生物炭在退化土壤修復(fù)中的應(yīng)用及展望

呂慧捷 周鴻淼 付國勝

摘 要 生物炭是一種新型環(huán)境功能材料，比表面積大、官能團(tuán)豐富、空隙結(jié)構(gòu)豐富，將其應(yīng)用到退化土壤的修復(fù)中，可有效改善土壤的理化性質(zhì)，最終改善退化土壤的現(xiàn)狀，提升土壤的持續(xù)利用率。基于此，以退化土壤修復(fù)作為研究切入點，對生物炭在其修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，對其應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 生物炭;退化土壤;修復(fù);展望

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.29.105

社會的高速發(fā)展不可避免地帶來了一定的環(huán)境負(fù)面影響。在眾多的負(fù)面影響中，土壤退化就是其中尤為嚴(yán)重的一項。具體來說，當(dāng)前土壤退化現(xiàn)象集中體現(xiàn)在土壤沙化、鹽漬化、酸化和重金屬污染，嚴(yán)重降低了土壤的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，制約了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。面對這一現(xiàn)狀，借助有效的手段，加強(qiáng)退化土壤的修復(fù)已經(jīng)成為亟待解決的社會問題。在諸多的退化土壤修復(fù)措施中，生物炭作為一種新型的環(huán)境功能材料，以其自身的優(yōu)勢，在退化土壤的修復(fù)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的成效。

1 生物炭特性

生物炭作為一種新型的環(huán)境功能材料，是一種在無氧或缺氧環(huán)境下將生物質(zhì)（如作物秸稈等）經(jīng)高溫裂解而形成的含碳物質(zhì)，保留了原有生物質(zhì)的良好孔隙結(jié)構(gòu)，具有較大的孔隙度和比表面積，且穩(wěn)定性較高，含氮少，碳氮比（C/N）高，是一類熔點高、性質(zhì)穩(wěn)定、高度芳香化的富含碳元素的物質(zhì)。依據(jù)生物炭材料的來源，可對其進(jìn)行劃分，包括木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭、動物糞便炭等。從生物炭的組成元素來說，主要是由芳香烴、單質(zhì)碳共同組成，其物理、化學(xué)性質(zhì)都比較穩(wěn)定。

生物炭以其自身的特性，在退化土壤的修復(fù)中具有極高的應(yīng)用價值。具體來說，生物炭的特性集中體現(xiàn)在：1）比表面積大、疏松多空，具有極強(qiáng)的吸附性能;2）為芳香化結(jié)構(gòu)，具有極強(qiáng)的固碳能力;3）生物炭表面具有豐富的官能團(tuán)，直接與土壤其他成分產(chǎn)生相互作用;4）生物炭在生成的過程中，受到原料和熱解條件的影響，其理化性質(zhì)表現(xiàn)出特異性，可發(fā)揮出不同的作用。基于生物炭這些特性，將其應(yīng)用到退化土壤的修復(fù)中，可迅速提高土壤的pH值、持水量、有機(jī)質(zhì)含量等，有效改善土壤的肥力，提升農(nóng)作物的產(chǎn)量;另外，基于生物炭的吸附特性，將其應(yīng)用到污染土壤修復(fù)中，可最大限度減弱土壤的污染[1]。

2 生物炭在退化土壤修復(fù)中的主要應(yīng)用

2.1 生物炭修復(fù)沙化土壤

沙化是導(dǎo)致土壤退化的重要原因，沙化后的土壤養(yǎng)分含量降低，導(dǎo)致土壤生產(chǎn)能力逐漸下降。針對這一現(xiàn)狀，將生物炭應(yīng)用于沙化土壤中，可增加土壤對Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+的吸附能力。同時，應(yīng)用生物炭，可進(jìn)一步提升沙化土壤中的水分利用率，進(jìn)而達(dá)到治理土壤沙化的效果。

相關(guān)研究結(jié)果表明，隨著生物炭施入量的不斷增加，沙化土壤中游離的氮、磷、鎂和硅等的含量降低，減少了土壤中的養(yǎng)分流失，進(jìn)而提升了土壤的養(yǎng)分貯存能力[2]。同時，生物炭比表面積較高、陽離子交換容量較高，可吸附相關(guān)的營養(yǎng)元素，也可達(dá)到提升土壤養(yǎng)分含量的目的。此外，由于豐富的空隙結(jié)構(gòu)，生物炭的施用可增強(qiáng)土壤對水分的保持和截留，從而進(jìn)一步提升土壤的含水量[3]。

2.2 生物炭改良鹽漬化土壤

土壤鹽漬化是全世界所面臨的一個共同問題，全世界大約有932億公頃土地受鹽漬化的影響。此外，鹽堿地每年以10～15億公頃的速度增加[4]。我國作為受鹽漬危害較嚴(yán)重的國家，鹽堿地面積較大，且次生鹽堿地面積逐年增加。據(jù)中科院南京土壤所最新研究表明，我國各類鹽漬化土地的總量高達(dá)0.99億公頃，其主要分布在華北、東北、西北的內(nèi)陸地區(qū)和長江以南的沿海地帶[5]。鹽堿的危害導(dǎo)致許多農(nóng)田遭到廢棄，我國每年因土壤鹽漬化直接造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)25億元。

土地在利用的過程中，受到灌溉不當(dāng)?shù)纫蛩氐闹萍s，會導(dǎo)致地下水位上升，最終易導(dǎo)致土壤出現(xiàn)鹽漬化。生物炭比表面積高，具有空隙結(jié)構(gòu)，在鹽漬化土壤修復(fù)過程中，可吸附土壤中的鹽離子，進(jìn)而降低土壤的含鹽量，以此對土壤環(huán)境進(jìn)行修復(fù)。

具體來說，生物炭修復(fù)鹽漬化土壤主要有以下3個途徑：1）生物炭可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，修復(fù)板結(jié)土壤，增加土壤孔隙度，進(jìn)而可以改善土壤水分滲透性能，降低其鹽漬化程度;2）生物炭的吸附性能可增強(qiáng)對土壤中鹽基離子的吸附，進(jìn)而有效降低游離鹽離子的濃度，生物炭中富含的Ca2+、Mg2+等離子，可將土壤中的有害Na+替換下來，進(jìn)而降低土壤的堿化程度;3）通過生物炭的應(yīng)用，可進(jìn)一步增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，減少地面蒸發(fā)，促進(jìn)鹽漬化土壤中鹽分的淋洗、中和等，提高土壤的供氮能力[6-7]。

2.3 生物炭改善酸化土壤

土壤酸化是導(dǎo)致土壤退化的重要因素，土壤酸化已成為一個全球性的環(huán)境問題。土壤酸堿性是對土壤質(zhì)量進(jìn)行衡量的重要指標(biāo)，一旦土壤出現(xiàn)了酸化的現(xiàn)象，就會導(dǎo)致土壤pH值下降、理化性質(zhì)變差，最終降低土壤的養(yǎng)分。同時，在酸化土壤中，土壤中游離態(tài)鋁離子轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，使其成為可供植物吸收的形態(tài)，使得農(nóng)作物易發(fā)生鋁中毒現(xiàn)象。

生物炭具有堿性，施入土壤后，會通過中和反應(yīng)，提高土壤pH值;另外，生物炭的施入通過改變土壤pH，可加速土壤中Al3+的水解，促進(jìn)土壤中的Al3+轉(zhuǎn)化成為Al（OH）3沉淀。

2.4 生物炭在污染土壤中的修復(fù)

隨著社會生產(chǎn)的快速發(fā)展，環(huán)境土壤污染現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。在對污染土壤進(jìn)行修復(fù)的過程中，生物炭修復(fù)作用顯著。生物炭修復(fù)屬于原位修復(fù)方式，這種修復(fù)方式不會產(chǎn)生移動污染土壤，也不會對土壤產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。另外，由于生物炭原料比較廣泛、生產(chǎn)成本低，是目前最為值得應(yīng)用的污染土壤修復(fù)手段。

從生物炭的特性來說，由于其具備豐富的官能團(tuán)、疏松多孔的結(jié)構(gòu)，生物炭可直接對土壤中的有機(jī)污染物進(jìn)行吸附。同時，生物炭表面含有較多的無機(jī)礦物、磷酸鹽等，還可以與污染土壤中的金屬離子進(jìn)行交換，最終形成沉淀物，進(jìn)而降低土壤污染物的遷移能力和生物有效性。研究表明，生物炭對污染土壤中有機(jī)污染物進(jìn)行分解的過程中，基本上都是通過分配作用、表面吸附、空隙填充和聯(lián)合作用等進(jìn)行的，并且生物炭的比表面積與其吸附能力、表面官能團(tuán)含量、有機(jī)污染物種類等密切相關(guān)。由于生物炭具有極強(qiáng)的催化能力，將其應(yīng)用到污染土壤中，可通過直接或間接的形式，對土壤中的污染物進(jìn)行降解，最終將污染土壤中的有毒無機(jī)物轉(zhuǎn)化成無毒或者毒性很小的小分子化合物，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的。例如，可催化硝基化合物的降解，提高污染物的降解效率。微生物可利用生物炭作為底物碳源，污染土壤中施入生物炭可為微生物的新陳代謝提供一定的碳源、營養(yǎng)物質(zhì)，從而達(dá)到增強(qiáng)微生物活性的目的，進(jìn)而可以加強(qiáng)微生物對土壤中污染物的分解[8]。

3 生物炭在退化土壤修復(fù)中的應(yīng)用展望

1）生物炭在退化土壤修復(fù)中具有極大的應(yīng)用潛能。在不同類型的土壤中，生物炭的施入量是存在差異的，需要針對不同地域和類型的土壤進(jìn)行精準(zhǔn)量化施用，將其使用量與經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合，選擇最佳的生物炭，最終達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果。2）生物炭在對退化土壤修復(fù)的過程中，依然存在一定的局限性，需要與其他修復(fù)方法相結(jié)合。3）借助生物炭對退化土壤進(jìn)行修復(fù)的過程中，還要對其中存在的潛在環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評估。由于生物炭的原料來源比較廣泛，大多數(shù)以固體廢棄物為主，原料本身會存在一定程度的污染。因此，在利用生物炭對退化土壤進(jìn)行修復(fù)時，必須對土壤所受到的負(fù)面影響給予重視，防止二次污染的產(chǎn)生[9]。

4 結(jié)語

伴隨社會生產(chǎn)的進(jìn)步與發(fā)展，土壤受到多種因素的制約，出現(xiàn)了不同原因類型的退化現(xiàn)象。基于此，有必要利用生物炭所特有的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，修復(fù)沙化土壤、鹽漬化土壤、酸化土壤等污染土壤，最大程度改善土壤的生產(chǎn)力，提高土壤肥力，增強(qiáng)土壤穩(wěn)定性，以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鞠暢，王立，馬放.生物炭在退化土壤修復(fù)中的應(yīng)用及展望[A].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會.2019中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會科學(xué)技術(shù)年會論文集（第三卷）[C].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會：中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會，2019：448-452.

[2] 周志紅，李心清，邢英，等.生物炭對土壤氮素淋失的抑制作用[J].地球與環(huán)境，2011，39（2）：278-284.

[3] 張斌，劉曉雨，潘根興，等.施用生物質(zhì)炭后稻田土壤性質(zhì)、水稻產(chǎn)量和痕量溫室氣體排放的變化[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，45（23）：4844-4853.

[4] 肖克飚，吳普特，雷金銀，等.不同類型耐鹽植物對濱海鹽土生物改良研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2013，31（12）：2433-2440.

[5] 牛東玲，王啟基.鹽堿地治理研究進(jìn)展[J].土壤通報，2002，33（6）：449-455.

[6] 王瑞.碳基土壤調(diào)理劑改良退化土壤的作用效果[D].臨汾：山西師范大學(xué)，2018.

[7] 張丹，王力華，孔濤，等.生物廢棄物對濱海鹽土改良效果.生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（12）：3289-3296.

[8] 王桂君，王磊，律其鑫.生物炭對退化和污染土壤的修復(fù)作用研究進(jìn)展[J].長春師范大學(xué)學(xué)報，2017，36（12）：83-85.

[9] 鐘哲科，楊慧敏，翟志忠，等.檸條生物炭及其在退化土壤修復(fù)中的應(yīng)用[J].林業(yè)科技通訊，2015（1）：19-23.

（責(zé)任編輯：趙中正）