生物炭在土壤改良和重金属污染治理中的应用

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-02-15 09:32 热度：

摘 要：摘 要: 作为重要的土壤改良剂、污染物质吸附剂的生物炭在农业和环境中具有巨大的应用价值和现实意义，因而受到国内外学者们的普遍关注。本文基于生物炭在农业增产和重金属污染治理方

　　摘 要: 作为重要的土壤改良剂、污染物质吸附剂的生物炭在农业和环境中具有巨大的应用价值和现实意义，因而受到国内外学者们的普遍关注。本文基于生物炭在农业增产和重金属污染治理方面的国内外研究文献，综述了生物炭的基本特性及对土壤的改良作用，分析了生物炭对土壤肥力及作物增产的影响，阐述了生物炭对土壤重金属污染修复机理,及该领域未来的发展动向，以期为生物炭大规模农用提供参考。

　　关键词：生物炭;土壤改良;农业增产;重金属;修复

　　生物炭(biochar)也称生物质炭，是指生物质在缺氧或无氧条件下热裂解得到的一类含炭的、稳定的、高度芳香化的固态物质[1-5]，在广义概念上是黑炭(black carbon)的一种类型，2007 年在澳大利亚第一届国际生物炭会议上取得统一命名，主要施用于农林业土壤。农业废弃物如木材、秸秆、果壳及工业和城市生活中产生的有机废弃物如垃圾、污泥等都是制备生物炭的重要原料[6-8]。

　　生物炭的利用，是一个多赢策略，在利用生物量(包括森林残留、农业残渣、木屑、纸浆和污泥)的同时，还消除了因焚烧、腐烂对环境造成的污染，且热解生产的生物油(bio-oil)缓解了燃料短缺，产生的混合气还可当作生产炭的燃料。生物炭施到土壤，能增加土壤有机物质、提高土壤肥力、使作物增产，同时，生物炭还可降低土壤重金属和农药的污染[9-13]。在 Google 搜索引擎上以 biochar 关键词搜索(截至 2013 年 4 月 1 日)可搜到约 99.2 万条结果，以“生物炭”为关键词搜索到 224 万条结果，这充分说明生物炭已成为全球科学研究和媒体关注的焦点。

　　笔者综述了近年来生物炭在土壤改良、农作物增产、重金属污染治理等方面的研究进展，并扼要分析了该领域未来的发展动向，以期为生物炭大规模农用提供参考。

　　1 生物炭基本特性

　　炭化后的生物炭，基本保留了原有生物质的良好孔隙结构，具有较大的孔隙度和比表面积(BET)，据报道，污泥生物炭的 BET 可达 32.24 m2 ·g-1[14]，是污泥 BET 的 5 倍[14]。但不同的原材料和生产环境条件(温度、时间)得到的生物炭，在结构、pH 值、灰分含量、持水性、表观密度、孔容、比表面积等理化性质上差异很大，其中，热解温度对生物炭理化性质的影响一直是研究的热点[15-17]，部分研究数据列于表 1。

　　对生物炭进行元素分析得知，生物炭含有 C、H、 O、N，还含有丰富的土壤养分元素如 N 、P 、Ca、Mg、K 及微量元素 Mn 、Zn、Cu 等[22-24]，不同的制备条件及原材料得到的生物炭元素组成大不相同，但共同点是生物炭的含炭量均很高，一般均在 70%以上[25]。进一步分析表明，生物炭具有高度芳香化的结构，含有大量酚羟基、羧基和羰基 [26-29]，这些基本性质使生物炭具备了良好的吸附特性及稳定性。

　　2 生物炭对土壤的改良作用

　　生物炭的土壤改良剂功能源于南美亚马逊盆地黑土(Terra Preta)的发现及研究。19 世纪，当时生活在亚马逊河流域的人们发现了一种特殊的“黑土壤”，这种称为 Terra Preta(TP)土壤是古人类刀耕火种形成的一种特殊的肥沃土壤[30-31]，其所含的有机炭是普通土壤的 3~4 倍，对恢复土壤生产力和改良土壤具有重要作用[32]。据报道，酸性土壤占世界可耕种面积的30%，酸性条件下可导致铝对植物的毒性，还可引起 P、Mo、 Ca 和 Mg 的缺失，这将影响作物的生长和产量。而生物炭大都呈碱性，生物炭施入土壤，对酸性土壤的改良、提高土壤 pH 值，减轻铝毒性具有显著效果[33]。同时，生物炭能改善土壤的物理结构，影响土壤微生物活性，减少营养元素的流失，调控营养元素的循环[34-35]。

　　2.1 对土壤理化性质的影响

　　土壤的物理性质包括土壤质地结构、土壤比重、土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分等。生物炭对土壤理化性质的改善效果与生物炭施用量和土壤肥力水平有关，不同质地土壤表现出不同的结果。生物炭可以增大土壤的比表面积、能有效降低土壤的容重与密度，增加土壤的总孔隙度、毛管孔隙度与通气孔隙度，有效地保持土壤中的水分，从而促进植物更充分地吸收水分，减少水分的损失等[36]。

　　容重是土壤物理特性的一个重要指标，土壤容重降低一般表明土壤结构得到改善。研究发现，生物炭的施入使土壤容重降低 9%，而总孔隙率则从 45.7%增加到了 50.6%[37-38]，施用生物炭 3 年后，0～7.5 cm 土层的土壤容重显著降低，随着生物炭施用量的增加，容重呈下降趋势[39-40]，这与生物炭的容重小于土壤容重、以及生物炭具有多孔结构能够储存空气和水分有关[41]。生物炭丰富的土壤较无生物炭土壤的田间持水量增加 18%，而添加生物炭后土壤的田间持水量增加了 11%[9，36，42]。

　　土壤的化学性质包括土壤 pH 值、盐基饱和度、阳离子交换量等。土壤 pH 值是土壤的重要化学属性，直接影响土壤养分的有效性[43-44]。添加生物炭后，土壤 pH 值从 3.83 升到了 7.91[45]，加入松木条制备的生物炭培养 60 d 后，土壤的 pH 值较对照上升 0.35~ 0.86[46]，稻壳炭处理的红壤和黄棕壤 pH 值分别比对照提高 0.27 和 0.19。由此表明，生物炭可以显著提高土壤的 pH 值，这主要是生物炭中灰分含有更多的盐基离子，如钙、镁、钾、钠等，且都呈可溶态，施入土壤后可提高土壤的盐基饱和度，盐基离子可以进行交换反应，降低土壤氢离子及交换性铝离子水平，同时，生物炭含有碱性物质，当生物炭加入土壤后这些碱性物质能够很快释放出来，中和了部分土壤酸度，使土壤 pH 值升高[47]。而生物炭中碱性物质的存在形态及其与土壤酸度的作用机制还有待于进一步研究。

　　土壤的阳离子交换量(CEC)是指在一定的 pH 值条件下，每千克土壤所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。施用生物炭可以显著提高耕层(0~15 cm)土壤阳离子交换量，与空白相比，CEC 增加 24.5%[47]。 Laird 等[42]研究发现生物炭施入土壤后 CEC 提高了 20%，且随炭量增加而提高，是不添加生物炭土壤的1.9 倍[42]。施用含炭堆肥污泥的黄棕壤和红壤中 CEC 分别提高了 10%和 5%[48]。

　　2.2 对土壤有机质(SOM)的影响

　　土壤有机质是土壤的重要组成部分，虽然在土壤中的含量很少，却是土壤肥力的重要指标，也是陆地生态系统主要的炭汇来源之一。研究表明，施用生物质炭可显著提高土壤有机碳的积累，增加土壤有机碳的氧化稳定性，降低土壤水溶性有机炭[49]。土壤中施入低量秸秆炭(2 250 kg·hm-2)和高量秸秆炭(4 500 kg·hm-2)后，土壤有机质氮含量分别升高 84. 6%和 121. 3%，有机质碳含量由 6. 2 g·kg-1 和 9. 0 g·kg-1 增加到 8. 72 g·kg-1 和 11. 50 g·kg-1 [39]。周桂玉等[50]研究发现，将不同用量的松枝生物炭和秸秆生物炭添加到土壤中，培养 45 d 后，有机碳(SOC)含量发生了一定的变化，随生物炭用量的增加，SOC 含量增加，从空白对照的 16.2 g·kg-1 分别增加到 1%处理的 22.6 g·kg-1、 2%处理的 29.2 g·kg-1 和 0.4%处理的 18.7 g·kg-1[50]。生物炭改变土壤有机质的组成[49-50]，形成了稳定的 SOC，说明添加生物炭有利于土壤有机质的积累和形成，对提高土壤肥力、稳定土壤有机碳库有重要意义。

　　2.3 对土壤养分的影响

　　生物炭中含有丰富的有机大分子和空隙结构，施入土壤后较易形成大团聚体，因而可增强土壤对养分离子的吸附和保持，使其不易随水冲洗而流失[51]，土壤中大部分的 N 素储存于各种复杂的有机质中，只有氨化为 NH4 + 和硝化成 NO3 - 等才能被植物吸收利用[52]，氨化作用、硝化作用均是在细菌的参与下进行的，生物炭的加入，影响微生物群落，从而导致土壤 N 循环的变化[53-54]。

　　生物炭是一种贫 N 物质，有极高的 C/N 比，因此，将生物炭施入土壤，由于生物炭对 NH4 + 、NO3 - 有很强的吸附作用，可以在短时间内减少土壤有效 N 素的含量，同时可以减少 N 素的淋溶损失[55]。有研究发现，玉米秸秆生物炭的施用可以大幅度地降低氮素的淋失作用，50 t·hm-2 和 100 t·hm-2 的生物炭施用量可降低黑钙土氮素淋失分别为 29%和 74%，减少紫色土氮素淋失分别达 41%和 78%[56]。在低纬度地区的田间试验表明，农田土壤施用 20 t·hm-2 以上的生物炭大约可减少 10%的肥料施用量[57]。巴西的加州州桂制得的生物炭可使土壤沥出液中硝酸盐、铵盐、磷酸盐分别降低了 34.0%、34.7%和 20.6% [25]。

　　生物炭自身含有一些养分和营养元素，水溶性的 K、Ca、Na、Mg 等主要来自生物炭本身，生物炭的 P 含量可达 2 773 mg·kg-1[58]。有研究表明，生物质炭施用量为 10 g·kg-1 时，经 1 年的培养试验后，土壤的有机炭、速效 P、速效 K 和盐基饱和度分别比对照增加 31%、14%、6% 和 17% [59]，同时，在老挝地区的试验表明，生物炭的应用可提高低磷有效性地区的粮食产量，还可提高对氮或氮磷化肥的利用率 [36，45，60-61]。生物炭可提高土壤养分，促进农作物生长，而生物炭对作物产量的增加因土壤类型、生物炭种类及施入量等条件的不同而不同，部分研究数据列于表 2。

　　3 生物炭对土壤重金属污染治理作用

　　3.1 生物炭对土壤重金属形态的影响

　　生物炭的施用能够显著影响土壤中重金属的形态和迁移行为，生物炭能降低土壤中 Pb、Cd 的酸可提取态含量，因而降低重金属的生物有效性，对重金属表现出很好的固定效果[68-70] ，如加入 30 g·kg-1 和 50 g·kg-1 的生物炭后，土壤酸溶性的 Cu(Ⅱ)浓度从 43.07%降到 18.83% 和 11.03%[71-72]。水稻秸秆生物炭施加到土壤后，酸溶态的 Cu(Ⅱ)和 Pb(Ⅱ)含量随生物炭施加量的增加可降低 19.7%和 18.8%，而酸溶态的 Cd(Ⅱ)的降低量为 5.6%[73]。林爱军等[74]采用分级提取的方法研究了施加骨炭对污染土壤重金属的固定效果，结果表明，土壤施加 10 mg·kg-1 骨炭后水溶态、交换态、炭酸盐结合态和铁锰氧化物结合态 Pb 的浓度都显著下降，而有机结合态 Pb 的浓度显著上升，表明骨炭可以吸附固定土壤中的 Pb，改变 Pb 的化学形态，降低 Pb 的生物可利用性，Cd、Zn 和 Cu 都有类似的结果。Luke Beesley 等[75]用橡木、欧洲白蜡树、梧桐树、桦木和樱桃树在 400 ℃下制备生物炭，施入土壤后，土壤沥出液中 Cd 和 Zn 的浓度分别降低了 300 倍和 45 倍。

　　3.2 生物炭对土壤重金属迁移转化的影响

　　生物炭对重金属有很强的吸附能力，陈再明等[76] 研究发现，在 350、500、700 ℃下用水稻秸秆制备的生物炭对 Pb2+的最大吸附量分别为 65.3、85.7 mg·g-1 和 76.3 mg·g-1，是原秸秆生物质的 5~6 倍、活性炭的 2~3 倍[76]。土壤中施用生物炭后，Zn 和 Cd 的浓度明显下降，尤其是 Cd 的浓度降低了 10 倍，植物毒害也显著降低[77]，土壤对 Pb2+的吸附量增大，且随生物炭量增加吸附量显著增加[78]。用一次平衡法研究由花生秸秆、大豆秸秆、稻草和油菜秸秆制备的 4 种生物炭对采自江西和广西的 2 种红壤吸附 Cu(Ⅱ)，结果表明，添加生物炭提高了红壤对 Cu(Ⅱ)的吸附量，生物炭对 Cu(Ⅱ)吸附的促进作用随生物炭添加量的增加而增加，低 pH 值条件下促进作用更明显;pH 值为 4.0 和 2%生物炭添加水平下，油菜秸秆炭、花生秸秆炭、大豆秸秆炭和稻草炭使江西红壤对 Cu(Ⅱ)的吸附量较对照分别增加 97%、79%、51% 和 54%;花生秸秆炭和大豆秸秆炭使广西红壤对 Cu(Ⅱ)的吸附量较对照分别增加 61% 和 44%，当生物炭添加量达 4%时，Cu(Ⅱ)吸附量的增幅达 97%和165%[79]，其主要机制是生物炭较大比表面积的吸附作用、表面各种基团较强的配位能力和表面的离子交换反应。

　　3.3 生物炭对农作物吸收富集重金属的影响

　　生物炭的施用，降低了土壤重金属的生物有效性，使其固定在土壤中，减少了农作物对重金属的吸收，周建斌等[80]研究结果表明，镉污染土壤经棉秆生物炭修复后，小白菜可食部镉质量分数降低 49.43%~ 68.29%，根部降低 64.14%~77.66%。王宁[81]研究发现，生物炭修复土壤中生长的黑麦草植物中重金属 Cr、 Ni、Cd 含量明显较低，As 污染土壤经生物炭处理后种植西红柿，其根与幼苗中的 As 的砷含量显著降低，西红柿中的 As 含量低于 3 μg·kg-1，As 毒性及转移风险均达最小[82]，说明生物炭可以减少农作物对重金属的吸收，提高农作物的品质。

　　4 展望

　　生物炭是近年来迅速发展起来的热点研究领域之一，生物炭取之于农，亦可用之于农，生物炭在农业中的应用具有广阔前景。目前，关于生物炭的基本性质及其在农业应用方面研究已取得了一定的成果，但在以下几方面仍需要进一步的深入研究。

　　(1)目前，关于不同生物质原料在不同条件(裂解温度、时间等)下制备的生物炭的特征还未完全弄清楚。研究使用的生物质多种多样，同种生物质在不同条件下制备的生物炭其理化性质存在一定差异，而不同种生物质在相同条件下制备的生物炭其理化性质也存在差异，而具有不同理化性质的生物炭对土壤肥力的改良作用及降低重金属污染方面存在很大差异，所以生物炭基本理化特征还缺乏系统而全面的研究。

　　(2)生物炭对不同区域不同作物种类的土壤改良效果还缺乏系统的、长期的研究。目前，很多室内及田间模拟实验表明，在短期内生物炭对土壤具有一定的改良作用，但生物炭对土壤的长期效应还需进一步的研究。

　　(3)生物炭与土壤的相互作用机理还缺乏系统而全面的阐述。大量研究表明，生物炭能提高土壤pH 值、CEC、持水量，改善土壤微生物群落，但其机理仍需进一步探讨，为生物炭还田提供可靠依据。

　　(4)生物炭对土壤重金属的有效性和迁移转化的影响作用机制仍需进一步研究，同时，应增加生物炭对土壤重金属污染长期定位实验，进一步阐述生物炭对土壤重金属污染治理的机制。——论文作者：徐楠楠 1，2 ，林大松 2 ，徐应明 2*，谢忠雷 1*，彭强辉 3 ，郭文娟 2

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文章名称：生物炭在土壤改良和重金属污染治理中的应用

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