生物炭對污染土壤修復的研究進展

王欣鈺，高斯，孫長龍，張倩楠，吳思

生物炭對污染土壤修復的研究進展

王欣鈺，高斯，孫長龍，張倩楠，吳思

（沈陽師范大學，遼寧 沈陽 110034）

土壤是生物圈的重要組成部分，是人類生存和發展的基礎，同時也是保障國家糧食安全的最基本的生產材料。隨著人類社會經濟的發展和人類活動的高度密集，土壤污染程度越來越嚴重。土壤質量持續惡化，嚴重影響人類健康，因此開展針對污染土壤的修復工作刻不容緩。生物炭作為一種在土壤改良、生物能源生產、有機廢物循環利用和溫室氣體減排等方面具有積極意義的物質，對于農業應用方面有重要意義，引起了國內外研究者的廣泛關注，成為近年來的研究熱點之一。

生物炭；土壤修復；理化性質

生物炭（biochar）又稱為生物質炭，是指由含碳量豐富的生物質在相對較低的溫度(＜700 ℃)和無氧或限氧的條件下熱解炭化而得到的一類高度芳香化的難熔性固態高聚產物。生物炭是一種含碳量豐富的多孔性物質，其容重小，比表面積大，吸附能力強，穩定性強，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碳的含量和有效性營養元素的含量，從而促進植物生長。同時，它還可以改變土壤的各種理化性質特性,因此生物炭在對于污染土壤的有效改良中的應用引起了越來越多的關注。

土壤污染類型主要有4種：

（1）化學污染物，其中包括有機污染物和無機污染物，例如汞、鎘、砷等重金屬和某些化學合成物、各種化學類農藥、石油及其裂解產物等；

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

（3）生物污染物，是指含有各種細菌病毒的城市垃圾及衛生設施排放的廢水等；

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

目前來說，我國的土壤污染主要是石油采集等帶來的污染以及部分重金屬含量超標，以及農業化肥和農藥等有機污染物污染。本文主要介紹通過生物炭對于土壤理化性質、生物特性、重金屬等方面的影響，來達到對土壤修復的目的。

1 生物炭對污染土壤理化性質的影響

1.1 生物炭對土壤pH的影響

酸堿性是衡量土壤的一個重要屬性，是影響土壤肥力的重要因素，它還與土壤中的某些性質有關，同時也影響著植物的生長發育。韓光明[2]在其實驗中，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、松木熱解而產生的生物炭，其實驗結果表明，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，同時隨著用量的增加，pH值的變化呈上升趨勢；但是在堿性土壤中添加，結果并沒有產生太大的影響。通過以上的研究可以看出，生物炭能夠有效地調節酸性土壤的pH值。因此，在酸性土壤中生物炭被認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，改善土壤質地。

1.2 生物炭對土壤有機質的影響

有機質是土壤的重要組成部分，能夠有效改善土壤團聚體和穩定性、增強土壤養分的吸持交換、促進微生物的活動。生物炭對保存土壤有機質具有積極意義，在全球的碳循環中有著重要地位。

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含量、土壤有機碳含量和土壤碳氮比，有效改良土壤質量，提高農作物的生產力。韓光明[8]實驗研究表明，在土壤中施加生物炭后，土壤有機質含量以及碳氮比均有明顯提高。

生物炭對于土壤有機碳含量水平的影響，與生物炭的用量及穩定性有關。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化為腐殖質。

1.3 生物炭對土壤水分的影響

水分是土壤環境中的一個重要因素，其含量主要取決于土壤的質地及降水率。生物炭有利于土壤水分的保持，特別是在根際部位，同時也增加了營物質循環，減少淋溶。經研究表明，生物質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限增加。Dugan[9]等人在加納土壤試驗中發現，當生物炭量添加量為5 t/hm2時，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砂性土壤持水能力，并通過調節添加比例來增強其應用的有效性。

2 生物炭對土壤微生物的影響

2.1 生物炭對土壤微生物種群結構的影響

土壤環境的改變包括土壤基礎、非生物因素的改變和生長環境的不同，這些與土壤微生物的生存生活息息相關，對微生物的群落變化產生影響。土壤中有一些對生物炭十分敏感的特殊功能菌，在生物炭添加后會引起明顯變化。因此可以通過這些變化反映出生物炭的施加對于土壤微生物種群結構的影響。

近些年來，一些科研人員利用分子生物學和生物化學技術來研究生物炭對微生物群落結構的響應。Oneill[10]等在對于亞馬遜富碳土壤中的微生物種群的檢測中發現，在土壤中施加生物炭，可以有效改善微生物種群的多樣性，優化細菌群落結構。在土壤中施用生物炭后，土壤中細菌、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，結果發現，無論施用生物炭的土壤類型如何，添加生物炭的土壤有什么用途，其土壤微生物種類基本相同，而且與不添加生物炭的土壤微生物種類有較大差異，說明生物炭對微生物的群落有影響。

2.2 生物炭對土壤酶活性的影響

土壤酶與土壤肥力有著密切關聯，還與土壤間的生化反應以及土壤生產力有關。它們與生活在土壤中的微生物一起促進材料的轉化。因此，土壤酶活性是評價土壤健康狀況的重要指標之一，其活性受土壤養分含量、pH值、孔隙結構、持水能力、CEC等因素的影響[12]。潘全亮[13]等通過微定位實驗，經過6年時間，研究在土壤中添加生物炭和碳基肥料對土壤酶活性會產生什么的影響。其實驗結果表明，施用生物炭能夠有效抑制過氧化氫酶活性，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，是反映不同類型土壤微生物群落的物種豐度和分布。多樣性指數越高，土壤微生物多樣性越豐富，土壤微生物生態系統越復雜，功能越穩定。

韓銳[14]等以東北典型黑土區表層（0～10 cm）耕地土壤作為研究對象，研究了生物炭的添加量對黑土的土壤微生物功能多樣性的影響。研究結果表明，黑土耕地土壤中添加外源生物炭，對微生物功能多樣性有增強作用。Doan[15]等人將生物炭施加在含有化肥和生物有機肥的土壤中，結果發現土壤中的細菌數量、豐富度和Shannon指數均顯著增加。豐度是描述物種多樣性的指標，而微生物的豐度與生物炭的吸附性能有關。對于無論是細菌還是真菌，生物炭的特殊結構都可以擴大它們的生存空間，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 生物炭對重金屬污染土壤的治理

土壤重金屬污染是指由于人類活動所造成的土壤重金屬污染，土壤中微量金屬元素含量超過本底值，導致重金屬在土壤中過度沉積。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，甚至轉化為毒性更強的甲基化合物，并可能因為土壤種植農作物等，通過食物鏈在人體中積累，嚴重威脅人體健康。近年來，中國“鎘大米危機”、“廣州重金屬蔬菜”、“武漢有毒土地天價修復”等事件接連發生，說明我國土壤重金屬污染問題十分嚴重。

周涵君[16]等在實驗研究中發現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量。周建斌[17]等研究了棉花秸稈碳對鎘污染土壤的修復作用和大白菜對鎘污染土壤的吸收作用。結果表明，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。Beesley[18]等人在對鎘污染土壤進行培養后發現，添加生物炭后，土壤孔隙水中Cd的濃度成倍數降低，植物中Cd的毒性也降低了。

根據生物炭特性以及近年來研究結果表明，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重金屬污染的土壤。但在重金屬污染土壤的修復過程中，生物炭對不同類型的土壤和不同類型的重金屬污染的修復效果是不同的。

4 結束語

在當今社會，伴隨著化工業的發展，大量污染物通過各種途徑進入土壤環境中，導致土壤污染愈發嚴重。生物炭作為一種新型的環境功能材料，其生產和應用不僅為城市垃圾、工業廢物和農林廢物的資源化利用提供了新的思路，并且在對于農作物栽培、土壤改良、污染控制以及溫室氣體減排等方面均呈現出巨大潛力。目前，國內外對于生物炭的相關研究處于起步探索階段。因此，對于生物炭的應用與研究需要進一步完善，并在多方面進行研究與探討。

（1）目前大多數的研究都屬于短期實驗，對生物炭施用后的長期效應的研究尚待開展，其相關的研究報道較少。針對其在土壤的存在時間及在一定時效后對土壤環境的影響仍需進一步研究。

（2）不同來源的生物炭、不同的熱解溫度、施用量以及土壤類型等因素都會影響生物炭對環境的影響效應及作用效果。

（3）生物炭與土壤相互作用的機理還沒有完全弄清楚，例如生物炭添加對土壤微生物群落、官能團、重金屬、除草劑、生物地球化學循環等的作用機理。

（4）由于生物炭富含多環芳香烴，在施用生物炭后，是否會對土壤生態系統有負面影響尚待研究。

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Research Progress of Remediation of Contaminated Soil With Biochar

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（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

試點示范引領 多家園區布局

智慧化工園區建設風生水起

近日，工信部發布的《國家新型工業化產業示范基地2017年工作要點》提出，國家新型工業化產業示范基地是承載“中國制造2025”戰略任務、重點產業、重大工程的重要載體。要推動互聯網+示范基地發展，加大對智慧化工園區（示范基地）的經驗總結和宣傳推廣，借鑒其成功經驗，繼續在相關示范基地中遴選示范典型，推進智慧園區建設。

目前各地智慧化工園區建設風生水起，多家化工園區已經將智慧園區作為提升安全環保水平的重要手段。

業內人士介紹說，我國現有的大部分化工園區的管理方式比較粗放，園區對于企業的管理大多局限于安全、環境等方面，沒有覆蓋到節能管理、空間管理、運營管理等領域，在管理方式上處于被動狀態，不能針對園區內各類情況很快調整管理策略。隨著信息化技術的快速發展，如何利用好信息化技術支撐園區的發展戰略、滿足園區內企業智能化發展需求、進一步提升園區的管理效率，是化工園區未來發展所面臨的共同課題。

智慧化工園區發展模式應運而生，并成為實現園區現代化的重要戰略途徑之一。智慧化工園區建設，旨在以新一代信息技術為手段，以智慧應用為支撐，全面整合園區內外資源，實現園區基礎設施智能化、公共管理精細化、公共服務便捷化、資源利用綠色化、產業發展智能化，促進園區發展向產業集聚型、生態環保型轉變。這對于拉動產業經濟，促進行業發展，推進兩化深度融合及轉型升級都具有重要的作用。

X53

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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年畢業于沈陽師范大學，研究方向：生態學。

張 陽（1975-），女，教授，博士研究生，研究方向：微生物生態學。