Biochar has emerged as an efficient tool to affect bioavailability of heavy metals in contaminated soils. Although partially understood, a carefully designed incubation experiment was performed to examine the effect of biochar on mobility and redistribution of Cd, Cu, Pb and Zn in a sandy loam soil collected from the surroundings of a copper smelter. Bamboo and rice straw biochars with different mesh sizes (<0.25 mm and <1 mm), were applied at three rates (0, 1, and 5% w/w). Heavy metal concentrations in pore water were determined after extraction with 0.01 M CaCl2. Phytoavailable metals were extracted using DTPA/TEA (pH 7.3). The European Union Bureau of Reference (EUBCR) sequential extraction procedure was adopted to determine metal partitioning and redistribution of heavy metals. Results showed that CaCl2-and DTPA-extractable Cd, Cu, Pb and Zn concentrations were significantly (p < 0.05) lower in the bamboo and rice straw biochar treated soils, especially at 5% application rate, than those in the unamended soil. Soil pH values were significantly correlated with CaCl2-extractable metal concentrations (p < 0.01). The EUBCR sequential extraction procedure revealed that the acid extractable fractions of Cd, Cu, Pb and Zn decreased significantly (p < 0.05) with biochar addition. Rice straw biochar was more effective than bamboo biochar in decreasing the acid extractable metal fractions, and the effect was more pronounced with increasing biochar application rate. The effect of biochar particle size on extractable metal concentrations was not consistent. The 5% rice straw biochar treatment reduced the DTPA-extractable metal concentrations in the order of Cd < Cu < Pb < Zn, and reduced the acid extractable pool of Cd, Cu, Pb and Zn by 11, 17, 34 and 6%, respectively, compared to the control. In the same 5% rice straw biochar treatments, the organic bound fraction increased by 37, 58, 68 and 18% for Cd, Cu, Pb and Zn, respectively, compared to the control, indicating that the immobilized metals were mainly bound in the soil organic matter fraction. The results demonstrated that the rice straw biochar can effectively immobilize heavy metals, thereby reducing their mobility and bioavailability in contaminated soils.

Soil contamination with heavy metals has become a global concern because of its adverse effects on ecosystem health and food security. Soil amendments including biochar can reduce the bioavailability of heavy metals in contaminated soils and reduce their risk of entering the food chain. A pot experiment was conducted to investigate the effects of biochars derived from bamboo and rice straw on bioavailability and plant growth in a sandy loam paddy soil naturally co-contaminated with Cd, Cu, Pb and Zn. The soil was moderately acidic (pH = 5.7) and low in organic carbon content (8.7 g kg−1). Bamboo and rice straw biochars, pyrolyzed at temperatures ≥ 500 °C and with two mesh sizes (< 0.25 mm and < 1 mm), were applied at three rates (0, 1% and 5%, w/w). A metal-tolerant plant, Sedum plumbizincicola X. H. Guo et S. B. Zhou sp. nov. was used in the plant growth experiment to examine the bioavailability of these metals. The addition of biochars to soil significantly (p < 0.05) increased the above-ground biomass of S. plumbizincicola. By the end of the experiment, soils amended with biochar had pH values significantly (p < 0.05) higher, this effect being more accentuated at the high biochar dose and small particle size. The solubility of Cd, Cu, Pb, and Zn as measured by Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) was significantly lower (p < 0.05) in the biochar-amended soils than in the control soil. This was paralleled by significant reductions in Cd, Cu, Pb and Zn accumulated in the above-plant biomass of amended soils. Rice straw biochar reduced the concentration of Cu and Pb in the shoots by 46 and 71%, while bamboo biochar reduced concentration of Cd in the shoot by 49%. Finer biochar was more effective on reducing the concentrations of Zn in shoot than the coarse ones, while particle size had no effect on the concentrations of Cd, Cu and Pb in the shoot of S. plumbizincicola. In conclusion, the influence of biochar on heavy metal bioavailability varied not only with the feedstock and application rate of biochars, but also with the metal species. Therefore, biochar should be carefully designed to maximize the reduction of the bioavailability of a given heavy metal in soil.