PAGE110-廣西地方標準《稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術規程》（征求意見稿）編制說明廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境資環所、廣西壯族自治區農業生態與資源保護總站、廣西壯族自治區環境保護科學研究院一、任務來源、起草單位、主要起草人（姓名、單位、職務/職稱、參與編制標準分工情況-列表格）等1、任務來源《稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術規程》由廣西壯族自治區農業農村廳提出，廣西壯族自治區市場監督管理局批準立項（廣西壯族自治區市場監督管理局關于下達2022年廣西地方標準制修訂項目計劃的通知【桂市監函[2022]1903號】），項目序號為2022-1094。本技術由廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境資環所、廣西壯族自治區農業生態與資源保護總站、廣西壯族自治區環境保護科學研究院負責起草。起草單位、主要起草人表1起草單位、主要起草人姓名年齡職稱從事專業工作單位責任分工李婷婷34助理研究員土壤學廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所調研、試驗示范研究與驗證、材料匯總，標準編制胡鈞銘48研究員農業資源與環境生態廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所調研、試驗示范研究與驗證、材料匯總，標準編制莫宗標57高級農藝師土壤化學廣西壯族自治區農業生態與資源保護總站標準編制吳昊39高級工程師土壤學廣西壯族自治區環境保護科學研究院方案制定和實施、撰寫標準。鄭富海31工程師植物營養學廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所調研、試驗示范驗證，參與編寫張俊輝30研究實習員農業環境與資源廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所調研、試驗示范驗證，參與編寫俞月鳳33助理研究員生態學廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所調研、試驗示范驗證，參與編寫羅棟源37高級工程師環境生態學廣西壯族自治區環境保護科學研究院試驗研究何金富55高級農藝師環境化學廣西壯族自治區農業生態與資源保護總站調研、試驗示范驗證，參與編寫蒙炎成59副研究員植物營養學廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所調研、試驗示范驗證，參與編寫李宇翔38副研究員農業信息學廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所調研、試驗示范驗證，參與編寫李楊36高級工程師環境生態學廣西壯族自治區環境保護科學研究院調研、試驗示范驗證，參與編寫楊遠寧29技術員農業資源利用廣西壯族自治區農業生態與資源保護總站調研、試驗示范驗證，參與編寫制定標準的必要性和意義隨著我國經濟社會的快速發展，農田重金屬污染問題日益凸顯。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總的點位超標率為16.1%，耕地土壤點位超標率達19.4%，其中鎘點位超標率7.0%，位列第1。鎘是人體非必需元素，因其極具生理毒性被國際癌癥研究機構（IARC）列為I級致癌物。廣西礦產資源豐富，有色金屬礦產開采、選礦和冶煉加劇了土壤鎘重金屬污染。據統計，全區鎘超標土壤面積約占30%，遠高于全國平均水平。在《國家重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》中將廣西列為14個重金屬污染防治重點省區之一。水稻是廣西的主食作物，且對Cd具強烈的富集能力，稻田鎘污染嚴重威脅農產品質量安全和人體健康。自2020年9月以來，習近平總書記在多個國際重要場合表示中國的二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。中共十九屆五中全會、2020年中央經濟工作會議、政府工作報告、中央財經委員會第9次會議等都對這項重點工作做出戰略性部署，碳達峰、碳中和將納入我國生態文明建設整體布局。世界農田土壤的碳固存潛力約為每年全球大氣CO2總量增加值的1/4-1/3。稻田土壤作為特殊利用方式下的人為耕作土壤，由于長期處于淹水狀態而具有較高的碳密度和較大的固碳潛力。目前我國稻田土壤碳固定的方法主要以改變土壤耕作方式和秸稈直接還田等人為管理方式為主。然而，秸稈直接還田可迅速降解有機質，短期內秸稈通過光合作用固定的碳，不僅重新礦化成CO2，還會顯著促進CH4等溫室氣體的排放，因而極大削減了其對稻田土壤碳固定的貢獻作用。因此，稻田土壤碳固存技術亟待開發。鐵基生物炭因多孔、比表面積大，吸附能力強，能同步實現鎘水解、沉淀與吸附，改變鎘賦存形態，降低鎘毒性等功能，成為稻田土壤生態系統降鎘與碳捕捉儲存的有效材料。然而，目前缺乏規范化的稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術，導致利用過程中降鎘效果欠缺、固碳效果不佳。因此制定標準《稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術規程》，以標準為抓手強化鐵基生物炭對鎘污染稻田土壤降鎘固碳技術管理，從根本上解決稻田土壤鎘污染帶來的農產品安全問題，實現固碳減排，已迫在眉睫。本技術由廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境資環所、廣西壯族自治區農業生態與資源保護總站、廣西壯族自治區環境保護科學研究院聯合研發，通過多年試驗，總結了稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術。因此，形成適應廣西本土的技術規程，對降低稻田有效鎘含量，提升固碳能力，促進農業可持續發展具有積極作用。三、主要起草過程1、成立標準編制工作組廣西地方標準《稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術規程》項目任務下達后，標準牽頭單位廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所成立了以李婷婷為組長，胡鈞銘、莫宗標、吳昊、鄭富海、張俊輝、俞月鳳、羅棟源、何金富、蒙炎成、李宇翔、李楊、楊遠寧等人組成的標準起草工作小組；同時及時部署了制標工作方案和小組成員分工負責制及標準起草工作時間安排表，全面啟動了該規程的地方標準的編制工作。2、收集整理文獻資料標準編制工作組收集了國內相關技術文獻資料。主要有：GB15618-2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》、DB13/T2206-2020《農用地土壤重金屬污染修復技術規程》、DB45/T2145-2020《農田土壤重金屬污染修復技術規范》、DB44/T2278-2021《重金屬污染稻田土壤安全利用技術指南》、DB44/T2271-2021《耕地土壤重金屬污染鈍化調理技術指南》。3、編制過程2018年始，課題組成員已開展稻田生物炭降鎘固碳的基礎研究工作。2022年1月，課題組成員在前期研究工作以及實地調研的基礎上，對技術進行系統總結，并查閱了大量的國內外文獻資料，確定了廣西地方標準《稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術規程》的基本內容和思路，形成了標準草稿及立項申報書，并報送至廣西壯族自治區市場監督管理局。2022年8月-2022年9月，在原有的材料的基礎上，起草小組成員通過對鐵基生物炭實施流程、降鎘固碳效果評估、注意事項等進行深入研究，并就關鍵技術進行了多次征求討論研究，起草了標準文本并對標準草案進行了多次修改，最終完成了《稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術規程》廣西地方標準的征求意見稿和編制說明。四、制定標準的原則和依據，與現行法律、法規的關系，與有關國家標準、行業標準的協調情況1、實用性原則本文件中有關稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術規程內容及要求的規定，是在充分收集相關資料和文獻，并在廣西桂平基地、南丹基地等試驗基地應用情況的基礎上進行制定。符合當前鐵基生物炭應用與水稻安全生產的發展水平，具有較強的實用性和可操作性。2、協調性原則本在標準編寫過程中注意了稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術相關法律法規、標準的協調問題，在內容上與現行法律法規、標準協調一致。3、規范性原則本文件嚴格按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的要求和規定編寫本文件的內容，保證標準的編寫質量。4、前瞻性原則1.鐵基生物炭降低鎘污染生物炭可通過改變土壤中Cd2+的賦存形態，降低鎘生物有效性，進而達到修復污染土壤的目的。然而，生物炭在實際污染土壤中的修復作用受場地環境等多種因素的限制，使其對污染土壤的治理效果較差。因此，需要對生物炭進行改性處理，提高其在土壤中的穩定性和鈍化效果。經研究發現，經過鐵改性后的生物炭一方面將增加其表面的含氧官能團數量，與重金屬形成更加穩定的絡合物；另一方面，在生物炭表面引入鐵基后，能與重金屬離子發生親電反應，并形成穩定的配位螯合物。因此，鐵基改性處理有利于提高生物炭對重金屬污染土壤的鈍化效果和長期修復的可能性。2.生物炭固碳潛力及效果用于制備生物炭的原料為農林業廢棄物等生物質，據不完全統計，我國可利用的秸稈生物質資源產量約為9億t/年。生物炭由于碳架結構穩定，難以分解的特性，可應用于農田土壤中直接形成碳匯，能夠達到固碳減排、提高資源利用率。綜上，鐵基生物炭因多孔、比表面積大，吸附能力強，能同步實現鎘水解、沉淀與吸附，改變鎘賦存形態，降低鎘毒性等功能，成為稻田土壤生態系統降鎘與碳捕捉儲存的有效材料。因此制定標準《稻田鐵基生物炭降鎘固碳安全利用技術規程》，以標準為抓手強化鐵基生物炭對鎘污染稻田土壤降鎘固碳技術管理，從根本上解決稻田土壤鎘污染帶來的農產品安全問題，實現固碳減排，已迫在眉睫。本技術規程具有以下優點：①降低稻田有效鎘含量；②降低水稻籽粒中鎘含量；③提升稻田土壤有機碳含量；④實現農業廢棄物資源化利用。5.與現行法律、法規的關系，與有關國家標準、行業標準的協調情況本標準（征求意見稿）制定是依據《中華人民共和國標準化法》等國家相關的法規和強制性標準的基礎上結合地方實際情況制定出來的，因此與現行法律、法規及強制性標準無沖突。五、主要條款的說明，主要技術指標、參數、試驗驗證的論述1、本規程技術要求的適用范圍（1）本文件界定了所涉及的術語和定義，規定了鐵基生物炭、實施流程、降鎘固碳效果評估、注意事項等階段的操作要求。（2）本文件適用于GB15618規定的高于鎘污染風險篩選值且低于鎘污染風險管控值的稻田土壤修復。2、主要技術指標的確定和依據鐵基生物炭：以生物質為原料，通過高溫碳化的方法，在制備生物炭過程中，加入含鐵化合物，將鐵以特定比例摻雜，形成具有特殊結構和功能的鐵基生物炭材料。成品一般呈粉末狀。降鎘固碳：針對安全利用類鎘重金屬污染稻田，在不影響水稻種植的前提下，通過施入鐵基生物炭，使土壤有效鎘含量降低，稻米重金屬達標率提高，同時提高土壤有機碳（SOC）含量，達到設定的安全利用目標值。鐵基生物炭實施流程：界定了安全利用原理、實施原則、施用時間、施用方法、施用量、田間管理、治理檔案。降鎘固碳效果評估：包括布點與監測方案、采樣監測、土壤質量等級監測、效果判定。注意事項：界定了鐵基生物炭重金屬含量測定及存儲條件。以上主要技術指標確定的依據：1.鐵基生物炭降低鎘污染生物炭通常呈堿性，具有豐富的多孔結構和較大的比表面積。因其負電荷多、離子交換能力強等特點，從而對Cd2+等重金屬陽離子具有較強吸附能力。生物炭可通過改變土壤中Cd2+的賦存形態，降低鎘生物有效性，進而達到修復污染土壤的目的。然而，生物炭在實際污染土壤中的修復作用受場地環境等多種因素的限制，使其對污染土壤的治理效果較差。因此，需要對生物炭進行改性處理，提高其在土壤中的穩定性和鈍化效果。鐵氧化物對Cd2+具有強烈的親和力，通過內表面單原子和雙原子螯合體絡合Cd2+，從而大量去除水中Cd2+。經過鐵改性后的生物炭一方面將增加其表面的含氧官能團數量，與重金屬形成更加穩定的絡合物；另一方面，在生物炭表面引入鐵基后，能與重金屬離子發生親電反應，并形成穩定的配位螯合物。因此，鐵基改性處理有利于提高生物炭對重金屬污染土壤的鈍化效果和長期修復的可能性。許瑞平等（2021）利用XRD、FTIR和BET分析，發現磁性生物炭（磁性物質為Fe3O4顆粒）含有豐富的含氧官能團和芳香結構，對Cd2+的吸附主要與-COOH、-OH和π電子的絡合作用有關。郭華等（2020）認為1%（m/m）鐵基生物炭分別降低土壤有效鎘和水稻籽粒鎘含量達52.16%和42.86%。郭娟等（2018）試驗研究發現在模擬酸雨條件下鐵硅材料和生物炭的組合可顯著降低土壤中鎘有效態含量。張曉峰等（2020）研究發現生物炭對水稻籽粒鎘含量的降低率僅為15.40%，而零價鐵粉+生物炭組合對水稻籽粒鎘含量的降低率高達50.20%。2.生物炭固碳潛力及效果土壤碳庫是最活躍的碳庫，碳儲量高達27000億t，受人為因素影響最大。生物炭可單獨或者作為添加劑混合使用，能夠達到固碳減排、提高資源利用率。生物炭固碳減排機制如圖1（劉天等，2021）所示。生物炭由于其碳架結構穩定，難以分解的特性，可應用于農田土壤中直接形成碳匯。生物炭施入土壤表現出負向激發效應，進而降低土壤CO2排放，并可通過多種機制顯著降低土壤N2O排放。用于制備生物炭的原料為農林業廢棄物等生物質，據不完全統計，我國可利用的秸稈生物質資源產量約為9億t/年（劉曉永等，2017）。通過Arrhenius方程評估生物炭對溫室氣體排放的影響，Qi等（2020）認為土壤CH4和CO2排放受土壤溫度、SOC、可溶性有機碳(DOC)和微生物量碳(MBC)的影響，與常規施肥相比，水稻生長季添加生物炭處理通過降低其活化能(Ea)減少CO2和N2O排放。在稻麥輪作系統中為期6年的田間試驗，生物炭導致CH4和N2O排放量分別顯著減少11.2%～17.5%和19.5%～26.3%，并進一步通過薈萃分析顯示，在各種復雜土壤環境下，生物炭可分別顯著降低CH4和N2O排放量9.3%和18.7%（Wu等，2019）。田間試驗結果顯示生物炭可顯著增加0～45cm土層中碳含量（Soinne等，2020）。添加3000kg/(hm2·年)生物炭(以C計)于稻玉輪作系統中因限制C的礦化作用及增加小團聚體中芳香族碳化合物的比例從而顯著提高有機碳(SOC)含量（Mehmood等，2020）。Wang等（2020）認為生物炭抑制土壤SOC礦化是因為其引起微生物群落結構變化，可能會降低碳水化合物(葡萄糖、纖維二糖和D-木糖)的微生物利用。Ge等（2020）施用5t/hm2生物炭于亞熱帶毛竹林中，顯著降低了土壤呼吸速率，CO2排放量平均降低19.9%。在酸性茶土中，生物炭添加分別顯著降低CO2和N2O排放量7.2%～9.3%和36.3%～44.2%（Wang等，2019）。有機碳(SOC)提升促進土壤鎘遷移轉化土壤有機碳（SOC）也是驅動與控制土壤Cd遷移轉化的主要因素之一。SOC含量的提高能促進土壤有效態Cd轉化為固定態Cd。Lei等（2020）發現，SOC含量與土壤可提取態Cd呈負相關，而與土壤殘渣態Cd呈顯著正相關，這表明SOC可通過改變稻田中Cd的形態進而固定Cd。因自身含有較高有機碳，不同類型生物炭的施入可不同程度提高SOC含量。Xu等（2018）水稻盆栽試驗表明，應用有機富碳類生物炭如花生殼炭、小麥秸稈炭等能顯著提高SOC含量（分別提高了39.3%、50.8%）。Wu等（2019）通過水稻土土培試驗發現施入竹木炭能將SOC含量提高10.12%～32.06%，且Cd以Cd-有機配合物形式穩定下來。也有研究表明，生物炭能夠通過表面催化作用促進土壤中有機小分子聚合，促使SOC含量明顯提高（湯家慶等，2021）。因此，生物炭的施入增加SOC含量并將DOC轉化為穩定態的有機組分更有利于Cd污染稻田修復。試驗數據圖1盆栽試驗2021年3月-7月廣西農科院農業資源與環境研究所農業逆境生態調控團隊開展盆栽試驗，供試土壤采集于廣西某礦區附近受鎘污染的水稻土（0-20cm深度）。土壤pH值、有機質含量、陽離子交換量、土壤全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效磷、速效鉀、全鎘及有效鎘含量分別為5.21、52.20g/kg、10.21cmol(+)/kg、2.40g/kg、1.21g/kg、7.77g/kg、157.90mg/kg、2.30mg/kg、111.40mg/kg、0.38mg/kg和0.098mg/kg。水稻為水稻品種桂育12號，常規稻。試驗共設4個處理，分別為：CK（無添加修復材料）、Fe（零價鐵粉）、Fe_BC（鐵基生物炭）。與CK相比，Fe_BC處理的土壤有效鎘含量顯著低于CK處理（圖2）；Fe_BC處理的根表鐵含量、鎘含量顯著高于CK處理（圖3）；Fe_BC處理的水稻根鎘含量、地上部分鎘含量、殼鎘含量及籽粒鎘含量均顯著低于CK處理（圖4）圖2不同處理的土壤有效鎘含量

圖3不同處理的水稻根表鐵膜中鐵和鎘含量圖4水稻根（A）、地上部分（B）、殼（C）及籽粒（D）鎘含量

處理普通生物炭用量（kg·hm-2）零價鐵粉用量（kg·hm-2）鐵基生物炭（Fe1%）（kg·hm-2）鐵基生物炭（Fe3%）（kg·hm-2）鐵基生物炭（Fe5%）（kg·hm-2）1000002150000003075000400150000500015000600001500大田試驗：曾曉舵等（2021）大田試驗采集田塊表層土壤（0—20cm）分析，其土壤pH為5.74，Cd質量分數為2.19mg·kg-1，試驗設計如表2。表2試驗設計圖52014年早造水稻各個處理稻米Cd含量圖62014年晚造水稻各個處理稻米Cd含量施加1500kg·hm-2的ω(Fe)=1%的鐵基生物炭、1500kg·hm-2的ω(Fe)=3%的鐵基生物炭和1500kg·hm-2的ω(Fe)=5%的鐵基生物炭后，2014年早造稻米Cd質量分數分別由對照的0.660mg·kg-1下降到0.412、0.363、0.382mg·kg-1（圖5）。2014年晚造水稻土壤鈍化調理劑處理后，稻米Cd含量也有不同程度的下降；其中施加1500kg·hm-2的ω(Fe)=3%的鐵基生物炭處理后，稻米Cd質量分數由對照的0.296mg·kg-1，下降到0.192mg·kg-1，下降了35.20%，差異達到顯著水平（圖6）。郭華等（2020）針對土壤pH為5.39，Cd質量分數為1.07mg·kg-1的土壤進行大田試驗，試驗時間由2015年6月至2018年6月。將試驗地劃分成若干小區進行不同處理，每個小區20m2，每種處理均設3個重復。采用隨機區組排列，小區間設置田埂嚴格分隔以避免小區間的相互影響。各小區處理設計如表3所示，不同處理的生物炭記為Bx-y，其中x表示生物炭的種類，y表示生物炭的添加量，鐵基炭和市購炭分別記為BFe-Y，市購炭記為BMar-Y，生物炭的添加量分別為土壤質量的0%、0.5%和1%。表3試驗大田各小區處理注：BFe-0.5和BFe-1分別表示鐵基生物炭添加量為0.5%和1%；BMar-1表示市購生物炭添加量為1%。C3處理條件下，經過3a水稻季和3a小麥季后收獲期土壤有效Cd含量的變化情況。2015年水稻季施加鐵基生物炭后，與CK相比，BFe-1處理后使第1季水稻土壤有效Cd含量下降了46.70%，說明鐵基炭對土壤中的Cd具有顯著的鈍化效果。進一步觀察此后5季水稻或小麥收獲后土壤有效Cd含量的變化可知，與CK相比，土壤有效Cd含量降低率分別為53.03%，55.97%，49.71%，55.19%和54.40%，降低率始終保持在45%以上。土壤有效Cd含量總體呈下降趨勢，最低降至14.24μg/kg。由表4可知，與對照組相比，第2年水稻收獲期C0，C1處理組根部Cd含量分別降低55.40%和47.39%；秸稈Cd含量分別降低78.85%和57.69%；籽粒Cd含量分別降低81.17%和64.12%。相比于CK，BFe-0.5和BFe-1處理均能有效降低土壤有效Cd含量及水稻各部位對Cd的積累量，說明生物炭能有效阻隔Cd在水稻中的富集，且隨著生物炭施加量的增加抑制效果越好。且與BMar-1（C2）處理相比，BFe-1（C0）處理組籽粒Cd含量更低，說明鐵基炭不僅在降低土壤有效Cd含量方面優于市購炭，在降低籽粒Cd含量方面效果也更好。表4不同處理對收獲期水稻不同部位Cd含量的影響總的來說：經鐵基改性生物炭處理后水稻籽粒Cd含量降低了42.86%。且隨著鐵基生物炭施加量由0.5%增加到1%，水稻籽粒Cd含量下降了47.54%。此外，持續3年測定施用1%添加量的鐵基改性生物炭的大田實驗表明，土壤有效Cd降低率始終保持在45%以上，證明鐵基改性生物炭對鎘污染土壤具有長效修復性。圖6廣西某礦區附近稻田試驗取樣參考文獻：GeXG,CaoYH,ZhouBZ,etal.CombinedapplicationofbiocharandNincreasedtemperaturesensitivityofsoilrespirationbutstilldecreasedthesoilCO2emissionsinmosobambooplantations[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2020,730:139003.LeiSC,ShiY,XueC,etal.Hybridash/biocharbiocompositesassoilamendmentsforthealleviationofcadmiumaccumulationbyOryzasativaL.inacontaminatedpaddyfield[J].Chemosphere,2020,239:124805.MehmoodI,QiaoL,ChenHQ,etal.Biocharadditionleadstomoresoilorganiccarbonsequestrationunderamaize-ricecroppingsystemthancontinuousfloodedrice[J].Agriculture,Ecosystems&Environment,2020,39(298):106965.QiL,PokharelP,NiCS,etal.Biocharchangesthermalactivationofgreenhousegasemissionsinarice-lettucerotationmicrocosmexperiment[J].JournalofCleanerProduction,2020,247:119148.SoinneH,KeskinenR,HeikkinenJ,etal.Arethereenvironmentaloragriculturalbenefitsinusingforestresiduebiocharinborealagriculturalclaysoil?[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2020,49(731):138955.WangH,YiHT,ZhangX,etal.Biocharmitigatesgreenhousegasemissionsfromanacidicteasoil[J].PolishJournalofEnvironmentalStudies,2019,29(1):323-330.WangHT,ZhangW,ChenLJ,etal.Biocharinducednegativeprimingeffectonsoilorganiccarbonmineralisationbychangingthemicrobialcommunitystructureacrossplantgrowthstages[J].JournalofSoilsandSediments,2020,20(9):3340-3350.WuC,ShiLZ,XueSG,etal.Effectofsulfur-ironmodifiedbiocharontheavailablecadmiumandbacterialcommunitystructureincontaminatedsoils[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2019,647:1158-1168.WuZ,ZhangX,DongYB,etal.Biocharamendmentreduceduedgreenhousegasintensitiesintherice-wheatrotationsystem:six-yearfieldobservationandmeta-analysis[J].AgriculturalandForestMeteorology,2019,56(278):10