生物炭對退化和污染土壤的修復作用研究進展

王桂君，王 磊，律其鑫

(長春師范大學，吉林長春 130032)

生物炭對退化和污染土壤的修復作用研究進展

王桂君，王 磊，律其鑫

(長春師范大學，吉林長春 130032)

生物炭是將農林廢棄物等生物質在缺氧或無氧條件下通過熱裂解過程而產出的一類多孔的、性質穩定、高度芳香化、富含碳元素的固態物質。本文綜述了生物炭對退化土壤物理化學性質改良的作用；同時分析生物炭對污染土壤的修復作用，以期為生物炭在農業中的可持續利用提供基礎。

生物炭；土壤退化；土壤污染；土壤修復

土壤的侵蝕、退化和養分虧缺是目前農業面臨的一大問題。此外，工業“三廢”、農藥和化肥的不合理施用，致使污染物在土壤中累積，影響作物生長，威脅農產品的安全[1]。而農業廢棄物的大面積焚燒處理也帶來了空氣質量的下降。由于生物炭的炭封存作用，使其備受關注，許多研究也表明生物炭多孔和高比表面積的特性使其有極強的吸附能力，一方面能改善土壤物理化學性質，另一方面可以吸附土壤中的重金屬及高分子有機污染物等，關于生物炭的對土壤修復的作用研究已受到越來越多的關注。本文探討了生物炭對退化和污染土壤的修復作用，為農業土壤的可持續利用提供借鑒。

1 生物炭概述

生物炭是生物質廢棄物在缺氧或無氧的情況下經高溫裂解產生的一類熔點高、性質穩定、高度芳香化的富含碳元素的物質。生物炭中的碳元素含量高，主要由芳香烴、單質碳、具有類石墨結構的碳原子組成，物理化學性質穩定。在自然環境中，微生物很難將其分解，因此在理論條件下，生物炭在土壤中可以長期穩定存在，在土壤中施用一定比例的生物炭后，相當于把碳封存起來，以此來使氣候變化的環境效應得到緩解[2]。生物炭可以降低土壤容重，增加土壤團聚體的數量，改善土壤水氣條件，利于退化土壤的改良。此外，生物炭具有較大的表面積和微孔結構和表面官能團，可吸附土壤中重金屬污染物和有機污染物，降低土壤中污染物的生物有效性，減小其對環境的風險。

2 生物炭對退化土壤的改良作用

2.1 調節土壤理化性狀，改善土壤結構

生物炭可以調節土壤結構，增加土壤孔隙度[2]，降低土壤容重，提高土壤含水量及對水分的保持能力[3],增加土壤水穩性團聚體的穩定性，降低土壤張力等[4]。生物炭通過改變侵蝕土壤的結構、泥沙養分等理化性質可以減少土壤的侵蝕和淋失。而生物炭對土壤物理結構[5]、土壤緊實度等[6]性狀的改良及對土壤水分的影響與生物炭本身所具有的多孔結構和吸附能力有關[7]。生物炭對土壤持水性的影響與土壤質地有關，同時也受到生物炭自身結構與吸濕能力的制約。Dugan等用鋸末和玉米秸稈制成三種不同生物炭研究其對同類型土壤的物理性質的影響，發現生物炭施加后使三種土壤的持水量均有所增加，而對沙質土壤的最大持水量的促進作用最強。生物炭的施加能夠調節土壤pH值、影響土壤的質地、增加土壤的陽離子交換量。因其具有豐富的芳環結構和大量的表面含氧官能團，可為土壤提供大量離子交換點位。此外，生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，可以交換土壤中的H+和Al3+，降低其濃度，減輕其脅迫作用并調節土壤的pH[8]，可用于酸化土壤的改良。

2.2 改善土壤養分條件，提高養分利用率

2.3 影響土壤微生態環境和物質循環

生物炭的孔隙結構不僅能夠使土壤中水氣熱維持在一個良性平衡，而且能儲存土壤養分，作為微生物活動的微環境。一定量的生物炭施加后能改變土壤生物群落的組成和豐度[15]，這些變化可能影響土壤的營養物質循環過程和土壤結構,進而影響土壤微生態系統和植物的生長，同時對土壤有機質的循環也會產生影響[16]。生物炭中大部分碳的化學穩定性很強，微生物很難將其中的C、N或者其他營養元素作為能源直接利用。然而由于生物炭特殊的結構特征，有部分元素容易淋濾出來而容易被礦化，利于微生物的吸收利用，增加微生物的活性和豐富度。但是由于土壤微生態環境的復雜性、生物炭的性質與土壤生物群落的聯系以及他們在土壤過程中的作用機制和驅動過程尚不明確[17]。

3 生物炭對污染土壤的修復作用

3.1 降低重金屬元素的生物有效性

生物炭粒徑小，對重金屬污染物具有極強的吸附能力。同時生物炭表面帶有負電荷，能夠高效率的吸附土壤和水體中的重金屬污染物，對污染物起鈍化和固定的作用，以此來降低、去除污染土壤中的重金屬的活性與毒性。生物炭豐富的表面官能團，能提高土壤離子的交換能力，促進重金屬污染物從污染土壤中轉移到生物炭表面上，降低重金屬污染物對土壤環境的危害程度。

3.2 使重金屬毒性降低

生物炭能夠通過離子代換使有毒金屬元素的形態發生改變，降低重金屬污染物對植物和土壤的危害。生物炭一般呈堿性，其施加后可以降低土壤中重金屬元素可交換態的含量。使土壤中危害較大的交換態、水溶態和有機重金屬形態的污染物轉變成低毒、無毒的結合態重金屬殘渣的形態，最終使污染土壤得到修復，同時還能提高植物對Mg、Ca等生長必需元素的利用率。

3.3 對有機污染物的作用

研究發現，生物炭可以降低多環芳烴的解析[18]，并能降低PCDD[19]、PAHs和有機殺蟲劑[20]等的生物可利用性。從農業的角度，生物炭散布在土壤孔隙中，使土壤中吸收固定的殺蟲劑量有所增加，而減少了進入作物中的有機污染物的量，從而減少了污染物對作物的毒性和植物內部的富積作用。生物炭裂解溫度增加，會提高其碳化率，而使其表面積增加，減少了無定型炭的量，從而增加生物炭吸收有機污染物的能力。

4 結語

生物炭對退化土壤的改良以及污染土壤的修復上有很大的潛能，其作用也得到大量研究的證實，但在實際的應用中，還要充分考慮到生物炭大規模應用于農田后可能產生的生態影響，并需對大批量、長時間生物炭輸入后生態環境的安全性受到的影響進行全方位的科學評估。如是否會在一定的時間內發生被微生物分解并產生溫室氣體、有毒有害物質；是否會對生態系統內的生物多樣性造成改變；是否會對全球范圍內的生態平衡造成威脅等[7]。因此，充分考慮農業生態環境的復雜性、脆弱性、敏感性和長期性的特點，結合實際情況，科學合理的選擇和應用生物炭修復技術，是發揮生物炭的潛能和應用價值的基本要求。

[1]時圣剛.重金屬對環境與人體健康影響淺議[J].安徽農業科學,2013(14):6425-6426.

[2]Oguntunde P G, Abiodun B J, Ajayi A E,et al. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J].Journal of plant nutrition and soil science, 2008,171(4):591-596.

[3]Asai H,Samson B K,Stephan H M,et al.Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos:1.Soil physical properties, leaf SPAD and grain yield[J].Field crops research,2009,111 (1-2):81-84.

[4]J Busscher W,Novak J E. Evans D,et al. Influence of pecan Biochar on physical properties of a Norfolk loamy sand[J].Soil Science,2010,175(1):11-14.

[5]Novak J, J.Busscher W, L.Laird D, et al.Impact of Biochar amendment on fertility of a southeastern coastal plain soil[J].Soil Science,2009,174(2):105-112.

[6]Steiner C,Glaser B,Geraldes Teixeira W,et al. Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and charcoal[J].Journal of plant nutrition and soil science,2008,171(6):893-899.

[7]Ogawa M,Okimori Y,Takahashi F. Carbon sequestration by carbonization of biomass and forestation: Three case studies[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2006,11(2):429-444.

[8]Stéphanie Topoliantz J F P, Sylvain Ballof. Manioc peel and charcoal: a potential organic amendment for sustainable soil fertility in the tropics[J].Biology and Fertility of Soils,2005,41(1):15-21.

[9]Lehmann J,Silva J, Steiner C,et al.Nutrient availability and leaching in an archaeological Anthrosol and a Ferralsol of the Central Amazon basin-fertilizer, manure and charcoal amendments[J].Plant and Soil,2003, 249(2):343-357.

[10]Xu C Y,Hosseini-Bai S,Hao Y,et al.Effect of biochar amendment on yield and photosynthesis of peanut on two types of soils[J].Environ Sci Pollut Res Int,2015,22(8):6112-6125.

[11]Lehmann J, Gaunt J, Rondon M. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-a review[J].Mitigation and adaptation strategies for global change,2006,11(2):395-419.

[12]Kolb S E,Fermanich K J,Dornbush M E.Effect of charcoal quantity on microbial biomass and activity in temperate Soils[J].Soil Science Society of America Journal,2009,73(4):1173-1181.

[13]Mizuta K,Matsumoto T,Hatate Y,et al.Removal of nitrate-nitrogen from drinking water using bamboo powder charcoal[J]. Bioresource technology,2004,95(3):255-257.

[14]Liu X Y, Zhang A F, Ji C Y, et al. Biochar’s effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions—a meta-analysis of literature data[J].Plant and Soil,2013,373(1-2):583-594.

[15]Pietik?inen J, Kiikkil? O, Fritze H.Charcoal as a habitat for microbes and its effect on the microbial community of the underlying humus[J].Oikos,2000,89(2):231-242.

[16]Kim J S, Sparovek G, Longo R M, et al. Bacterial diversity of terra preta and pristine forest soil from the Western Amazon[J].Soil biology & biochemistry,2007,39(2):684-690.

[17]Lehmann J, Joseph S.Biochar for environmental management:science and technology[M].Earthscan: London, 2009.

[18]Yu X Y,Ying G G, Kookana R.Sorption and desorption behaviors of diuron in soils amended with charcoal[J].2006,54(22):8545-8550.

[19]1Fagervold S K,Chai Y，Davis J W，et al.Bioaccumulation of polychlorinated dibenzo-p-dioxins/dibenzofurans in E. fetida from floodplain soils and the effect of activated carbon amendment[J].Environmental Science and Technology,2010,44(14):5546-5552.

[20]Beesley L,Moreno J E,Gomez E J.Effects of biochar and greenwaste compost amendments on mobility, bioavailability and toxicity of inorganic and organic contaminants in a multi-element polluted soil[J]. Environmental Pollution,2010,158(6):2282-2287.

ResearchProgressofBiocharonSoilRestorationandRemediation

WANG Gui-jun, WANG Lei, LV Qi-xin

(Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China)

Biochar is a kind of porous,stable,highly aromatic carbon rich material, which is produced by pyrolysis biomass waste under low oxygen condition.In order to give advise for the sustainable utilization of agricultural soil,the improvement of physical-chemical characters and the remediation of polluted soil by adding biochar were discussed in this paper.

biochar；soil degradation；soil pollution；soil remediation

X53

A

2095-7602(2017)12-0083-03

2017-09-12

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目“生物炭對吉林西部退化土壤改良及作物生長的影響研究”(2015-366)；吉林省大學生創新創業訓練計劃項目“生物炭對作物生長性狀及土壤微生態的影響”(201710205140)。

王桂君(1979- )，女，副教授，博士研究生，從事土壤生態學研究。