生物質(zhì)炭對(duì)土壤中重金屬形態(tài)和遷移性的影響及作用機(jī)制

張建云，高才慧，朱 暉，鐘水根，楊紋硯，鄭均瀧，吳勝春，單勝道，王志榮，張 進(jìn)，曹志洪，Peter CHRISTIE

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安311300；3.浙江科技學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究所，浙江 杭州 310023；4.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室，浙江 杭州310012；5.中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所，江蘇 南京210008）

生物質(zhì)炭對(duì)土壤中重金屬形態(tài)和遷移性的影響及作用機(jī)制

張建云1,2，高才慧2，朱 暉2，鐘水根2，楊紋硯2，鄭均瀧2，吳勝春1,2，單勝道3，王志榮4，張 進(jìn)1,2，曹志洪5，Peter CHRISTIE2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安311300；3.浙江科技學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究所，浙江 杭州 310023；4.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室，浙江 杭州310012；5.中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所，江蘇 南京210008）

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)原料在缺氧條件下經(jīng)高溫裂解而成的一種固體產(chǎn)物，它們?cè)谕寥乐亟饘傥廴拘迯?fù)中的應(yīng)用是當(dāng)前環(huán)境研究的熱點(diǎn)之一。對(duì)目前生物質(zhì)炭研究的進(jìn)展進(jìn)行了綜述，闡明了生物質(zhì)炭施入土壤可通過(guò)物理吸附、離子吸附、離子交換、沉淀絡(luò)合等交互作用機(jī)制，顯著降低土壤重金屬的有效態(tài)，減少它們?cè)诃h(huán)境介質(zhì)中的遷移性，從而降低土壤重金屬的生物毒性。但是生物質(zhì)炭的研究仍然存在許多問(wèn)題，特別是如何增強(qiáng)它們?cè)谕寥拉h(huán)境中對(duì)重金屬離子鈍化的穩(wěn)定性、長(zhǎng)效性以及生物質(zhì)炭—土壤—作物—人體健康風(fēng)險(xiǎn)一體化研究等方面，仍需要持續(xù)深入研究。參61

土壤學(xué)；生物質(zhì)炭；重金屬；土壤污染；修復(fù)機(jī)制；綜述

Key words:soil science;biochar;heavy metals;soil contamination;remediation mechanism;review

土壤圈位于生物圈、大氣圈、水圈、巖石圈的交匯處，時(shí)刻與各圈層進(jìn)行物質(zhì)、信息、能量的交換，對(duì)環(huán)境的自凈能力和容量有著重大貢獻(xiàn)。因而，土壤質(zhì)量的好壞直接影響環(huán)境的健康狀況。近年來(lái)，由于不合理的土地利用、工業(yè)廢棄物的排放以及濫用農(nóng)業(yè)化學(xué)品，中國(guó)農(nóng)田土壤遭受不同程度的污染，導(dǎo)致土壤肥力退化及環(huán)境質(zhì)量持續(xù)下降，對(duì)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅；而且土壤中的污染物可通過(guò)淋溶作用滲透到深層土壤中，導(dǎo)致地表地下水污染［1-2］。國(guó)家環(huán)境保護(hù)部最新的土壤調(diào)查顯示，中國(guó)有將近19%農(nóng)業(yè)土壤受到了污染，其中主要是重金屬和類(lèi)金屬污染［3］。因土壤污染減產(chǎn)糧食超過(guò)1 000萬(wàn)t· a-1，造成各種經(jīng)濟(jì)損失約200億元·a-1。這不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)導(dǎo)致一系列環(huán)境問(wèn)題，危害人體健康，引發(fā)癌癥和其他疾?。?］。土壤污染的危害已經(jīng)引起了各級(jí)政府的高度關(guān)注。為了切實(shí)加強(qiáng)土壤污染防治，逐步改善土壤環(huán)境質(zhì)量，國(guó)務(wù)院2016年5月印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》。土壤修復(fù)常用的方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)及其聯(lián)合修復(fù)方法［5］。物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)方法主要是通過(guò)固定穩(wěn)定化技術(shù)、熱處理技術(shù)、性能改良技術(shù)、氧化還原技術(shù)、電動(dòng)力學(xué)修復(fù)等技術(shù)去除污染物［6］。該方法修復(fù)過(guò)程復(fù)雜，費(fèi)用高，存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，為降低因食物鏈造成的健康風(fēng)險(xiǎn)，因而不適合在污染農(nóng)田土壤中大規(guī)模使用［7］。生物修復(fù)方法主要有植物修復(fù)與微生物修復(fù)，雖然該修復(fù)方法經(jīng)濟(jì)、有效，但所需時(shí)間較長(zhǎng)且易受外界環(huán)境條件制約，修復(fù)效果難以保證［8-9］。因此，國(guó)際上普遍認(rèn)為聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是目前高效、經(jīng)濟(jì)、合理的污染農(nóng)田修復(fù)方式，如采用石灰或海泡石粉等化學(xué)物質(zhì)與植物結(jié)合的方式修復(fù)污染土壤［10-12］。然而過(guò)量使用石灰或海泡石粉會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)、質(zhì)地惡化，因此，尋找對(duì)土壤環(huán)境無(wú)害的新型修復(fù)材料迫在眉睫。近年來(lái)，一種新型材料——生物質(zhì)炭引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。生物質(zhì)炭不僅是一種新型能源［13］和新型碳匯［14］材料，而且由于其具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，使它們?cè)诟纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)、提高土壤質(zhì)量［8］、去除土壤中的污染物等［15］方面均有一定的成效，在土壤改良和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。本文將首先介紹生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)，然后綜述國(guó)內(nèi)外利用生物質(zhì)炭在改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和微生物的活性研究以及污染土壤修復(fù)等方面的最新研究進(jìn)展，并對(duì)當(dāng)前生物質(zhì)炭在土壤修復(fù)中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行概述，同時(shí)對(duì)未來(lái)研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)

生物質(zhì)炭一詞最先出現(xiàn)于有關(guān)亞馬遜河流域生態(tài)和農(nóng)業(yè)方面的研究論文［16］。研究人員將生物質(zhì)炭定義為：富含碳的生物質(zhì)在缺氧或者無(wú)氧的條件下通過(guò)高溫裂解或者不完全燃燒生成的一種含碳量大、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固體物質(zhì)［17］?？芍苽渖锾康脑隙喾N多樣，包括植物類(lèi)廢棄物［18-19］（如秸稈、稻草、礱糠、樹(shù)枝等），動(dòng)物糞便［20-21］（如豬糞、牛糞、雞糞等），城市污水處理廠污泥［22］，輕工業(yè)固體廢棄物，大分子藻類(lèi)［23］等。不同的生物質(zhì)原料制備的生物質(zhì)炭其基本性質(zhì)也會(huì)存在差別。另外，生物質(zhì)炭的制備溫度是影響生物炭結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要因素。隨著溫度的升高，多孔性也會(huì)隨之增加，甚至比表面積增至原生物質(zhì)表面積的數(shù)千倍［24-25］。生物質(zhì)炭主要由單環(huán)和多環(huán)的芳香族化合物組成，具有較高的化學(xué)和生物學(xué)穩(wěn)定性；主要由碳、氫、氧、氮等元素組成，同時(shí)含有大量磷、硫、鉀、鈣、鎂、硅、鋁等植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素［26］；一般呈堿性（pH 7～12）；表面含有豐富的—COOH，—OH和—CO等含氧官能團(tuán)和堿性離子［如鉀離子（K+）和鈉離子（Na+）］及碳酸鹽（如碳酸鈣和碳酸鎂）［27-28］。這些性質(zhì)是影響生物炭吸附能力以及陽(yáng)離子交換能力的重要因素。由于生物質(zhì)炭的特殊性質(zhì)使其在土壤改良劑、固碳、氮減排、緩釋肥料載體、污水治理、煙氣凈化、土壤修復(fù)、固體成型燃料、燃料電池、固體酸催化劑和電極材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景［29-30］。

2 生物質(zhì)炭對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)的作用

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)土壤重金屬形態(tài)的影響

重金屬對(duì)環(huán)境和人體危害最大的是其有效態(tài)，因此，降低重金屬在土壤中的有效態(tài)是降低重金屬毒性的有效措施。生物質(zhì)炭在土壤重金屬鈍化固定修復(fù)中的應(yīng)用是當(dāng)前生物質(zhì)炭研究的熱點(diǎn)之一。已有很多研究表明：生物質(zhì)炭施入土壤可提高土壤pH值及有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤重金屬的有效態(tài)，從而降低土壤重金屬的生物毒性。

李季等［31］采用室內(nèi)培養(yǎng)法研究水稻Oryza sativa生物質(zhì)炭對(duì)銻污染土壤修復(fù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)1～2個(gè)月后，5%的生物炭處理促進(jìn)了銻從鐵/錳氧化態(tài)向有機(jī)結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化，原因可能是生物炭上的羥基、羧基、芳香基等官能團(tuán)與土壤中的重金屬進(jìn)行有機(jī)配位絡(luò)合，從而增加有機(jī)結(jié)合態(tài)銻的含量。5%的生物質(zhì)炭處理導(dǎo)致土壤銻的生物可利用性比對(duì)照顯著降低了20%。生物質(zhì)炭對(duì)土壤重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化與季節(jié)及田間作物有著密切的關(guān)系。崔立強(qiáng)等［32］研究發(fā)現(xiàn)：修復(fù)鉛污染土壤過(guò)程中，加入生物質(zhì)炭可使鉛酸溶態(tài)、還原態(tài)和氧化態(tài)組分顯著降低并向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。酸溶態(tài)、還原態(tài)和氧化態(tài)三者含量分別降低；而殘?jiān)鼞B(tài)鉛含量卻顯著升高。其中，上述4種形態(tài)的各個(gè)處理在2011年小麥Triticum aestivum季顯著高于2010年水稻季9.1%～28%，原因在于不同水分條件導(dǎo)致氧化還原電位的變化。

另外，重金屬在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化與生物質(zhì)炭的原料、粒徑及施用量有關(guān)。毛懿德等［33］用竹炭和檸條Caragana korshinskii炭作為生物質(zhì)炭原料進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，研究生物質(zhì)炭對(duì)土壤中鎘形態(tài)的影響。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，0.1%和1.0%的竹炭及檸條生物質(zhì)炭處理可使交換態(tài)鎘含量分別降低4.99%，5.44%和9.44%，16.64%。土壤經(jīng)生物炭處理后，鎘活性指數(shù)有所降低，降幅最大的是1.0%檸條生物質(zhì)炭處理（降低0.18個(gè)單位），可知1.0%的檸條炭處理的鈍化效果最顯著。劉晶晶等［34］在重金屬混合污染土壤中添加不同粒徑的生物質(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)5%稻草秸稈（0.25 mm）處理對(duì)降低土壤中鎘、銅、鉛和鋅有效態(tài)含量的效果最佳，分別減少了34.5%，50.1%，52.5%和52.1%，在粗粒徑（1.00 mm）竹炭處理下，酸溶態(tài)銅和鋅向可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化。李明遙等［35］在污染土壤中施入玉米Zea mays秸稈炭后發(fā)現(xiàn)，土壤交換態(tài)鎘的含量降低，碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)含量增加。

土壤中重金屬的各形態(tài)狀況與生物質(zhì)炭改變土壤有機(jī)質(zhì)、pH值有著密切的關(guān)系。崔立強(qiáng)等［32］、毛懿德等［33］、劉晶晶等［34］研究表明：根據(jù)歐盟參比司（European Community Bureau of Reference）土壤重金屬形態(tài)連續(xù)提取法（簡(jiǎn)稱BCR法）分級(jí)得出的鉛有效態(tài)與pH值、有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤pH值與土壤可交換態(tài)鎘含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤重金屬遷移性的影響

生物質(zhì)炭可以作為土壤改良劑使用，以增加土壤保肥能力、改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，也可作為重金屬鈍化劑，提高土壤對(duì)重金屬的吸附固定能力，降低重金屬的遷移性，減少二次污染，增加作物產(chǎn)量。諸多研究證明，生物質(zhì)炭對(duì)土壤中鎘、砷、鉻、銅、鉛［36-38］等有良好的吸附效果，對(duì)土壤中的汞也有一定的吸附作用［39］。由于生物質(zhì)炭呈堿性且含有豐富水溶性有機(jī)碳和有效磷，在酸性土壤中施加生物質(zhì)炭可有效降低土壤中重金屬的有效性［40］。GAPORALE等［41］通過(guò)等溫線研究證明，同種處理吸附重金屬的能力有差異。在單因素系統(tǒng)中，生物質(zhì)炭對(duì)重金屬的吸附強(qiáng)弱表現(xiàn)為鉛＞鉻＞銅，在雙因素系統(tǒng)中鉛對(duì)鉻、銅表現(xiàn)出抑制作用，與單因素系統(tǒng)相比生物質(zhì)炭對(duì)鉻和銅的吸附量降低了36.2%和73.5%。

研究表明：生物質(zhì)炭的吸附性能遠(yuǎn)大于其在土壤環(huán)境中的解析能力［42-43］，因此，生物質(zhì)炭可以作為土壤污染修復(fù)劑使用。REES等［44］通過(guò)根箱實(shí)驗(yàn)研究了黑麥草Lolium perenne與天藍(lán)遏藍(lán)菜Noccaea caerulescens對(duì)施入生物質(zhì)炭的土壤中鎘、鉛、鋅的吸附能力。結(jié)果表明：生物質(zhì)炭降低了這些重金屬的毒性，同時(shí)由于生物質(zhì)炭提供了一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如鉀、鈣、鈉、鎂等）從而促進(jìn)了鋅/鎘超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜的根系生長(zhǎng)，降低了非富集植物黑麥草根系重金屬的含量。CHEN等［45］通過(guò)田間試驗(yàn)種植四季水稻，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)第一季水稻鎘的含量沒(méi)有顯著影響，但后三季水稻中的鎘含量與空白相比分別減少了61%，86%和57%，土壤中有效鋅的含量也有所降低。原因可能是生物質(zhì)炭施用提高了土壤的pH值，增加了土壤有機(jī)碳（soil organic carbon,SOC）的含量，從而降低了鎘的植物有效性［45］。

綜上所述，生物質(zhì)炭對(duì)重金屬污染土壤有著良好的修復(fù)效果。在大量盆栽實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，近幾年生物質(zhì)炭作為一種修復(fù)劑也投入到了重金屬污染農(nóng)田中的應(yīng)用。崔立強(qiáng)等［32］大田試驗(yàn)研究證明：生物質(zhì)炭的施用可有效降低鉛元素的生物可利用性和生態(tài)毒性。李海麗［46］大田試驗(yàn)研究證明：施加生物質(zhì)炭后可有效降低鎘的植物毒性。與對(duì)照組比較，該處理中稻米中鉛、鋅和鎘含量下降分別了2.0%，19.4%和43.1%。然而由于生物質(zhì)炭原料及制備條件各異，生物質(zhì)炭對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效果有所不同。因此，探究生物質(zhì)炭對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)機(jī)制至關(guān)重要。

3 生物質(zhì)炭去除土壤重金屬離子的機(jī)制分析

研究生物質(zhì)炭去除重金屬的機(jī)制，對(duì)合理使用生物質(zhì)炭，改善土壤環(huán)境，提高生物質(zhì)炭的生態(tài)效益具有指導(dǎo)意義。由于生物質(zhì)炭生產(chǎn)原料來(lái)源廣泛，制備條件多樣，而土壤重金屬污染類(lèi)型及程度不一等因素，使生物質(zhì)炭對(duì)重金屬的固定和鈍化機(jī)制也不盡相同［47］。根據(jù)目前已有的研究成果，生物質(zhì)炭對(duì)重金屬的修復(fù)主要包括物理吸附、離子吸附、離子交換、沉淀絡(luò)合、交互作用等多種作用機(jī)制［48-49］。

3.1 物理吸附

物理吸附也稱范德華吸附，是吸附質(zhì)分子與吸附劑表面原子或分子間以物理力進(jìn)行的吸附作用，這種物理力是范德華力，但這種作用力比較弱，一般是可逆的［49］。梁媛等［50］用含磷材料、牛糞生物炭和水稻秸稈生物炭修復(fù)鉛、鋅、鎘復(fù)合污染土壤。結(jié)果表明：牛糞生物質(zhì)炭固定鉛離子（Pb2+）的作用機(jī)理包括吸附、沉淀、離子交換等，水稻生物質(zhì)炭固定Pb2+的機(jī)制主要為吸附、離子交換，而鎘離子（Cd2+）主要通過(guò)離子交換作用固定在土壤中。CAO等［51］研究奶牛糞生物炭去除Pb2+時(shí)，也發(fā)現(xiàn)表面吸附對(duì)生物炭吸附重金屬離子有一定的作用。

3.2 離子交換

離子交換即為金屬陽(yáng)離子與炭表面的電離質(zhì)子的離子交換作用。生物質(zhì)炭表面含有較高的陽(yáng)離子交換量，當(dāng)生物質(zhì)炭施入土壤后會(huì)提高土壤對(duì)金屬陽(yáng)離子的交換作用。EL-SHAFEY等［52］用纖維束生物炭吸附鎘離子（Cd2+）等重金屬離子，研究發(fā)現(xiàn)該種生物炭對(duì)重金屬離子的吸附機(jī)制主要是在生物炭表面發(fā)生離子交換作用，隨著金屬離子被吸附的過(guò)程水中質(zhì)子數(shù)有所增加。李力等［53］用玉米秸稈炭對(duì)Cd2+的吸附實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對(duì)鎘的吸附機(jī)制主要以離子交換為主。

3.3 絡(luò)合與沉淀

生物質(zhì)炭表面的某些官能團(tuán)（如—COOH，—COH，—OH）可與土壤中重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成穩(wěn)定的絡(luò)合物［54］。另外，生物質(zhì)炭可提高土壤pH值，氫氧根離子（OH-）可與重金屬離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物，降低重金屬的遷移性［55］。此外，某些生物質(zhì)炭（如污泥基生物炭）還含有磷酸鹽和碳酸鹽，磷酸根與碳酸根可與重金屬離子發(fā)生沉淀反應(yīng)。吳敏等［56］采用Langmuir等溫曲線研究污泥生物質(zhì)炭對(duì)銅離子（Cu2+）和鉛離子（Pb2+）的吸附作用。結(jié)果表明：表面絡(luò)合可能是金屬在生物炭上吸附的主要機(jī)制。DONG等［57］研究了甘蔗Saccharum officenarum渣生物質(zhì)炭吸附重鉻酸根離子（Cr2O42-）機(jī)制，揭示了在酸性條件下生物炭對(duì)鉻的吸附主要是通過(guò)靜電引力的作用。

3.4 位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)

生物質(zhì)炭含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)重金屬有很好的吸附作用。由于污染土壤大多是混合污染型，因此，重金屬吸附在生物質(zhì)炭表面有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。GAPORALE等［41］研究證明：在單因素系統(tǒng)中，生物質(zhì)炭對(duì)重金屬的吸附強(qiáng)弱表現(xiàn)為鉛＞鉻＞銅，在雙因素系統(tǒng)中鉛對(duì)鉻、銅均表現(xiàn)出抑制作用。

3.5 交互作用

離子之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系外同時(shí)還存在交互作用。趙保衛(wèi)等［58］以胡麻Sesamum indicum和油菜Brassica campestris的秸稈為生物質(zhì)炭原料研究生物質(zhì)炭對(duì)重金屬鉻（Ⅵ）和銅（Ⅱ）的吸附作用。研究表明：生物質(zhì)炭對(duì)鉻（Ⅵ）的吸附量比單一體系銅（Ⅱ）的略高但不顯著，而鉻（Ⅵ）的吸附量較單一銅（Ⅱ）體系明顯增大。原因是鉻（Ⅵ）大多以HCrO4-形式存在并被吸附到生物炭表面［59］，而HCrO4-具有較大的離子空間體積，隨著時(shí)間的推移被吸附的HCrO4-越來(lái)越多，構(gòu)成的離子框架空間逐漸增大，負(fù)電性的框架結(jié)構(gòu)與溶液中游離態(tài)的銅（Ⅱ）相互吸引，進(jìn)而達(dá)到對(duì)銅（Ⅱ）較好的吸附效果［60］。表明2種金屬在2種生物炭上的吸附存在交互作用，為協(xié)同吸附作用。

4 生物質(zhì)炭應(yīng)用中存在的問(wèn)題及對(duì)未來(lái)的研究展望

生物質(zhì)炭以農(nóng)林廢棄物和污泥為原料，不僅解決了廢棄物安全處置問(wèn)題，減少它們對(duì)環(huán)境造成的影響，同時(shí)生物質(zhì)炭制備過(guò)程中產(chǎn)生的生物油和氣可進(jìn)一步進(jìn)行資源化和能源化利用。生物質(zhì)炭能改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、保持土壤養(yǎng)分、滋養(yǎng)土壤微生物、固定土壤污染物，有望在土壤改良中發(fā)揮重要作用。然而，利用生物質(zhì)炭修復(fù)土壤這項(xiàng)新技術(shù)還存在一些不完善的地方，尤其是生物質(zhì)炭的使用帶來(lái)的負(fù)面影響更不容忽視。在未來(lái)的研究中，如何合理使用生物質(zhì)炭，減輕它們對(duì)土壤環(huán)境造成的負(fù)面影響將成為熱點(diǎn)問(wèn)題。

由于生物質(zhì)炭的原料多種多樣，制備溫度也各異，使其理化性質(zhì)有較大差異，又由于土壤污染類(lèi)型及污染程度各異，使它們對(duì)土壤的改良效果也存在著較大的差異，因此，很難對(duì)其結(jié)果進(jìn)行有效的整合。今后的研究應(yīng)當(dāng)在充分了解土壤的污染類(lèi)型及程度，污染土壤修復(fù)后的用途，篩選合適的生物質(zhì)炭材料，制定合理的生物質(zhì)炭施用量，以期達(dá)到最佳修復(fù)效果及最高經(jīng)濟(jì)效益。此外，也應(yīng)開(kāi)展生物質(zhì)炭標(biāo)準(zhǔn)的制定研究。

在現(xiàn)有的研究中，生物質(zhì)炭對(duì)污染土壤的研究主要集中在對(duì)某一污染物的修復(fù)效果上?，F(xiàn)實(shí)中土壤污染大多屬?gòu)?fù)合型污染，因此，日后應(yīng)當(dāng)研究生物質(zhì)炭對(duì)復(fù)合污染土壤的修復(fù)效果，及其修復(fù)機(jī)制以及影響修復(fù)效果的環(huán)境因素等。

目前，中國(guó)生物質(zhì)炭的應(yīng)用研究主要集中在中東部地區(qū)，國(guó)際上對(duì)生物質(zhì)炭的利用研究也主要集中在熱帶及亞熱帶地區(qū)［61］。因此，未來(lái)的研究應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大區(qū)域范圍，以全面了解生物質(zhì)炭對(duì)不同土壤類(lèi)型、不同氣候區(qū)域的修復(fù)效率。

生物質(zhì)炭具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)且具有很強(qiáng)的吸附性能。這使生物質(zhì)炭穩(wěn)定性強(qiáng)，且能降低土壤中污染物的移動(dòng)性。然而芳香環(huán)化合物，如多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）是一類(lèi)致癌物，對(duì)生物體具有一定的毒害作用。此外，由于生物質(zhì)炭原材料（如污泥）含有有毒有害物質(zhì)（重金屬和有機(jī)物等），過(guò)量使用可能會(huì)影響土壤性質(zhì)，降低作物品質(zhì)。因此，對(duì)生物質(zhì)炭原材料進(jìn)行安全化處理至關(guān)重要。盡管生物質(zhì)炭的自然衰減過(guò)程可達(dá)到一個(gè)世紀(jì)之久，但最終將會(huì)被降解，且生物質(zhì)炭對(duì)污染物的吸附有一個(gè)飽和點(diǎn)，所以生物質(zhì)炭的使用對(duì)土壤長(zhǎng)期安全依然存在風(fēng)險(xiǎn)。故今后應(yīng)在原位條件下對(duì)生物質(zhì)炭進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)追蹤研究。

目前，多數(shù)生物質(zhì)炭研究主要集中在室內(nèi)、大棚或小面積的田間試驗(yàn)。因此，今后的研究應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大田間使用范圍，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚣疤镩g作物生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)，擬定最佳修復(fù)方案，并建立示范基地，加以推廣。

生物質(zhì)炭含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)及植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。生物質(zhì)炭的使用可能會(huì)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能及土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，從而影響作物生長(zhǎng)及質(zhì)量安全，最終通過(guò)食物鏈影響人體健康。因此，開(kāi)展生物質(zhì)炭—土壤結(jié)構(gòu)—微生物—作物系統(tǒng)—人體健康連續(xù)體的研究有極其重要的意義。

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Mechanism and effects of biochar application on morphology and migration of heavy metals in contaminated soil

ZHANG Jianyun1,2,GAO Caihui2,ZHU Hui2,ZHONG Shuigen2,YANG Wenyan2,ZHENG Junlong2, WU Shengchun1,2,SHAN Shengdao3,WANG Zhirong4,ZHANG Jin1,2,CAO Zhihong5,Peter CHRISTIE2（1.Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.School of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;3.Institute of Ecology and Environment,Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023,Zhejiang,China;4.Office of Zhejiang Provincial Agriculture Ecology and Energy,Hangzhou 310012,Zhejiang,China;5.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,Jiangsu,China）

The applications of biochar,a pyrolytic product of biomass under the oxygen-free conditions,in improving soil fertility and other physicochemical properties as well as remediating heavy metal contaminated soil have become one of hotspots in the frontiers of environmental research.This paper reviewed the up-to-date progresses of the research concerning biochar,in an attempt to illustrate the mechanisms related to the interactions between heavy metals and biochar,including physical adsorption,ionic adsorption and exchange,precipitation and complexation,by which the bioavailability,mobility,and biotoxicity of heavy metals in soil could be effectively reduced.However,there still exist some problems,especially regarding how to enhance the long-term stability of biochar in immobilizing the metal ions.Meanwhile,the consortium study concerning the biocharsoil-crops-human health is urgently needed in the near future.［Ch,61 ref.］

S158；X53

A

2095-0756（2017）03-0543-09

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2017，34（3）：543-551

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.03.021

2016-06-13;

2016-11-04

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2013TD12/12）；浙江省科學(xué)技術(shù)公益項(xiàng)目（2015C33050）；浙江省“三農(nóng)六方”科技協(xié)作項(xiàng)目（CTZB-F150922AWZ-SNY1）；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目（2015R412005）

張建云，從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究。E-mail：397017925@qq.com。通信作者：張進(jìn)，副教授，博士，從事生物質(zhì)廢棄物資源化及其環(huán)境行為和環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail：jzhang@zafu.edu.cn