生物炭在农业土壤重金属污染修复中的应用研究

张春鑫，魏 勇，钟卫红，吴毕元

（1.毕节生态环境监测中心，贵州 毕节 551700；2.毕节职业技术学院，贵州 毕节 551700）

土壤重金属污染问题历年来受到环保工作者的广泛重视。土壤中的重金属经过一段时间的蓄积进入人体后，会对人类健康产生影响。另外，土壤重金属污染还可对作物的生长和产量以及土壤肥力产生长期的影响。土壤重金属并不会因为时间的推移而发生迁移或降解，反而会随着时间的延长而逐渐累积[1]，通过食物链生物放大作用威胁人类健康，破坏生态环境。因此，解决农业土壤重金属污染刻不容缓。李江遐、吴林春等人提出，生物炭可以减轻土壤重金属的危害性，修复土壤[2]。张益硕等人就重金属污染土壤修复原理与技术提出，生物炭是化学修复中常见的固化材料，适用于重金属污染面积大的土壤[3]。近年来，生物炭的炭封存效应引起了广泛关注，在土壤污染修复方面具有巨大潜力。目前，我国多种农产品产量位居世界第一，随之而产生的生物废弃物，如不进行合理有效的处理，大部分会被随意弃置堆放，从而造成环境污染。研究基于生物炭对土壤中的重金属作用，利用生物炭在土壤重金属污染中发挥修复作用，提出生物炭在农业土壤重金属污染修复中的应用前景，以期为农业土壤重金属污染修复提供参考。

1 生物炭的突出特征

生物炭（Biochar）是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解形成的稳定的富碳产物[4]。生物炭是一种富含碳的材料，可以在高温（＞300°C）和缺氧条件下从各种生物质（例如植物材料、动物废物和其他废物）中生产出来。生物炭最显著的基本性质包括表面积、孔隙率、灰分含量、电导率（EC）值、阳离子交换量（CEC）、营养元素、碱度和稳定的碳结构等。生物炭的多孔结构可以为土壤中有益微生物提供良好的生长环境，其灰分可为微生物提供养分[5]。生物炭的表面和孔隙可以贮存阴离子和阳离子交换相关的养分，另外，生物炭具有大量丰富的含氧官能团，从而降低土壤重金属的迁移性和生物有效性，因此，利用生物炭修复土壤重金属污染得到了越来越多的关注。

2 土壤-生物炭-重金属相互作用

2.1 土壤理化性质的改变

污染物对生物体的影响主要取决于其在环境中的生物有效性，并受吸附作用影响，吸附作用与pH值、CEC（离子交换量）和pH BC（pH缓冲能力）有关。这些土壤参数在重金属吸附、形态和生物有效性中起着重要作用。因此，对于以低pH、CEC和pH BC的酸性和带有可变电荷的土壤，重金属阳离子迁移率非常高。生物炭的高碱性可以在土壤与生物炭相互作用期间转移到土壤中，从而改善土壤pH值。在生物炭与土壤相互作用期间，生物炭的官能团为阳离子和质子提供额外的吸附位点，通过络合化学反应，结合环境中的H+，氨基、羟基和羧基等官能团，与生物炭发生作用，使生物炭表面变得丰富，从而产生很多的OH-，一系列的化学反应可以使养分离子交换容量，从而增强土壤CEC和pH BC，例如生物炭在硝酸修饰下，CEC提高了3倍。通过增强土壤CEC和pH BC，生物炭的缓冲作用降低了土壤pH值，并在低pH值下抑制重金属阳离子迁移率。当把生物炭添加到土壤中时，生物炭将其负电荷转移到土壤表面，使土壤表面负电荷增多，说明通过化学键的形成，生物炭与土壤发生了相互作用。

2.2 土壤重金属的固定化

生物炭固定土壤中重金属主要体现在促进作物吸收和减少土壤中重金属的有效性。生物炭表面的负电荷，通过与重金属阳离子结合，从而降低了土壤中的重金属浓度；生物炭可改善土壤pH值并加速重金属阳离子对氢氧化物的水解形成沉淀或络合物等，另外，HM（OH）对土壤表面的亲和力比例金属阳离子的亲和力更强，重金属阳离子的迁移率和生物有效性将显着降低，能够有效降低重金属的有效性。有关研究表明，在700°C下产生的生物炭使土壤样本中Pb的可用形式减少88.1%，在受铅污染的农业土壤中减少95%[6]，这在降低Pb对土壤微生物的毒性方面起到了重要作用。

2.3 作物对重金属吸收的改变

生物炭可以有效降低重金属生物有效性，在一定程度上改良土壤环境。生物炭对重金属吸收的主要体现在重金属含量的减少，如大多数可溶态重金属（如Cu、Cd、Pb、Ni等）在生物炭改良后显著降低，但这种效应对Fe和Mn的影响不太明显。生物炭在受污染的水稻土壤中的应用显著减少了水稻植株不同部位（根、茎、叶和壳）的重金属积累。对于生长在铅污染土壤上的玉米植株，生物炭处理可以使Pb的生物有效性降低71%，可交换的Pb降低99%。与未添加生物炭的土壤相比，显著降低了对玉米植株的Pb毒性。生物炭通过显著降低污染物的生物有效性和毒性改良土壤，为作物生长提供了良好环境。

3 生物炭在农业土壤重金属修复中的应用

传统的农业土壤修复技术包括物理、化学和生物等方法，已被公认可以减少土壤重金属污染。近年来，利用生物炭作为土壤改良剂，对农业土壤重金属污染进行原位固定化，已突显出巨大的修复潜力，将生物炭施用在重金属污染土壤具有重要意义。

3.1 不同生产原料对生物炭的影响

生物炭因其材料来源广泛，对农业土壤重金属的修复效果也不同，不同的生产原料也影响着生物炭的性质和性能。有研究学者在进行卷心菜试验过程中发现，使用花生壳生物炭可以改善高酸性土壤环境，改善土壤养分有效性和土壤pH值，最大限度减少Al毒性，以促进卷心菜良好生长；添加在500°C下热解的甘蔗生物炭，使Cd的生物有效性降低了63%，并增强了绿豆的微生物活性，促进共生关系，并提高该作物的产量；添加在500°C下热解玉米秸秆残渣的生物炭，显著改善了土壤养分含量和pH值并降低了Cr的生物有效性；添加500°C下热解的稻壳生物炭，提高了土壤pH值，增强了重金属Cd、Cu、Pb、Zn的吸附，生菜对重金属的吸收显著降低；同时，生物炭可以减少水稻、苜蓿和甘蔗发芽中Cr的毒性，有助于Cr6+转化为Cr3+，生物炭的添加提高了Cr的生物有效性并促进水稻、苜蓿和甘蔗的生长。有研究表明，在土壤中添加生物炭后，可以减少作物对As、Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的吸收率，分别高达48%、40%、38%、44%、28%和22%[7]。数据显示，用水稻、玉米、小麦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属的污染。其中，以秸秆为原料的生物炭在我国已受到广泛关注，并且经过实践检验，可以有效控制土壤中的重金属污染。

3.2 生物炭原位修复

生物炭原位修复具有一定的针对性，就单一的生物炭原位修复同样具有良好的生态效应，但由于其修复存在局限性，目前使用范围覆盖面较窄，由此而研发的生物炭联合技术研究可弥补其不足，在一定程度上提高了修复效率。司马小峰等发现，当生物炭与动植物、微生物等材料联合使用时，生物炭对重金属污染具有修复作用，不仅能提高污染的修复效率，还能增强污染修复效果的稳定性[8]。生物炭对土壤重金属的生物有效性不仅受生物炭本身和土壤理化性质的影响，还受作物种类、土壤类型、重金属种类和污染程度等因素影响。生物炭的应用对农业土壤重金属修复具有普遍的适用性和良好的修复效果，同时，生产过程可以将农业废弃有机质资源化利用，作为土壤重金属修复剂在全球范围内被广泛使用。

4 结语

农业生物质转化为生物炭，以及金属污染土壤修复中金属积累和转移的机理研究已有显著进展。尽管生物炭在农业土壤重金属修复中具有积极影响，但对于生物炭施用对农业土壤重金属的修复的“绝对益处”仍未达成共识。这是因为在土壤中添加生物炭并不是所有作物的生产力都会持续提高，不同作物的反应可能不同。在许多情况下，大多数生物炭的高吸附能力会限制作物对金属元素的吸收，因为金属元素与生物炭表面强烈结合，降低了金属元素的生物有效性。此外，盲目地使用生物炭会增加土壤毒性，因为它们可能含有重金属并对作物生长产生负面影响。因此，生物炭在使用过程中需要注意以下事项：第一，应用生物炭对农业土壤重金属修复的重要作用，需解释修复过程和提高作物生产力背后的潜在机制。生物炭在受重金属污染土壤中的应用可能是提高农业生产力和保护作物多样性的一种有潜力的方法，然而，未来的研究方向还需要全面分析生物炭推广及生产的最佳方法，提高对生物炭的适宜性、吸附潜力和可持续性的关注。第二，将生物炭作为肥料添加到受污染的土壤中是改善农业土壤的新方法，目前已经开展了大量的研究，约有86%的研究是短时间内在实验室和温室中进行的。因此，有必要进行长期的实地研究，以验证有关生物炭施用对农业土壤重金属的详细作用机制和可能产生负面影响的研究。此外，需要进行更多的研究来了解生物炭对不同农业土壤类型、环境气候、植物种类和施用方法的影响，以及土壤-植物-大气系统的影响。第三，生物炭的高成本是抑制生物炭大规模应用的一个因素。然而，生物炭已经逐步向低成本可持续生产的方向发展。目前生物质通过热解产生的碳化物质均被称为生物炭，涵盖范围广泛，生产技术缺乏规范指导，有必要制定相关标准，在科学研究成果的支撑下，保证高质量生产生物炭。