，并使用<2mm篩子過(guò)篩。

穩(wěn)定化處理

糞便物（FM）從亞的斯亞貝巴污水處理廠的污水干燥床收集。從10個(gè)深度的12個(gè)不??同位置取樣，然后混合成一個(gè)復(fù)合樣品。家禽垃圾（PL）也從Bishoftu的商業(yè)深層家禽農(nóng)場(chǎng)的干燥床獲得。從私人擠奶設(shè)施收集牛糞（CM）。 Prosopis juliflora（PJ）豆莢是從不同的Prosopis juliflora侵入的土地在Dire Dawa的一個(gè)城市地區(qū)收集的。還從亞的斯亞貝巴的生咖啡加工設(shè)備收集咖啡殼（CH）。牛糞樣品在溫室中進(jìn)行空氣干燥10天。

對(duì)于熱解，將原料樣品置于鋁爐中。加熱速率為15℃/ min。對(duì)于FM，CM和PL，在450℃進(jìn)行熱處理，對(duì)于PJ為480℃，在對(duì)于CH為375℃時(shí)進(jìn)行熱處理。熱解溫度對(duì)于FM，CM和PL維持60分鐘，對(duì)于PL維持62分鐘，對(duì)于CH維持55分鐘。在熱解之后，將燒焦的樣品從罐中取出并使其冷卻至室溫。蛋殼粉末（ES）也用從Bisfert的ELFORA plc收集的廢蛋殼制備。將蛋殼用熱水洗滌幾次，然后在72℃下加熱72小時(shí)以干燥，隨后使用研缽和研杵研磨成具有<1mm粒度的均勻粉末。石灰也獲自National Soil Testing Center。

實(shí)驗(yàn)裝置

在溫室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本研究中使用的處理是FM，CM，PL，PJ和CH生物炭，ES和LI。鎘作為四水合物（Cd（NO₃）₂·4H₂O）的溶液以50mg Cd / kg的速率施用于土壤。用Cd摻加的土壤以7％w / w的速率勻漿處理。簡(jiǎn)言之，將3kg空氣干燥的Cd處理的土壤與塑料罐中的每次處理充分混合。對(duì)于每種土壤類型，在*隨機(jī)設(shè)計(jì)中進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)一式三份。試驗(yàn)在溫度受控的玻璃房中進(jìn)行，每天定期進(jìn)行澆水。 2周后，將萵苣的8個(gè)種子播種在每個(gè)花盆中，并且在出苗后一周將萵苣幼苗稀釋至每盆三個(gè)（在對(duì)照和一些處理中只出現(xiàn)3或4個(gè)幼苗）。將盆放置在塑料碟上以防止?jié)B濾液排出。播種10周后，將上述地上生物量切割至土壤表面以測(cè)定苗鮮重。清潔上述地面生物質(zhì)以避免粘附的土壤顆粒。隨后在烘箱干燥至65℃恒重72小時(shí)后測(cè)定干重。將干燥的萵苣植物磨碎，研磨成細(xì)粉并儲(chǔ)存用于隨后的分析。收獲后，收集來(lái)自每個(gè)罐的土壤樣品，研磨至<2mm，并儲(chǔ)存用于pH和NH₄ NO₃可提取的Cd分析。植物利用率計(jì)算如下。

植物吸收性（％）= 植物中金屬濃度（mg / kg）×地上生物量（kg / pot）

土壤中的金屬濃度（mg / kg）×土壤質(zhì)量

分析

首先，將土壤和生物炭樣品研磨至<2mm。

對(duì)于全部元素，NH₄NO₃可提取的微量元素和傅立葉變換紅外（FTIR）分析，土壤和生物炭樣品用行星式球磨機(jī)研磨以獲得均勻的細(xì)粉末（Fritsch GmbH，Idar-Oberstein，德國(guó)）。研磨并攪拌1小時(shí)后，生物炭在水中的pH以1:20（w / v）比率測(cè)定。搖動(dòng)2小時(shí)，以1:2.5（w / v）比測(cè)定水懸浮液中的土壤的pH。在1g生物炭與20ml蒸餾水平衡1小時(shí)后測(cè)定生物碳的EC。在1g土壤與2.5ml蒸餾水平衡2小時(shí)后測(cè)定土壤的EC。使用具有濕分散單元的Analysette 22 MicroTec plus（Fritsch GmbH，Idar-Oberstein，Germany）通過(guò)激光衍射測(cè)定土壤粒度分布。對(duì)于全部元素分析，將0.25g生物炭和土壤置于50ml容器中，然后加入10ml濃HNO₃。將混合物在通風(fēng)櫥中冷消化靜置一夜，然后在1.6KW微波爐中加熱30分鐘。冷卻至室溫后，將10ml雙蒸水加入容器中，并通過(guò)0.45μm纖維素濾紙過(guò)濾。zui后，使用ICP-OES對(duì)濾液進(jìn)行總元素分析。通過(guò)將1g土壤和生物碳置于20ml NaHCO₃中30分鐘來(lái)提取Olsen-P（可用P）。將懸浮液通過(guò)0.45μm硝酸纖維素濾紙真空過(guò)濾，并使用ICP-OES進(jìn)行分析。對(duì)于C和N分析，將約3.5mg的生物炭和40mg的土壤稱重到樣品舟中，并使用C和N分析儀測(cè)定。使用乙酰苯胺作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)將0.15gm的生物炭加入15ml的0.1N NaOH中并搖動(dòng)30小時(shí)來(lái)測(cè)定總表面酸度。將懸浮液真空過(guò)濾，將5ml 0.1N NaOH等分試樣轉(zhuǎn)移到10ml的0.1N HCl中，以*中和未反應(yīng)的堿。使用裝配有691 pH計(jì)的Metrohm 725 Dosimat，用0.1N NaOH反向滴定溶液。類似地，通過(guò)將??0.15g生物炭與15ml 0.1N HCl一起振蕩30小時(shí)來(lái)測(cè)量表面堿度。將漿液真空過(guò)濾（0.45μm），將5ml 0.1N HCl與10ml 0.1N NaOH混合，以中和未反應(yīng)的酸。將溶液用0.1N HCl反滴定。通過(guò)計(jì)算生物炭的堿和酸吸收來(lái)確定總表面酸度和堿度。對(duì)于溶解的有機(jī)碳（DOC）測(cè)定，通過(guò)用0.01M CaCl₂以1:25比率（w / v）振蕩生物炭1小時(shí)來(lái)制備提取物。將懸浮液真空過(guò)濾并通過(guò)Dimatoc 2000測(cè)量。用BaCl₂法測(cè)定生物炭的可交換陽(yáng)離子和CEC。簡(jiǎn)言之，將2.5gm的生物炭稱重到50ml離心管中，然后加入30ml的0.1M BaCl₂。將試管搖動(dòng)1小時(shí)，然后以5500rpm離心10分鐘。離心后，將上清液倒入100ml容量瓶中。該過(guò)程重復(fù)三次。將收集的上清液用0.1M BaCl₂溶液補(bǔ)足至100ml。使用ICP-OES測(cè)定溶液的Na，Mg，Ca，K和Al濃度。遵循相同的程序以確定生物炭的水溶性Na，Mg，Ca，K和Al濃度。zui后，通過(guò)將水溶性陽(yáng)離子（Na，Mg，Ca和K）的濃度減去通過(guò)0.1M BaCl₂萃取的陽(yáng)離子的濃度，計(jì)算生物炭的可交換陽(yáng)離子和CEC的濃度。對(duì)于生物炭的FTIR分析，通過(guò)將生物炭與KBr粉末混合，然后使用光譜儀分析來(lái)制備顆粒。在4cm^-1處在400-4000cm^-1范圍內(nèi)收集光譜，并且每個(gè)樣品掃描120次掃描。使用-196℃下N₂的吸附等溫線的吸附數(shù)據(jù)確定生物炭的表面積，并通過(guò)Brunauer-Emmet-ler（BET）方程計(jì)算。對(duì)于生物炭和后收獲土壤樣品，根據(jù)德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（DIN 19730 2009）提出的提取程序測(cè)定Cd的NH₄NO₃（1M）可提取級(jí)分。如前所述分析碾磨的植物樣品的總Cd，P，K，Ca，Mg和Zn濃度。

統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)表示為平均值（標(biāo)準(zhǔn)偏差），并使用Microsoft 2007 excel軟件計(jì)算。治療效果通過(guò)方差分析來(lái)確定

結(jié)果與討論

土壤的表征和穩(wěn)定化處理

表1顯示了PK和BA土壤的選定性質(zhì)。 PK土壤是具有pH 6.71（H₂O）并且相對(duì)于BA土壤具有相對(duì)高的可交換陽(yáng)離子的粉質(zhì)壤土。 BA土壤的pH（H₂O）為6.86，具有砂壤土質(zhì)地。 PK土壤（2.58 mg / kg）的總Cd濃度高于BA土壤（0.30 mg / kg）。 土壤碳狀態(tài)的PK土壤被評(píng)為中度，而BA土壤的土壤碳濃度被評(píng)為非常低。 類似地，與Peverill等人報(bào)道的臨界濃度相比，BA土壤具有低的總N含量。

與CM，PJ和PL生物炭的更堿性的pH（H₂O）相反，來(lái)自CH和FM的生物炭具有輕微的堿性pH值。 ES還具有9.28的高pH值，并含有的方解石（CaCO₃）。類似地，由PJ，PL和CM產(chǎn)生的生物炭具有高的EC值，而CH和FC生物炭表現(xiàn)出低的EC值?？紤]到CM和PL生物炭中的高鹽/灰分含量，這些都在預(yù)期之內(nèi)。生物炭處理具有不同的總C濃度，FM <CM <PL <PJ <CH。不同于CH生物炭，其顯示出總C的zui高濃度和基于植物的生物炭的總N典型特征的zui低濃度，包括PJ的其他生物炭處理物具有非常高的濃度總N（。此外，CH生物炭具有zui高的表面積（206m²/ g）。經(jīng)檢驗(yàn)的生物炭處理的總表面酸度為0.42至3.24mmol / g。酸性表面官能度可能由羧基，酚和內(nèi)酯基團(tuán)的存在引起。然而，酮，碳酸鹽和其他堿性物種可能負(fù)責(zé)基本的表面功能。除了CH生物炭，生物炭處理總酸性表面官能度小于它們相應(yīng)的基本官能度。這些觀察結(jié)果與Singh等人的研究一致。

雖然糞便物和糞肥來(lái)源的生物炭處理具有高濃度的總P和主要陽(yáng)離子，但FM生物炭中的總P，Fe，Al和Mg濃度高于其他生物炭處理中的濃度（附加文件1：表S2）。再次，FM生物炭具有zui高的總微量元素。然而，CM和PJ生物炭分別含有zui高濃度的Ca（34g kg-1）和K（39.2g kg-1）。生物炭中高水平的P，K，Mg和Ca與Song和Guo（2012）的結(jié)果一致，Song和Guo（2012）報(bào)道了在不同熱解溫度下生產(chǎn)的PL生物炭中這些元素的濃度非常高。在PJ生物炭中觀察到zui高的可交換K（59.6cmol（+）kg-1），而在CH和FM生物炭中記錄zui低的（1.60和1.61cmol（+）kg-1）。然而，CM和PL生物炭分別表現(xiàn)出zui高的可交換Mg和Ca濃度。通常，生物炭處理的CEC為PJ> CM> PL> FM> CH的順序。相比之下，PL生物炭的CEC比類似生物炭的平均值為37 cmol（+）kg-1高12.2％，盡管CEC測(cè)量方法不同（Song和Guo 2012）。在生物碳處理的Olsen-P（可用P）濃度方面也存在差異，CMB> FMB> PLB> PJ> CH（另外的文件1：表S3）。如預(yù)期的基于植物的生物炭處理顯示出zui低的Olsen-P值為28.1mg kg -1（CH）和383mg kg -1（PJ）。與總P相反，CM生物炭表現(xiàn)出zui高的有效磷（1437 mg kg-1）。同樣，Cao和Harris（2010）的研究表明，在非常低的熱解溫度下生產(chǎn)的CM生物炭具有非常高的水溶性P值。 FM生物炭的可用P值降低到相應(yīng)的總P值，這主要?dú)w因于穩(wěn)定的含P化合物的形成。

已知生物固體含有高濃度的痕量和有毒元素，其在焦化產(chǎn)物中以更顯著的濃度存在。然而，來(lái)自生物固體的生物炭的使用受到痕量和有毒元素的生物利用度性質(zhì)的限制，而不是總負(fù)荷。可提取部分用于評(píng)估在檢查的生物炭處理中重金屬的生物利用度。生物炭處理中金屬的流動(dòng)分?jǐn)?shù)占其相應(yīng)總含量的非常小部分。例如，對(duì)于FM生物炭處理，生物可利用的級(jí)分分別為Cd，Co，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn的總負(fù)載的0.83,0.14,0.03,0.03,0.04,0.005和0.04％。總的來(lái)說(shuō)，生物炭中的生物可利用級(jí)分在Cd，Co，Co的總負(fù)載的0.47-2.5,0.14-0.85,0.02-0.09,0.015-0.11,0.04-0.71,0.005-0.76和0.04-7.76％的范圍內(nèi)， Cr，Cu，Ni，Pb和Zn。