生物炭对土壤残留农药生物毒性和有效性的影响

黄彩凤，朱梦银

(福建农林大学林学院，福建 福州 350000)



生物炭对土壤残留农药生物毒性和有效性的影响

黄彩凤，朱梦银

(福建农林大学林学院，福建 福州 350000)

本文从3个方面综述了生物炭对残留农药生物毒性的影响及对残留农药的有效性的影响：(1)生物炭可吸附土壤中残留农药，削弱农药毒性及有效性，减少残留农药在作物体内的积累量；(2)生物炭在一定程度上可以减弱农药对土壤动物危害，提高土壤动物的多样性和数量；(3)生物炭能够改良土壤理化性，改善土壤微生物的生存环境，但其吸附的残留农药难以被土壤微生物降解，潜在环境风险仍旧存在。近年来，生物炭在土壤改良方面取得一定的进展，但其是否存在其他的负面影响仍有待研究。

生物炭；残留农药；生物毒性

近年来，随着生活水平的不断提高，人们对农药残留问题日益关注。农药在人类生产中发挥着重要作用，尤其在提高蔬菜产量方面贡献颇大。但有些施药意识和施药水平欠缺的种植者，在经济利益的驱使下滥用高毒、高残留的农药，导致农药在农作物和土壤中残留超标，最终危害人体健康，影响农业生态可持续性发展。如许梅燕等对泉州地区蔬菜样品抽检结果显示，农药残留超标比较严重的蔬菜种类为叶菜类，农药残留抽样检测超标率为2.5%[1];济宁市蔬菜中农药残留抽样检测结果表明，农贸市场的蔬菜监测结果合格率仅为95.9%[2]。作物组织内部的残留农药主要源于根系吸收，故土壤中农药含量越多，作物中的残留量也越多。农药在土壤中大量残留不仅会抑制地表作物的生长，还影响土壤动物及微生物的正常生活。而生物炭作为新兴的土壤改良剂，具有疏松多孔、比表面积大、吸附性好、稳定性强等特点，且能高效吸附芳香族有机化合物[3]。此外，经生物炭改良过的土壤对农药吸附性增强，进而抑制农药的淋溶，降低残留农药对土壤生物的毒性，在一定程度上也减弱农药的生物有效性。

1 生物炭对土壤残留农药作物毒性和有效性的影响

虽然农药的施用显著地提高了农作物的产量，增加了种植者的经济收益，但长期残留于土壤中的农药在一定程度上反而会抑制作物的生长，并被农作物富集，使农作物农药残留超标。由于生物炭具有强大的比表面积，能够大量吸附土壤中残留的农药，减弱残留农药产生的危害，从而减少农作物对农药吸收富集。例如，莠去津是具有持久性有机污染物的除草剂，被广泛应用于旱田除草，其在土壤中的残留对大豆生长有一定的抑制及毒害作用。与未添加生物炭的处理相比，生物炭对莠去津的生物毒性有明显的消减作用。李玉梅等研究发现，生物炭不仅可降低莠去津的生物毒性进而促进大豆产量的提高，其本身对作物生长还具有促进作用[4]。此外，农药残留量越多，生物炭对其生物毒性的消减作用越显著。但由于生物炭是木材 、家禽粪便和秸秆等有机材料在部分或者完全缺氧环境下热解产生的多孔炭化物质，不同温度下热解炭化所得的生物炭对土壤残留农药的影响程度亦不同。简敏菲等研究表明，生物炭比表面积和总孔容随着温度升高而增大，且在600℃达到最大值；而平均孔径随热解温度增加而减小[5]。葛超超研究水稻秸秆生物炭对异丙甲草胺的吸附和解吸作用时发现，比面积越大的生物炭对除草剂的表面吸附作用越强，吸附滞后效应更明显，以生物炭为载体制备的颗粒制剂可延缓除草剂释放[6]。因此，碳化程度高的高温生物炭更适合用于改良土壤，降解农药毒性。

生物有效性代表着农药及污染物等化学有机质被生物利用的能力。生物炭本身具有的强烈吸附性，在一定程度上影响着农药的生物有效性。余向阳等通过对杀虫剂毒死蜱和卡巴呋喃施用不同比例的生物炭，研究生物炭对农药生物有效性的影响，结果表明：农药的降解率随生物炭的施加量增加而降低[7]。因此，在土壤中施加生物炭虽可以促进作物生长，但也减弱了农药对靶标植物和害虫的杀灭效率，对施药作物的生长具有双面影响。就单纯地对残留农药而言，施加生物炭可以有效改良土壤理化性，更好地促进作物生长。

2 生物炭对土壤残留农药动物毒性和有效性的影响

残留农药不仅对地面作物生长有抑制作用，还影响土壤动物的群落多样性及数量分布。土壤动物是土壤生态系统中重要的组成部分，土壤生物活动范围小，迁移能力弱，其生存活动对土壤的有机质含量、土壤的物理化学结构产生一定的影响。生活在土壤中的动物是土壤污染的敏感指示生物，其在土壤中的种类数量变化及基本分布情况反映了生存环境的质量。朱新玉等研究发现，土壤动物类群数、个体数以及群落多样性等，都随着农药浓度的增加而降低，且土壤动物种类的减少是由于常见类群和稀有类群的减少所导致，而土壤动物的数量变化则主要是由于优势类群线虫类、线蚓科、弹尾目和螨类的数量消长所致[8]。蚯蚓作为土壤生态系统中农用化学品污染的理想指示生物，对某些污染物比许多其它土壤动物更为敏感，被广泛应用于测定残留农药的生物有效性。有研究发现，在土壤中添加生物炭后，蚯蚓对氯苯的生物富集因子显著降低，且老化时间越长的生物炭降解效果越明显。[9]此实验表明了生物炭能降低土壤中残留农药的生物有效性，进而减轻残留农药对土壤动物的毒害。此外，生物炭表面有大量的-COOH、-OH等含氧官能，呈现出了亲水及疏水性，在一定程度上可保持土壤湿度，改善土壤理化性，为土壤生物提供较好的生存环境。因此，在土壤中施加生物炭短期内可降低农药毒性，提高土壤生物的种类和数量，但其只是起吸附作用，降低了其短期风险，残留农药潜在的环境风险依旧存在，高浓度残存农药最终仍需微生物降解。

3 生物炭对土壤残留农药在微生物毒性方面的影响

土壤微生物是土壤中物质转化的动力，其对土壤中残留农药的生物降解起着重要的作用。生物炭通过改变土壤肥力 、水分 、pH 、CEC 、 EC等改变土壤的物理化学性质。胡俊鹏通过研究秸秆及生物炭添加对燥红壤N2O排放的影响，发现秸秆和生物炭都能提高硝化作用，抑制反硝化作用，促进微生物对氮元素的同化固定，利于土壤对硝态氮的积累。本实验还表明添加秸秆和生物炭都能提高土壤pH和其他营养指标[10]。此外，生物炭因表面积大且疏松多孔，为微生物提供了良好的庇护场所，使其免受捕食或因水力条件的改变而流失，从而有效地增加了土壤中微生物的数量。有研究发现，生物炭可以明显提高土壤中的全N和有机C的质量分数，土壤全N和有机C的质量分数与生物炭的用量呈正相关[11]。由此可见，生物炭为微生物的生长提供了碳源及多种营养元素，保障其正常生命活动，进而促进土壤中残留农药被微生物降解。

然而，生物炭的吸附作用不仅作用于微生物，也会强烈地吸附土壤中的有机污染物。敌草隆在施加生物炭的土壤中随着吸附时间的延长而降低解吸效率[12]。生物炭通过对有机污染物的吸附，使残留农药与土壤微生物“隔离”，富集于生物炭内部的丰富的孔隙结构中。然而，生物炭在一定程度上降低了微生物对农药的可利用性，增强解吸滞后现象，延长了残留农药的半衰期。

4 小结

我国农业用地面积广阔，农药的使用量也居高不下，残留农药的生物毒性不容小觑。而生物炭因其制备成本低，吸附性强，成为国内学者研究热点，其在改良土壤方面报道已有不少。短期内生物炭可吸附土壤中的残留农药，削弱其有效性，减弱对作物、土壤动物、微生物的毒害。但从长远角度考虑，生物炭在一定程度上增加了土壤污染的潜在风险，其用法用量有待进一步研究。

[1]许梅燕,蔡胜茂,高铭琪.泉州地区蔬菜农药残留现状分析[J].福建农业科技,2015,37(4)：14-16.

[2]苟艳丽,刘少典,张肖红,等.济宁市蔬菜农药残留现状监测分析及应对[J].农业科技通讯,2014(9):272-275.

[3]李赛君,吕金红,李建法.生物炭对农药的吸附及土壤中环境行为的影响[J].湖北农业科学,2015,54( 8)：1793-1797.

[4]李玉梅,王根林,刘征宇,等.生物炭对土壤中莠去津残留消减的影响[J].作物杂志,2014(2):137-141.

[5]简敏菲,高凯芳,余厚平.不同裂解温度对水稻秸秆制备生物炭及其特性的影响[J].环境科学学报,2016,36(5)：1757-1765.

[6]葛超超,郭璇,李建法,等.水稻秸秆生物炭对异丙甲草胺的吸附和缓释作用[J].生态与农村环境学报,2016(32)：168-172.

[7]YU Xiangyang，YING Guoguang，KOOKANA R S．Reduced plant uptake of pesticides with biochar additions to soil[J]．Chemosphere，2009，76(5):665-671．

[8]朱新玉.农药污染对土壤动物群落的影响研究[J].科技信息,2011,(15)：788.

[9]宋洋,王芳,杨兴伦,等.生物质炭对土壤中氯苯类物质生物有效性的影响及评价方法[J].环境科学,2012,33(1)169-174.

[10]胡俊鹏,潘凤娥,王小淇,等.秸秆及生物炭添加对燥红壤N2O排放的影响[J].热带作物学报,2016，37(4)：784-789.

[11]张晗芝,黄云,刘钢,等.生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响[J].生态环境学报,2010,19(11):2713-2717.

[12]余向阳，王冬兰，母昌立，等．生物质炭对敌草隆在土壤中的慢吸附及其对解吸行为的影响[J]．江苏农业学报，2011，27(5)：1011-1015．

2016-10-19

黄彩凤(1995-)，女，学生，福建龙海人，E-mail:hcfok@163.com。