生物炭在修復(fù)污染農(nóng)田土壤中的應(yīng)用

范小虎

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075；3.國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 研究現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)農(nóng)田土壤鎘污染研究現(xiàn)狀

土壤形成于成土母質(zhì)，而成土母質(zhì)中的鎘(Cd)含量并不高。自然條件下，土壤中Cd濃度范圍在0.01～2mg·kg-1，而我國(guó)土壤背景值處在中位，約為0.1mg·kg-1[1]。當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)的日益頻繁，電鍍、制革等工業(yè)廢水排放、農(nóng)田污水的漫灌以及冶煉、尾礦等廢棄地的增加等帶來(lái)的土壤重金屬污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。環(huán)保部官方報(bào)道，我國(guó)約有1/5的土地耕地面積受到不同程度污染，其中Cd為主要污染物之一。土壤污染已嚴(yán)重威脅到國(guó)家糧食安全，通過(guò)食物鏈傳遞，污染物進(jìn)入人體，對(duì)國(guó)民健康產(chǎn)生巨大危害[2]。

1.2 Cd污染農(nóng)田土壤的治理技術(shù)研究現(xiàn)狀

重金屬在污染土壤中隱蔽性好，往往不易被人及時(shí)發(fā)現(xiàn)；時(shí)效長(zhǎng)，被植物吸收富集累積到一定程度時(shí)，才會(huì)被人們發(fā)現(xiàn)；并且具有不可逆性，無(wú)法被土壤中的微生物降解，也難從土壤中分離。目前，重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)可以歸納為2種技術(shù)思路。

1.2.1 超累積植物修復(fù)技術(shù)

該技術(shù)是利用植物對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行遷移修復(fù)，選擇一種或多種對(duì)目標(biāo)污染物具有很強(qiáng)的吸收富集能力的功能植物，將其種在被污染土壤中進(jìn)行培養(yǎng)，土壤中的重金屬會(huì)遷移至植物的地上部分，生長(zhǎng)一定時(shí)間后，地上部分進(jìn)行收割處理，可以連續(xù)種植收割多茬，最終達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的。該技術(shù)適用于治理和修復(fù)中低濃度污染土壤，是一種綠色、可持續(xù)的治理技術(shù)[3]。但是一般情況下，超累積植物生長(zhǎng)速度慢，土壤中重金屬的生物可利用態(tài)含量低，修復(fù)周期長(zhǎng)，其成本以及植物收割后的后續(xù)處置風(fēng)險(xiǎn)等還未進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。

1.2.2 重金屬固化/穩(wěn)定化技術(shù)

該技術(shù)是指通過(guò)向重金屬污染土壤中添加修復(fù)材料，使其與土壤重金屬發(fā)生絡(luò)合、沉淀等作用將其固定，使其保持長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)，從而增加重金屬在土壤中穩(wěn)定性[4]。用于土壤重金屬穩(wěn)定化的材料主要有無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料，如粘土礦物、沸石、磷酸鹽、鐵/錳氧化物、碳酸鈣、生物炭、有機(jī)肥、生物質(zhì)的堆肥產(chǎn)物等。對(duì)于重金屬污染的農(nóng)田土壤而言，在不影響正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提下，使用固化-穩(wěn)定化材料結(jié)合農(nóng)藝措施調(diào)控，開(kāi)展土壤治理與修復(fù)，是當(dāng)前符合我國(guó)土壤污染治理要求的技術(shù)思路。

2 生物炭在修復(fù)污染農(nóng)田土壤中的應(yīng)用

2.1 生物炭概述

生物炭是由農(nóng)業(yè)廢棄物在完全或部分缺氧條件下熱解炭化生成的一類(lèi)高度芳香化的難熔性高聚物[5]。生物炭制備的原材料來(lái)源廣泛，植物、動(dòng)物糞便、骨頭和市政固體等材料在緩慢熱解、快速熱解、水熱碳化、熱膨脹和氣化等熱化學(xué)過(guò)程中均能制備為生物炭。熱化學(xué)過(guò)程、操作條件和原料決定了生物炭的產(chǎn)量及其特性。生物炭因其比表面積大、孔結(jié)構(gòu)豐富且含有大量的無(wú)機(jī)灰分和極性官能團(tuán)，對(duì)重金屬表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附能力。

2.2 生物炭鈍化修復(fù)農(nóng)田Cd污染土壤

生物炭表面具有大量的功能基團(tuán)和灰分元素(如K、Ca、Mg等)，因而生物炭可以作為土壤改良劑來(lái)鈍化修復(fù)農(nóng)田Cd污染[6]。將生物炭添加到重金屬污染的農(nóng)田土壤后，可以調(diào)節(jié)和改變土壤中的Cd的物理化學(xué)性質(zhì)，降低其在植物根際環(huán)境中的生物有效性和可遷移性，從而降低植物對(duì)Cd的吸收富集。Xu等[7]通過(guò)在土壤中添加生物炭，發(fā)現(xiàn)所種植的植物中富集Cd的含量分別下降了47.3%、50.9%。Qi等[8]研究了5種不同材料熱解后的生物炭對(duì)土壤中U、Cd固定的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所有生物炭均改善了土壤性質(zhì)和微生物代謝活性，并有效地固定了U和Cd，特別是玉米秸稈生物炭。Wang等[9]以農(nóng)田土壤和蔬菜土壤為研究對(duì)象，制備了復(fù)合改性生物炭來(lái)降低土壤中Cd和Cu的污染。該結(jié)果表明，復(fù)合改性生物炭降低了Cd和Cu在土壤中的遷移率，使其轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的組分。這些研究表明，生物炭添加到農(nóng)田污染土壤中能夠影響土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化，減小重金屬的浸出風(fēng)險(xiǎn)，生物炭的添加量越高，作物富集重金屬的量便會(huì)隨之降低。因此，生物炭的加入能有效增加土壤體系對(duì)重金屬的阻控作用，降低農(nóng)作物對(duì)Cd的吸收富集，對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品安全具有重要意義。

2.3 生物炭固定土壤中Cd機(jī)理

Cd在土壤中的存在形態(tài)，決定其是否會(huì)被植物吸收富集。生物炭對(duì)土壤中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響是生物炭作為一種土壤鈍化劑的前提，深入研究土壤中重金屬與生物炭相互作用的機(jī)理，有助于加強(qiáng)對(duì)生物炭固定土壤中重金屬長(zhǎng)效性的了解。生物炭影響土壤中重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化，主要表現(xiàn)在2方面。

生物炭影響重金屬形態(tài)分布的直接作用。生物炭作為一種固體鈍化劑添加到土壤中，土壤溶液中的重金屬含量經(jīng)過(guò)吸附作用后可顯著降低，從而降低了重金屬水溶態(tài)或弱酸提取態(tài)含量[10]。

生物炭添加到土壤中后，會(huì)導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，土壤顆粒上的重金屬釋放到土壤溶液中而重新分布，這是生物炭作用的間接作用。土壤pH值、Eh值等均會(huì)影響重金屬的形態(tài)分布及轉(zhuǎn)化。無(wú)論是酸性還是堿性土壤，添加生物炭后，土壤的pH均有所提升。同時(shí)，生物炭中的無(wú)機(jī)組分可通過(guò)與Cd產(chǎn)生的沉淀作用及內(nèi)部絡(luò)合作用降低土壤Cd的生物有效性[11]。

2.4 影響生物炭鈍化土壤中Cd的因素

大量研究表明，生物炭對(duì)Cd在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化具有較好的鈍化效果。其鈍化效果受到多種因素的影響。

2.4.1 熱解溫度的影響

熱解溫度是影響生物炭對(duì)Cd鈍化效果的重要因素之一。在一定溫度范圍內(nèi)，熱解溫度越高，生物炭的灰分含量越多，pH值也隨之增加。Xu等[12]將生物炭的熱解溫度從200℃升高至350℃時(shí)，生物炭的pH增加了2.35，對(duì)Cd的吸附量提升了19.5mg·g-1，其中可溶性碳酸鹽貢獻(xiàn)巨大。魯秀國(guó)等[13]通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，將核桃殼生物炭(400～600℃)添加到人工Cd污染土壤中，發(fā)現(xiàn)BC400、BC500、BC600分別使土壤pH升高了1.07、1.31、1.38，證明了核桃殼生物炭能夠?qū)d污染土壤起到鈍化修復(fù)作用。

2.4.2 土壤pH的影響

土壤溶液中的pH值可通過(guò)影響土壤的酸堿性、重金屬的存在形態(tài)而對(duì)生物炭鈍化Cd的效果產(chǎn)生一定的影響。生物炭的原料及生產(chǎn)條件的不同，決定了生物炭的pH值，而文獻(xiàn)中大多數(shù)生物炭呈堿性，添加到土壤中可以提高土壤pH值，從而增加重金屬在土壤中的穩(wěn)定性[14]。

2.4.3 植物根際環(huán)境的影響

重金屬進(jìn)入到植物體內(nèi)的主要途徑之一是植物吸收，其中根系吸收是重要途徑。與非根際環(huán)境相比，根際環(huán)境是土壤中最具活力的部分，是影響污染物生物有效性的主要介質(zhì)。植物根系廣泛存在于農(nóng)田土壤中，尤其是生物炭添加的農(nóng)田土壤中。生物炭對(duì)重金屬的吸附固定作用主要與生物炭的pH、灰分組成、含氧官能團(tuán)以及比表面積相關(guān)，因此植物根系與生物炭的相互作用必將影響生物炭對(duì)重金屬的吸附固定，但是關(guān)于這方面的認(rèn)識(shí)還比較欠缺。生物炭在受根際環(huán)境影響的同時(shí)也影響著根際環(huán)境，如根際微生物群落組成和根系分泌物組成的變化等，這些根際環(huán)境的變化也同樣影響著重金屬的植物吸收過(guò)程[15]。

3 結(jié)論與展望

生物炭由于其微孔結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大且含有大量的極性官能團(tuán)和無(wú)機(jī)灰分，對(duì)重金屬表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附能力。本文分析研究了生物炭對(duì)土壤重金屬的吸附機(jī)制，探討了生物炭鈍化土壤重金屬的影響因素。生物炭的產(chǎn)量及其理化性質(zhì)主要取決于熱解溫度，尋找制備生物炭的最佳熱解溫度，提高生物炭鈍化效果是未來(lái)生物炭制備的研究方向。同時(shí)，土壤環(huán)境是一個(gè)較為復(fù)雜的體系，土壤pH以及植物根際環(huán)境等環(huán)境因素也會(huì)制約生物炭的鈍化效果。目前關(guān)于生物炭的研究還處于實(shí)驗(yàn)階段，在其投入實(shí)際生產(chǎn)前，還需要對(duì)這些環(huán)境因素進(jìn)行詳細(xì)的研究分析。