推进有机肥施用是培肥黑土、提升黑土养分的重要举措,对于实现黑土的可持续利用具有重要的推动作用。有机肥中往往含有多种重金属,大量长期施用不可避免地将重金属带入环境中,导致重金属在环境中积累,存在潜在生态风险。那么,安全施用有机肥对降低因施有机肥而带来的重金属环境风险具有重要意义。由于生物炭是一种公认的对重金属离子具有较好结合能力的功能材料,因此本研究在探讨生物炭对重金属铅和镉的吸附特性及其对牛粪有机肥中重金属稳定化效果的基础上。采用农田原位试验方式考察生物炭与有机肥配施在缓解重金属积累、改善土壤养分以及作物生长等方面的作用,主要研究结果如下:(1)生物炭对铅和镉的吸附特性结果表明:生物炭吸附铅和镉分别在8h达到吸附平衡,吸附量分别为91.14 mg/g和34.38 mg/g。生物炭对铅和镉的动力学吸附过程更符合准二级动力学模型,表明生物炭对铅和镉的吸附以化学吸附为主。等温吸附拟合结果显示生物炭对铅和镉的等温吸附过程更符合Langmuir模型,表明生物炭对铅和镉的吸附是单分子层吸附。红外光谱(FT-IR)图显示生物炭表面含有羟基(-OH)、羧基(-COOH)、碳氧单键(C-O)和碳氧双键(C=O)等基团。SEM图显示生物炭表面粗糙且含有大量不规则空隙。(2)考察不同生物炭配比对有机肥中铅和镉有效性老化作用效果。随着老化时间以及生物炭投加比例的增加,有机肥中铅和镉的有效态含量均呈逐渐下降的趋势。整个老化阶段5-35天,与对照组相比,添加5%、10%和20%生物炭的有机肥中有效铅含量分别降低4.25%-25.91%,11.77%-39.70%和16.04%-53.39%;有效镉含量分别降低了5.58%-10.38%,13.40%-29.57%和17.14%-34.76%。结合生物炭-有机肥混合体的养分及铅和镉的有效含量变化情况,最终确定生物炭的投加配比为10%,老化时间为25天时可兼顾重金属有效性调控,养分维持以及生产便利等多方面的基本要求。在上述条件10%生物炭与有机肥混合体系重金属铅和镉有效态含量分别为5.42±0.27 mg/kg和0.173±0.01 mg/kg,肥料有机质质量分数为55.80±2.36%,全氮含量为22.02±1.21 g/kg,全磷含量为11.42±0.56 g/kg。(3)采用大田原位试验的方式,考察不同施肥措施对铅和镉在土壤和玉米植株中的积累情况。结果表明:在玉米苗期时,肥料投加量为550-1006公斤/亩时,单施有机肥处理农田土壤有效铅含量范围为3.31±0.10 mg/kg-3.86±0.14 mg/kg;有效镉含量为0.23±0.01mg/kg-0.28±0.01 mg/kg。相同养分投加水平下,生物炭配施有机肥处理土壤有效铅含量范围为3.31±0.03 mg/kg-3.67±0.14 mg/kg;有效镉含量为0.20±0.01-0.25±0.01 mg/kg。较单施有机肥处理有效铅含量降低了0.03%-8.57%;有效镉含量降低了12.97%-15.96%。在玉米成熟期时,生物炭配施有机肥处理土壤有效铅含量范围为3.04±0.16 mg/kg-3.23±0.24 mg/kg;有效镉含量为0.14±0.02 mg/kg-0.18±0.02 mg/kg。较单施有机肥处理有效铅含量降低了4.8%-13.31%;有效镉含量降低了9.57%-22.40%。对比两个玉米生长时期不同施肥处理土壤铅和镉有效含量变化规律,苗期时钝化重金属效果要好于成熟期。随着肥料投加量增加(550-1006公斤/亩),单施有机肥处理玉米植株铅含量由0.95±0.12 mg/kg达到了1.35±0.10mg/kg;镉含量范围在0.22±0.03 mg/kg-0.27±0.01 mg/kg。相同养分投加水平下,生物炭配施有机肥处理玉米植株铅含量范围为0.83±0.11 mg/kg-1.14±0.09 mg/kg;镉含量为0.22±0.02 mg/kg-0.26±0.03 mg/kg。较单施有机肥处理铅含量降低了15.19%-17.78%;镉含量降低了2.9%-7.9%。(4)进一步考察各施肥处理对土壤理化性质及供试植物(玉米)养分积累变化情况。结果表明:随着肥料投加量的增加,相同养分投加水平生物炭配施有机肥处理较单施有机肥处理在改善土壤理化性质及作物养分方面具有更好地效果。单施有机肥处理玉米亩产范围在617.8±65.9公斤/亩-707.9±52.1公斤/亩,生物炭配施有机肥处理亩产为621.10±58.2公斤/亩-712.37±29.5公斤/亩,较单施有机肥处理相比亩产增幅为0.71%-15.39%。考虑到钝化重金属效果和经济因素等,确定660公斤/亩为适宜施用量。