生物炭在土壤環(huán)境中的應(yīng)用研究及展望

李慶維，趙霞，魏晉飛，張瑞

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

人類發(fā)展過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞導(dǎo)致土壤質(zhì)量日益惡化，使得農(nóng)業(yè)的發(fā)展受到了極大的影響。生物炭是一種多功能的吸附材料，來(lái)源于亞馬遜河存在的一種黑色的肥沃土壤，研究人員在這種土壤中種植的農(nóng)作物產(chǎn)量要比普通土壤高，從而引起了人們的廣泛興趣，經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，在2007年澳大利亞國(guó)際生物炭會(huì)議上取得統(tǒng)一命名[1-4]。生物炭被定義為在微氧或無(wú)氧條件下經(jīng)過(guò)低溫?zé)岱纸獾玫降母惶脊腆w，其自身的多孔結(jié)構(gòu)有利于土壤中各種離子的平衡與調(diào)控，對(duì)農(nóng)作物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所表現(xiàn)出的強(qiáng)吸附性可以有效改善土壤質(zhì)量。

1 生物炭的基本特征

生物炭主要由C、H、O、N等元素組成，且含有豐富的礦質(zhì)元素，施加到土壤中可以提供給土壤必需的營(yíng)養(yǎng)并提高土壤肥力[5-7]。與傳統(tǒng)的活性炭等炭材料相比，生物炭的組分中含有大量的芳香族基團(tuán)，特別是溶解的芳香族基團(tuán)結(jié)構(gòu)比例較大，從而呈現(xiàn)高度的穩(wěn)定性[8]。又因生物炭具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)以及較大的比表面積和良好的通氣性、透水性，所以可以作為土壤微生物生長(zhǎng)的媒介、改變土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)以及大幅度提高土壤整體的養(yǎng)分含量和含水率[5，9-10]。

生物炭是一種呈堿性的含碳有機(jī)體，其特征受制備原材料以及制備條件的影響。如生物炭的粒徑分布與原材料本身關(guān)系比較密切；生物炭的密度會(huì)隨著熱解溫度和加熱滯留時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；表面的一些化學(xué)性質(zhì)如親水性、疏水性和酸堿性等都會(huì)受到熱解條件和原料的影響[1]。一些生物炭具有顯著的陰離子交換容量[11-12]，從而對(duì)農(nóng)作物吸取營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)起到調(diào)節(jié)作用，提高土壤pH并改善土壤質(zhì)地，為有益微生物的生存提供良好的發(fā)育環(huán)境。

2 生物炭在土壤中的應(yīng)用

2.1 生物炭對(duì)土壤不同污染物的吸附

土壤中的污染物種類繁多，大致可分為以下幾類：①物理污染物。主要包括工廠、礦山等產(chǎn)生的固體廢棄物如工業(yè)垃圾等。②化學(xué)污染物。包括無(wú)機(jī)污染物和有機(jī)污染物，無(wú)機(jī)污染物包括如汞、鎘、鎳、鈷等重金屬，過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素以及氧化物和硫化物等;有機(jī)污染物包括各種化學(xué)農(nóng)藥、石油及其裂解產(chǎn)物，以及其他各類有機(jī)合成產(chǎn)物等。③生物污染物。通常指攜帶各種病菌的城市垃圾以及由衛(wèi)生設(shè)施排出的廢水、廢物等。④放射性污染物。主要存在于核原料開(kāi)采地區(qū)和大氣層核爆炸地區(qū)，以鍶和銫等在土壤中生存期長(zhǎng)的放射性元素為主。實(shí)際上，土壤污染多為復(fù)合型污染，即多種污染情況同時(shí)存在。本文主要介紹生物炭對(duì)重金屬、農(nóng)藥等土壤污染物的吸附。

2.1.1 生物炭對(duì)重金屬的吸附 土壤中的重金屬污染物主要有銅、鉛、鋅、錫、鎳、鈷、銻、汞、鎘和鉍等，主要來(lái)源于污水灌溉、礦山金屬開(kāi)采、汽車尾氣排放以及工業(yè)生產(chǎn)等[13-14]。重金屬不僅會(huì)污染土壤，也會(huì)危害動(dòng)植物、土壤微生物甚至人類的健康。重金屬通過(guò)不同途徑進(jìn)入土壤后，不易被土壤中的微生物分解，因此在土壤中不斷累積，并通過(guò)吸收和富集等作用進(jìn)入到植物以及其他生物，隨著生物鏈作用在動(dòng)物以及人類體內(nèi)蓄積，危害到動(dòng)植物和人類的健康[13]。

生物炭因其具有較大的比表面積，較高的pH以及陽(yáng)離子交換量，并在其表面含有較豐富的含氧官能團(tuán)，不僅可以增加土壤對(duì)重金屬的靜電，增加土壤pH值，也可以與重金屬形成表面絡(luò)合物從而吸附土壤中的重金屬，有助于穩(wěn)定重金屬，降低土壤中的重金屬含量，減少重金屬危害[15-16]。用不同原料或在不同條件下制備的生物炭在吸附重金屬時(shí)存在差異。Agrafioti等[17]從稻殼、城市固體廢物和污水污泥的有機(jī)組分，以及砂壤土中提取的生物炭，用來(lái)吸附As(Ⅴ)、Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，實(shí)驗(yàn)表明從污泥中提取的生物炭可以有效地去除89%的Cr(Ⅵ)和53%的As(Ⅴ)。Pan等[18]分別用花生、大豆、油菜籽和稻谷秸稈生成的生物炭從酸性水溶液中吸附Cr(Ⅲ)，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)以及對(duì)比，得出四種不同生物炭對(duì)Cr(Ⅲ)的吸附能力先后順序?yàn)椋夯ㄉ斩捝锾?大豆秸稈生物炭>油菜秸稈生物炭>稻谷秸稈生物炭。丁文川等[19]分別在300，500，700 ℃熱解溫度下制備生物炭，以研究對(duì)土壤中Pb 和 Cd的形態(tài)變化的影響，實(shí)驗(yàn)最終表明不同熱解溫度生物炭對(duì)Pb污染土壤的改良順序?yàn)椋?00 ℃>500 ℃>300 ℃。由此可知，不同原材料和不同熱解溫度制得的生物炭對(duì)重金屬的吸附效果不同。當(dāng)然，還有其他因素影響生物炭對(duì)重金屬的吸附，例如環(huán)境中的pH，在吸附過(guò)程中投加的生物炭的量，以及環(huán)境中腐殖酸的影響等因素。丁文川等[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析等得出結(jié)論，加入腐殖酸能夠顯著促進(jìn)生物炭對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附。

2.1.2 生物炭對(duì)農(nóng)藥的吸附 隨著世界人口的不斷增加，人類對(duì)糧食的需求量也大大提高，然而農(nóng)業(yè)總是受到害蟲(chóng)的不利影響，導(dǎo)致每年有高達(dá)45%的農(nóng)作物被損害，因此在農(nóng)業(yè)上使用農(nóng)藥是改善農(nóng)作物質(zhì)量常用到的方法，另外人們?yōu)榱颂岣咿r(nóng)作物產(chǎn)量大量施用化肥。但是由于缺乏完善的管理機(jī)制，以及人們環(huán)保意識(shí)普遍偏低，過(guò)量的使用農(nóng)藥以及化肥造成有超過(guò)99%的殘余滯留在土壤中，被長(zhǎng)期污染的土壤會(huì)出現(xiàn)明顯的酸化現(xiàn)象，土壤養(yǎng)分(氮、磷、鉀等)隨污染程度加重而減少，并且造成土壤空隙度變小，從而造成土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)。農(nóng)藥的過(guò)度使用也會(huì)造成對(duì)土壤生物的危害[21]。

生物炭之所以能夠吸附土壤中的農(nóng)藥取決于它自身獨(dú)特的理化性質(zhì)。生物炭的表面能較高而且比表面積較大，包含了酚羥基和羧基等含氧官能團(tuán)，并且有高度的芳香化結(jié)構(gòu)，這些性質(zhì)使得它擁有良好的吸附特性[15，21]。生物炭對(duì)農(nóng)藥的吸附過(guò)程包括三個(gè)方面，表面吸附、分配作用以及孔隙截留[22]。生物炭對(duì)農(nóng)藥的吸附受很多方面的影響，比如生物炭的種類、農(nóng)藥的種類、熱解溫度、施加的生物炭的量等。Gregory等[23]在受控制的溫室條件下，利用柳樹(shù)生物炭作為土壤改良劑導(dǎo)致土壤微生物活性增加，最終使DDT(及其產(chǎn)物)減少了25%，林丹減少了75% 。張耀等[24]分別在烏柵土、黑土、紅壤以及潮土中分析了2，4，6-TCP的淋溶遷移性，并分別使用果殼、稻稈以及椰殼為原材料制成的生物炭吸附四種土壤中的2，4，6-TCP，結(jié)果表明椰果生物炭對(duì)2，4，6-TCP的吸附效果最佳。生物炭不僅對(duì)農(nóng)藥有很好的吸附效果，對(duì)土壤吸附有機(jī)物也可以起到促進(jìn)作用。饒瀟瀟等[25]利用花生殼生物炭對(duì)土壤吸附鄰苯二甲酸二甲酯進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)中分別在 450 ℃ 和700 ℃兩個(gè)溫度下分別熱解2 h和4 h制備四種不同的生物炭，并將制備的生物炭進(jìn)行標(biāo)記PSBX-Y，X表示碳化溫度，Y表示碳化時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明四種生物炭對(duì)土壤吸附鄰苯二甲酸二甲酯的增強(qiáng)作用不同，優(yōu)良順序?yàn)镻SB700-4>PSB700-2>PSB450-4>PSB450-2，因此，提高碳化溫度和碳化時(shí)間更有助于土壤對(duì)有機(jī)物的吸收。

2.2 生物炭的其他應(yīng)用

生物炭因其具有巨大的比表面積和豐富的官能團(tuán)，以及其富碳的性質(zhì)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)起到至關(guān)重要的作用，主要可以作為土壤改良劑，也可以固碳減排。

2.2.1 土壤改良劑 生物炭的施加會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)。生物炭施加到土壤后，可以降低土壤的容重、增加土壤的孔隙度、有效的保持土壤水分，并且可以提高土壤陽(yáng)離子交換量、土壤的pH，增加土壤有機(jī)碳的含量等[26]。Pandit等[27]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的施加可以顯著提高土壤的水分含量、pH、土壤養(yǎng)分供應(yīng)率以及土壤陽(yáng)離子交換率。房彬等[28]通過(guò)對(duì)土壤分別施加20，50，100 t/hm2的生物炭，和空白組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤容重分別降低了3.5%，14.6%和32.5%，土壤年均pH分別增加了0.10，0.19和0.20個(gè)單位，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高44.9%，137.7%和297.2%，并且油菜籽產(chǎn)量分別提高了15.7%，33.6%和35.4%，玉米產(chǎn)量分別增加了7.6%，11.1%和20.3%，說(shuō)明生物炭不但可以改變土壤的理化性質(zhì)，還可以促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)。另外，生物炭的施加還可以減少土壤養(yǎng)分的淋失，提高土壤養(yǎng)分的利用率。

2.2.2 固碳減排 生物炭本身具有高度的穩(wěn)定性并且含有豐富的碳含量，因此在其生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中可以避免生物質(zhì)中的碳素因微生物分解等途徑而進(jìn)入大氣，從而可以起到固碳減排、減少溫室氣體排放等作用。

植物進(jìn)行光合作用所固定的有機(jī)碳可以被生物炭轉(zhuǎn)化為惰性碳，因此可以不被土壤微生物迅速礦化，從而可以實(shí)現(xiàn)固碳減排。生物炭也可以減少農(nóng)用土壤中溫室氣體的排放。Bamminger等[29]通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算生物炭在土壤中吸收的二氧化碳當(dāng)量的數(shù)量可能抵消了20多年來(lái)氣候變暖導(dǎo)致的土壤溫室氣體排放量的增加，這凸顯了生物炭作為一種工具來(lái)抵消土壤溫室氣體排放的價(jià)值。Case等[30]研究結(jié)果表明，在接近飽和的受精土壤中，生物炭抑制累積土壤N2O產(chǎn)量達(dá)91%，不過(guò)，目前還不清楚生物炭如何以及在何種環(huán)境條件下持續(xù)抑制土壤N2O排放。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

生物炭在土壤及農(nóng)業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用研究存在非常好的發(fā)展?jié)摿?，在土壤中的貢獻(xiàn)不僅能夠有效改善環(huán)境，還可以開(kāi)拓多元化的資源利用模式，對(duì)土壤治理、維持生態(tài)平衡以及農(nóng)業(yè)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境污染程度較大，使得可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略面臨巨大挑戰(zhàn)，因此生物炭為土壤治理提供了一個(gè)全新有效的解決思路。但是，目前生物炭的制備材料種類繁多，不同的生物炭理化性質(zhì)大不相同，因此可通過(guò)不同原料和控制條件對(duì)生物炭性能進(jìn)一步優(yōu)化，使其能對(duì)不同污染類型的土壤進(jìn)行有效改良。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生物炭的研究已不僅限于其本身，已有部分學(xué)者將生物炭與其他材料例如納米材料、無(wú)機(jī)材料和磁性材料結(jié)合制備新的復(fù)合材料，其在結(jié)構(gòu)和性能上要優(yōu)于原單一材料，對(duì)污染物的去除效果也更加明顯。但一些材料對(duì)于土壤中微生物具有毒性作用，生物炭復(fù)合材料施加到土壤是否會(huì)導(dǎo)致原有微生物種類和數(shù)量的下降，進(jìn)而影響土壤環(huán)境質(zhì)量。另外生物炭和所用材料對(duì)污染物均具有吸附效果，并且生物炭與所添加的材料之間會(huì)產(chǎn)生作用，對(duì)于生物炭復(fù)合材料對(duì)于污染物的吸附缺少定量化的分析。因此對(duì)生物炭復(fù)合材料仍需要進(jìn)一步的研究，為其更高效的應(yīng)用于土壤提供更科學(xué)的依據(jù)。