生物炭對(duì)污染土壤修復(fù)的研究進(jìn)展

王欣鈺，高斯，孫長(zhǎng)龍，張倩楠，吳思

生物炭對(duì)污染土壤修復(fù)的研究進(jìn)展

王欣鈺，高斯，孫長(zhǎng)龍，張倩楠，吳思

（沈陽(yáng)師范大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

土壤是生物圈的重要組成部分，是人類(lèi)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是保障國(guó)家糧食安全的最基本的生產(chǎn)材料。隨著人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)的高度密集，土壤污染程度越來(lái)越嚴(yán)重。土壤質(zhì)量持續(xù)惡化，嚴(yán)重影響人類(lèi)健康，因此開(kāi)展針對(duì)污染土壤的修復(fù)工作刻不容緩。生物炭作為一種在土壤改良、生物能源生產(chǎn)、有機(jī)廢物循環(huán)利用和溫室氣體減排等方面具有積極意義的物質(zhì)，對(duì)于農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面有重要意義，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

生物炭；土壤修復(fù)；理化性質(zhì)

生物炭（biochar）又稱為生物質(zhì)炭，是指由含碳量豐富的生物質(zhì)在相對(duì)較低的溫度(＜700 ℃)和無(wú)氧或限氧的條件下熱解炭化而得到的一類(lèi)高度芳香化的難熔性固態(tài)高聚產(chǎn)物。生物炭是一種含碳量豐富的多孔性物質(zhì)，其容重小，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)，在自然條件下一般呈堿性。在土壤中添加生物炭可以有效提高土壤中有機(jī)碳的含量和有效性營(yíng)養(yǎng)元素的含量，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。同時(shí)，它還可以改變土壤的各種理化性質(zhì)特性,因此生物炭在對(duì)于污染土壤的有效改良中的應(yīng)用引起了越來(lái)越多的關(guān)注。

土壤污染類(lèi)型主要有4種：

（1）化學(xué)污染物，其中包括有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)污染物，例如汞、鎘、砷等重金屬和某些化學(xué)合成物、各種化學(xué)類(lèi)農(nóng)藥、石油及其裂解產(chǎn)物等；

（2）物理污染物，一般是指某些工廠和礦廠所產(chǎn)生的固體廢物，如尾礦、粉煤灰和工廠產(chǎn)生的廢物等；

（3）生物污染物，是指含有各種細(xì)菌病毒的城市垃圾及衛(wèi)生設(shè)施排放的廢水等；

（4）放射性污染物，主要是存在于某些有核原料開(kāi)采地區(qū)，或發(fā)生過(guò)大氣核爆炸的一些地區(qū)，以及某些長(zhǎng)期有放射性元素存在的土壤[1]。

目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)的土壤污染主要是石油采集等帶來(lái)的污染以及部分重金屬含量超標(biāo)，以及農(nóng)業(yè)化肥和農(nóng)藥等有機(jī)污染物污染。本文主要介紹通過(guò)生物炭對(duì)于土壤理化性質(zhì)、生物特性、重金屬等方面的影響，來(lái)達(dá)到對(duì)土壤修復(fù)的目的。

1 生物炭對(duì)污染土壤理化性質(zhì)的影響

1.1 生物炭對(duì)土壤pH的影響

酸堿性是衡量土壤的一個(gè)重要屬性，是影響土壤肥力的重要因素，它還與土壤中的某些性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育。韓光明[2]在其實(shí)驗(yàn)中，將生物炭添加在白漿土、潮土、灰漠土和棕壤土后，土壤的pH值均有不同程度的提高。Chintala[3]等在酸性土壤和堿性土壤中分別加入由柳枝稷、玉米秸稈、松木熱解而產(chǎn)生的生物炭，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在酸性土壤中分別添加這3種生物炭后，土壤的pH值均有不同程度的提高，同時(shí)隨著用量的增加，pH值的變化呈上升趨勢(shì)；但是在堿性土壤中添加，結(jié)果并沒(méi)有產(chǎn)生太大的影響。通過(guò)以上的研究可以看出，生物炭能夠有效地調(diào)節(jié)酸性土壤的pH值。因此，在酸性土壤中生物炭被認(rèn)為是一種很好的改良劑。姚欽[4]的研究表明，將生物炭添加到東北黑土地中，可以提高土壤pH值，改善土壤質(zhì)地。

1.2 生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，能夠有效改善土壤團(tuán)聚體和穩(wěn)定性、增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的吸持交換、促進(jìn)微生物的活動(dòng)。生物炭對(duì)保存土壤有機(jī)質(zhì)具有積極意義，在全球的碳循環(huán)中有著重要地位。

Glaser[5]等和Wardle[6]等及Novak[7]等研究表明，土壤中添加生物炭能夠快速提高土壤碳庫(kù)含量、土壤有機(jī)碳含量和土壤碳氮比，有效改良土壤質(zhì)量，提高農(nóng)作物的生產(chǎn)力。韓光明[8]實(shí)驗(yàn)研究表明，在土壤中施加生物炭后，土壤有機(jī)質(zhì)含量以及碳氮比均有明顯提高。

生物炭對(duì)于土壤有機(jī)碳含量水平的影響，與生物炭的用量及穩(wěn)定性有關(guān)。稻稈、綠肥、堆肥施入土壤后，一般在5~10 a后，剩余量不到20%，其中只有極少量的生物炭轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。

1.3 生物炭對(duì)土壤水分的影響

水分是土壤環(huán)境中的一個(gè)重要因素，其含量主要取決于土壤的質(zhì)地及降水率。生物炭有利于土壤水分的保持，特別是在根際部位，同時(shí)也增加了營(yíng)物質(zhì)循環(huán)，減少淋溶。經(jīng)研究表明，生物質(zhì)炭能夠有效提高田間土壤持水量，但是隨著生物炭的添加，土壤持水性能并不一直隨著生物炭的添加而無(wú)限增加。Dugan[9]等人在加納土壤試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭量添加量為5 t/hm2時(shí)，土壤的持水能力最佳。因此，生物炭可以有效的提高干旱地區(qū)砂性土壤持水能力，并通過(guò)調(diào)節(jié)添加比例來(lái)增強(qiáng)其應(yīng)用的有效性。

2 生物炭對(duì)土壤微生物的影響

2.1 生物炭對(duì)土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的影響

土壤環(huán)境的改變包括土壤基礎(chǔ)、非生物因素的改變和生長(zhǎng)環(huán)境的不同，這些與土壤微生物的生存生活息息相關(guān)，對(duì)微生物的群落變化產(chǎn)生影響。土壤中有一些對(duì)生物炭十分敏感的特殊功能菌，在生物炭添加后會(huì)引起明顯變化。因此可以通過(guò)這些變化反映出生物炭的施加對(duì)于土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的影響。

近些年來(lái)，一些科研人員利用分子生物學(xué)和生物化學(xué)技術(shù)來(lái)研究生物炭對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。Oneill[10]等在對(duì)于亞馬遜富碳土壤中的微生物種群的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在土壤中施加生物炭，可以有效改善微生物種群的多樣性，優(yōu)化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。在土壤中施用生物炭后，土壤中細(xì)菌、真菌和古菌的群落組成均有不同程度的變化。Grossman[11]等比較了添加和不添加生物炭土壤微生物群落，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論施用生物炭的土壤類(lèi)型如何，添加生物炭的土壤有什么用途，其土壤微生物種類(lèi)基本相同，而且與不添加生物炭的土壤微生物種類(lèi)有較大差異，說(shuō)明生物炭對(duì)微生物的群落有影響。

2.2 生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶與土壤肥力有著密切關(guān)聯(lián)，還與土壤間的生化反應(yīng)以及土壤生產(chǎn)力有關(guān)。它們與生活在土壤中的微生物一起促進(jìn)材料的轉(zhuǎn)化。因此，土壤酶活性是評(píng)價(jià)土壤健康狀況的重要指標(biāo)之一，其活性受土壤養(yǎng)分含量、pH值、孔隙結(jié)構(gòu)、持水能力、CEC等因素的影響[12]。潘全亮[13]等通過(guò)微定位實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)6年時(shí)間，研究在土壤中添加生物炭和碳基肥料對(duì)土壤酶活性會(huì)產(chǎn)生什么的影響。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭能夠有效抑制過(guò)氧化氫酶活性，從而提高土壤所含蔗糖酶活性，提高土壤可溶性有機(jī)碳含量。

2.3 影響土壤微生物的多樣性

土壤微生物多樣性指數(shù)，是反映不同類(lèi)型土壤微生物群落的物種豐度和分布。多樣性指數(shù)越高，土壤微生物多樣性越豐富，土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)越復(fù)雜，功能越穩(wěn)定。

韓銳[14]等以東北典型黑土區(qū)表層（0～10 cm）耕地土壤作為研究對(duì)象，研究了生物炭的添加量對(duì)黑土的土壤微生物功能多樣性的影響。研究結(jié)果表明，黑土耕地土壤中添加外源生物炭，對(duì)微生物功能多樣性有增強(qiáng)作用。Doan[15]等人將生物炭施加在含有化肥和生物有機(jī)肥的土壤中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤中的細(xì)菌數(shù)量、豐富度和Shannon指數(shù)均顯著增加。豐度是描述物種多樣性的指標(biāo)，而微生物的豐度與生物炭的吸附性能有關(guān)。對(duì)于無(wú)論是細(xì)菌還是真菌，生物炭的特殊結(jié)構(gòu)都可以擴(kuò)大它們的生存空間，降低生存壓力。并不是所有的孔徑生物炭都適合微生物，通常最適合微生物吸附的孔徑是其自身孔徑的2~5倍。

3 生物炭對(duì)重金屬污染土壤的治理

土壤重金屬污染是指由于人類(lèi)活動(dòng)所造成的土壤重金屬污染，土壤中微量金屬元素含量超過(guò)本底值，導(dǎo)致重金屬在土壤中過(guò)度沉積。由于重金屬不易被土壤微生物分解，容易在土壤中形成積累，甚至轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的甲基化合物，并可能因?yàn)橥寥婪N植農(nóng)作物等，通過(guò)食物鏈在人體中積累，嚴(yán)重威脅人體健康。近年來(lái)，中國(guó)“鎘大米危機(jī)”、“廣州重金屬蔬菜”、“武漢有毒土地天價(jià)修復(fù)”等事件接連發(fā)生，說(shuō)明我國(guó)土壤重金屬污染問(wèn)題十分嚴(yán)重。

周涵君[16]等在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)生物炭可以改善鎘污染土壤的生物特性，提高鎘污染土壤的吸收率，從而提高鎘污染土壤的質(zhì)量。周建斌[17]等研究了棉花秸稈碳對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)作用和大白菜對(duì)鎘污染土壤的吸收作用。結(jié)果表明，棉稈炭能有效地治理土壤中的鎘污染，降低蔬菜中的鎘含量，提高蔬菜品質(zhì)。Beesley[18]等人在對(duì)鎘污染土壤進(jìn)行培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后，土壤孔隙水中Cd的濃度成倍數(shù)降低，植物中Cd的毒性也降低了。

根據(jù)生物炭特性以及近年來(lái)研究結(jié)果表明，生物炭可以改變土壤中重金屬的生物利用度，因此生物炭可以修復(fù)重金屬污染的土壤。但在重金屬污染土壤的修復(fù)過(guò)程中，生物炭對(duì)不同類(lèi)型的土壤和不同類(lèi)型的重金屬污染的修復(fù)效果是不同的。

4 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今社會(huì)，伴隨著化工業(yè)的發(fā)展，大量污染物通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤環(huán)境中，導(dǎo)致土壤污染愈發(fā)嚴(yán)重。生物炭作為一種新型的環(huán)境功能材料，其生產(chǎn)和應(yīng)用不僅為城市垃圾、工業(yè)廢物和農(nóng)林廢物的資源化利用提供了新的思路，并且在對(duì)于農(nóng)作物栽培、土壤改良、污染控制以及溫室氣體減排等方面均呈現(xiàn)出巨大潛力。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物炭的相關(guān)研究處于起步探索階段。因此，對(duì)于生物炭的應(yīng)用與研究需要進(jìn)一步完善，并在多方面進(jìn)行研究與探討。

（1）目前大多數(shù)的研究都屬于短期實(shí)驗(yàn)，對(duì)生物炭施用后的長(zhǎng)期效應(yīng)的研究尚待開(kāi)展，其相關(guān)的研究報(bào)道較少。針對(duì)其在土壤的存在時(shí)間及在一定時(shí)效后對(duì)土壤環(huán)境的影響仍需進(jìn)一步研究。

（2）不同來(lái)源的生物炭、不同的熱解溫度、施用量以及土壤類(lèi)型等因素都會(huì)影響生物炭對(duì)環(huán)境的影響效應(yīng)及作用效果。

（3）生物炭與土壤相互作用的機(jī)理還沒(méi)有完全弄清楚，例如生物炭添加對(duì)土壤微生物群落、官能團(tuán)、重金屬、除草劑、生物地球化學(xué)循環(huán)等的作用機(jī)理。

（4）由于生物炭富含多環(huán)芳香烴，在施用生物炭后，是否會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)有負(fù)面影響尚待研究。

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Research Progress of Remediation of Contaminated Soil With Biochar

,,,

（Shenyang Normal University, Liaoning Shenyang 110034, China）

Soil is an important part of the biosphere, is the foundation of human survival and development, is also the most basic production material to ensure national food security. With the development of human society economy and highly intensive human activities, soil pollution is more and more serious, soil quality is deteriorating, which has serious impact on human health and life development.Therefore,the remediation of contaminated soil is urgent. Biochar as a substance with positive significance in soil improvement, bioenergy production, organic waste recycling and greenhouse gas emission reduction is of great significance in the agriculture, so it has attracted widespread attention of researchers at home and abroad, and has become one of the research hotspots in recent years.

biochar; soil remediation; physical and chemical properties

試點(diǎn)示范引領(lǐng) 多家園區(qū)布局

智慧化工園區(qū)建設(shè)風(fēng)生水起

近日，工信部發(fā)布的《國(guó)家新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地2017年工作要點(diǎn)》提出，國(guó)家新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地是承載“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略任務(wù)、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)、重大工程的重要載體。要推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+示范基地發(fā)展，加大對(duì)智慧化工園區(qū)（示范基地）的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和宣傳推廣，借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)在相關(guān)示范基地中遴選示范典型，推進(jìn)智慧園區(qū)建設(shè)。

目前各地智慧化工園區(qū)建設(shè)風(fēng)生水起，多家化工園區(qū)已經(jīng)將智慧園區(qū)作為提升安全環(huán)保水平的重要手段。

業(yè)內(nèi)人士介紹說(shuō)，我國(guó)現(xiàn)有的大部分化工園區(qū)的管理方式比較粗放，園區(qū)對(duì)于企業(yè)的管理大多局限于安全、環(huán)境等方面，沒(méi)有覆蓋到節(jié)能管理、空間管理、運(yùn)營(yíng)管理等領(lǐng)域，在管理方式上處于被動(dòng)狀態(tài)，不能針對(duì)園區(qū)內(nèi)各類(lèi)情況很快調(diào)整管理策略。隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，如何利用好信息化技術(shù)支撐園區(qū)的發(fā)展戰(zhàn)略、滿足園區(qū)內(nèi)企業(yè)智能化發(fā)展需求、進(jìn)一步提升園區(qū)的管理效率，是化工園區(qū)未來(lái)發(fā)展所面臨的共同課題。

智慧化工園區(qū)發(fā)展模式應(yīng)運(yùn)而生，并成為實(shí)現(xiàn)園區(qū)現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略途徑之一。智慧化工園區(qū)建設(shè)，旨在以新一代信息技術(shù)為手段，以智慧應(yīng)用為支撐，全面整合園區(qū)內(nèi)外資源，實(shí)現(xiàn)園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施智能化、公共管理精細(xì)化、公共服務(wù)便捷化、資源利用綠色化、產(chǎn)業(yè)發(fā)展智能化，促進(jìn)園區(qū)發(fā)展向產(chǎn)業(yè)集聚型、生態(tài)環(huán)保型轉(zhuǎn)變。這對(duì)于拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，推進(jìn)兩化深度融合及轉(zhuǎn)型升級(jí)都具有重要的作用。

X53

A

1004-0935（2020）04-0402-04

2019-12-15

王欣鈺（1995-），女，滿族，碩士，遼寧省葫蘆島市人，2017年畢業(yè)于沈陽(yáng)師范大學(xué)，研究方向：生態(tài)學(xué)。

張 陽(yáng)（1975-），女，教授，博士研究生，研究方向：微生物生態(tài)學(xué)。