環保視域下生物炭對土壤成分的影響分析

廣西大學資源環境與材料學院 羅子健，蘇嬌，梁小鳳，黃虎臣，王露潔，王維生

一、引言

進入工業社會以來，大量的農藥、化肥和農業原料的生產及礦產資源的開采、冶煉加工過程會由于空氣塵埃的散播及廢水排放而對周邊土壤造成嚴重的重金屬污染。重金屬進入土壤環境后，會破壞土壤的理化性質，降低土壤肥力，影響作物生長及其品質。重金屬元素因其本身微觀結構，具有多形態、易發生水解反應、易與無機酸反應等特點，使重金屬生成溶度積較小的化合物，使得重金屬的毒害性較強及在環境中具有持久性。土壤中高濃度的重金屬經過一系列物理化學反應后會擴散到周邊土壤、地下及地表水體，從而會對人類健康造成長期的危害。因而，重金屬對土壤生態環境的破壞及修復治理成為當今研究的重點（楊蘇才等，2017）。

生物炭是生物質在缺氧條件下高溫熱解的固體產物，具有難溶性、穩定性、高度芳香化等特點。生物炭的原材料來源廣泛，秸稈、甘蔗渣、蠶沙等許多農林業廢物都可制作生物炭。生物炭不僅因其化學性質穩定，適用于長期封存土壤中的碳，從而減少大氣CO2的排放量，而且生物炭因具有較高的比表面積豐富的多孔結構等性質，使得生物炭在土壤重金屬修復方面有重要的作用。本文簡明闡述了生物炭對土壤重金屬的修復機理，以期為生物炭對土壤重金屬修復的應用提供參考。

二、生物炭對土壤重金屬修復機理

廣泛的定義中，生物炭指有機質在缺氧或無氧的條件下，經過高溫（＜900℃）熱解形成的富含碳素的多孔固體（張小凱等，2013），表面含有大量的官能團和負電荷，具有較大的比表面積和孔隙度，可提高土壤陽離子交換量（CEC）和土壤pH值，在土壤改良方面有良好的應用前景（王桂君等，2017）。生物炭對土壤肥力和重金屬的去除有積極作用使得土壤中的重金屬經過食物鏈進入人體的途徑大大減少。土壤重金屬元素不同，生物炭對其作用機理也有所差異，但主要包括以下四個方面：物理吸附作用、離子交換作用、絡合作用和沉淀作用。

（一）物理吸附作用

因生物炭表面含有巨大的比表面積，高溫熱解后的生物質表面有許多孔隙，對土壤中的重金屬具有較強的吸附作用，進而降低了土壤中重金屬的含量。生物炭施加入土壤中后，將土壤中的重金屬離子吸附在其表面，或者通過擴散作用進入生物炭的內部，整個過程主要是非選擇性吸附，起作用的是分子之間的范德華力（李金文等，2018）。生物炭對土壤重金屬元素的物理吸附作用是：當土壤中添加了生物炭之后，生物炭表面含有大量的含氧官能團，可與外界發生氧化反應從而提高土壤CEC。土壤CEC的含量越高，土壤中的膠體成分對重金屬離子的吸附量也隨之增大，呈正比關系，因此土壤重金屬元素經過土壤膠體的吸附而被固定。另外，生物炭中含有較多碳酸鹽和有機陰離子而帶有較高的堿度，其表面負電荷又可吸引土壤中的陽離子，因而可顯著提高土壤pH值。土壤pH值的提高，使土壤去質子化導致土壤負電荷增加而吸引重金屬陽離子。此外，土壤膠體微粒表面的負電荷增加，因而進一步使得土壤CEC增加（MENG J,et al.,2017）。黑炭分別在30°C和70°C下土壤培養4個月內，黑炭的氧含量分別增加了4%和38%，土壤CEC分別增加了53%和538%。黑炭表征結果表明土壤培養過程中氧化反應形成新的羧基官能團是CEC增加的重要原因。

（二）離子交換作用和絡合作用

由于生物炭具有較高的堿度，當土壤施加生物炭后，生物炭表面含有大量的負電荷，提高了土壤的酸堿性。生物炭與土壤重金屬會發生離子交換作用是由于金屬陽離子能夠與生物炭表面的官能團發生交換，這些官能團既有酸性官能團（-COOH、-OH等），又有堿性官能團（-NH2）等，離子交換反應使得重金屬鈍化從而使其存在形式發生改變，降低了重金屬的毒害性。離子交換作用主要利用官能團與土壤重金屬發生反應。當生物炭施加到土壤中后，經過一段時間的培養，有些具有特定配位體的含氧官能團與土壤中的重金屬陽離子絡合從而特異性吸附重金屬，形成一種穩定的金屬絡合物，降低了重金屬在土壤中的移動性。

（三）沉淀作用

生物炭表面附有大量的含氧官能團和礦物質（碳酸鹽、磷酸鹽等），當生物炭加入土壤中后，這些礦物當中的氫氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽等陰離子會與土壤中的重金屬發生沉淀反應，重金屬由此被降低了遷移性。通過電子探針X射線顯微分析（EPMA）試驗，發現可通過重金屬與生物炭結合降低重金屬的遷移性，即重金屬在生物炭表面形成碳酸鹽、磷酸鹽或氫氧化物（董愛琴等，2017）。生物炭自身的pH一般都較高，加入土壤中之后，提高了酸性土壤的pH，進而發生土壤重金屬沉淀作用。

生物炭加入土壤中并不是單一的物理吸附作用、離子交換作用、沉淀作用和絡合作用，而是許多反應機制共同進行的，每個反應機制生就物炭在土壤中對重金屬的修復機理的作用還需要進一步研究。

三、影響生物炭對土壤重金屬修復的因素

在土壤中施加生物炭之后，生物炭可在較短時間內改變土壤的理化性質，與土壤重金屬發生的一系列變化使得土壤重金屬得到了有效修復。此外，生物炭還可持續提供及保留土壤中的養分從而促進植物的生長，提高農產品的品質。本文簡述了3種生物炭對土壤重金屬影響的主要因素：生物炭自身性質、生物炭的添加量和土壤自身理化性質。

生物炭是由生物質在缺氧條件下熱解形成的，生物質原料的選擇多種多樣。選擇不同的生物，熱解形成的生物炭也就千差萬別，生物炭的比表面積、孔隙結構、表面官能團等也就具有較大的差異。不同的生物質熱解形成的生物炭自身性質的差異對土壤重金屬的修復作用有所不同。另外，不同的熱解條件（溫度、熱解時間、通氣量等）也會對生物炭的性質具有一定影響。

在土壤中施加生物炭的數量不同，其對整個修復作用的效果也有差異。當生物炭添加到土壤中后，提升了土壤的pH值，使得土壤中的重金屬被固定。王紅等（2018）研究表明，利用水葫蘆制成的生物炭添加到土壤中后，對土壤重金屬Zn和Pb進行修復。結果發現，隨著生物炭的添加量增加，土壤浸出液中重金屬Pb和Zn的含量越低。Houben等（2013）研究了生物三種不同炭劑量對油菜籽吸收重金屬的影響，發現添加1%生物炭后，植物內的Zn濃度與對照相比稍微有所提高，但5%和10%的劑量卻能顯著降低植物內Zn的積累濃度。

對于不同的污染土壤，土壤的基本理化性質，如土壤含水量、酸堿性、污染類型等，對生物炭修復土壤重金屬的修復效果也有明顯差異。土壤的酸堿性主要由土壤溶液中的H+離子濃度決定，不同的土壤類型，pH值也有一定的差異。一般來說，土壤pH值較高會顯著降低土壤中重金屬的移動性和生物有效性。土壤的種類千差萬別，土壤中的一些理化性質也具有巨大的差異。

四、總結與展望

土壤重金屬污染目前已經引起了各國研究人員的關注，而生物炭作為土壤重金屬修復的一種材料，受到世界各地科研人員的關注。但目前生物炭對土壤重金屬的修復僅限于在實驗室中完成，因此，在今后的研究中，應當開展在實際污染地塊中的修復研究。另外，目前多數研究只是針對土壤重金屬的單一修復效果，但實際生活中，污染地塊并不是單一污染，而是多種重金屬聯合污染，因此今后應當多對復合污染修復進行研究。最后，生物炭自身可能含有一些重金屬，添加到土壤中后，可能存在一定的生態風險，生物炭自身的重金屬對修復過程的影響以及這些重金屬最終將如何處置還有待研究。