生物炭基肥中多環(huán)芳烴檢測(cè)及其在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移規(guī)律.pdf

1、生物炭作為一種固碳減排、土壤改良與污染修復(fù)技術(shù)，已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。由于生物炭自身礦質(zhì)養(yǎng)分低，其能直接供給作物的營(yíng)養(yǎng)有限。因此，近年來(lái)，將生物炭作為肥料載體制備炭基肥被認(rèn)為是一種可彌補(bǔ)生物炭自身養(yǎng)分不足，提高作物肥效和產(chǎn)量的有效途徑。然而，將農(nóng)林廢棄物熱解制備生物炭不可避免地會(huì)產(chǎn)生多環(huán)芳烴（PAHs）污染，同時(shí)，生物炭的強(qiáng)烈吸附作用也存在增加環(huán)境中 PAHs污染的風(fēng)險(xiǎn)。論文以常見(jiàn)農(nóng)林廢棄物制備的生物炭基肥為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)提取方法的

2、響應(yīng)面優(yōu)化，建立了生物炭中PAHs氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）檢測(cè)方法；研究了生物炭制備中PAHs的形成及其影響因素，尤其是不同熱解溫度和不同原料對(duì)PAHs的影響；在此基礎(chǔ)上，探索了生物炭對(duì)堆肥過(guò)程及其PAHs降解的影響，并對(duì)土壤-作物系統(tǒng)中 PAHs的遷移規(guī)律進(jìn)行了研究，為合理應(yīng)用生物炭基肥提供了科學(xué)依據(jù)。主要的研究結(jié)果如下：
　　1.比較研究12種有機(jī)溶劑對(duì)生物炭基肥中PAHs的提取效果，結(jié)果表明，丙酮：環(huán)己烷(1:1，V/V

3、)對(duì)生物炭基肥中16種PAHs的回收率最高。對(duì)不同方法提取生物炭基肥中16種PAHs的研究結(jié)果表明，加速溶劑法、超聲和振蕩的總平均回收率分別為71.71%、67.47%和58.24%，表現(xiàn)為加速溶劑法＞超聲法＞機(jī)械振蕩法。
　　2.在最陡爬坡試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別對(duì)加速溶劑法和超聲提取法進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析。結(jié)果表明，當(dāng)加速溶劑法的提取溫度為78℃、提取時(shí)間為17 min和提取次數(shù)為2次的時(shí)候，加速溶

4、劑法提取的生物炭基肥中16種PAHs的最大平均回收率為87.9%。方法驗(yàn)證表明16種PAHs的LOD為0.001~0.03 mg/kg，LOQ為0.004~0.1 mg/kg，R2均大于0.996，回收率為81.3%~88.2%，RSD為4.6%~6.3%。響應(yīng)面優(yōu)化超聲提取法結(jié)果表明，當(dāng)提取溫度為57℃、提取時(shí)間為81 min和提取次數(shù)為2次時(shí)，超聲提取生物炭基肥中16種 PAHs的最大平均回收率為81.69%。方法驗(yàn)證表明16種 P

5、AHs的LOD為2.25~23.55μg/kg，LOQ為7.51~78.49μg/kg，R2均大于0.996，回收率為75.7%~81.2%，RSD為3.4%~5.5%。采用優(yōu)化的超聲提取法，對(duì)市售實(shí)際樣品的提取回收率及原料中 PAHs進(jìn)行分析，結(jié)果表明，3種市售生物炭基肥中16種PAHs的回收率為81.1%~109.4%。
　　3.生物質(zhì)原料草坪草、小麥秸稈、竹子、杉樹枝和牛糞中16種PAHs的含量分別為187.85、154.5

6、1、115.43、103.19和72.749μg/kg，依次表現(xiàn)為草坪草＞小麥秸稈＞竹子＞杉樹＞牛糞。選取300~700℃熱解溫度，限氧熱解上述5種農(nóng)林廢棄物制備生物炭，結(jié)果與原料一致，且植物類生物炭PAHs含量高于動(dòng)物類。生物炭中的16種PAHs的含量依次表現(xiàn)為草坪草＞小麥秸稈＞竹子＞杉樹＞牛糞，且含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原料，表明熱解過(guò)程是產(chǎn)生PAHs的主要途徑。其中，500℃時(shí)，草坪草、竹子、杉樹和牛糞生物炭中16種PAHs含量最高，分別為

7、2100.02、1617.74、1141.72和483.49μg/kg。400℃時(shí)，小麥秸稈生物炭中16種PAHs的濃度最高，達(dá)到1737.87μg/kg。
　　4.添加生物炭可以促進(jìn)堆肥迅速升溫，維持和延長(zhǎng)堆肥的高溫時(shí)間，堆肥的升溫速率和高溫持續(xù)時(shí)間均表現(xiàn)為隨著生物炭添加量的增加而增加；添加生物炭可以加快堆肥pH和EC值的增長(zhǎng)速率，其腐熟后的堆肥提取液能有效促進(jìn)植物種子的發(fā)芽和根系生長(zhǎng)。各個(gè)生物炭的添加水平，堆肥中PAHs的降解

8、率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且PAHs的降解程度和生物炭的添加量成正相關(guān)性，其中，低分子量PAHs的降解主要集中在堆肥的前中期，高分子量PAHs的降解主要集中在堆肥的中后期。
　　5.污染土壤中，施用生物炭有機(jī)肥和生物炭堆肥不會(huì)顯著增加土壤中PAHs的濃度。土壤處理40 d后，施用生物炭堆肥、生物炭有機(jī)肥和生物炭土壤中PAHs的降解率分別為35.94%、29.82%和36.82%,均高于對(duì)照土壤，表明生物炭及炭基肥可以促進(jìn)土壤中P

9、AHs的降解。與對(duì)照相比，生物炭堆肥和生物炭有機(jī)肥處理的蔬菜中PAHs的含量分別減少了86.98%和83.03%。
　　6.采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，建立土壤中PAHs降解動(dòng)力學(xué)模型，擬合系數(shù)良好。生物炭及其炭基肥處理均可以顯著加快土壤中PAHs的降解速度。其中，生物炭堆肥、生物炭有機(jī)肥及生物炭處理施入土壤后，PAHs的半衰期分別為59.3、75.4和58.1 d，比對(duì)照土壤130.3 d的半衰期縮短了54.49%、42.13%和55.