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山西省作为我国重要的煤炭产地，因煤炭开发所遗留的环境问题十分严重，其中煤矿废弃地土壤重金属污染是突出的环境问题之一。目前，已有的废弃地重金属修复方法，普遍存在修复时间长，修复效果不理想等问题。因此，研制更加有效的土壤重金属修复方法与修复材料变得尤为重要。生物炭是有机废弃物在缺氧条件下，经过高温裂解产生的多孔性物质。生物炭因孔隙结构丰富，比表面积大，无二次污染、成本低廉等特性，在污染治理中显示出了广阔的应用前景。近年来，利用生物炭改良土壤成为学界研究热点，但主要针对农业土壤，还很少用于矿区废弃地的修复。因此，本研究对促进煤矿区土壤生态修复具有重要意义，有助于拓展“废弃物资源化利用”的新途径。
本研究选用化学与物理联合改性的方式制备了四种改性生物炭，分别命名为H2O2-BC、HNO3-BC、KMnO4-BC、CaCl2-BC。通过不同的表征方法，对改性前后生物炭的物理以及化学性质进行表征分析。同时为研究在不同添加量及添加时间下，对煤矿复垦土壤中Cd、Pb及土壤性质的修复效应，分别以1%、2%、3%的添加比例，进行75天的土壤室内培养。每间隔25天取样测定土壤中重金属Cd、Pb的不同形态含量、有效态含量以及土壤pH、CEC（阳离子交换量），探究其随时间以及添加量的变化趋势，分析其可能的变化机理，探讨不同类型生物炭在煤矿废弃地复合重金属污染修复方面的影响潜力，主要结论如下:
（1）研究发现，四种改性方法对于生物炭的物理化学性质均有一定影响，其中，KMnO4改性使得生物炭pH、灰分、CEC均有所提高，分别提高了0.89、1.70%、1.76cmol/kg左右。与之相反，其它三种改性方法对生物炭pH、灰分、CEC均起到降低作用。这使得不同生物炭在施用后可以对土壤pH、CEC产生不同影响，从而对土壤中重金属Cd、Pb不同形态转化以及重金属有效态含量产生不同的影响。
（2）SEM（扫描电镜）表征发现，改性后的生物炭，其表面形貌都发生了一定的变化。H2O2-BC孔隙结构更加丰富，微孔数量增多，表面更加粗糙，相对表面积增大可显著增大其与土壤中重金属污染物的接触面积，提高对土壤中重金属离子的吸附。与之相反，HNO3-BC微孔遭到破坏，表面更加光滑。KMnO4、CaCl2改性后的生物质炭，在其表面可明显观察到透明的金属氧化物颗粒，可以为土壤中的重金属离子提供更多的吸附位点。同时可通过离子交换作用，降低重金属离子迁移性。
（3）酸性官能团含量测定发现，KMnO4改性使得生物炭的酸性官能团总量降低0.42mmol/kg，其它改性方式均增加生物炭中酸性官能团的含量，增加值在0.08—1.26mmol/kg之间，其中HNO3-BC增加最多。FTIR（红外光谱）分析发现，四种改性后的生物炭，其官能团的种类与原始生物炭相比没有显著变化，但其对应官能团伸缩振动明显增大。其中，H2O2、HNO3、KMnO4改性后的生物炭，分别出现了由于-OH、-NO2、Mn-O所引起的新吸收峰，对于修复重金属污染土壤具有促进作用。
（4）相比于空白土样，不同生物炭添加均有效降低了土壤中重金属活性最强的可提取态以及有效态含量，且随着培养时间的增加，土壤中重金属可提取态以及有效态含量逐渐降低。相较与未改性生物炭，改性生物炭显著提高了土壤中重金属可提取态与有效态含量的降低幅度。在土壤修复实验结束时，重金属可提取态：Cd的降低幅度在6.37%—37.79%，HNO3-BC在2%的添加量时降低幅度最大；Pb的可提取态降低幅度在25.40%—69.51%，KMnO4-BC在2%添加量时降低幅度最大。重金属有效态：Cd的降低幅度在12.04%—47.33%，Pb的降低幅度在9.13%—45.61%，降低幅度最大均为HNO3-BC在3%添加比例时。综合而言，HNO3-BC在其添加比例为3%时，可对重金属复合污染土壤取得最佳的处理效果。
（5）土壤修复实验结束时，不同生物炭的添加均使得土壤pH值降低，土壤CEC值升高，但其随时间变化规律不同。对于土壤pH值，CaCl2-BC、HNO3-BC的添加使得土壤pH值随培养时间逐渐降低，并且随添加量增加而降低，其中CaCl2-BC在3%添加量时对于土壤pH的降低效果最好，其余三种生物炭的添加均使得土壤pH值随时间变化呈现先升高后降低趋势。对于土壤CEC值，添加CaCl2-BC使得土样CEC随时间变化呈现逐步升高趋势，且随添加量增加而升高，并且在3%添加量时对于土壤CEC的增加效果最好。其余四种改性生物炭使得土样CEC随时间变化呈现先升高后降低趋势。综合而言，CaCl2-BC在其添加比例为3%时对碱性土壤pH、CEC影响较好。
（6）土壤修复实验结束时，通过对土壤重金属不同形态与土壤相关因子之间的相关性分析，发现土壤因子对于土壤中重金属Cd、Pb的影响效果不同，pH、CEC对于Cd的不同形态转化具有显著影响，但其对Pb的不同形态未达到显著水平，表明土壤pH、CEC并不是影响土壤重金属毒性作用的主要因子。另外，土壤中重金属Cd、Pb有效态与土壤中活性较强的重金属弱酸可提取态显著相关（P<0.05），相关系数分别为0.580、0.605，表明土壤中重金属Cd、Pb有效态含量均受到重金属弱酸可提取态的显著影响。同时也说明生物炭主要是通过促进土壤中重金属弱酸可提取态转化为稳定态的方式，降低土壤中重金属Cd、Pb毒性作用。
本研究选用化学与物理联合改性的方式制备了四种改性生物炭，分别命名为H2O2-BC、HNO3-BC、KMnO4-BC、CaCl2-BC。通过不同的表征方法，对改性前后生物炭的物理以及化学性质进行表征分析。同时为研究在不同添加量及添加时间下，对煤矿复垦土壤中Cd、Pb及土壤性质的修复效应，分别以1%、2%、3%的添加比例，进行75天的土壤室内培养。每间隔25天取样测定土壤中重金属Cd、Pb的不同形态含量、有效态含量以及土壤pH、CEC（阳离子交换量），探究其随时间以及添加量的变化趋势，分析其可能的变化机理，探讨不同类型生物炭在煤矿废弃地复合重金属污染修复方面的影响潜力，主要结论如下:
（1）研究发现，四种改性方法对于生物炭的物理化学性质均有一定影响，其中，KMnO4改性使得生物炭pH、灰分、CEC均有所提高，分别提高了0.89、1.70%、1.76cmol/kg左右。与之相反，其它三种改性方法对生物炭pH、灰分、CEC均起到降低作用。这使得不同生物炭在施用后可以对土壤pH、CEC产生不同影响，从而对土壤中重金属Cd、Pb不同形态转化以及重金属有效态含量产生不同的影响。
（2）SEM（扫描电镜）表征发现，改性后的生物炭，其表面形貌都发生了一定的变化。H2O2-BC孔隙结构更加丰富，微孔数量增多，表面更加粗糙，相对表面积增大可显著增大其与土壤中重金属污染物的接触面积，提高对土壤中重金属离子的吸附。与之相反，HNO3-BC微孔遭到破坏，表面更加光滑。KMnO4、CaCl2改性后的生物质炭，在其表面可明显观察到透明的金属氧化物颗粒，可以为土壤中的重金属离子提供更多的吸附位点。同时可通过离子交换作用，降低重金属离子迁移性。
（3）酸性官能团含量测定发现，KMnO4改性使得生物炭的酸性官能团总量降低0.42mmol/kg，其它改性方式均增加生物炭中酸性官能团的含量，增加值在0.08—1.26mmol/kg之间，其中HNO3-BC增加最多。FTIR（红外光谱）分析发现，四种改性后的生物炭，其官能团的种类与原始生物炭相比没有显著变化，但其对应官能团伸缩振动明显增大。其中，H2O2、HNO3、KMnO4改性后的生物炭，分别出现了由于-OH、-NO2、Mn-O所引起的新吸收峰，对于修复重金属污染土壤具有促进作用。
（4）相比于空白土样，不同生物炭添加均有效降低了土壤中重金属活性最强的可提取态以及有效态含量，且随着培养时间的增加，土壤中重金属可提取态以及有效态含量逐渐降低。相较与未改性生物炭，改性生物炭显著提高了土壤中重金属可提取态与有效态含量的降低幅度。在土壤修复实验结束时，重金属可提取态：Cd的降低幅度在6.37%—37.79%，HNO3-BC在2%的添加量时降低幅度最大；Pb的可提取态降低幅度在25.40%—69.51%，KMnO4-BC在2%添加量时降低幅度最大。重金属有效态：Cd的降低幅度在12.04%—47.33%，Pb的降低幅度在9.13%—45.61%，降低幅度最大均为HNO3-BC在3%添加比例时。综合而言，HNO3-BC在其添加比例为3%时，可对重金属复合污染土壤取得最佳的处理效果。
（5）土壤修复实验结束时，不同生物炭的添加均使得土壤pH值降低，土壤CEC值升高，但其随时间变化规律不同。对于土壤pH值，CaCl2-BC、HNO3-BC的添加使得土壤pH值随培养时间逐渐降低，并且随添加量增加而降低，其中CaCl2-BC在3%添加量时对于土壤pH的降低效果最好，其余三种生物炭的添加均使得土壤pH值随时间变化呈现先升高后降低趋势。对于土壤CEC值，添加CaCl2-BC使得土样CEC随时间变化呈现逐步升高趋势，且随添加量增加而升高，并且在3%添加量时对于土壤CEC的增加效果最好。其余四种改性生物炭使得土样CEC随时间变化呈现先升高后降低趋势。综合而言，CaCl2-BC在其添加比例为3%时对碱性土壤pH、CEC影响较好。
（6）土壤修复实验结束时，通过对土壤重金属不同形态与土壤相关因子之间的相关性分析，发现土壤因子对于土壤中重金属Cd、Pb的影响效果不同，pH、CEC对于Cd的不同形态转化具有显著影响，但其对Pb的不同形态未达到显著水平，表明土壤pH、CEC并不是影响土壤重金属毒性作用的主要因子。另外，土壤中重金属Cd、Pb有效态与土壤中活性较强的重金属弱酸可提取态显著相关（P<0.05），相关系数分别为0.580、0.605，表明土壤中重金属Cd、Pb有效态含量均受到重金属弱酸可提取态的显著影响。同时也说明生物炭主要是通过促进土壤中重金属弱酸可提取态转化为稳定态的方式，降低土壤中重金属Cd、Pb毒性作用。