《Journal of Hazardous Materials》：Alleviating Heavy Metal Migration Risks by Adding Biochar During Sludge Amelioration of Forest Soil: Evaluating Differential Loss across Multiple Media
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本研究通过模拟降雨实验，评估了污泥与不同来源生物炭复合施用对林地土壤重金属迁移的影响。结果表明：污泥生物炭和松木生物炭通过增强土壤团聚体稳定性及孔隙结构，显著减少地表径流和侵蚀中镉的损失；而尤加利叶生物炭因亲脂性增强，导致地表径流和侵蚀中镉浓度升高。生态风险评估表明，采用污泥生物炭可降低生态风险，但需警惕松木生物炭可能引发的土壤结构破坏。建议根据生物炭特性选择适宜配比，并加强多介质迁移监测以确保安全利用。
杨元通|张杨莉|葛晓军|潘培琪|张伟|张佳敏|魏朝海|廖建波
中国东莞市东莞理工大学环境与土木工程学院生态环境工程研究中心，523808
摘要
城市污泥在土地上的应用存在重金属（HMs）通过径流迁移的风险，因此需要有效的固定策略。尽管生物炭可以固定重金属并减少侵蚀，但其效果取决于原料，并且在多介质传输（地表径流、地下径流、沉积物）中的作用仍不明确。我们通过模拟降雨实验评估了单独施用污泥（SS）或与5%污泥生物炭（SSC）、桉树叶生物炭（SSE）或松木屑生物炭（SSP）结合使用的效果。生物炭的特性对“土壤结构-水文-形态”关系有重要影响，决定了重金属的最终命运。SSC和SSP减少了地表径流（7.3–8.4%）和沉积物侵蚀（12.4–18.3%），而SSE则增加了这些现象。SSC和SSP显著促进了颗粒聚集，增加了大于1毫米的颗粒比例（29.5-50.4%），并减少了地表径流和地下径流中可溶性镉的损失（20.5-44.7%）。相比之下，强疏水性的SSE促进了可溶性镉的淋溶，地下径流中的镉浓度是地表径流的22.58倍，这被认为是一个关键的隐藏风险途径。沉积物是主要的迁移载体，占总损失的44.2–79.2%，并且富含细颗粒（<0.054毫米）。生态风险评估显示，基于浓度的（WQI）和基于通量的（RI）指标之间存在差异：虽然所有地下径流的WQI值都超过了300（不适合饮用），但只有添加SSE的处理方式具有中等潜在的生态风险（RI = 152.4），其中镉是主要的风险因素（Ei > 80）。本研究强调了选择特定原料的生物炭的重要性，推荐使用SSC以最佳程度减轻风险，并建议监测地下径流和生物可利用的重金属，以确保污泥使用的安全性。
引言
城市污泥是城市化进程中的一个新兴副产品，其环保管理和有益再利用已成为全球性挑战[1]，[2]。在中国，污泥产量预计每年将超过1亿吨，带来了严重的处置问题[1]，[3]。值得注意的是，中国拥有世界上最大的人工林面积，到2020年达到了8000万公顷，其中桉树种植园占了很大比例[4]。桉树种植园生态系统迫切需要土壤改良，这与污泥资源利用的战略目标相契合。污泥含有高达50-55%的有机碳、10-15%的总氮和1-3%的总磷，可以解决种植园中的养分不足问题，提高土壤的持水能力（+25-40%）和团聚体稳定性，形成防止土壤和水侵蚀的生态屏障[5]。与农业用途相比，森林土地系统远离食物链，减少了污染物进入人体的直接风险，增强了这种利用方式的可行性[6]。然而，污泥中的重金属（HMs）所带来的潜在环境风险仍然是限制其大规模应用的一个瓶颈。在各种重金属中，铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）和镉（Cd）是城市污泥中常见的且受严格监管的污染物，其中镉特别值得关注，因为其高毒性、显著的移动性和在森林生态系统中的不稳定性[7]，[8]。关键的是，重金属的命运和生物可利用性不仅仅取决于其总含量，主要受环境土壤条件的影响，包括pH值、有机物含量和土壤胶体的电化学性质[9]。虽然先前的研究表明，在静态条件下施用污泥可以促进森林生长（例如桉树增长29.2%），并且土壤中的重金属浓度可以随时间保持在监管标准以下，但这种静态视角忽略了倾斜森林生态系统中金属动态变化的现实[7]，[8]。
真正的环境威胁出现在偶发的降雨事件中，此时重金属通过多种迁移途径（包括地表径流、地下径流和沉积物侵蚀）进行复杂迁移，从而造成严重的二次污染[10]。我们之前的示踪实验发现，施用污泥后森林地表的径流中重金属浓度显著增加，其中镉由于其显著的毒性和环境不稳定性成为主要风险因素[11]。同样，高等人报告了初次降雨时的显著初期冲刷效应，超过50%的锌、铜和铅负荷发生在最初的25%的径流中，这进一步强调了动态迁移评估的必要性[12]。这些发现揭示了风险评估中的一个关键“黑箱”：降雨-土壤-径流-沉积物之间的动态耦合过程以及这些事件期间水力作用、颗粒运动和金属形态之间的相互作用仍然缺乏量化。
生物炭是一种广泛用于土壤和水资源保护以及重金属固定的功能性材料。其主要机制包括：1）通过表面官能团和孔结构与重金属发生络合和吸附[13]；2）通过改善土壤团聚体结构和调节水文过程来减少侵蚀和径流迁移[14]。生物炭的特性及其固定潜力高度依赖于原料。木质生物炭通常具有发达的孔结构，有利于吸附[15]，而来自粪便或污泥的生物炭富含促进重金属沉淀的矿物质成分[16]，[17]。此外，生物炭已成为减轻城市非点源重金属污染（尤其是雨水径流中的重金属污染）的有希望的材料。为了提高其吸附能力和选择性，在复杂的多金属系统中开发了各种改性策略，如化学处理（例如酸性、碱性、氧化处理）和金属氧化物浸渍（例如MnOx、FeOx）[18]，[19]。尽管在材料设计方面取得了这些进展，但关于生物炭（尤其是污泥衍生生物炭）在真实森林条件下通过径流减少重金属损失的现场报告仍然很少。现有的现场研究主要集中在城市雨水径流上，对其在复杂森林土壤生态系统中的效果研究不足。
当前研究仍面临几个关键限制。首先，研究往往局限于单一介质，并且严重依赖于静态的重金属形态分析，忽略了森林生态系统中“降雨-土壤-径流-沉积物”连续体的动态耦合过程[7]，[8]。其次，尽管来自不同原料的生物炭对土壤水文过程有明显影响（如增强渗透或加剧径流），但它们对多种途径（地表径流、地下径流和沉积物）中重金属分布的间接影响仍不清楚。第三，在实际降雨条件下，生物炭的固定效果可能与土壤团聚体分解、细颗粒侵蚀和DOM淋溶等过程产生协同或拮抗作用，但这些过程-反馈机制缺乏定量分析。第四，生物炭对土壤水文的调节具有双重效应：其中等孔结构（2–50纳米）可以改善水分保持和宏观团聚体稳定性以减少侵蚀[20]，但施用率超过5%可能会产生堵塞土壤大孔（>100微米）的碎片，降低饱和水力传导性，最终加剧表土侵蚀（侵蚀增加105.88%）[21]，[22]。这些限制共同凸显了一个关键的研究空白：需要全面和机制性地理解原料驱动的生物炭特性如何调节地表径流、地下径流和沉积物之间的“水文-重金属传输”过程，从而重塑生态风险。
为了解决这一空白，我们建立了一个“迁移过程-固定机制-风险评估”框架。通过基于现场的模拟降雨实验，我们研究了污泥与不同生物炭（污泥基、桉树叶和松木）共同应用对土壤水文特性、团聚体稳定性以及重金属时空迁移的影响。我们旨在阐明生物炭、土壤、水和重金属之间的多相互作用机制，建立重金属损失与土壤侵蚀之间的定量关系，并采用潜在生态风险指数（RI）和水质指数（WQI）的双重指数系统进行生态风险诊断。最终，这项工作旨在为森林土地上污泥的应用提供科学和实际的基础。
实验设计
实验地点位于中国广东省东莞市大岭山森林公园内的桉树（Eucalyptus urophylla）种植园（坐标：22°51′18.99″N, 113°45′22.44″E）。该地区具有亚热带季风气候，年平均气温为23.3℃，年降水量为2042.6毫米[10]。实验土壤为红壤，来源于花岗岩，在中国南部较为常见。该种植园已有25年的历史。
水文响应和土壤损失
九次模拟降雨实验的结果表明，生物炭与污泥共同应用显著调节了水分和土壤损失过程（图1）。对照组（CK）产生了2870.0升的地表径流。单独施用污泥（SS）将其减少了1.12%，降至2627.6升。添加生物炭后，SSC和SSP处理分别进一步减少了8.4%和7.3%的径流（p < 0.05）。所有施用污泥的处理中，地下径流量都有所增加。水文过程与土壤结构之间的反馈机制
多元方差分析表明，降雨事件次数对水文过程的影响最大（F = 4.91-23.52，
p < 0.01），其次是污泥处理类型（F = 3.47-5.68，
p < 0.01）（表S2）。添加污泥生物炭（SSC）和松木生物炭（SSP）分别显著减少了8.4%和7.3%的地表径流。这一水文响应得到了我们对土壤物理性质的测量支持：SSC和SSP增加了毛细作用
结论
本研究表明，污泥与污泥衍生生物炭（SSC）或松木生物炭（SSP）共同应用通过增强土壤团聚体稳定性和孔结构显著减少了径流和侵蚀，而桉树叶生物炭（SSE）由于其强疏水性增加了迁移风险。机制分析显示，SSC通过官能团络合和矿物沉淀作用降低了镉浓度，减少了29.5-33.6%；而SSP则依赖于
环境影响
按照国家规定的速率将污泥施用于土地会带来通过地下径流导致重金属（例如镉）污染的潜在风险，这是当前风险评估中忽略的一个途径。我们证明生物炭改良可以减轻这种风险，但其效果取决于原料：污泥衍生生物炭通过沉淀和聚集作用固定金属，而木质生物炭则通过吸附作用发挥作用。重要的是，我们警告错误的原料选择（例如，疏水性生物炭）可能会带来风险。潘培琪：研究。
张伟：写作 – 审稿与编辑，研究。
张佳敏：写作 – 审稿与编辑。
魏朝海：写作 – 审稿与编辑。
廖建波：写作 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取，概念化。
杨元通：写作 – 初稿撰写，可视化，验证，软件应用，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。
张杨莉：可视化。
葛晓军：利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号42007326）和东莞理工大学A类博士后研究人员启动基金项目（编号221110295）的支持。
