生物炭对污染土壤修复的研究进展

王欣钰，高斯，孙长龙，张倩楠，吴思

生物炭对污染土壤修复的研究进展

王欣钰，高斯，孙长龙，张倩楠，吴思

（沈阳师范大学，辽宁 沈阳 110034）

土壤是生物圈的重要组成部分，是人类生存和发展的基础，同时也是保障国家粮食安全的最基本的生产材料。随着人类社会经济的发展和人类活动的高度密集，土壤污染程度越来越严重。土壤质量持续恶化，严重影响人类健康，因此开展针对污染土壤的修复工作刻不容缓。生物炭作为一种在土壤改良、生物能源生产、有机废物循环利用和温室气体减排等方面具有积极意义的物质，对于农业应用方面有重要意义，引起了国内外研究者的广泛关注，成为近年来的研究热点之一。

生物炭；土壤修复；理化性质

生物炭（biochar）又称为生物质炭，是指由含碳量丰富的生物质在相对较低的温度(＜700 ℃)和无氧或限氧的条件下热解炭化而得到的一类高度芳香化的难熔性固态高聚产物。生物炭是一种含碳量丰富的多孔性物质，其容重小，比表面积大，吸附能力强，稳定性强，在自然条件下一般呈碱性。在土壤中添加生物炭可以有效提高土壤中有机碳的含量和有效性营养元素的含量，从而促进植物生长。同时，它还可以改变土壤的各种理化性质特性,因此生物炭在对于污染土壤的有效改良中的应用引起了越来越多的关注。

土壤污染类型主要有4种：

（1）化学污染物，其中包括有机污染物和无机污染物，例如汞、镉、砷等重金属和某些化学合成物、各种化学类农药、石油及其裂解产物等；

（2）物理污染物，一般是指某些工厂和矿厂所产生的固体废物，如尾矿、粉煤灰和工厂产生的废物等；

（3）生物污染物，是指含有各种细菌病毒的城市垃圾及卫生设施排放的废水等；

（4）放射性污染物，主要是存在于某些有核原料开采地区，或发生过大气核爆炸的一些地区，以及某些长期有放射性元素存在的土壤[1]。

目前来说，我国的土壤污染主要是石油采集等带来的污染以及部分重金属含量超标，以及农业化肥和农药等有机污染物污染。本文主要介绍通过生物炭对于土壤理化性质、生物特性、重金属等方面的影响，来达到对土壤修复的目的。

1 生物炭对污染土壤理化性质的影响

1.1 生物炭对土壤pH的影响

酸碱性是衡量土壤的一个重要属性，是影响土壤肥力的重要因素，它还与土壤中的某些性质有关，同时也影响着植物的生长发育。韩光明[2]在其实验中，将生物炭添加在白浆土、潮土、灰漠土和棕壤土后，土壤的pH值均有不同程度的提高。Chintala[3]等在酸性土壤和碱性土壤中分别加入由柳枝稷、玉米秸秆、松木热解而产生的生物炭，其实验结果表明，在酸性土壤中分别添加这3种生物炭后，土壤的pH值均有不同程度的提高，同时随着用量的增加，pH值的变化呈上升趋势；但是在碱性土壤中添加，结果并没有产生太大的影响。通过以上的研究可以看出，生物炭能够有效地调节酸性土壤的pH值。因此，在酸性土壤中生物炭被认为是一种很好的改良剂。姚钦[4]的研究表明，将生物炭添加到东北黑土地中，可以提高土壤pH值，改善土壤质地。

1.2 生物炭对土壤有机质的影响

有机质是土壤的重要组成部分，能够有效改善土壤团聚体和稳定性、增强土壤养分的吸持交换、促进微生物的活动。生物炭对保存土壤有机质具有积极意义，在全球的碳循环中有着重要地位。

Glaser[5]等和Wardle[6]等及Novak[7]等研究表明，土壤中添加生物炭能够快速提高土壤碳库含量、土壤有机碳含量和土壤碳氮比，有效改良土壤质量，提高农作物的生产力。韩光明[8]实验研究表明，在土壤中施加生物炭后，土壤有机质含量以及碳氮比均有明显提高。

生物炭对于土壤有机碳含量水平的影响，与生物炭的用量及稳定性有关。稻秆、绿肥、堆肥施入土壤后，一般在5~10 a后，剩余量不到20%，其中只有极少量的生物炭转化为腐殖质。

1.3 生物炭对土壤水分的影响

水分是土壤环境中的一个重要因素，其含量主要取决于土壤的质地及降水率。生物炭有利于土壤水分的保持，特别是在根际部位，同时也增加了营物质循环，减少淋溶。经研究表明，生物质炭能够有效提高田间土壤持水量，但是随着生物炭的添加，土壤持水性能并不一直随着生物炭的添加而无限增加。Dugan[9]等人在加纳土壤试验中发现，当生物炭量添加量为5 t/hm2时，土壤的持水能力最佳。因此，生物炭可以有效的提高干旱地区砂性土壤持水能力，并通过调节添加比例来增强其应用的有效性。

2 生物炭对土壤微生物的影响

2.1 生物炭对土壤微生物种群结构的影响

土壤环境的改变包括土壤基础、非生物因素的改变和生长环境的不同，这些与土壤微生物的生存生活息息相关，对微生物的群落变化产生影响。土壤中有一些对生物炭十分敏感的特殊功能菌，在生物炭添加后会引起明显变化。因此可以通过这些变化反映出生物炭的施加对于土壤微生物种群结构的影响。

近些年来，一些科研人员利用分子生物学和生物化学技术来研究生物炭对微生物群落结构的响应。Oneill[10]等在对于亚马逊富碳土壤中的微生物种群的检测中发现，在土壤中施加生物炭，可以有效改善微生物种群的多样性，优化细菌群落结构。在土壤中施用生物炭后，土壤中细菌、真菌和古菌的群落组成均有不同程度的变化。Grossman[11]等比较了添加和不添加生物炭土壤微生物群落，结果发现，无论施用生物炭的土壤类型如何，添加生物炭的土壤有什么用途，其土壤微生物种类基本相同，而且与不添加生物炭的土壤微生物种类有较大差异，说明生物炭对微生物的群落有影响。

2.2 生物炭对土壤酶活性的影响

土壤酶与土壤肥力有着密切关联，还与土壤间的生化反应以及土壤生产力有关。它们与生活在土壤中的微生物一起促进材料的转化。因此，土壤酶活性是评价土壤健康状况的重要指标之一，其活性受土壤养分含量、pH值、孔隙结构、持水能力、CEC等因素的影响[12]。潘全亮[13]等通过微定位实验，经过6年时间，研究在土壤中添加生物炭和碳基肥料对土壤酶活性会产生什么的影响。其实验结果表明，施用生物炭能够有效抑制过氧化氢酶活性，从而提高土壤所含蔗糖酶活性，提高土壤可溶性有机碳含量。

2.3 影响土壤微生物的多样性

土壤微生物多样性指数，是反映不同类型土壤微生物群落的物种丰度和分布。多样性指数越高，土壤微生物多样性越丰富，土壤微生物生态系统越复杂，功能越稳定。

韩锐[14]等以东北典型黑土区表层（0～10 cm）耕地土壤作为研究对象，研究了生物炭的添加量对黑土的土壤微生物功能多样性的影响。研究结果表明，黑土耕地土壤中添加外源生物炭，对微生物功能多样性有增强作用。Doan[15]等人将生物炭施加在含有化肥和生物有机肥的土壤中，结果发现土壤中的细菌数量、丰富度和Shannon指数均显著增加。丰度是描述物种多样性的指标，而微生物的丰度与生物炭的吸附性能有关。对于无论是细菌还是真菌，生物炭的特殊结构都可以扩大它们的生存空间，降低生存压力。并不是所有的孔径生物炭都适合微生物，通常最适合微生物吸附的孔径是其自身孔径的2~5倍。

3 生物炭对重金属污染土壤的治理

土壤重金属污染是指由于人类活动所造成的土壤重金属污染，土壤中微量金属元素含量超过本底值，导致重金属在土壤中过度沉积。由于重金属不易被土壤微生物分解，容易在土壤中形成积累，甚至转化为毒性更强的甲基化合物，并可能因为土壤种植农作物等，通过食物链在人体中积累，严重威胁人体健康。近年来，中国“镉大米危机”、“广州重金属蔬菜”、“武汉有毒土地天价修复”等事件接连发生，说明我国土壤重金属污染问题十分严重。

周涵君[16]等在实验研究中发现生物炭可以改善镉污染土壤的生物特性，提高镉污染土壤的吸收率，从而提高镉污染土壤的质量。周建斌[17]等研究了棉花秸秆碳对镉污染土壤的修复作用和大白菜对镉污染土壤的吸收作用。结果表明，棉秆炭能有效地治理土壤中的镉污染，降低蔬菜中的镉含量，提高蔬菜品质。Beesley[18]等人在对镉污染土壤进行培养后发现，添加生物炭后，土壤孔隙水中Cd的浓度成倍数降低，植物中Cd的毒性也降低了。

根据生物炭特性以及近年来研究结果表明，生物炭可以改变土壤中重金属的生物利用度，因此生物炭可以修复重金属污染的土壤。但在重金属污染土壤的修复过程中，生物炭对不同类型的土壤和不同类型的重金属污染的修复效果是不同的。

4 结束语

在当今社会，伴随着化工业的发展，大量污染物通过各种途径进入土壤环境中，导致土壤污染愈发严重。生物炭作为一种新型的环境功能材料，其生产和应用不仅为城市垃圾、工业废物和农林废物的资源化利用提供了新的思路，并且在对于农作物栽培、土壤改良、污染控制以及温室气体减排等方面均呈现出巨大潜力。目前，国内外对于生物炭的相关研究处于起步探索阶段。因此，对于生物炭的应用与研究需要进一步完善，并在多方面进行研究与探讨。

（1）目前大多数的研究都属于短期实验，对生物炭施用后的长期效应的研究尚待开展，其相关的研究报道较少。针对其在土壤的存在时间及在一定时效后对土壤环境的影响仍需进一步研究。

（2）不同来源的生物炭、不同的热解温度、施用量以及土壤类型等因素都会影响生物炭对环境的影响效应及作用效果。

（3）生物炭与土壤相互作用的机理还没有完全弄清楚，例如生物炭添加对土壤微生物群落、官能团、重金属、除草剂、生物地球化学循环等的作用机理。

（4）由于生物炭富含多环芳香烃，在施用生物炭后，是否会对土壤生态系统有负面影响尚待研究。

[1] 李丽，张兴，李军宏，等.土壤污染现状与土壤修复产业进展及发展前景研究[J].环境科学与管理，2016，41（3）：45-48.

[2] 韩光明.生物炭对不同类型土壤理化性质和微生物多样性的影响[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2013.

[3] Chintala R，Chumacher T E，Mcdonald L M，et al.Research article phosphorus sorption and availability from biocharsand soil / biochar mixtures[J].,2014,42( 5) : 626- 634.

[4] 姚钦.生物炭施用对东北黑土土壤理化性质和微生物多样性的影响[D].长春：中国科学院东北地理与农业生态研究所，2017.

[5] Glaser B, Haumaier L, Guggenberger G, et al. The Terra Preta phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics [J]., 2001,88(10):37-41.

[6] Wardle D, Nilsson M, Zackrisson O, et al. Fire-Derived Charcoal Causes Loss of Forest Humus[J]., 2008,320:629.

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[12] Oleszczuk P, Josko I, Futa B, et al．Effect of Pesticideson Microorganisms,Enzymatic Activity and Plant in Biochar-Amended Soil[J]．,2014,214/215(2) : 10－18．

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[15] Dugan E, Verhoef A, Robinson S, et al. Bio-char from sawdust,maize stover and charcoal：impact on water holding capacities (WHC) of three soils from Ghana[C].Brisbane，Australia：Proceedings of the 19thWorld Congress of Soil Science,2010.

[16] 周涵君，于晓娜，秦燚鹤，等.施用生物炭对Cd污染土壤生物学特性及土壤呼吸速率的影响[J].中国烟草学报，2017，23（6）：61-68.

[17] 周建斌，邓丛静，陈金林，等.棉秆炭对镉污染土壤的修复效果[J].生态环境，2008，17（5）：1857-1860.

[18] Beesley L, Moreno-Jiménez E, Gomez-Eyles J L, et al. A review of biochars’ potential role in the remediation,revegetation and restoration of contaminated soils[J].,2011,159(12):3269-3282.

Research Progress of Remediation of Contaminated Soil With Biochar

,,,

（Shenyang Normal University, Liaoning Shenyang 110034, China）

Soil is an important part of the biosphere, is the foundation of human survival and development, is also the most basic production material to ensure national food security. With the development of human society economy and highly intensive human activities, soil pollution is more and more serious, soil quality is deteriorating, which has serious impact on human health and life development.Therefore,the remediation of contaminated soil is urgent. Biochar as a substance with positive significance in soil improvement, bioenergy production, organic waste recycling and greenhouse gas emission reduction is of great significance in the agriculture, so it has attracted widespread attention of researchers at home and abroad, and has become one of the research hotspots in recent years.

biochar; soil remediation; physical and chemical properties

试点示范引领 多家园区布局

智慧化工园区建设风生水起

近日，工信部发布的《国家新型工业化产业示范基地2017年工作要点》提出，国家新型工业化产业示范基地是承载“中国制造2025”战略任务、重点产业、重大工程的重要载体。要推动互联网+示范基地发展，加大对智慧化工园区（示范基地）的经验总结和宣传推广，借鉴其成功经验，继续在相关示范基地中遴选示范典型，推进智慧园区建设。

目前各地智慧化工园区建设风生水起，多家化工园区已经将智慧园区作为提升安全环保水平的重要手段。

业内人士介绍说，我国现有的大部分化工园区的管理方式比较粗放，园区对于企业的管理大多局限于安全、环境等方面，没有覆盖到节能管理、空间管理、运营管理等领域，在管理方式上处于被动状态，不能针对园区内各类情况很快调整管理策略。随着信息化技术的快速发展，如何利用好信息化技术支撑园区的发展战略、满足园区内企业智能化发展需求、进一步提升园区的管理效率，是化工园区未来发展所面临的共同课题。

智慧化工园区发展模式应运而生，并成为实现园区现代化的重要战略途径之一。智慧化工园区建设，旨在以新一代信息技术为手段，以智慧应用为支撑，全面整合园区内外资源，实现园区基础设施智能化、公共管理精细化、公共服务便捷化、资源利用绿色化、产业发展智能化，促进园区发展向产业集聚型、生态环保型转变。这对于拉动产业经济，促进行业发展，推进两化深度融合及转型升级都具有重要的作用。

X53

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1004-0935（2020）04-0402-04

2019-12-15

王欣钰（1995-），女，满族，硕士，辽宁省葫芦岛市人，2017年毕业于沈阳师范大学，研究方向：生态学。

张 阳（1975-），女，教授，博士研究生，研究方向：微生物生态学。