腐殖酸和铁氧化物对生物碳迁移能力的影响

生物碳（Biochar）是指生物能源物料或农业废弃物在无氧、低温条件下热解得到的一种碳质材料。生物碳的土地利用会带来很多农艺和环境效益，如增加大气中CO2固定、降低CH4和NOx等温室气体排放、改善土壤结构和肥力、增加农作物产量等。此外，生物碳对重金属、有机污染物以及微生物致病菌等具有很强的固定能力，因此被用作土壤改良剂修复污染土壤。但目前国内外关于生物碳在环境介质中的迁移、归宿等环境问题未见报道。

中国科学院南京土壤研究所周东美课题组通过紫外超声分离得到生物碳胶体悬液，研究了生物碳胶体粒子在饱和石英砂填充柱中的迁移规律，发现生物碳胶体的迁移能力与物料来源、热解温度、颗粒大小等因素有关：（1）亲水性较大的松针生物碳胶体粒子的迁移能力大于小麦生物碳；（2）低温热解的生物碳胶体粒子的移动性较高温热解的生物碳更大；（3）纳米粒子生物碳的移动性大于微米粒子。通过两点动力学吸附模型能够很好地拟合生物碳胶体的穿透曲线和空间滞留曲线，进而预测生物碳在环境介质中的运移、归宿。

该成果发表在Environ. Sci. Technol. (2013, 47: 821-828, doi:10.1021/es303794d) 上。可见，施用高温热解的生物碳（移动性低）能够带来更多的农艺和环境效益，因为生物炭不仅能够固定更多的CO2而且能够长期为土壤提供肥力。

考虑到环境介质的复杂性和异质性，课题组还详细地考察了腐殖酸和铁氧化物单一或共存时生物碳纳米粒子的迁移规律。发现腐殖酸单一存在时会通过静电和位阻效应促进生物碳纳米粒子的迁移；而铁氧化物单一存在时会抑制其迁移；当两者共存时，腐殖酸通过增加生物碳的表面电荷同时竞争铁氧化物上的吸附位点来促进生物碳的迁移。通过拉格朗日或随机顺序吸附模型能够很好地拟合生物碳纳米粒子的穿透曲线和空间滞留曲线，进而预测生物碳在复杂环境介质中的运移、归宿。

该成果在线发表在Environ. Sci. Technol. (2013, 47, doi:10.1021/es305337r) 上。