城市和農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭的農(nóng)田環(huán)境效應(yīng)及安全性與可持續(xù)性研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活和生產(chǎn)方式的演變，人居生活廢棄物、餐廚垃圾、農(nóng)村作物秸稈等生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)生量日益增加，因經(jīng)濟(jì)可行的資源化技術(shù)的缺乏，焚燒或環(huán)境直接排放日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量和社會和諧。據(jù)統(tǒng)計，我國約有1/4的秸稈未被處理而在田間焚燒，而一半以上的村鎮(zhèn)生活垃圾未能進(jìn)行無害化處理而被土地填埋或直接丟棄。生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)生量巨大而有效處置技術(shù)薄弱已經(jīng)成為我國生態(tài)文明建設(shè)的一大瓶頸。生物質(zhì)炭熱裂解炭化技術(shù)作為生物質(zhì)廢棄物處理的

2、新途徑，近年來備受關(guān)注。研究認(rèn)為生物質(zhì)炭施入土壤后具有提高作物產(chǎn)量、鈍化土壤重金屬而提高作物安全性、減少農(nóng)田溫室氣體排放等效應(yīng)。在土壤酸化，有機(jī)質(zhì)較少和普遍種植超級稻等水稻生產(chǎn)背景下，我國南方稻田產(chǎn)區(qū)重金屬污染程度日益加重，稻米重金屬安全風(fēng)險日益加大。因此，來自城鎮(zhèn)生活廢棄物和農(nóng)田生產(chǎn)秸稈廢棄物的生物質(zhì)炭能否成為一種可持續(xù)處理污染農(nóng)田的生態(tài)工程措施，將是發(fā)展農(nóng)業(yè)上循環(huán)利用生物質(zhì)廢棄物和控制農(nóng)田污染協(xié)同技術(shù)的重要應(yīng)用基礎(chǔ)問題。論文以我國南

3、方不同Cd污染水平的稻田為研究對象，探討研究了不同生物質(zhì)炭施用量對抑制土壤Cd生物有效性和降低水稻籽粒Cd吸收的效果;通過連續(xù)四年的田間試驗驗證了生物質(zhì)炭施用對污染稻田中水稻Cd吸收的長期控制效應(yīng);分析了城市生物廢棄物生物質(zhì)炭田間應(yīng)用對作物重金屬安全性及農(nóng)田固碳減排的協(xié)同效應(yīng);利用微域分析方法探討了生物質(zhì)炭顆粒在土壤中的自然老化特點和土壤中生物質(zhì)炭顆粒與重金屬離子的相互作用，以期為生物質(zhì)廢棄物循環(huán)利用及以生物質(zhì)炭為核心技術(shù)的綠色安全農(nóng)業(yè)

4、生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，并服務(wù)于我國城市及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境治理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。主要研究結(jié)果如下:
　　1.利用海藻酸鈉作為生物質(zhì)炭粘結(jié)劑，將生物質(zhì)炭制備成物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的球狀顆粒(BAC)。改性后生物質(zhì)炭顆粒(BAC)對水相中Cd2+、Pb2+、Cu2+的最大吸附量分別為8.04、31.34、16.95 mg g-1。BAC保持了生物質(zhì)炭的多孔性結(jié)構(gòu)，同時海藻酸鈉固化后形成了更多的致密微米孔隙。通過室內(nèi)模擬吸附試驗發(fā)現(xiàn)，BAC對水溶液中

5、重金屬離子的吸附速率較快，反應(yīng)1h后基本達(dá)到吸附平衡。
　　2.對采用小麥秸稈生物質(zhì)炭處理的稻田試驗進(jìn)行了年際間的整合分析。該試驗田于2010年施入小麥生物質(zhì)炭，施用量分別為0、10、20、40t ha-1，連續(xù)4年(2010-2013)觀測了水稻產(chǎn)量及籽粒Cd含量，探討了小麥秸稈生物質(zhì)炭作為Cd污染稻田原位生態(tài)治理的可行性及治理效果的持續(xù)性。結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用顯著提高了土壤pH值和土壤有機(jī)碳含量，但土壤pH值的增幅逐年減小。

6、生物質(zhì)炭施用后持續(xù)降低了稻田土壤CaCl2和H2O浸提態(tài)Cd含量。與對照相比，10-40 t ha-1生物質(zhì)炭處理下土壤CaCl2浸提態(tài)Cd濃度在2010-2013年降低幅度分別為54.5-70.9％，53.5-64.8％，28.2-58.7％和30.3-40.6％，而土壤H2O浸提態(tài)Cd濃度在2011-2013年降低幅度分別為33.7-44.2％，12.8-30.7％和30.1-36.5％。10-40 t ha-1生物質(zhì)炭施用后前兩年

7、土壤DTPA浸提態(tài)Cd含量變化不顯著，但第3-4年顯著降低(降幅分別為11.99％-20.9％和15.0％-42.7％)。
　　小麥秸稈生物質(zhì)炭施用均未影響各年水稻產(chǎn)量，但水稻糙米中Cd含量持續(xù)降低。與對照相比，10-40 t ha-1生物質(zhì)炭處理后，2010-2013年水稻糙米中Cd含量分別降低了18.1-43.1％，32.9-48.7％，45.0-62.5％和15.3-54.6％。40 t ha-1生物質(zhì)炭處理下2010-20

8、13年水稻糙米Cd含量分別為0.41(2010)，1.21(2011)，0.30(2012)和0.38(2013)mg kg-1，仍然高于國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)值2-10倍。但根據(jù)國際食品添加劑和污染物典委員會(CCFAC)制定的標(biāo)準(zhǔn)，水稻糙米中Cd的最大允許上限為0.40 mg kg-1，那么40 t ha-1生物質(zhì)炭處理后2010，2012，2013水稻Cd含量已達(dá)到CCFAC的安全標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，生物質(zhì)炭一次施用對稻田土壤Cd的鈍化可至

9、少持續(xù)4年，且籽粒Cd降低幅度較為穩(wěn)定。
　　3.整合分析了小麥秸稈生物質(zhì)炭施用后對我國南方多個不同地點Cd污染稻田土壤pH、有機(jī)碳、土壤Cd生物有效性、籽粒Cd及水稻產(chǎn)量的變化。結(jié)果表明:生物質(zhì)炭施用后各試驗點水稻產(chǎn)量未發(fā)生顯著變化，但大幅度提高了土壤pH值及有機(jī)碳含量（增幅分別為4-26％和8-103％）。生物質(zhì)炭施用后各試驗點土壤CaCl2浸提態(tài)Cd含量均顯著降低，但未顯著影響土壤DTPA浸提態(tài)Cd含量。統(tǒng)計分析表明，生物質(zhì)

10、炭施用后土壤CaCl2浸提態(tài)Cd含量降低與土壤pH值升高有密切的關(guān)系。20-40 t ha-1生物質(zhì)炭施用量在各試驗點均有效降低水稻籽粒Cd含量，且降幅在20-90％之間。高用量(40 t ha-1)生物質(zhì)炭處理可使中等污染稻田（土壤Cd含量＜5 mg kg-1）水稻籽粒Cd含量降低到0.4 mg kg-1以下，而江蘇宜興、湖南岳陽、四川廣漢水稻籽粒Cd含量分別降低至0.07、0.24、0.16 mg kg-1，已滿足國家食品安全限量標(biāo)

11、準(zhǔn)。統(tǒng)計結(jié)果表明，不同地點水稻籽粒Cd含量與土壤CaCl2浸提態(tài)Cd濃度成顯著的正相關(guān)關(guān)系。因此可以推斷，不同地點生物質(zhì)炭對稻田土壤Cd的鈍化效果主要是由于提高了土壤pH值和降低了土壤Cd的化學(xué)移動性，從而進(jìn)一步降低了水稻Cd的吸收;
　　4.通過連續(xù)3年(2010-2012)觀測發(fā)現(xiàn)，與小麥秸稈生物質(zhì)炭作用效果相似，40 t ha-1城市生物質(zhì)廢棄物生物質(zhì)炭(MBB)施用不影響各年水稻和小麥的產(chǎn)量，顯著提高了水稻土pH值及有機(jī)碳

12、含量，但土壤pH值的增幅呈逐年下降的趨勢。與試驗地初始土壤相比，MBB施用三年后土壤Pb、Cu、Zn的含量顯著提高，其增幅分別為23.9％,22.7％,9.4％,但土壤重金屬含量均低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值。MBB施用后第一年顯著提高了土壤CaCl2浸提態(tài)Cu和Zn的含量，增幅分別為28.6％和25.5％，但顯著降低了土壤CaCl2浸提態(tài)Cd的含量，而不影響土壤Pb的有效性。MBB施用顯著降低了水稻和小麥籽粒Cd的吸收，與對照相比，40

13、 t ha-1 MBB施入土壤后連續(xù)三年(2010-2012年)顯著降低了水稻糙米Cd吸收，降幅分別50.0％，68.2％和33.0％，而2010-2012年小麥籽粒Cd含量分別降低了22.7％和23.3％和35.4％。MBB施入土壤后不影響水稻及小麥各組織Pb和Cu的吸收，但顯著增加了第一季小麥（2010年）籽粒及莖稈Zn的含量，增幅分別為10.8％和40.0％。
　　同時，本研究采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法監(jiān)測了MBB對稻/麥季土

14、壤及生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的變化。與對照相比，MBB施用不影響水稻稻季CO2的排放，增加了稻季土壤和生態(tài)系統(tǒng)的CH4排放(增幅分別為45.0％和19.5％)，但顯著降低了水稻季土壤和生態(tài)系統(tǒng)N2O排放總量（降幅分別為50.3％和60.1％）。MBB不影響小麥季土壤和生態(tài)系統(tǒng)CO2季節(jié)排放總量，但同樣大幅降低了小麥季土壤和生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放總量（降幅分別為55.6％和56.7％）。通過分析稻-麥季生態(tài)系統(tǒng)年際碳的凈交換量發(fā)現(xiàn)，40 t h

15、a-1MBB處理下稻-麥年季生態(tài)系統(tǒng)全球增溫潛勢和溫室氣體排放強(qiáng)度與對照相比分別降低了44.8％和43.7％;
　　5.從施用生物質(zhì)炭3年的田間試驗稻田土壤中分離出生物質(zhì)炭顆粒（老化顆粒，下同），與新鮮生物質(zhì)炭對比進(jìn)一步分析其表面性質(zhì)及元素含量變化。傅立葉遠(yuǎn)紅外光譜(FTIR)分析表明，生物質(zhì)炭施入土壤后其表面糖脂類官能團(tuán)含量降低而芳香類官能團(tuán)及羧基和羥基含量有明顯的增加。X-射線光電子能譜(XPS)分析表明，與新鮮生物質(zhì)炭相比，

16、老化后生物質(zhì)炭顆粒表面C和C-C鍵含量大幅下降而O含量、O=C-O和含N官能團(tuán)含量有所增加。激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)分析表明，與新鮮生物質(zhì)炭顆粒相比，生物質(zhì)炭老化顆粒表面Mg、K和P含量分別降低了77.3％、96.2％和77.6％，而Cd、Pb和Cu等重金金屬元素含量大幅增加。通過比較新鮮和老化生物質(zhì)炭顆粒及試驗地污染土壤的重金屬含量，表明老化生物質(zhì)炭顆粒的Cd、Pb、Cu和Zn含量是污染土壤的9.6、6.8、

17、4.7和3.3倍，說明老化生物質(zhì)炭顆粒固持富集了土壤中重金屬。生物質(zhì)炭施入土壤后與土壤礦物質(zhì)及有機(jī)物結(jié)合形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，通過電鏡及能譜分析發(fā)現(xiàn)這些復(fù)合物主要含有C、O、Si、Al、P、K、Fe、Pb、Ca、As、Mg等元素，而生物質(zhì)炭納米孔隙中主要含有Fe元素。
　　綜上所述，生物質(zhì)炭施用可保證Cd污染稻田水稻的穩(wěn)產(chǎn)且大幅降低水稻籽粒Cd的吸收，同時生物質(zhì)炭施用一次后對土壤Cd的鈍化效果至少可持續(xù)四年。將城市生物廢棄物經(jīng)熱裂解

18、制成生物質(zhì)炭施入土壤后不影響作物產(chǎn)量和重金屬安全性，還能夠顯著降低稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)年際碳的凈交換，有利于農(nóng)田的固碳減排。生物質(zhì)炭在土壤中自然老化過程使其表面含氧和含氮官能團(tuán)顯著增加，促使其持續(xù)吸附固定土壤重金屬離子。而生物質(zhì)炭通過海藻酸鈉改性后具有較強(qiáng)的吸附重金屬的能力，提高了生物質(zhì)炭環(huán)境應(yīng)用的可操作性。因此利用熱裂解炭化技術(shù)將城市和農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)炭是一種可以持續(xù)降低稻米Cd吸收，并有利于作物安全生產(chǎn)和農(nóng)田固碳減排的良好途