沼液改性生物炭对土壤镉固定化及氮磷钾生物有效性的调控机制研究

（推荐语）本研究通过沼液改性生物炭制备新型肥料，系统评估其对镉(Cd)污染土壤的修复效能及植物营养(NPK)的改善作用。结果表明：生物炭基肥料(BBF)通过提升土壤pH、有机质(OM)和阳离子交换量(CEC)，使Cd可交换态(F1)降低1.3倍，促进Cd向有机结合态(F4)转化；同时显著提高磷(P)生物有效性0.7倍，通过调控P-Cd互作机制减少Cd向地上部转运。该研究为农业土壤可持续修复提供了创新性解决方案。

　　

引言

镉(Cd)作为世界卫生组织认定的致癌物，在可可、水稻等农作物中的转移积累已构成食品安全隐患。传统修复方法存在成本高、破坏土壤生态等问题，而生物炭(Biochar)因其独特的孔隙结构和表面特性成为研究热点。然而，植物源生物炭普遍存在养分匮乏的缺陷，本研究创新性地利用厌氧消化沼液(Biogas Slurry)作为营养源，开发出兼具土壤修复与肥料功能的生物炭基肥料(Biochar-Based Fertilizer, BBF)，为农业土壤综合治理提供新思路。

材料与方法

研究选取藜麦秸秆(QSB)、玉米秸秆(CSB)、稻壳(RSB)和甘蔗渣(SBB)四种生物质在500°C热解制备原始生物炭，通过浸渍法负载沼液中的N(13,000 mg L^-1
)、P(15,000 mg L^-1
)和K(18,000 mg L^-1
)制成BBF。采用盆栽试验种植黄瓜，通过连续提取法分析Cd的5种形态：可交换态(F1)、碳酸盐结合态(F2)、铁锰氧化物结合态(F3)、有机结合态(F4)和残渣态(F5)。

结果

土壤性质变化：BBF处理使土壤pH提升0.4单位，有机质(OM)增加20%，阳离子交换量(CEC)提高0.5倍。其中CSB-F处理的生物有效P浓度达峰值，较对照提升60%。

Cd形态转化：BBF显著促进Cd向F4转化（占比提升40%），F1含量降低60%。原始生物炭则更易形成F3（增加30%），这与生物炭碱性组分（如CaCO₃
）直接沉淀Cd有关。

植物响应：

• Cd阻控：BBF使根部Cd富集量增加40%，但地上部Cd降低50%， translocation factor (TF)值下降0.3倍。
• 营养提升：CSB-F处理的植株P吸收量增加50%，N、K浓度分别提高30%和60%，呈现"减镉增肥"协同效应。

机制讨论

双重固定机制：

1. 间接作用：BBF提升土壤pH促使Cd²⁺
   转化为≡FeOCd⁺
   等稳定形态；
2. 直接作用：沼液有机物与生物炭表面-COOH/-OH形成Cd-配体复合物，FTIR证实其螯合作用。

P-Cd拮抗效应：生物有效P与根Cd浓度呈显著正相关（R²
=0.82），推测P促进Cd在根细胞壁果胶区的固定。BBF的缓释P特性可维持土壤溶液P-Cd动态平衡，减少Cd向维管束迁移。

应用前景

研究提出生物炭比表面积(>200 m²
g^-1
)和O/C原子比(0.4-0.6)是筛选BBF载体材料的关键参数。田间试验需结合厌氧消化系统实现沼液-生物炭联产，该技术路线符合循环农业理念，对热带地区Cd污染农田修复具有重要实践价值。