生物炭吸附性能的影響因素及其在土壤中的應(yīng)用

張旭 鐘舒怡 黃粵林 彭建偉

摘要 生物炭是通過(guò)高溫?zé)峤馓幚碇频玫囊环N固體炭質(zhì)材料，主要由碳元素組成，具有堅(jiān)固、穩(wěn)定和高孔隙度的特點(diǎn)。目前，生物炭可應(yīng)用于水體中重金屬和有機(jī)污染物的治理，以及土壤pH調(diào)節(jié)、土壤改良、碳封存、污染治理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增效等方面。本文綜述了影響生物炭吸附性能的因素，以及生物炭在土壤中的應(yīng)用，并對(duì)其在土壤中更加合理的應(yīng)用做出展望。影響生物炭吸附性能的主要因素包括原料種類、熱解溫度、熱解時(shí)間、pH、使用劑量和改性方法等。生物炭在土壤中的應(yīng)用主要包括改善土壤理化性質(zhì)、吸附土壤中重金屬和有機(jī)物污染物、提供營(yíng)養(yǎng)元素和促進(jìn)植株生長(zhǎng)等。

關(guān)鍵詞 生物炭；吸附；重金屬；有機(jī)污染物；土壤

中圖分類號(hào) X53；TQ424.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）10-0070-08

Influencing factors of biochar adsorption properties and its application in soil

ZHANG Xu? ? ZHONG Shuyi? ? HUANG Yuelin? ? PENG Jianwei

（College of Resource， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract Biochar is a kind of solid carbon material produced by high temperature pyrolysis， mainly composed of carbon elements. It possesses characteristics of being sturdy， stable， and having high porosity. Currently， biochar can be applied to the treatment of heavy metals and organic pollutants in water bodies， as well as in soil for purposes including pH regulation， soil improvement， carbon sequestration， pollution control， and enhancement of agricultural production. The factors affecting the adsorption performance of biochar and the application of biochar in soil were reviewed， and the more reasonable application of biochar in soil was prospected. The main factors affecting the adsorption properties of biochar include raw material type， pyrolysis temperature， pyrolysis time， pH， dosage and modification methods. The application of biochar in soil mainly includes improving the physical and chemical properties of soil， adsorption of heavy metals and organic pollutants in soil， provide nutrients and promote plant growth， etc.

Keywords biochar; adsorption; heavy metals; organic pollutants; soil

農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程中土地資源利用、農(nóng)藥化肥施用，以及生活廢棄物排放等因素都可能會(huì)影響土壤質(zhì)量[1]。一方面，耕地質(zhì)量降低可能會(huì)導(dǎo)致耕地難以充分利用，進(jìn)而使農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收；另一方面，一些污染物具有毒副作用，進(jìn)入人體后可能會(huì)影響身體健康。土壤污染的主要類型有重金屬污染、農(nóng)藥和化學(xué)物質(zhì)污染、石油和石油產(chǎn)品污染等[2-3]。近年來(lái)，污染土壤的修復(fù)問(wèn)題備受關(guān)注。目前，土壤修復(fù)以物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和綜合修復(fù)技術(shù)為主。其中，化學(xué)修復(fù)中添加生物炭進(jìn)行土壤修復(fù)的技術(shù)在近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。

生物炭是利用廢棄生物質(zhì)，例如作物秸稈、畜禽糞便、生活垃圾或有機(jī)物在限氧條件下熱裂解生成的一類高度芳香化的富碳固態(tài)物質(zhì)[4-5]，具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)及特殊的電化學(xué)性質(zhì)，并且生物炭表面的官能團(tuán)和極性與其吸附—降解污染物有著密切的相關(guān)性[6-7]。基于以上特點(diǎn)，生物炭常被制作成土壤改良劑，用來(lái)吸附土壤中的污染物質(zhì)或者改善土壤理化結(jié)構(gòu)。生物炭的吸附性能與其原材料、熱解溫度、熱解時(shí)間及熱解時(shí)的空氣含氧量等有關(guān)，不同的熱解條件會(huì)使生物炭表面積、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)和相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)有較大的差異。

有關(guān)生物炭的用途及發(fā)展前景引起了學(xué)者的積極討論，目前對(duì)引起生物炭吸附污染物性能不同的影響因素有待進(jìn)一步探討。探究影響生物炭吸附性能的因素有助于提高生物炭在土壤改良中的利用率，使生物炭在土壤改良中的應(yīng)用更具有針對(duì)性。本文結(jié)合生物炭相關(guān)研究成果，綜述了引起生物炭吸附性能差異的因素及生物炭在土壤中的應(yīng)用，為生物炭在土壤中的應(yīng)用提供參考。

1 生物炭吸附性能的影響因素分析

生物炭是由生物質(zhì)材料在高溫條件下熱解，最終形成具有復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的固碳物質(zhì)。在此過(guò)程中，生物炭的原料種類、熱解溫度和熱解時(shí)間等都可能會(huì)影響生物炭的形成，并且pH、劑量和改性方法也會(huì)影響生物炭的吸附性能。深入探究生物炭的熱解條件及其他影響因素，以更好地應(yīng)用生物炭吸附不同污染物和改善土壤結(jié)構(gòu)。

1.1 原料種類

生物質(zhì)材料的組成包括木質(zhì)素、纖維素、半纖維素及各類礦物質(zhì)等，相比于纖維素和半纖維素，木質(zhì)素更穩(wěn)定，熱解后產(chǎn)物中的芳香族含碳量也較高，完全熱解后的產(chǎn)物更穩(wěn)定[8]。Wijitkosum[9]在對(duì)玉米芯、稻殼和木薯根莖3種農(nóng)業(yè)廢棄物及雨樹(shù)和刺桑2種木材廢棄物所制成的生物炭的研究中發(fā)現(xiàn)，以木材廢棄物為原料制備的生物炭，其纖維素和木質(zhì)素含量高于3種以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料制備的生物炭，其理化性質(zhì)與元素組成也存在差異，但5種生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)相似，均具有一定穩(wěn)定性，可以在土壤中保持較長(zhǎng)時(shí)間。Chaudhary等[10]研究了甘蔗渣、茄子莖和柑橘皮等不同類型城市生物廢棄物生產(chǎn)的生物炭對(duì)水溶液中重金屬離子鉛（Pb）、銅（Cu）、鉻（Cr）和鎘（Cd）的吸附性能，結(jié)果表明，甘蔗渣和茄子莖衍生的生物炭對(duì)水溶液中Cu（99.94%）、Cr（99.57%）和Cd（99.77%）的去除效率更高，而柑橘皮生物炭對(duì)水溶液中Pb（99.59%）和Cu（99.90%）的去除效率更高，并且與源自柑橘皮的生物炭相比，源自甘蔗渣和茄子莖的生物炭具有更多的極性官能團(tuán)和更低的疏水性。Zhang等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在以稻殼和紫荊秸稈為原料熱解生產(chǎn)的生物炭作為吸附劑去除Cd和（或）Pb的單一和競(jìng)爭(zhēng)溶液中的重金屬離子時(shí)，紫荊生物炭的吸附能力較強(qiáng)，同稻殼生物炭相比，紫荊生物炭具有更高的陽(yáng)離子交換量（CEC值），在一定程度上增加了其生物炭表面的交換活性位點(diǎn)，從而促進(jìn)了其與Cd或Pb的結(jié)合；紫荊生物炭比稻殼生物炭具有更多的微孔結(jié)構(gòu)，這可能增加了紫荊生物炭的吸附位點(diǎn)。吳浩然等[12]研究了6種原料制成的生物炭對(duì)吡蟲(chóng)啉、噻蟲(chóng)嗪和呋蟲(chóng)胺3種新煙堿類農(nóng)藥的吸附能力，發(fā)現(xiàn)在相同溫度（700 ℃）熱解下，玉米秸稈生物炭、小麥秸稈生物炭和楊樹(shù)枝生物炭的吸附效果較好，其中玉米秸稈生物炭吸附性能最佳，其原因可能與其自身的疏水性、孔填充和π-π鍵等相關(guān)。由于不同原料的相關(guān)組成成分不同，原料在熱解過(guò)程中具有不同的物理性狀和化學(xué)性質(zhì)，具體體現(xiàn)在孔隙大小、孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積、官能團(tuán)和元素含量等指標(biāo)上，進(jìn)而導(dǎo)致了不同生物炭對(duì)不同污染物的吸附水平存在差異。因此，實(shí)際應(yīng)用中面對(duì)不同的污染物需有針對(duì)性地選擇合適的生物炭進(jìn)行處理。

1.2 熱解溫度

生物質(zhì)熱解是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)加熱生物質(zhì)，將其分解為氣態(tài)、固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)，最終形成穩(wěn)定的碳骨架。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程包含脫水、脫羧、分解和還原等步驟，生物炭在此過(guò)程中具有不同的理化性質(zhì)[13]。生物炭的性能受多種因素影響，包括熱解反應(yīng)裝置、生物質(zhì)種類、粒徑、熱解方式和熱解溫度等。其中，熱解溫度會(huì)明顯改變生物炭的性質(zhì)，從而改變生物炭的吸附能力。研究表明，生物炭與重金屬離子之間的陽(yáng)離子交換和絡(luò)合作用是生物炭吸附Pb、Cu等重金屬離子的主要吸附機(jī)理，而升高熱解溫度會(huì)增加生物炭的陽(yáng)離子交換量和無(wú)機(jī)礦物灰分，增強(qiáng)其對(duì)重金屬離子的交換和絡(luò)合能力，從而提高生物炭對(duì)重金屬離子的吸附效果[14-15]。Zhang等[16]探究了以牛糞為原料在不同燒制溫度下產(chǎn)生的生物炭去除水中四環(huán)素的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)生物炭的H/C、O/C和O+N/C比值隨著熱解溫度的升高而降低，即生物炭的芳香性、疏水性增強(qiáng)，極性降低，并且隨著熱解溫度的升高，生物炭的比表面積增大、孔隙分布變好；含氧官能團(tuán)和脂肪族官能團(tuán)的含量隨著熱解溫度的升高而降低，形成了相對(duì)穩(wěn)定的芳香結(jié)構(gòu)，這些因素都可能提高了其吸附性能。然而，熱解溫度過(guò)高也可能導(dǎo)致生物炭的熱值下降或孔隙結(jié)構(gòu)塌陷，從而影響生物炭的質(zhì)量和應(yīng)用效果。Li等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱解溫度提高到600 ℃時(shí)，磁性生物炭的比表面積和孔隙體積最大，對(duì)苯甲醚和苯酚的吸附能力最大；當(dāng)熱解溫度從600 ℃升高到800 ℃時(shí)，磁性生物炭部分孔隙可能被堵塞，吸附能力變?nèi)酢４蟛糠稚镔|(zhì)經(jīng)高溫?zé)峤夂笏纬傻纳锾康谋砻娣e、比表面積、孔隙數(shù)量和孔隙大小等都會(huì)增加，但是在某些特定情況下，例如燒制工藝和原材料的差異，可能會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。因此，在生物炭的生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)具體原料和生產(chǎn)要求來(lái)確定適當(dāng)?shù)臒峤鉁囟?，以保證生物炭的熱解質(zhì)量和性能。

1.3 熱解時(shí)間

熱解時(shí)間對(duì)生物炭的影響主要體現(xiàn)在生物炭的炭化程度和性質(zhì)上。熱解時(shí)間較長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致生物炭中揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)一步揮發(fā)，使得生物炭中固定碳的含量增加，熱值提高。此外，熱解時(shí)間的延長(zhǎng)也可能使生物炭中的孔隙結(jié)構(gòu)更加完善，擴(kuò)大了生物炭的比表面積和增強(qiáng)其吸附性能。Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制熱解時(shí)間，在400 ℃下以MgCl2·6H2O和大豆秸稈為原料合成鎂改性生物炭，與反應(yīng)0.5 h相比，1和3 h反應(yīng)下合成的生物炭對(duì)Pb2+/Cd2+的吸附量分別提高了38.65%/213.29%、44.57%/230.36%，對(duì)Pb2+/Cd2+的選擇性系數(shù)分別提高了113.28%/209.49%、213.58%/253.62%。Da Fonseca等[19]研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱解時(shí)間的增加，甘蔗渣所形成的生物炭的表面積增大，從而增加了生物炭的內(nèi)部孔隙，提供了更多的吸附點(diǎn)位，增強(qiáng)了其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附效果。但是長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)境中，可能會(huì)導(dǎo)致生物炭礦物鹽酸鹽的流失，減少對(duì)Cu+和Pb+的絡(luò)合，從而降低吸附效果[20]。因此，在生物炭的制備過(guò)程中，需要綜合考慮熱解時(shí)間對(duì)生物炭性質(zhì)的影響，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物炭性能的有效調(diào)控和優(yōu)化。

1.4 pH值

pH值是影響生物炭吸附性能的重要因素之一。生物炭表面帶有一定數(shù)量的官能團(tuán)，其中酸堿性官能團(tuán)可以影響其表面電荷特性，從而影響其吸附性能。在不同的pH值條件下，溶液中的溶質(zhì)或離子會(huì)呈現(xiàn)不同的電荷狀態(tài)，從而與生物炭表面的官能團(tuán)發(fā)生不同的相互作用。Wei等[21]評(píng)估了在不同pH值的土壤中施用生物炭對(duì)Cd組分的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在不同pH值的土壤中，生物炭對(duì)Cd的鈍化效果存在差異，Cd組分變化在酸性土壤中較為明顯。Kim等[22]發(fā)現(xiàn)隨著pH值的升高，巨芒草生物炭對(duì)溶液中磺胺噻唑的吸附量逐漸降低，其原因可能是在酸性條件下，磺胺噻唑表面的氨基質(zhì)子化，與生物炭表面的官能團(tuán)形成了π-π鍵。Fidel等[23]發(fā)現(xiàn)隨著溶液pH值的升高，生物炭對(duì)[NH+4]的吸附增加，對(duì)[NO-3]的吸附減少。溶液pH值對(duì)生物炭吸附性能的影響是進(jìn)行生物炭吸附試驗(yàn)和優(yōu)化應(yīng)用過(guò)程中的重要考慮因素之一。根據(jù)具體的應(yīng)用需求和污染物性質(zhì)，可以合理調(diào)控pH值，以優(yōu)化生物炭的吸附效果，提高生物炭在水處理、土壤修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用效率和效果。

1.5 施用劑量

生物炭的施用劑量是影響其吸附污染物效果的因素之一。一般來(lái)說(shuō)，增加生物炭的施用量可以提高其吸附污染物的能力，因?yàn)楦嗟奈轿稽c(diǎn)和表面積可提供更多與污染物相互作用的機(jī)會(huì)，從而提高吸附效率。Mielke等[24]研究了施用不同劑量的甘蔗秸稈生物炭對(duì)土壤中賽克嗪的吸附效果，發(fā)現(xiàn)增加使用劑量后，生物炭對(duì)土壤中賽克嗪的吸附量明顯增加。Albert等[25]通過(guò)Meta分析法分析相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)施用較高含量的生物炭，植株莖部和根部重金屬含量的降低幅度較大，原因可能是高施用量的生物炭為土壤提供了更多的有機(jī)質(zhì)，重金屬離子與溶解有機(jī)質(zhì)的絡(luò)合作用促進(jìn)了重金屬離子在土壤植物系統(tǒng)中的流動(dòng)性和有效性，從而減緩了重金屬離子對(duì)土壤和植株的毒害效應(yīng)。實(shí)踐中，生物炭施用劑量的增加可能伴隨著一些其他影響：當(dāng)生物炭吸附位點(diǎn)飽和時(shí)，繼續(xù)增加生物炭使用量可能不會(huì)明顯提高吸附效果，還可能增加成本，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成一定影響，例如生產(chǎn)能源消耗、碳排放等。因此，需要考慮生物炭的生產(chǎn)與應(yīng)用過(guò)程對(duì)環(huán)境的綜合影響。在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，并權(quán)衡吸附效果和使用成本。

1.6 改性方法

生物炭的表面功能化改性是通過(guò)在生物炭表面引入或修飾功能基團(tuán)，以改變其化學(xué)性質(zhì)、提高其吸附選擇性和效率的過(guò)程。常見(jiàn)的生物炭改性方法包括物理改性、化學(xué)改性和金屬改性等[26]。物理改性是通過(guò)改變生物炭的形貌或表面特性來(lái)提高其吸附性能。常見(jiàn)的物理改性方法包括通過(guò)CO2或水蒸氣對(duì)生物炭進(jìn)行改性等，這些方法可以改變生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，提高其吸附能力和選擇性?；瘜W(xué)改性是通過(guò)在生物炭表面引入化學(xué)官能團(tuán)或化合物來(lái)改變其表面化學(xué)性質(zhì)，從而提高其對(duì)污染物的吸附效果[27]。常用的化學(xué)改性方法包括氧化、硝化、硫化和硅化等，這些方法增加了生物炭表面的活性位點(diǎn)，提高了生物炭的吸附容量和選擇性。金屬改性是將金屬附著在生物炭的表面，通過(guò)物理吸附和化學(xué)吸附的協(xié)同作用對(duì)污染物進(jìn)行吸附。Tan等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在熱解玉米秸稈后通過(guò)Mn改性，可以提高生物炭對(duì)Cd2+的吸附能力，并且吸附能力優(yōu)于未經(jīng)過(guò)修飾的原始生物炭。Kushwaha等[29]探究了花生殼生物炭和改性花生殼生物炭對(duì)砷（As）的吸附效果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)經(jīng)KMnO4改性和KOH改性后，花生殼生物炭中小孔隙重新排列成大孔隙，增加了孔隙體積和比表面積，提供了更多的吸附點(diǎn)位，并且KMnO4和KOH改性成功地引入了含氧活性官能團(tuán)，改性后的花生殼生物炭對(duì)As的吸附能力提高。Liu等[30]使用十六烷基三甲基溴化銨改性的稻殼生物炭處理水中的2，4-二氯苯酚，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改性后的生物炭含有大量親疏水基團(tuán)，與未改性生物炭相比，其吸附能力增加。Li等[31]使用KOH溶液對(duì)馬鈴薯莖葉生物炭進(jìn)行改性，相比未改性生物炭，改性生物炭具有更大的孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)表面含氧官能團(tuán)減少，表面疏水性增強(qiáng)，對(duì)環(huán)丙沙星的吸附能力增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，添加少量鐵元素后，鐵元素負(fù)載在生物炭上，使生物炭的比表面積和孔體積增大，表面粗糙，增加了生物炭的吸附位點(diǎn)，并且改性后生物炭表面附著有Fe0或Fe氧化物，可與沼液中的氮、磷發(fā)生反應(yīng)，浸漬處理對(duì)生物炭中有機(jī)官能團(tuán)的形成和結(jié)構(gòu)影響不大，反而過(guò)多的鐵元素可能會(huì)堵塞孔，降低其對(duì)污染物的吸附能力[32]。除了較為熱門的化學(xué)改性和金屬改性，也有在熱解時(shí)通入高溫氣體，在生物炭上接種微生物等改性方法[33-34]。通過(guò)改性處理，生物炭的性能和應(yīng)用領(lǐng)域得到了擴(kuò)展和提升，具有更廣泛的應(yīng)用前景和潛力，繼續(xù)探索改性生物炭的新應(yīng)用領(lǐng)域和開(kāi)發(fā)新的改性方法，有助于進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

2 生物炭在土壤中的應(yīng)用分析

生物炭作為一種多功能性的土壤修復(fù)材料，在農(nóng)業(yè)與環(huán)境領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注與應(yīng)用。生物炭源自有機(jī)生物質(zhì)的高溫?zé)峤膺^(guò)程，具有孔隙結(jié)構(gòu)豐富、含有有機(jī)物質(zhì)和吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在土壤中的應(yīng)用多樣且廣泛。生物炭可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度和通氣性，有助于提高土壤保水保肥性能；可以調(diào)節(jié)土壤的酸堿度，維持適宜的pH值范圍，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的外界環(huán)境；含有豐富的有機(jī)物質(zhì)和微量元素，能夠?yàn)橥寥姥a(bǔ)充養(yǎng)分，減緩養(yǎng)分流失，提升土壤肥力；含有的養(yǎng)分物質(zhì)有益于土壤微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)，促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收；具有出色的吸附性能，可吸附土壤中的重金屬、殘留農(nóng)藥等有害物質(zhì)，減少對(duì)植物的毒害；具有穩(wěn)定性好且能儲(chǔ)存有機(jī)碳，有助于減少土壤中的碳排放，降低溫室氣體排放。生物炭在土壤中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 改善土壤理化性質(zhì)

生物炭在改善土壤理化性質(zhì)方面有諸多益處。生物炭通過(guò)調(diào)節(jié)土壤的有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)分含量、理化結(jié)構(gòu)、pH值、水分保持能力和微生物活動(dòng)等方面，有效地改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤的肥力和生產(chǎn)力，可作為土壤改良劑改善酸性土壤和鹽堿地等。Kuo等[35]進(jìn)行了為期42 d的土柱試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生物炭的施用提高了土壤pH值和有機(jī)碳、[NH+4]-N、[NO-3]-N及可用P濃度，有效地保留了土壤中的水分，并抑制了上述養(yǎng)分和可溶解有機(jī)碳的浸出。Yan等[36]向盆栽土壤中分別加入竹子生物炭質(zhì)炭和水稻秸稈生物質(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)盆栽土壤的有機(jī)碳、pH值、總磷、[NH+4]、[NO-3]以及速效鉀、鈣、鎂含量均有所增加，并隨著生物炭用量的增加而增加。Song等[37]在為期2年的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在石灰質(zhì)土壤中添加玉米秸稈生物碳后，土壤有機(jī)碳、總氮、溶解性有機(jī)碳、總?cè)芙獾?、有效磷和鉀的含量明顯增加，土壤微生物的生物量碳氮呈先升高后降低的趨勢(shì)，玉米秸稈生物碳的施入不僅增加了微生物的生物量，而且增強(qiáng)了土壤碳、氮和磷循環(huán)酶的活性。Li等[38]研究了玉米秸稈生物炭施用后大豆根際區(qū)土壤養(yǎng)分的變化，與初始土壤有機(jī)碳含量相比，施用生物炭后土壤的孔隙度增加，使土壤具有更大的孔隙結(jié)構(gòu)，從而增加了土壤潛在含水量。施用生物炭后土壤中有機(jī)碳含量明顯提高，為土壤提供了充足的碳源，土壤中[NH+4]-N含量明顯提高，當(dāng)生物炭用量為9 kg/m2時(shí)，土壤中[NH+4]-N含量最高，[NO-3]-N的變化趨勢(shì)與[NH+4]-N相似。Zhang等[39]在濱海地區(qū)鹽堿地使用通過(guò)球磨和紅磷負(fù)載制備的一種新型生物炭，探討了生物炭對(duì)土壤的改良作用，發(fā)現(xiàn)這種生物炭有著更大的比表面積、更多的P負(fù)載量和含P官能團(tuán)，通過(guò)生物炭與可溶性鹽離子之間的磷酸鹽沉淀可明顯降低土壤電導(dǎo)率和鹽度，降低土壤pH值和堿度，并通過(guò)提高土壤有機(jī)碳含量、陽(yáng)離子交換能力、土壤養(yǎng)分（如N、P、K）和土壤酶活性來(lái)提高土壤質(zhì)量和肥力。生物炭中的礦物質(zhì)和微量元素可能會(huì)影響土壤中的微生物種類、數(shù)量和活性，并且生物炭還可以作為一種新型材料負(fù)載微生物應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境中[34，40]。綜上，生物炭具有良好的吸附性能和保水保肥性，可以增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤通氣性和水分保持能力，減少土壤侵蝕和水土流失，提高土壤肥力。此外，生物炭還可以促進(jìn)土壤微生物群落的多樣性和活性，有利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用生物炭可以有效提高土壤肥力，減少化肥施用量，降低環(huán)境污染。

2.2 吸附土壤重金屬和有機(jī)物污染物

土壤中的重金屬、有機(jī)物污染物進(jìn)入生態(tài)環(huán)境中，尤其進(jìn)入土壤中可能會(huì)造成土壤和地下水資源受到污染，甚至可能會(huì)進(jìn)入食物鏈，影響人體健康。生物炭及其復(fù)合材料作為一種多用途的土壤修復(fù)，材料在近些年受到了廣泛關(guān)注和研究。Cao等[41]研究了石榴皮生產(chǎn)的生物炭對(duì)含有Cu2+的土壤的修復(fù)作用，與原始土壤（14.99 mg/g）相比，生物炭改性后的土壤的吸附容量（29.85 mg/g）明顯提高，表明生物炭改性的土壤具有較好的協(xié)同吸附能力。Kayiranga等[42]開(kāi)展了柚子園土壤施加5%竹子生物炭試驗(yàn)，一年后有效吸附了土壤中的鈦（Ti）元素。Gao等[43]將腐殖酸鈉用木醋液酸化后負(fù)載到生物炭上，成功制備了改性生物炭即生物炭—腐殖酸材料，土壤中的鎳［Ni（II）］離子通過(guò)物理化學(xué)吸附、靜電相互作用、離子交換和協(xié)同作用被固定在生物炭上，并且木醋液通過(guò)引入更多的活性位點(diǎn)促進(jìn)Ni（II）離子與生物炭更好地結(jié)合，從而增加了Ni（II）離子在改性生物炭上的吸附量。Li等[44]對(duì)比了小麥秸稈生物炭、牛糞生物炭和幾種大分子有機(jī)質(zhì)（纖維素、膠原蛋白、木質(zhì)素和腐殖酸）對(duì)土壤中的類固醇雌激素殘留物17β-雌二醇的吸附能力，結(jié)果表明，這幾種物質(zhì)對(duì)17β-雌二醇的吸附能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)樾←溄斩捝锾?牛糞生物炭>腐殖酸>木質(zhì)素>膠原蛋白>纖維素，究其原因可能是生物炭和大分子有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，吸附劑的芳香度越高、疏水性越強(qiáng)、極性越低，對(duì)17β-雌二醇的吸附容量越大。Wang等[45]使用碳酸氫鉀作為致孔劑，通過(guò)熱解法從生物廢料中制備出一種新型多孔生物炭，用于去除污染土壤中的苯并芘，表現(xiàn)出良好的吸附性。生物炭及改性生物炭在吸附污染物中的應(yīng)用如表1所示。

2.3 提供營(yíng)養(yǎng)元素，促進(jìn)植株生長(zhǎng)

生物炭施入土壤后，其含有的有機(jī)質(zhì)和微量元素會(huì)釋放到土壤中被植株吸收利用，對(duì)植株的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生一定積極影響。Sipayung等[46]在茶園中施用生物炭后，增加了茶樹(shù)茶葉的產(chǎn)量，生物炭的應(yīng)用使弱生長(zhǎng)區(qū)和正常生長(zhǎng)區(qū)的茶葉增產(chǎn)了230%和130%。Calcan等[47]以葡萄藤蔓生物炭作為改良劑施加在強(qiáng)酸性土壤中，施加生物炭的處理組番茄株高、葉片數(shù)和植株直徑比其他處理組高出50%以上，根系體積高出210%以上。Cong等[48]研究了新施用的生物炭和老化7年的生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)生理的影響，結(jié)果表明，兩種生物炭均提高了玉米的株高、生物量和產(chǎn)量，玉米葉片SPAD值、可溶性糖和可溶性蛋白含量也相應(yīng)升高，而與植株抗逆性相關(guān)的丙二醛、脯氨酸、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶等呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，研究表明，一次性過(guò)量施用生物炭會(huì)抑制玉米的生長(zhǎng)，但在一定的時(shí)間內(nèi)，這種抑制趨勢(shì)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)趨勢(shì)。Wang等[49]研究發(fā)現(xiàn)，施用過(guò)量的生物炭在一定程度上不利于菠菜的生長(zhǎng)，并且相較于普通生物炭，酸改性的生物炭在促進(jìn)菠菜生長(zhǎng)上表現(xiàn)出更大的潛力。

3 結(jié)論與展望

影響生物炭吸附效果的因素主要包括原料種類、熱解溫度、熱解時(shí)間、pH值和改性方法等。由于影響因素較多，調(diào)控和優(yōu)化生物炭的吸附能力是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。例如，同種原材料在不同溫度下熱解，熱解時(shí)間的不同可能會(huì)對(duì)其吸附效果產(chǎn)生較大的影響；在面對(duì)不同的污染物時(shí)，同種生物炭的吸附性能可能也存在差異。因此，關(guān)于生物炭吸附性能的有待深入探討，對(duì)于生物炭在實(shí)際應(yīng)用中的效率、成本及對(duì)環(huán)境的影響等有待進(jìn)一步研究。

在土壤應(yīng)用方面，生物炭擁有廣泛的應(yīng)用前景。一是生物炭可以改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤的保水保肥能力，增強(qiáng)土壤的固碳能力，有利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展；二是生物炭可以吸附土壤中的重金屬、有機(jī)物污染物等有害物質(zhì)，減少其對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量；三是生物炭可以作為土壤改良劑與肥料一同施用，實(shí)現(xiàn)多效結(jié)合，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量。實(shí)踐中，生物炭在土壤中的應(yīng)用也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于生物炭的施用劑量、老化生物炭回收、使用成本以及對(duì)環(huán)境是否會(huì)造成不利的影響等需要持續(xù)關(guān)注、監(jiān)測(cè)和探討。

綜上，本文綜述了影響生物炭吸附性能的因素，以及生物炭在土壤改良中的應(yīng)用。生物炭作為一種較為環(huán)保、可持續(xù)性的材料，具有優(yōu)良的吸附性能和土壤改良效果，在環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，生物炭在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，并為促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉海龍. 淺析耕地土壤污染現(xiàn)狀及修復(fù)措施[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2023，54（22）：96-98，122.

[2] 羅婕瑩. 土壤污染防治及修復(fù)措施分析[J]. 皮革制作與環(huán)?？萍迹?023，4（22）：124-126.

[3] 盧媛，鄭君焱，韓順莉，等. 土壤污染研究領(lǐng)域進(jìn)展的中文文獻(xiàn)調(diào)研[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2023，18（6）：269-282.

[4] 傅偉軍，徐向瑞，魏玲玲，等. 生物炭農(nóng)田應(yīng)用的固碳減排研究進(jìn)展[J]. 南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，15（1）：1-15.

[5] 夏曉陽(yáng)，王響玲，夏浩，等. 改性生物炭特征及其對(duì)鹽堿化土壤改良的研究進(jìn)展[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，42（5）：12-19.

[6] 吳丹萍，陳全，李東梅，等. 生物炭含氧官能團(tuán)的生成溯源及其在污染物吸附—降解過(guò)程中的作用[J]. 環(huán)境化學(xué)，2021，40（10）：3190-3198.

[7] 張方娟，宋雪英，張玉蘭，等. 生物炭在土壤中的生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué)，2023，42（3）：241-248.

[8] 廖瑋，張雄，楊海平，等. 生物炭成炭調(diào)控及固化土壤重金屬研究進(jìn)展[J]. 能源環(huán)境保護(hù)，2024，38（2）：14-23.

[9] WIJITKOSUM S. Biochar derived from agricultural wastes and wood residues for sustainable agricultural and environmental applications[J]. International soil and water conservation research，2022，10（2）：335-341.

[10] CHAUDHARY H，DINAKARAN J，NOTUP T，et al. Comparison of adsorption performance of biochar derived from urban biowaste materials for removal of heavy metals[J]. Environmental management，2024，73（2）：408-424.

[11] ZHANG X Y，GAO Z X，F(xiàn)AN X P，et al. A comparative study on adsorption of cadmium and lead by hydrochars and biochars derived from rice husk and Zizania latifolia straw[J]. Environmental science and pollution research international，2022，29（42）：63768-63781.

[12] 吳浩然，韓月，王思浩，等. 不同生物炭對(duì)水中吡蟲(chóng)啉、噻蟲(chóng)嗪、呋蟲(chóng)胺的吸附研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)藥，2023，22（6）：46-51.

[13] 張彥彬，楊會(huì)國(guó)，馬麗萍，等. 生物質(zhì)熱解制備多孔吸附材料的研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用化工，2023，52（11）：3101-3106.

[14] GAO L，LI Z H，YI W M，et al. Impacts of pyrolysis temperature on lead adsorption by cotton stalk-derived biochar and related mechanisms[J]. Journal of environmental chemical engineering，2021，9（4）：105602.

[15] ZHANG P Z，ZHANG X X，YUAN X R，et al. Characteristics，adsorption behaviors，Cu（II） adsorption mechanisms by cow manure biochar derived at various pyrolysis temperatures[J]. Bioresource technology，2021，331：125013.

[16] ZHANG P Z，LI Y F，CAO Y Y，et al. Characteristics of tetracycline adsorption by cow manure biochar prepared at different pyrolysis temperatures[J]. Bioresource technology，2019，285：121348.

[17] LI H，ALI MAHYOUB S A，LIAO W J，et al. Effect of pyrolysis temperature on characteristics and aromatic contaminants adsorption behavior of magnetic biochar derived from pyrolysis oil distillation residue[J]. Bioresource technology，2017，223：20-26.

[18] ZHANG C H，YANG D S，LIU W，et al. Insight into the impacts of pyrolysis time on adsorption behavior of Pb2+ and Cd2+ by Mg modified biochar：performance and modification mechanism[J]. Environmental research，2023，239：117215.

[19] DA FONSECA G C，OLIVEIRA M S，MARTINS C V C，et al. How the carbonization time of sugarcane biomass affects the microstructure of biochar and the adsorption process[J]. Sustainability，2022，14（3）：1571.

[20] ZHOU Z，XU Z H，F(xiàn)ENG Q J，et al. Effect of pyrolysis condition on the adsorption mechanism of lead，cadmium and copper on tobacco stem biochar[J]. Journal of cleaner production，2018，187：996-1005.

[21] WEI B L，PENG Y C，JEYAKUMAR P，et al. Soil pH restricts the ability of biochar to passivate cadmium：a meta-analysis[J]. Environmental research，2023，219：115110.

[22] KIM H，KIM J，KIM M，et al. Sorption of sulfathiazole in the soil treated with giant Miscanthus-derived biochar：effect of biochar pyrolysis temperature，soil pH，and aging period[J]. Environmental science and pollution research，2018，25（26）：25681-25689.

[23] FIDEL R B，LAIRD D A，SPOKAS K A. Sorption of ammonium and nitrate to biochars is electrostatic and pH-dependent[J]. Scientific reports，2018，8（1）：17627.

[24] MIELKE K C，LAUBE A F S，GUIMAR?ES T，et al. Pyrolysis temperature and application rate of sugarcane straw biochar influence sorption and desorption of metribuzin and soil chemical properties[J]. Processes，2022，10（10）：1924.

[25] ALBERT H A，LI X，JEYAKUMAR P，et al. Influence of biochar and soil properties on soil and plant tissue concentrations of Cd and Pb：a meta-analysis[J]. The Science of the total environment，2021，755（2）：142582.

[26] ZOROUFCHI BENIS K，MOTALEBI DAMUCHALI A，SOLTAN J，et al. Treatment of aqueous arsenic：a review of biochar modification methods[J]. Science of the total environment，2020，739：139750.

[27] ZHANG Z L，LI Y，ZONG Y M，et al. Efficient removal of cadmium by salts modified-biochar：performance assessment，theoretical calculation，and quantitative mechanism analysis[J]. Bioresource technology，2022，361：127717.

[28] TAN X，WEI W X，XU C B，et al. Manganese-modified biochar for highly efficient sorption of cadmium[J]. Environmental science and pollution research international，2020，27（9）：9126-9134.

[29] KUSHWAHA R，SINGH R S，MOHAN D. Comparative study for sorption of arsenic on peanut shell biochar and modified peanut shell biochar[J]. Bioresource technology，2023，375：128831.

[30] LIU W T，REN D J，WU J，et al. Adsorption behavior of 2，4-DCP by rice straw biochar modified with CTAB[J]. Environmental technology，2021，42（24）：3797-3806.

[31] LI R N，WANG Z W，GUO J L，et al. Enhanced adsorption of ciprofloxacin by KOH modified biochar derived from potato stems and leaves[J]. Water science and technology，2018，77（3/4）：1127-1136.

[32] LI B T，JING F Y，HU Z Q，et al. Simultaneous recovery of nitrogen and phosphorus from biogas slurry by Fe-modified biochar[J]. Journal of Saudi chemical society，2021，25（4）：101213.

[33] LAWAL A A，HASSAN M A，AHMAD FARID M A，et al. Adsorption mechanism and effectiveness of phenol and tannic acid removal by biochar produced from oil palm frond using steam pyrolysis[J]. Environmental pollution，2021，269：116197.

[34] BOLAN S，HOU D Y，WANG L W，et al. The potential of biochar as a microbial carrier for agricultural and environmental applications[J]. The Science of the total environment，2023，886：163968.

[35] KUO Y L，LEE C H，JIEN S H. Reduction of nutrient leaching potential in coarse-textured soil by using biochar[J]. Water，2020，12（7）：2012.

[36] YAN P，SHEN C，ZOU Z H，et al. Biochar stimulates tea growth by improving nutrients in acidic soil[J]. Scientia horticulturae，2021，283：110078.

[37] SONG D L，XI X Y，ZHENG Q，et al. Soil nutrient and microbial activity responses to two years after maize straw biochar application in a calcareous soil[J]. Ecotoxicology and environmental safety，2019，180：348-356.

[38] LI Q L，F(xiàn)U Q，LI T X，et al. Biochar impacts on the soil environment of soybean root systems[J]. The science of the total environment，2022，821：153421.

[39] ZHANG P，BING X，JIAO L，et al. Amelioration effects of coastal saline-alkali soil by ball-milled red phosphorus-loaded biochar[J]. Chemical engineering journal，2022，431：133904.

[40] GOROVTSOV A V，MINKINA T M，MANDZHIEVA S S，et al. The mechanisms of biochar interactions with microorganisms in soil[J]. Environmental geochemistry and health，2020，42（8）：2495-2518.

[41] CAO Q Y，HUANG Z H，LIU S G，et al. Potential of Punica granatum biochar to adsorb Cu（II） in soil[J]. Scientific reports，2019，9（1）：11116.

[42] KAYIRANGA A，LUO Z X，NDAYISHIMIYE J C，et al. Insights into thallium adsorption onto the soil，bamboo-derived biochar，and biochar amended soil in Pomelo orchard[J]. Biochar，2021，3（3）：315-328.

[43] GAO W C，HE W，ZHANG J，et al. Effects of biochar-based materials on nickel adsorption and bioavailability in soil[J]. Scientific reports，2023，13（1）：5880.

[44] LI Y X，HU B Y，GAO S Y，et al. Comparison of 17β-estradiol adsorption on soil organic components and soil remediation agent-biochar[J]. Environmental pollution，2020，263（B）：114572.

[45] WANG W J，LIN J X，SHAO S B，et al. Enhanced adsorption of benzo（a）pyrene in soil by porous biochar：adsorption kinetics，thermodynamics，and mechanisms[J]. Journal of environmental chemical engineering，2023，11（1）：109002.

[46] SIPAYUNG H N，WU K T，LIU D Y，et al. Growth enhancement of Camellia sinensis with biochar[J]. Processes，2022，10（2）：199.

[47] CALCAN S I，P?RVULESCU O C，ION V A，et al. Effects of biochar on soil properties and tomato growth[J]. Agronomy，2022，12（8）：1824.

[48] CONG M F，HU Y，SUN X，et al. Long-term effects of biochar application on the growth and physiological characteristics of maize[J]. Frontiers in plant science，2023，14：1172425.

[49] WANG J，SHI D Y，HUANG C Z，et al. Effects of common biochar and acid-modified biochar on growth and quality of spinach in coastal saline soils[J]. Plants，2023，12（18）：3232.

（責(zé)編：何 艷）