生物炭在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用研究

張春鑫，魏 勇，鐘衛(wèi)紅，吳畢元

（1.畢節(jié)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，貴州 畢節(jié) 551700；2.畢節(jié)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

土壤重金屬污染問(wèn)題歷年來(lái)受到環(huán)保工作者的廣泛重視。土壤中的重金屬經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的蓄積進(jìn)入人體后，會(huì)對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生影響。另外，土壤重金屬污染還可對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量以及土壤肥力產(chǎn)生長(zhǎng)期的影響。土壤重金屬并不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的推移而發(fā)生遷移或降解，反而會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸累積[1]，通過(guò)食物鏈生物放大作用威脅人類(lèi)健康，破壞生態(tài)環(huán)境。因此，解決農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染刻不容緩。李江遐、吳林春等人提出，生物炭可以減輕土壤重金屬的危害性，修復(fù)土壤[2]。張益碩等人就重金屬污染土壤修復(fù)原理與技術(shù)提出，生物炭是化學(xué)修復(fù)中常見(jiàn)的固化材料，適用于重金屬污染面積大的土壤[3]。近年來(lái)，生物炭的炭封存效應(yīng)引起了廣泛關(guān)注，在土壤污染修復(fù)方面具有巨大潛力。目前，我國(guó)多種農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量位居世界第一，隨之而產(chǎn)生的生物廢棄物，如不進(jìn)行合理有效的處理，大部分會(huì)被隨意棄置堆放，從而造成環(huán)境污染。研究基于生物炭對(duì)土壤中的重金屬作用，利用生物炭在土壤重金屬污染中發(fā)揮修復(fù)作用，提出生物炭在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用前景，以期為農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)提供參考。

1 生物炭的突出特征

生物炭（Biochar）是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物[4]。生物炭是一種富含碳的材料，可以在高溫（＞300°C）和缺氧條件下從各種生物質(zhì)（例如植物材料、動(dòng)物廢物和其他廢物）中生產(chǎn)出來(lái)。生物炭最顯著的基本性質(zhì)包括表面積、孔隙率、灰分含量、電導(dǎo)率（EC）值、陽(yáng)離子交換量（CEC）、營(yíng)養(yǎng)元素、堿度和穩(wěn)定的碳結(jié)構(gòu)等。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)可以為土壤中有益微生物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，其灰分可為微生物提供養(yǎng)分[5]。生物炭的表面和孔隙可以貯存陰離子和陽(yáng)離子交換相關(guān)的養(yǎng)分，另外，生物炭具有大量豐富的含氧官能團(tuán)，從而降低土壤重金屬的遷移性和生物有效性，因此，利用生物炭修復(fù)土壤重金屬污染得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

2 土壤-生物炭-重金屬相互作用

2.1 土壤理化性質(zhì)的改變

污染物對(duì)生物體的影響主要取決于其在環(huán)境中的生物有效性，并受吸附作用影響，吸附作用與pH值、CEC（離子交換量）和pH BC（pH緩沖能力）有關(guān)。這些土壤參數(shù)在重金屬吸附、形態(tài)和生物有效性中起著重要作用。因此，對(duì)于以低pH、CEC和pH BC的酸性和帶有可變電荷的土壤，重金屬陽(yáng)離子遷移率非常高。生物炭的高堿性可以在土壤與生物炭相互作用期間轉(zhuǎn)移到土壤中，從而改善土壤pH值。在生物炭與土壤相互作用期間，生物炭的官能團(tuán)為陽(yáng)離子和質(zhì)子提供額外的吸附位點(diǎn)，通過(guò)絡(luò)合化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合環(huán)境中的H+，氨基、羥基和羧基等官能團(tuán)，與生物炭發(fā)生作用，使生物炭表面變得豐富，從而產(chǎn)生很多的OH-，一系列的化學(xué)反應(yīng)可以使養(yǎng)分離子交換容量，從而增強(qiáng)土壤CEC和pH BC，例如生物炭在硝酸修飾下，CEC提高了3倍。通過(guò)增強(qiáng)土壤CEC和pH BC，生物炭的緩沖作用降低了土壤pH值，并在低pH值下抑制重金屬陽(yáng)離子遷移率。當(dāng)把生物炭添加到土壤中時(shí)，生物炭將其負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到土壤表面，使土壤表面負(fù)電荷增多，說(shuō)明通過(guò)化學(xué)鍵的形成，生物炭與土壤發(fā)生了相互作用。

2.2 土壤重金屬的固定化

生物炭固定土壤中重金屬主要體現(xiàn)在促進(jìn)作物吸收和減少土壤中重金屬的有效性。生物炭表面的負(fù)電荷，通過(guò)與重金屬陽(yáng)離子結(jié)合，從而降低了土壤中的重金屬濃度；生物炭可改善土壤pH值并加速重金屬陽(yáng)離子對(duì)氫氧化物的水解形成沉淀或絡(luò)合物等，另外，HM（OH）對(duì)土壤表面的親和力比例金屬陽(yáng)離子的親和力更強(qiáng)，重金屬陽(yáng)離子的遷移率和生物有效性將顯著降低，能夠有效降低重金屬的有效性。有關(guān)研究表明，在700°C下產(chǎn)生的生物炭使土壤樣本中Pb的可用形式減少88.1%，在受鉛污染的農(nóng)業(yè)土壤中減少95%[6]，這在降低Pb對(duì)土壤微生物的毒性方面起到了重要作用。

2.3 作物對(duì)重金屬吸收的改變

生物炭可以有效降低重金屬生物有效性，在一定程度上改良土壤環(huán)境。生物炭對(duì)重金屬吸收的主要體現(xiàn)在重金屬含量的減少，如大多數(shù)可溶態(tài)重金屬（如Cu、Cd、Pb、Ni等）在生物炭改良后顯著降低，但這種效應(yīng)對(duì)Fe和Mn的影響不太明顯。生物炭在受污染的水稻土壤中的應(yīng)用顯著減少了水稻植株不同部位（根、莖、葉和殼）的重金屬積累。對(duì)于生長(zhǎng)在鉛污染土壤上的玉米植株，生物炭處理可以使Pb的生物有效性降低71%，可交換的Pb降低99%。與未添加生物炭的土壤相比，顯著降低了對(duì)玉米植株的Pb毒性。生物炭通過(guò)顯著降低污染物的生物有效性和毒性改良土壤，為作物生長(zhǎng)提供了良好環(huán)境。

3 生物炭在農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復(fù)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)土壤修復(fù)技術(shù)包括物理、化學(xué)和生物等方法，已被公認(rèn)可以減少土壤重金屬污染。近年來(lái)，利用生物炭作為土壤改良劑，對(duì)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染進(jìn)行原位固定化，已突顯出巨大的修復(fù)潛力，將生物炭施用在重金屬污染土壤具有重要意義。

3.1 不同生產(chǎn)原料對(duì)生物炭的影響

生物炭因其材料來(lái)源廣泛，對(duì)農(nóng)業(yè)土壤重金屬的修復(fù)效果也不同，不同的生產(chǎn)原料也影響著生物炭的性質(zhì)和性能。有研究學(xué)者在進(jìn)行卷心菜試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用花生殼生物炭可以改善高酸性土壤環(huán)境，改善土壤養(yǎng)分有效性和土壤pH值，最大限度減少Al毒性，以促進(jìn)卷心菜良好生長(zhǎng)；添加在500°C下熱解的甘蔗生物炭，使Cd的生物有效性降低了63%，并增強(qiáng)了綠豆的微生物活性，促進(jìn)共生關(guān)系，并提高該作物的產(chǎn)量；添加在500°C下熱解玉米秸稈殘?jiān)纳锾浚@著改善了土壤養(yǎng)分含量和pH值并降低了Cr的生物有效性；添加500°C下熱解的稻殼生物炭，提高了土壤pH值，增強(qiáng)了重金屬Cd、Cu、Pb、Zn的吸附，生菜對(duì)重金屬的吸收顯著降低；同時(shí)，生物炭可以減少水稻、苜蓿和甘蔗發(fā)芽中Cr的毒性，有助于Cr6+轉(zhuǎn)化為Cr3+，生物炭的添加提高了Cr的生物有效性并促進(jìn)水稻、苜蓿和甘蔗的生長(zhǎng)。有研究表明，在土壤中添加生物炭后，可以減少作物對(duì)As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的吸收率，分別高達(dá)48%、40%、38%、44%、28%和22%[7]。數(shù)據(jù)顯示，用水稻、玉米、小麥等不同作物制成的生物炭，可以在不同程度上降低土壤重金屬的污染。其中，以秸稈為原料的生物炭在我國(guó)已受到廣泛關(guān)注，并且經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，可以有效控制土壤中的重金屬污染。

3.2 生物炭原位修復(fù)

生物炭原位修復(fù)具有一定的針對(duì)性，就單一的生物炭原位修復(fù)同樣具有良好的生態(tài)效應(yīng)，但由于其修復(fù)存在局限性，目前使用范圍覆蓋面較窄，由此而研發(fā)的生物炭聯(lián)合技術(shù)研究可彌補(bǔ)其不足，在一定程度上提高了修復(fù)效率。司馬小峰等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭與動(dòng)植物、微生物等材料聯(lián)合使用時(shí)，生物炭對(duì)重金屬污染具有修復(fù)作用，不僅能提高污染的修復(fù)效率，還能增強(qiáng)污染修復(fù)效果的穩(wěn)定性[8]。生物炭對(duì)土壤重金屬的生物有效性不僅受生物炭本身和土壤理化性質(zhì)的影響，還受作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型、重金屬種類(lèi)和污染程度等因素影響。生物炭的應(yīng)用對(duì)農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復(fù)具有普遍的適用性和良好的修復(fù)效果，同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程可以將農(nóng)業(yè)廢棄有機(jī)質(zhì)資源化利用，作為土壤重金屬修復(fù)劑在全球范圍內(nèi)被廣泛使用。

4 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭，以及金屬污染土壤修復(fù)中金屬積累和轉(zhuǎn)移的機(jī)理研究已有顯著進(jìn)展。盡管生物炭在農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復(fù)中具有積極影響，但對(duì)于生物炭施用對(duì)農(nóng)業(yè)土壤重金屬的修復(fù)的“絕對(duì)益處”仍未達(dá)成共識(shí)。這是因?yàn)樵谕寥乐刑砑由锾坎⒉皇撬凶魑锏纳a(chǎn)力都會(huì)持續(xù)提高，不同作物的反應(yīng)可能不同。在許多情況下，大多數(shù)生物炭的高吸附能力會(huì)限制作物對(duì)金屬元素的吸收，因?yàn)榻饘僭嘏c生物炭表面強(qiáng)烈結(jié)合，降低了金屬元素的生物有效性。此外，盲目地使用生物炭會(huì)增加土壤毒性，因?yàn)樗鼈兛赡芎兄亟饘俨?duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，生物炭在使用過(guò)程中需要注意以下事項(xiàng)：第一，應(yīng)用生物炭對(duì)農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復(fù)的重要作用，需解釋修復(fù)過(guò)程和提高作物生產(chǎn)力背后的潛在機(jī)制。生物炭在受重金屬污染土壤中的應(yīng)用可能是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和保護(hù)作物多樣性的一種有潛力的方法，然而，未來(lái)的研究方向還需要全面分析生物炭推廣及生產(chǎn)的最佳方法，提高對(duì)生物炭的適宜性、吸附潛力和可持續(xù)性的關(guān)注。第二，將生物炭作為肥料添加到受污染的土壤中是改善農(nóng)業(yè)土壤的新方法，目前已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，約有86%的研究是短時(shí)間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室和溫室中進(jìn)行的。因此，有必要進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)地研究，以驗(yàn)證有關(guān)生物炭施用對(duì)農(nóng)業(yè)土壤重金屬的詳細(xì)作用機(jī)制和可能產(chǎn)生負(fù)面影響的研究。此外，需要進(jìn)行更多的研究來(lái)了解生物炭對(duì)不同農(nóng)業(yè)土壤類(lèi)型、環(huán)境氣候、植物種類(lèi)和施用方法的影響，以及土壤-植物-大氣系統(tǒng)的影響。第三，生物炭的高成本是抑制生物炭大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)因素。然而，生物炭已經(jīng)逐步向低成本可持續(xù)生產(chǎn)的方向發(fā)展。目前生物質(zhì)通過(guò)熱解產(chǎn)生的碳化物質(zhì)均被稱(chēng)為生物炭，涵蓋范圍廣泛，生產(chǎn)技術(shù)缺乏規(guī)范指導(dǎo)，有必要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在科學(xué)研究成果的支撐下，保證高質(zhì)量生產(chǎn)生物炭。