镧改性生物炭（BC-L）降低土壤砷生物有效性及水稻砷积累：特性、效能与机制研究

本研究针对砷(As)污染稻田安全生产的难题，开发了镧改性生物炭(BC-L)修复材料。通过系统表征证实La改性引入La-OH基团并形成La-O-As复合物，显著提升土壤pH、CEC和OM含量，使TCLP-As和NaHCO3-As提取态砷分别降低30.7%和21.4%。水稻实验表明BC-L通过铁膜调控和直接钝化双重机制，使糙米无机砷含量降低40.8%（低于0.35 mg/kg安全标准），生物量增加14.5%，为砷污染农田安全利用提供有效技术支撑。

　　

砷（As）作为具有强毒性的类金属元素，在全球范围内对农田生态系统和粮食安全生产成严重威胁。据统计，约14%-17%的农田受到重金属污染，其中砷污染占比达1.1%，尤其在中国南方红壤地区砷污染风险更为突出。砷不仅抑制土壤微生物生理过程、降低土壤肥力，还会破坏植物生理形态，导致作物减产。更严重的是，砷通过水稻（Oryza sativa L.）吸收积累并进入食物链，引发皮肤损伤、神经系统病变乃至心血管疾病，被国际癌症研究机构（IARC）列为I类致癌物。在孟加拉国和中国等稻米主产区，灌溉砷污染地下水导致稻米砷含量超标的问题尤为显著。因此，开发经济高效的砷污染农田修复技术已成为环境领域的研究热点。

水稻对砷的吸收积累受多重因素影响，包括土壤中砷总量及其形态分布、水稻品种差异（如根系分泌物、砷转运蛋白表达和铁膜形成能力），以及环境管理措施（如淹水还原条件会增加As(III)比例）。尽管生物炭（Biochar, BC）因其来源广泛、制备简单和固碳效应被广泛应用于污染修复，但原始生物炭表面带负电、对阴离子钝化能力弱，需通过改性提升性能。现有改性方法如KOH活化、铁负载等存在土壤碱化、稳定性不足或生态风险等问题，亟需开发新型改性技术。

基于此，研究人员通过镧（La）改性稻秆生物炭制备出镧改性生物炭（BC-L），系统探究其对土壤砷生物有效性及水稻砷积累的抑制机制。该研究发表于《Environmental Technology》，为砷污染稻田安全利用提供了理论依据和技术支持。

研究采用扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对材料进行表征，通过水稻盆栽实验（土壤采自湖南农田，总砷含量36.33 mg/kg）设置不同BC-L添加量（0.5-4 g/kg）处理，分析土壤理化性质、砷形态转化、水稻各组织砷含量及铁膜组分变化，并结合批量吸附实验和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）阐明作用机制。

3.1 BC-L材料表征揭示砷钝化机制

通过SEM-EDS观察到BC-L表面粗糙度增加，出现La元素分布；FTIR检测到La-O（693 cm^-1）和La-OH（540 cm^-1）特征峰，且吸附砷后形成La-O-As复合物（850 cm^-1）；XPS证实La-OH通过配体交换与砷形成La-O-As，同时部分As(III)被氧化为As(V)，显著提升吸附能力。XRD显示La改性后SiO₂峰减弱，出现La(OH)₃或La₂O₃晶体结构。

3.2 BC-L提升土壤性质并降低砷生物有效性

添加BC-L使土壤pH提高0.01-0.17单位，CEC和OM最高增加10.8%和18.1%。土壤砷形态分析表明，BC-L处理使非专性吸附态（NS-As）、专性吸附态（S-As）和无定形铁铝氧化物结合态（NqFe/Al-As）比例降低，残渣态（O-As）和晶质铁铝氧化物结合态（CFe/Al-As）比例上升。TCLP-As和NaHCO₃-As含量最高降低30.7%和21.4%，相关性分析表明土壤pH、CEC与有效态砷呈显著负相关。

3.3 BC-L抑制水稻砷吸收并促进生长

BC-L处理使水稻总生物量提高6.0%-14.5%，糙米无机砷含量降低31.7%-40.8%（最低至0.24 mg/kg），且均低于中国食品安全标准限值（0.35 mg/kg）。砷在水稻组织中分布为根＞茎＞叶＞壳＞糙米，BC-L显著降低地上部砷含量。化学形态分析显示，根系砷以盐酸提取态（F_HCl，41.2%-57.8%）为主，茎部以乙醇提取态（F_A，64.8%-80.6%）和水提取态（F_W，14.7%-19.2%）为主，BC-L促进砷向低迁移性形态转化，减轻植物毒害。

3.4 铁膜在砷阻控中起关键作用

低剂量BC-L（0.5-1 g/kg）促进铁膜形成，DCB提取的铁（Fe）、锰（Mn）和砷（As）含量最高达34.10 g/kg、42.98 mg/kg和437.65 mg/kg，通过铁膜吸附固定土壤砷；高剂量（2-4 g/kg）则直接通过La-O-As钝化降低砷有效性。相关性分析表明铁膜砷含量与根系砷积累呈正相关，证实其“拦截”作用。

4 讨论与结论

本研究揭示BC-L通过双重机制抑制水稻砷积累：一是通过La-OH基团配体交换形成La-O-As复合物，直接固定土壤砷；二是调控根表铁膜形成，增强砷的界面阻控。低剂量下以铁膜介导的 sequestration 为主，高剂量下以土壤直接钝化为主。路径分析（PLS-PM）表明土壤有效态砷含量是影响糙米砷积累的关键因素。从经济性和实用性角度，推荐BC-L最佳施用量为1 g/kg（2250 kg/hm²），生产成本约428.25美元/吨，低于世界银行同类项目采购标准，具备推广应用价值。

该研究首次系统阐明了镧改性生物炭在土壤-水稻系统中的砷钝化机制与调控途径，为砷污染农田安全利用提供了新材料和技术范式。未来需开展长期田间试验，验证多土壤类型的适用性及镧的环境归趋，推动该技术的规模化应用。