生物炭是农林废弃生物质在限氧或无氧条件下炭化产生的富含碳的固体物质。生物炭结构与性质多样,在土壤改良、土壤固碳、土壤污染修复中具有巨大应用潜力,引起国内外极大关注。生物炭作为土壤改良剂,大量的研究关注了生物炭中有机碳组分,而对生物炭中硅质等无机组分关注不够。水稻、小麦以及玉米等禾本科作物秸秆具有较高的硅含量,每年作物收获从土壤中带走了大量的硅,造成了土壤不同程度地缺硅。土壤缺硅引起水稻生长不良,稻米中重金属镉等污染物阻控效率下降。而木屑等制备的生物炭中硅含量较低。不同硅含量的生物炭添加到土壤中对土壤硅平衡的影响很少报道,而对土壤-水稻系统中硅质迁移的影响及相互作用机制鲜见报道,并且在土壤-水稻系统中硅质与污染物耦合的阻控效应与作用机理也未得到关注。针对生物炭影响土壤硅平衡、水稻摄取污染物和硅质及其相互作用机制等关键科学问题,通过制备高硅和低硅生物炭,研究了生物炭中硅的溶出和其对土壤硅平衡的影响及作用机制。并将它们应用于高有效硅土壤(HSS)和低有效硅土壤(LSS),选择了水稻作为典型的富硅植物,研究了生物炭对水稻的产量、不同组织(籽粒、秸秆和根)中硅吸收和分布以及土壤-植物系统中土壤硅迁移的影响,采用SEM-EDX分析水稻收获前后生物炭的表面结构变化。进一步将生物炭应用于镉污染土壤阻控的实验,阐明了不同硅含量生物炭对水稻镉、硅摄取及耦合相互作用机制。最后通过不同污染类型,如单一重金属镉和有机污染2,4-二氯酚(2,4-DCP)以及二者复合污染的条件下,研究不同硅含量生物炭对复合污染的阻控及其作用机制。该论文的主要结论及创新如下:(1)探明了生物炭对土壤中硅平衡的影响及作用机理。发现高硅生物炭可以作为土壤缓释的硅源,而低硅生物炭可以作为农业稻田土壤中额外的硅汇。与低硅生物炭相比,高硅生物炭有较高的硅溶出量,并且随着热解温度的升高而增加。发现硅释放由碳-硅相互保护作用控制,硅溶出伴随着碳释放。添加高硅生物炭到土壤可提高HSS和LSS硅的溶出。揭示了土壤硅累积溶出量的实验值低于理论值,低硅生物炭添加到LSS的累积土壤硅溶出降低的原因,生物炭吸附态的铁对硅酸的保护使其成为土壤硅的储库。(2)阐明了生物炭对土壤-水稻系统中硅元素迁移、分布和积累行为的影响。生物炭可作为土壤硅的储库和有效硅缓释源,影响农业稻田土壤硅的生物地球化学循环速度。高硅生物炭可以提高水稻籽粒产量,增加了水稻籽粒和根的硅含量。在HSS中添加低硅生物炭对水稻硅含量几乎没有影响,而低硅生物炭添加到LSS降低水稻硅含量。发现了高硅生物炭增加了水稻总的硅吸收量,低硅生物炭添加到LSS降低了总的硅吸收量。揭示了其作用机理为老化生物炭表面富集了铁和硅的矿物,生物炭将溶出的硅固定在其表面作为临时硅储库,以防止硅的损失。(3)从浓度、形态和传输通道三个层次,揭示了生物炭阻控水稻摄取镉的作用机理。发现在HSS中所有处理的水稻镉含量均低于LSS对应的处理。添加生物炭到HSS(LSS)可以降低水稻籽粒镉浓度25.23-53.30%(24.53-59.45%),高硅生物炭的处理比低硅生物炭具有更低的水稻籽粒镉含量。富硅的土壤或生物炭有相对较低的镉生物富集系数(BCF)和转移系数(TF),而缺硅的土壤或生物炭刚好相反。水稻摄取的镉和硅浓度呈负相关,高硅生物炭处理的硅转运基因(Lsil和Lsi3)相对表达较低。提出了镉与生物炭中溶出的硅形成硅、镉复合物,从而降低了土壤有效态镉含量;生物炭释放的硅可以降低水稻根部硅转运通道的基因表达,镉、硅传输可能利用相同的传输通道,抑制水稻中镉的传输;被水稻摄取的硅可能与镉在植物体内形成结合物阻控镉转移到籽粒中。(4)提出了生物炭中硅和碳联合阻控水稻摄取水中镉和2,4-DCP复合污染的作用机理。与单一污染相比,复合污染促进了水稻镉和2,4-DCP的摄取,添加高硅生物炭和硅降低了复合污染下水稻中镉的含量,高温生物炭处理的复合污染降低水稻中2,4-DCP的摄取。生物炭中硅的溶出固定了镉,碳质组分吸附固定2,4-DCP,降低了培养液中镉和2,4-DCP的含量。阐明了高硅生物炭中硅的溶出促进了水稻硅的摄取,增厚了水稻根细胞壁,降低了污染物的富集系数,阻控了水稻镉和2,4-DCP的摄取。