生物炭在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用研究

張春鑫，魏 勇，鐘衛(wèi)紅，吳畢元

（1.畢節(jié)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州 畢節(jié) 551700；2.畢節(jié)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

土壤重金屬污染問題歷年來受到環(huán)保工作者的廣泛重視。土壤中的重金屬經(jīng)過一段時間的蓄積進(jìn)入人體后，會對人類健康產(chǎn)生影響。另外，土壤重金屬污染還可對作物的生長和產(chǎn)量以及土壤肥力產(chǎn)生長期的影響。土壤重金屬并不會因?yàn)闀r間的推移而發(fā)生遷移或降解，反而會隨著時間的延長而逐漸累積[1]，通過食物鏈生物放大作用威脅人類健康，破壞生態(tài)環(huán)境。因此，解決農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染刻不容緩。李江遐、吳林春等人提出，生物炭可以減輕土壤重金屬的危害性，修復(fù)土壤[2]。張益碩等人就重金屬污染土壤修復(fù)原理與技術(shù)提出，生物炭是化學(xué)修復(fù)中常見的固化材料，適用于重金屬污染面積大的土壤[3]。近年來，生物炭的炭封存效應(yīng)引起了廣泛關(guān)注，在土壤污染修復(fù)方面具有巨大潛力。目前，我國多種農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量位居世界第一，隨之而產(chǎn)生的生物廢棄物，如不進(jìn)行合理有效的處理，大部分會被隨意棄置堆放，從而造成環(huán)境污染。研究基于生物炭對土壤中的重金屬作用，利用生物炭在土壤重金屬污染中發(fā)揮修復(fù)作用，提出生物炭在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用前景，以期為農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)提供參考。

1 生物炭的突出特征

生物炭（Biochar）是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物[4]。生物炭是一種富含碳的材料，可以在高溫（＞300°C）和缺氧條件下從各種生物質(zhì)（例如植物材料、動物廢物和其他廢物）中生產(chǎn)出來。生物炭最顯著的基本性質(zhì)包括表面積、孔隙率、灰分含量、電導(dǎo)率（EC）值、陽離子交換量（CEC）、營養(yǎng)元素、堿度和穩(wěn)定的碳結(jié)構(gòu)等。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)可以為土壤中有益微生物提供良好的生長環(huán)境，其灰分可為微生物提供養(yǎng)分[5]。生物炭的表面和孔隙可以貯存陰離子和陽離子交換相關(guān)的養(yǎng)分，另外，生物炭具有大量豐富的含氧官能團(tuán)，從而降低土壤重金屬的遷移性和生物有效性，因此，利用生物炭修復(fù)土壤重金屬污染得到了越來越多的關(guān)注。

2 土壤-生物炭-重金屬相互作用

2.1 土壤理化性質(zhì)的改變

污染物對生物體的影響主要取決于其在環(huán)境中的生物有效性，并受吸附作用影響，吸附作用與pH值、CEC（離子交換量）和pH BC（pH緩沖能力）有關(guān)。這些土壤參數(shù)在重金屬吸附、形態(tài)和生物有效性中起著重要作用。因此，對于以低pH、CEC和pH BC的酸性和帶有可變電荷的土壤，重金屬陽離子遷移率非常高。生物炭的高堿性可以在土壤與生物炭相互作用期間轉(zhuǎn)移到土壤中，從而改善土壤pH值。在生物炭與土壤相互作用期間，生物炭的官能團(tuán)為陽離子和質(zhì)子提供額外的吸附位點(diǎn)，通過絡(luò)合化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合環(huán)境中的H+，氨基、羥基和羧基等官能團(tuán)，與生物炭發(fā)生作用，使生物炭表面變得豐富，從而產(chǎn)生很多的OH-，一系列的化學(xué)反應(yīng)可以使養(yǎng)分離子交換容量，從而增強(qiáng)土壤CEC和pH BC，例如生物炭在硝酸修飾下，CEC提高了3倍。通過增強(qiáng)土壤CEC和pH BC，生物炭的緩沖作用降低了土壤pH值，并在低pH值下抑制重金屬陽離子遷移率。當(dāng)把生物炭添加到土壤中時，生物炭將其負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到土壤表面，使土壤表面負(fù)電荷增多，說明通過化學(xué)鍵的形成，生物炭與土壤發(fā)生了相互作用。

2.2 土壤重金屬的固定化

生物炭固定土壤中重金屬主要體現(xiàn)在促進(jìn)作物吸收和減少土壤中重金屬的有效性。生物炭表面的負(fù)電荷，通過與重金屬陽離子結(jié)合，從而降低了土壤中的重金屬濃度；生物炭可改善土壤pH值并加速重金屬陽離子對氫氧化物的水解形成沉淀或絡(luò)合物等，另外，HM（OH）對土壤表面的親和力比例金屬陽離子的親和力更強(qiáng)，重金屬陽離子的遷移率和生物有效性將顯著降低，能夠有效降低重金屬的有效性。有關(guān)研究表明，在700°C下產(chǎn)生的生物炭使土壤樣本中Pb的可用形式減少88.1%，在受鉛污染的農(nóng)業(yè)土壤中減少95%[6]，這在降低Pb對土壤微生物的毒性方面起到了重要作用。

2.3 作物對重金屬吸收的改變

生物炭可以有效降低重金屬生物有效性，在一定程度上改良土壤環(huán)境。生物炭對重金屬吸收的主要體現(xiàn)在重金屬含量的減少，如大多數(shù)可溶態(tài)重金屬（如Cu、Cd、Pb、Ni等）在生物炭改良后顯著降低，但這種效應(yīng)對Fe和Mn的影響不太明顯。生物炭在受污染的水稻土壤中的應(yīng)用顯著減少了水稻植株不同部位（根、莖、葉和殼）的重金屬積累。對于生長在鉛污染土壤上的玉米植株，生物炭處理可以使Pb的生物有效性降低71%，可交換的Pb降低99%。與未添加生物炭的土壤相比，顯著降低了對玉米植株的Pb毒性。生物炭通過顯著降低污染物的生物有效性和毒性改良土壤，為作物生長提供了良好環(huán)境。

3 生物炭在農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復(fù)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)土壤修復(fù)技術(shù)包括物理、化學(xué)和生物等方法，已被公認(rèn)可以減少土壤重金屬污染。近年來，利用生物炭作為土壤改良劑，對農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染進(jìn)行原位固定化，已突顯出巨大的修復(fù)潛力，將生物炭施用在重金屬污染土壤具有重要意義。

3.1 不同生產(chǎn)原料對生物炭的影響

生物炭因其材料來源廣泛，對農(nóng)業(yè)土壤重金屬的修復(fù)效果也不同，不同的生產(chǎn)原料也影響著生物炭的性質(zhì)和性能。有研究學(xué)者在進(jìn)行卷心菜試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，使用花生殼生物炭可以改善高酸性土壤環(huán)境，改善土壤養(yǎng)分有效性和土壤pH值，最大限度減少Al毒性，以促進(jìn)卷心菜良好生長；添加在500°C下熱解的甘蔗生物炭，使Cd的生物有效性降低了63%，并增強(qiáng)了綠豆的微生物活性，促進(jìn)共生關(guān)系，并提高該作物的產(chǎn)量；添加在500°C下熱解玉米秸稈殘?jiān)纳锾?，顯著改善了土壤養(yǎng)分含量和pH值并降低了Cr的生物有效性；添加500°C下熱解的稻殼生物炭，提高了土壤pH值，增強(qiáng)了重金屬Cd、Cu、Pb、Zn的吸附，生菜對重金屬的吸收顯著降低；同時，生物炭可以減少水稻、苜蓿和甘蔗發(fā)芽中Cr的毒性，有助于Cr6+轉(zhuǎn)化為Cr3+，生物炭的添加提高了Cr的生物有效性并促進(jìn)水稻、苜蓿和甘蔗的生長。有研究表明，在土壤中添加生物炭后，可以減少作物對As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的吸收率，分別高達(dá)48%、40%、38%、44%、28%和22%[7]。數(shù)據(jù)顯示，用水稻、玉米、小麥等不同作物制成的生物炭，可以在不同程度上降低土壤重金屬的污染。其中，以秸稈為原料的生物炭在我國已受到廣泛關(guān)注，并且經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，可以有效控制土壤中的重金屬污染。

3.2 生物炭原位修復(fù)

生物炭原位修復(fù)具有一定的針對性，就單一的生物炭原位修復(fù)同樣具有良好的生態(tài)效應(yīng)，但由于其修復(fù)存在局限性，目前使用范圍覆蓋面較窄，由此而研發(fā)的生物炭聯(lián)合技術(shù)研究可彌補(bǔ)其不足，在一定程度上提高了修復(fù)效率。司馬小峰等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭與動植物、微生物等材料聯(lián)合使用時，生物炭對重金屬污染具有修復(fù)作用，不僅能提高污染的修復(fù)效率，還能增強(qiáng)污染修復(fù)效果的穩(wěn)定性[8]。生物炭對土壤重金屬的生物有效性不僅受生物炭本身和土壤理化性質(zhì)的影響，還受作物種類、土壤類型、重金屬種類和污染程度等因素影響。生物炭的應(yīng)用對農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復(fù)具有普遍的適用性和良好的修復(fù)效果，同時，生產(chǎn)過程可以將農(nóng)業(yè)廢棄有機(jī)質(zhì)資源化利用，作為土壤重金屬修復(fù)劑在全球范圍內(nèi)被廣泛使用。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭，以及金屬污染土壤修復(fù)中金屬積累和轉(zhuǎn)移的機(jī)理研究已有顯著進(jìn)展。盡管生物炭在農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復(fù)中具有積極影響，但對于生物炭施用對農(nóng)業(yè)土壤重金屬的修復(fù)的“絕對益處”仍未達(dá)成共識。這是因?yàn)樵谕寥乐刑砑由锾坎⒉皇撬凶魑锏纳a(chǎn)力都會持續(xù)提高，不同作物的反應(yīng)可能不同。在許多情況下，大多數(shù)生物炭的高吸附能力會限制作物對金屬元素的吸收，因?yàn)榻饘僭嘏c生物炭表面強(qiáng)烈結(jié)合，降低了金屬元素的生物有效性。此外，盲目地使用生物炭會增加土壤毒性，因?yàn)樗鼈兛赡芎兄亟饘俨ψ魑锷L產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，生物炭在使用過程中需要注意以下事項(xiàng)：第一，應(yīng)用生物炭對農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復(fù)的重要作用，需解釋修復(fù)過程和提高作物生產(chǎn)力背后的潛在機(jī)制。生物炭在受重金屬污染土壤中的應(yīng)用可能是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和保護(hù)作物多樣性的一種有潛力的方法，然而，未來的研究方向還需要全面分析生物炭推廣及生產(chǎn)的最佳方法，提高對生物炭的適宜性、吸附潛力和可持續(xù)性的關(guān)注。第二，將生物炭作為肥料添加到受污染的土壤中是改善農(nóng)業(yè)土壤的新方法，目前已經(jīng)開展了大量的研究，約有86%的研究是短時間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室和溫室中進(jìn)行的。因此，有必要進(jìn)行長期的實(shí)地研究，以驗(yàn)證有關(guān)生物炭施用對農(nóng)業(yè)土壤重金屬的詳細(xì)作用機(jī)制和可能產(chǎn)生負(fù)面影響的研究。此外，需要進(jìn)行更多的研究來了解生物炭對不同農(nóng)業(yè)土壤類型、環(huán)境氣候、植物種類和施用方法的影響，以及土壤-植物-大氣系統(tǒng)的影響。第三，生物炭的高成本是抑制生物炭大規(guī)模應(yīng)用的一個因素。然而，生物炭已經(jīng)逐步向低成本可持續(xù)生產(chǎn)的方向發(fā)展。目前生物質(zhì)通過熱解產(chǎn)生的碳化物質(zhì)均被稱為生物炭，涵蓋范圍廣泛，生產(chǎn)技術(shù)缺乏規(guī)范指導(dǎo)，有必要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在科學(xué)研究成果的支撐下，保證高質(zhì)量生產(chǎn)生物炭。