农田重金属污染严重威胁人类健康和生态系统安全,污染农田的修复治理已成为世界各国面临的主要环境挑战之一。生物炭对重金属污染土壤修复具有良好环境效益而且成本低,被广泛应用于重金属污染农田修复中,这对于生物质废弃物的回收利用和环境修复是一种双赢的策略。由于水热碳化制备生物炭不受原料水分含量的影响、能源需求较低,因此,在高水分生物质废弃物利用中表现出一定的优势。而且水热生物炭比热解生物炭具有更好的含氧官能团,这使得通过多种表面改性制备生物炭基功能材料更为合适。基于此,本文以农业废弃物玉米芯为原料,采用水热碳化法通过硫酸进行原位改性制备酸改性玉米芯生物炭材料,在阐明生物炭对溶液中Pb、Cd吸附性能和机制的基础上,通过盆栽试验,着重探讨玉米芯生物炭对土壤-水稻系统中铅和镉迁移转化影响及作用机制。主要研究工作和结果总结如下:1)采用水热碳化法,以玉米芯为原料,分别以纯水、10%H2SO4和20%H2SO4为水热介质,制备得到水热生物炭（HC、SHC-10、SHC-20）,探讨了水热介质对生物炭理化特性的影响。结果表明:H2SO4催化剂可以加速生物质中固体纤维素的溶解,并随着浓度增加而加快生物质葡萄糖的转化率。H2SO4的存在促进了水热过程中原料的水解、脱胺和脱水等过程发生,增加了玉米芯中无机矿物的保留,有助于得到比表面积大、孔容大、孔径小、表面官能团丰富的生物炭。2)批量吸附试验考察了溶液p H、初始浓度、吸附时间和吸附温度对玉米芯生物炭吸附Pb2+、Cd2+的影响,通过吸附动力学、等温吸附和吸附热力学分析了生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附特性及其机制。结果表明:H2SO4改性可显著提高玉米芯生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附固定能力。与HC相比,25℃时,SHC-20、SHC-10对Pb2+的吸附容量分别提高了86.4%、74.3%,对Cd2+的吸附容量分别提高了62.9%、44.0%,SHC-20的吸附能力最强。玉米芯生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附符合准二级动力学模型和Freundlich等温吸附模型,表明生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附为多分子层化学吸附,液膜扩散和颗粒内扩散是生物炭对Pb2+、Cd2+吸附的主要限速步骤。热力学研究表明吸附为自发进行,且固液界面无序性增加的吸热过程,环境温度升高（15～55℃）有利于Pb2+、Cd2+的吸附。3)Pb单一污染土壤中,施用10～50 g·kg-1玉米芯生物炭SHC-20,在水稻各个生长阶段对作物生长均表现为促进作用,提高了水稻抗性,促进了作物增产。其中,施用30 g·kg-1SHC-20处理能够更好地缓解重金属胁迫、增加水稻产量。重金属Pb在植株不同器官的分布规律为:根系＞茎叶＞稻壳＞籽粒,施用玉米芯生物炭能够明显降低水稻各生长期植株不同器官重金属的含量,根系和茎叶中Pb累积量的变化表现为:90 d＞120 d＞60 d＞30 d,施炭比例增大水稻各组织重金属Pb的降幅量增大,施用30 g·kg-1和50 g·kg-1生物炭调控后稻米铅含量符合《食品安全国家标准-食品中污染物限量》（GB2762-2017）。进一步分析生物炭对土壤-水稻系统中Pb的迁移转化影响发现,施用生物炭能够改变土壤中Pb的赋存形态。收获时,施用生物炭处理与对照相比,其弱酸提取态Pb比例降低1.88～3.83%,残渣态Pb比例增长2.73～4.34%,促进Pb向着低活性的残渣态转化,降低Pb的浸出毒性,从而抑制了Pb在土壤中的迁移性和生物有效性。同时,施用生物炭可以有效控制水稻根系通过木质部将Pb向茎叶转运,尤其是谷壳通过韧皮部向籽粒中转运Pb,,从而降低水稻籽粒中Pb的累积。与未添加生物炭的对照相比,籽粒Pb含量降低了52.92～55.13%。生物炭的施用降低了农田土壤中重金属铅的生态风险,实现Pb污染水稻土的稳定化修复。4)Cd单一污染土壤中,与对照处理相比,施用不同量生物炭对水稻全生育期各生长指标均有明显提高,水稻耐性增强,缓解了Cd胁迫对水稻毒害的生理生化响应。各施用生物炭处理中,30 g·kg-1施炭量处理对水稻产量影响最大,50 g·kg-1施炭量处理次之,10 g·kg-1施炭量处理影响最小,且均与对照处理差异显著（P＜0.05）。水稻各组织对Cd元素的转运能力表现为籽粒/稻壳＞稻壳/茎叶＞茎叶/根系,施用生物炭可有效降低水稻各生长期Cd在水稻组织中积累,Cd在植物体内主要富集在根部,随着施炭量的增加,有效降低水稻生殖生长阶段根系对Cd的富集,更好地抑制Cd元素由稻壳向籽粒的转运,减轻了稻米Cd累积。施用生物炭处理水稻籽粒中Cd含量与CK处理相比差异显著（P＜0.05）,降幅12.48～39.40%,其中50 g·kg-1生物炭处理水稻籽粒Cd含量最低为0.1957 mg·kg-1,符合《食品安全国家标准-食品中污染物限量》（GB2762-2017）。施用生物炭可有效降低土壤中弱酸提取态镉和可还原态镉含量,而且随着施炭量增加和水稻生长时间延长其降幅增大,水稻移栽120 d后,弱酸提取态镉和可还原态镉占比分别下降1.75～5.35%、3.09～3.65%,残渣态镉占比上升4.35～7.82%,抑制了Cd在水稻植株及稻米中的累积,降低了Cd污染的生态环境风险。5)Pb-Cd复合污染土壤中,随着生物炭施用量增加,水稻生长的促进作用与增产效果不断提升,添加生物炭处理相较于CK处理增产49.54～75.54%,差异显著（P＜0.05）。Pb单一污染对水稻生长抑制作用最强、Pb-Cd复合污染次之、Cd单一污染最弱。水稻根系Cd富集能力高于Pb,而且水稻对Cd由根系到茎叶再到稻壳的转运能力远高于Pb;与对照相比施用生物炭处理水稻各组织中Pb含量的降幅均高于Cd,其中籽粒Pb、Cd含量分别降低为对照的27.58%～33.74%、53.17%～82.28%。Pb-Cd复合污染时水稻Cd富集系数均高于Cd单一污染时,而复合污染时Pb富集系数均低于Pb单一污染时,Pb-Cd共同胁迫促进了水稻根系对Cd的吸收,抑制其对Pb的吸收,玉米芯生物炭对水稻Pb累积影响更大。土壤中Pb主要以可还原态和弱酸提取态存在;而Cd的弱酸提取态占比最高,可还原态占比次之。土壤重金属赋存形态与水稻籽粒重金属含量以及水稻产量有着直接关系,施用生物炭可以促进土壤中Pb、Cd由高活性形态向着低活性形态转化,移栽后120 d,弱酸提取态Pb、Cd分别下降1.73～3.36%、3.78～7.50%,均显著低于对照（P＜0.05）;残渣态Pb、Cd分别上升2.60～4.66%、0.79～3.35%;高活性形态Pb、Cd的降低程度随着生物炭施用量增加以及水稻生长时间的延长而增大,从而使TCLP提取态重金属Pb、Cd的含量降低8.93～31.70%、9.14～27.43%。因此,施用生物炭降低Pb、Cd在土壤中的生物有效性和毒性,抑制了水稻对Pb、Cd的吸收和累积,促进水稻生长,提高水稻产量和稻米品质。施用生物炭有利于降低农田污染土壤Pb和Cd的生态风险。