淺談生物炭修復重金屬污染土壤的機理與注意事項

熊竹楠

摘 要：在我國工業(yè)化高速發(fā)展進程下，土壤重金屬污染已成為當前不容小覷的生態(tài)環(huán)境問題。由于生物炭具有較高的孔隙率、較大的比表面積、較強的陽離子交換能力和高度的芳香性等性質(zhì)，在重金屬污染土壤修復方面有巨大的優(yōu)勢和應用潛力，近年來成為土壤污染治理和修復方面的研究熱點。但同時，生物炭的施用也存在著一些潛在風險和不足，人們對此還缺乏全面系統(tǒng)的了解，相關研究還應加強并繼續(xù)深入。

關鍵詞：生物炭;土壤污染;重金屬;土壤修復;風險

文章編號：1004-7026（2020）10-0074-02 ? ? ? ? 中國圖書分類號：X53? ? ? ?文獻標志碼：A

近年來，隨著工、礦業(yè)和農(nóng)業(yè)活動日益加劇，重金屬與農(nóng)藥殘留形成的有機污染物積累于土壤中，引發(fā)了許多土壤環(huán)境污染問題。我國最新發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂。在本次調(diào)查的面積約630萬km2的土壤中，總污染點位超標率高達16.1%且以無機污染物為主，鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機污染物點位超標率均較高[1]。由此可見，土壤重金屬污染正嚴重威脅著我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與糧食安全，污染土壤修復工作迫在眉睫。

國內(nèi)外相關專家和學者實踐和研究表明，生物炭能在一定程度上緩解土壤重金屬污染。生物炭是一種將動、植物有機殘體在低氧或缺氧條件下，高溫干餾而熱解炭化形成的一種高度芳香化的難熔性固態(tài)土壤改良劑和污染場地修復材料。向土壤中施加生物炭，不僅能有效吸附污染土壤中的重金屬和有機污染物，還能增加土壤肥力以及保水性能，提高土壤的養(yǎng)分有效性和保肥能力等，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。總之，生物炭對于重金屬污染的修復主要通過直接緩解植物重金屬脅迫，以及改善植物生長的土壤條件的間接方式來發(fā)揮作用[2]。

1 ?生物炭的基本性質(zhì)

生物炭的主要成分為芳香類和烷基類物質(zhì)，以及多種礦物質(zhì)和無機碳酸鹽，其中除80%的碳元素外，還包括氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂等。生物炭有巨大的比表面積，且有許多大大小小的孔洞分布于表面，這些孔洞有利于吸附土壤中的重金屬和微生物。此外，生物炭表面還具有大量表面負電荷和很高的電荷密度，這也決定了生物炭對于養(yǎng)分、重金屬和有機污染物良好的吸附特性。隨著制備原料、熱解溫度和生產(chǎn)工藝的變化，生物炭的上述特性具有良好的多樣性，從而表現(xiàn)出不同的環(huán)境效應。在土壤中施加生物炭，可以提高土壤pH值，改善土壤性能，提高土壤肥力，同時減輕土壤中的重金屬污染。生物炭可以通過吸附、沉淀、離子交換、絡合等反應，將污染物轉(zhuǎn)化為可遷移性和生物可利用性較低的穩(wěn)定形態(tài)，成為修復污染土壤的化學鈍化劑，完成污染土壤的原位修復。

2 ?生物炭修復重金屬污染土壤的機理

2.1 ?直接吸附鎖定土壤中的重金屬

生物炭表面的高密度負電荷可以與土壤中重金屬離子發(fā)生靜電作用，從而限制重金屬在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化。另外，存在于生物炭表面的一些官能團可作為配體與重金屬離子發(fā)生特異性的絡合反應，形成特定的金屬配合物，降低重金屬遷移率，這對固定土壤中重金屬離子具有重要意義。

2.2 ?改善土壤條件，降低重金屬生物有效性

土壤中重金屬的生物有效性在很大程度上決定了重金屬對于植物的毒性，而生物炭可以通過改變土壤的一些物理、化學、生物性質(zhì)，如提高土壤pH值和有機質(zhì)含量等，降低其生物有效性及毒性，改善植物的生長環(huán)境，緩解重金屬對植物的毒害作用。

生物炭吸附固定重金屬的重要途徑之一是提高土壤的陽離子交換能力，而生物炭表面本身即具有巨大的陽離子交換量，這使其具備了強烈吸附土壤中重金屬的能力，降低土壤中重金屬含量。此外，生物炭自身的多孔性、較小的容重以及極大的比表面積有助于其吸持自身重量1.5～2.5倍的水分，提高土壤保水抗旱的能力，并在與土壤混合后增加土壤孔隙度，改良土壤質(zhì)地，還可促進土壤形成水、肥、氣、熱條件較為協(xié)調(diào)的團粒結(jié)構(gòu)。由于生物炭的主要組成元素為碳元素，施入后直接增加了土壤的含碳量，間接增加了土壤中有機質(zhì)含量。生物質(zhì)材料炭化時溫度不同會導致生物炭pH值的差異，但大多數(shù)生物炭的pH值均在8.0～11.0，大量施入時可將土壤的pH值提高0.2～0.8個單位，但堿性土壤作用未知。

作為生態(tài)系統(tǒng)的重要成員，土壤微生物的健康以及多樣性，影響著土壤中以微生物為主的生物化學過程。而重金屬毒害作用通常會對土壤微生物的豐富度、生物量、代謝和生化活性產(chǎn)生消極作用，進而對土壤結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、保水性和養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生不利影響。但大多數(shù)研究顯示，作為一種新型土壤改良劑，向重金屬污染的土壤中施用生物炭，可以提高微生物豐度及活性，改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，從而緩解重金屬帶來的毒害，促進有益微生物生長。除此之外，生物炭表面的孔洞結(jié)構(gòu)可作為微生物優(yōu)良的棲息環(huán)境。微生物可以利用生物炭表面所固定的營養(yǎng)物質(zhì)作為自身生長發(fā)育的能量。

3 ?施用生物炭的潛在風險與注意事項

3.1 ?生物炭制備的潛在風險

作為生物炭的原料，生物質(zhì)來源廣泛、種類繁多，其中本就可能含有多種重金屬和有機污染物，因而在制備成土壤修復材料投入使用后可能會給土壤帶來二次污染。在制備過程中，隨著原料總量減少，一些有毒物質(zhì)，如多環(huán)芳烴、二噁英濃度可能會增加。此外，原料中的重金屬及有機污染物也可能會在熱解制備過程進入煙氣中，因此對制備過程中產(chǎn)生的廢氣進行適當處置和凈化是一項必要的工作。

3.2 ?生物炭施用的注意事項

生物炭在加工制備過程中，其氮、硫分會嚴重損失，加之強烈的吸附性，長期大量單一施用會導致土壤有效養(yǎng)分含量降低，對作物生長造成不利影響，因此在施用時需注意配施氮肥、補充硫肥。基于生物炭比表面積大和孔隙度高的特點，許多污染物、細菌和病毒容易附著在生物炭上。隨著空氣流動，細小的生物炭顆粒容易進入人體的呼吸道和皮膚，對呼吸系統(tǒng)和心血管健康造成一定威脅，故施用時需注意防護。除此之外，由于生物炭本身呈弱堿性，故在施用于堿性土壤時要注意種類及用量。

4 ?結(jié)束語

應用生物炭修復重金屬污染土壤是當前土壤污染修復領域的一個熱點。施用生物炭在具有諸多積極作用的同時，也不可避免地存在一些潛在風險和不足之處，但當前大多數(shù)研究對其消極影響和風險方面鮮有涉及。而且，目前開展的很多試驗是室內(nèi)及短期試驗，缺乏一定的說服力。因此，為了保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全，應用生物炭技術需注意揚長避短。相關科研人員有必要進一步開展長期、系統(tǒng)性、規(guī)模性的試驗，并對其負面影響和不確定性開展更為深入的研究，以期對生物炭的施用效果進行更加全面的評價、操作和管理，充分發(fā)揮生物炭的應用潛能。

參考文獻：

[1]環(huán)境保護部，國土資源部.全國土壤污染狀況調(diào)查公報[EB/OL].[2014-04-17].http：//www.gov.cn/foot/2014-04/17/? ?content_2661768.htm.

[2]楊文浩，李佩，周碧青，等.生物炭緩解污染土壤中植物的重金屬脅迫研究進展[J].福建農(nóng)林大學學報，2019（6）：695-705.