淺談生物炭修復(fù)重金屬污染土壤的機(jī)理與注意事項(xiàng)

熊竹楠

摘 要：在我國(guó)工業(yè)化高速發(fā)展進(jìn)程下，土壤重金屬污染已成為當(dāng)前不容小覷的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。由于生物炭具有較高的孔隙率、較大的比表面積、較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力和高度的芳香性等性質(zhì)，在重金屬污染土壤修復(fù)方面有巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力，近年來(lái)成為土壤污染治理和修復(fù)方面的研究熱點(diǎn)。但同時(shí)，生物炭的施用也存在著一些潛在風(fēng)險(xiǎn)和不足，人們對(duì)此還缺乏全面系統(tǒng)的了解，相關(guān)研究還應(yīng)加強(qiáng)并繼續(xù)深入。

關(guān)鍵詞：生物炭;土壤污染;重金屬;土壤修復(fù);風(fēng)險(xiǎn)

文章編號(hào)：1004-7026（2020）10-0074-02 ? ? ? ? 中國(guó)圖書(shū)分類號(hào)：X53? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)，隨著工、礦業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)日益加劇，重金屬與農(nóng)藥殘留形成的有機(jī)污染物積累于土壤中，引發(fā)了許多土壤環(huán)境污染問(wèn)題。我國(guó)最新發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂。在本次調(diào)查的面積約630萬(wàn)km2的土壤中，總污染點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)16.1%且以無(wú)機(jī)污染物為主，鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無(wú)機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率均較高[1]。由此可見(jiàn)，土壤重金屬污染正嚴(yán)重威脅著我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與糧食安全，污染土壤修復(fù)工作迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家和學(xué)者實(shí)踐和研究表明，生物炭能在一定程度上緩解土壤重金屬污染。生物炭是一種將動(dòng)、植物有機(jī)殘?bào)w在低氧或缺氧條件下，高溫干餾而熱解炭化形成的一種高度芳香化的難熔性固態(tài)土壤改良劑和污染場(chǎng)地修復(fù)材料。向土壤中施加生物炭，不僅能有效吸附污染土壤中的重金屬和有機(jī)污染物，還能增加土壤肥力以及保水性能，提高土壤的養(yǎng)分有效性和保肥能力等，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量?？傊?，生物炭對(duì)于重金屬污染的修復(fù)主要通過(guò)直接緩解植物重金屬脅迫，以及改善植物生長(zhǎng)的土壤條件的間接方式來(lái)發(fā)揮作用[2]。

1 ?生物炭的基本性質(zhì)

生物炭的主要成分為芳香類和烷基類物質(zhì)，以及多種礦物質(zhì)和無(wú)機(jī)碳酸鹽，其中除80%的碳元素外，還包括氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂等。生物炭有巨大的比表面積，且有許多大大小小的孔洞分布于表面，這些孔洞有利于吸附土壤中的重金屬和微生物。此外，生物炭表面還具有大量表面負(fù)電荷和很高的電荷密度，這也決定了生物炭對(duì)于養(yǎng)分、重金屬和有機(jī)污染物良好的吸附特性。隨著制備原料、熱解溫度和生產(chǎn)工藝的變化，生物炭的上述特性具有良好的多樣性，從而表現(xiàn)出不同的環(huán)境效應(yīng)。在土壤中施加生物炭，可以提高土壤pH值，改善土壤性能，提高土壤肥力，同時(shí)減輕土壤中的重金屬污染。生物炭可以通過(guò)吸附、沉淀、離子交換、絡(luò)合等反應(yīng)，將污染物轉(zhuǎn)化為可遷移性和生物可利用性較低的穩(wěn)定形態(tài)，成為修復(fù)污染土壤的化學(xué)鈍化劑，完成污染土壤的原位修復(fù)。

2 ?生物炭修復(fù)重金屬污染土壤的機(jī)理

2.1 ?直接吸附鎖定土壤中的重金屬

生物炭表面的高密度負(fù)電荷可以與土壤中重金屬離子發(fā)生靜電作用，從而限制重金屬在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化。另外，存在于生物炭表面的一些官能團(tuán)可作為配體與重金屬離子發(fā)生特異性的絡(luò)合反應(yīng)，形成特定的金屬配合物，降低重金屬遷移率，這對(duì)固定土壤中重金屬離子具有重要意義。

2.2 ?改善土壤條件，降低重金屬生物有效性

土壤中重金屬的生物有效性在很大程度上決定了重金屬對(duì)于植物的毒性，而生物炭可以通過(guò)改變土壤的一些物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，如提高土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量等，降低其生物有效性及毒性，改善植物的生長(zhǎng)環(huán)境，緩解重金屬對(duì)植物的毒害作用。

生物炭吸附固定重金屬的重要途徑之一是提高土壤的陽(yáng)離子交換能力，而生物炭表面本身即具有巨大的陽(yáng)離子交換量，這使其具備了強(qiáng)烈吸附土壤中重金屬的能力，降低土壤中重金屬含量。此外，生物炭自身的多孔性、較小的容重以及極大的比表面積有助于其吸持自身重量1.5～2.5倍的水分，提高土壤保水抗旱的能力，并在與土壤混合后增加土壤孔隙度，改良土壤質(zhì)地，還可促進(jìn)土壤形成水、肥、氣、熱條件較為協(xié)調(diào)的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。由于生物炭的主要組成元素為碳元素，施入后直接增加了土壤的含碳量，間接增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量。生物質(zhì)材料炭化時(shí)溫度不同會(huì)導(dǎo)致生物炭pH值的差異，但大多數(shù)生物炭的pH值均在8.0～11.0，大量施入時(shí)可將土壤的pH值提高0.2～0.8個(gè)單位，但堿性土壤作用未知。

作為生態(tài)系統(tǒng)的重要成員，土壤微生物的健康以及多樣性，影響著土壤中以微生物為主的生物化學(xué)過(guò)程。而重金屬毒害作用通常會(huì)對(duì)土壤微生物的豐富度、生物量、代謝和生化活性產(chǎn)生消極作用，進(jìn)而對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、保水性和養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生不利影響。但大多數(shù)研究顯示，作為一種新型土壤改良劑，向重金屬污染的土壤中施用生物炭，可以提高微生物豐度及活性，改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，從而緩解重金屬帶來(lái)的毒害，促進(jìn)有益微生物生長(zhǎng)。除此之外，生物炭表面的孔洞結(jié)構(gòu)可作為微生物優(yōu)良的棲息環(huán)境。微生物可以利用生物炭表面所固定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為自身生長(zhǎng)發(fā)育的能量。

3 ?施用生物炭的潛在風(fēng)險(xiǎn)與注意事項(xiàng)

3.1 ?生物炭制備的潛在風(fēng)險(xiǎn)

作為生物炭的原料，生物質(zhì)來(lái)源廣泛、種類繁多，其中本就可能含有多種重金屬和有機(jī)污染物，因而在制備成土壤修復(fù)材料投入使用后可能會(huì)給土壤帶來(lái)二次污染。在制備過(guò)程中，隨著原料總量減少，一些有毒物質(zhì)，如多環(huán)芳烴、二噁英濃度可能會(huì)增加。此外，原料中的重金屬及有機(jī)污染物也可能會(huì)在熱解制備過(guò)程進(jìn)入煙氣中，因此對(duì)制備過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行適當(dāng)處置和凈化是一項(xiàng)必要的工作。

3.2 ?生物炭施用的注意事項(xiàng)

生物炭在加工制備過(guò)程中，其氮、硫分會(huì)嚴(yán)重?fù)p失，加之強(qiáng)烈的吸附性，長(zhǎng)期大量單一施用會(huì)導(dǎo)致土壤有效養(yǎng)分含量降低，對(duì)作物生長(zhǎng)造成不利影響，因此在施用時(shí)需注意配施氮肥、補(bǔ)充硫肥?；谏锾勘缺砻娣e大和孔隙度高的特點(diǎn)，許多污染物、細(xì)菌和病毒容易附著在生物炭上。隨著空氣流動(dòng)，細(xì)小的生物炭顆粒容易進(jìn)入人體的呼吸道和皮膚，對(duì)呼吸系統(tǒng)和心血管健康造成一定威脅，故施用時(shí)需注意防護(hù)。除此之外，由于生物炭本身呈弱堿性，故在施用于堿性土壤時(shí)要注意種類及用量。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用生物炭修復(fù)重金屬污染土壤是當(dāng)前土壤污染修復(fù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。施用生物炭在具有諸多積極作用的同時(shí)，也不可避免地存在一些潛在風(fēng)險(xiǎn)和不足之處，但當(dāng)前大多數(shù)研究對(duì)其消極影響和風(fēng)險(xiǎn)方面鮮有涉及。而且，目前開(kāi)展的很多試驗(yàn)是室內(nèi)及短期試驗(yàn)，缺乏一定的說(shuō)服力。因此，為了保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全，應(yīng)用生物炭技術(shù)需注意揚(yáng)長(zhǎng)避短。相關(guān)科研人員有必要進(jìn)一步開(kāi)展長(zhǎng)期、系統(tǒng)性、規(guī)模性的試驗(yàn)，并對(duì)其負(fù)面影響和不確定性開(kāi)展更為深入的研究，以期對(duì)生物炭的施用效果進(jìn)行更加全面的評(píng)價(jià)、操作和管理，充分發(fā)揮生物炭的應(yīng)用潛能。

參考文獻(xiàn)：

[1]環(huán)境保護(hù)部，國(guó)土資源部.全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)[EB/OL].[2014-04-17].http：//www.gov.cn/foot/2014-04/17/? ?content_2661768.htm.

[2]楊文浩，李佩，周碧青，等.生物炭緩解污染土壤中植物的重金屬脅迫研究進(jìn)展[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（6）：695-705.