浅谈生物炭修复重金属污染土壤的机理与注意事项

熊竹楠

摘 要：在我国工业化高速发展进程下，土壤重金属污染已成为当前不容小觑的生态环境问题。由于生物炭具有较高的孔隙率、较大的比表面积、较强的阳离子交换能力和高度的芳香性等性质，在重金属污染土壤修复方面有巨大的优势和应用潜力，近年来成为土壤污染治理和修复方面的研究热点。但同时，生物炭的施用也存在着一些潜在风险和不足，人们对此还缺乏全面系统的了解，相关研究还应加强并继续深入。

关键词：生物炭;土壤污染;重金属;土壤修复;风险

文章编号：1004-7026（2020）10-0074-02         中国图书分类号：X53       文献标志码：A

近年来，随着工、矿业和农业活动日益加剧，重金属与农药残留形成的有机污染物积累于土壤中，引发了许多土壤环境污染问题。我国最新发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，耕地土壤环境质量堪忧。在本次调查的面积约630万km2的土壤中，总污染点位超标率高达16.1%且以无机污染物为主，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率均较高[1]。由此可见，土壤重金属污染正严重威胁着我国农产品质量与粮食安全，污染土壤修复工作迫在眉睫。

国内外相关专家和学者实践和研究表明，生物炭能在一定程度上缓解土壤重金属污染。生物炭是一种将动、植物有机残体在低氧或缺氧条件下，高温干馏而热解炭化形成的一种高度芳香化的难熔性固态土壤改良剂和污染场地修复材料。向土壤中施加生物炭，不仅能有效吸附污染土壤中的重金属和有机污染物，还能增加土壤肥力以及保水性能，提高土壤的养分有效性和保肥能力等，从而提高农作物产量。总之，生物炭对于重金属污染的修复主要通过直接缓解植物重金属胁迫，以及改善植物生长的土壤条件的间接方式來发挥作用[2]。

1  生物炭的基本性质

生物炭的主要成分为芳香类和烷基类物质，以及多种矿物质和无机碳酸盐，其中除80%的碳元素外，还包括氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁等。生物炭有巨大的比表面积，且有许多大大小小的孔洞分布于表面，这些孔洞有利于吸附土壤中的重金属和微生物。此外，生物炭表面还具有大量表面负电荷和很高的电荷密度，这也决定了生物炭对于养分、重金属和有机污染物良好的吸附特性。随着制备原料、热解温度和生产工艺的变化，生物炭的上述特性具有良好的多样性，从而表现出不同的环境效应。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，同时减轻土壤中的重金属污染。生物炭可以通过吸附、沉淀、离子交换、络合等反应，将污染物转化为可迁移性和生物可利用性较低的稳定形态，成为修复污染土壤的化学钝化剂，完成污染土壤的原位修复。

2  生物炭修复重金属污染土壤的机理

2.1  直接吸附锁定土壤中的重金属

生物炭表面的高密度负电荷可以与土壤中重金属离子发生静电作用，从而限制重金属在土壤中的迁移和转化。另外，存在于生物炭表面的一些官能团可作为配体与重金属离子发生特异性的络合反应，形成特定的金属配合物，降低重金属迁移率，这对固定土壤中重金属离子具有重要意义。

2.2  改善土壤条件，降低重金属生物有效性

土壤中重金属的生物有效性在很大程度上决定了重金属对于植物的毒性，而生物炭可以通过改变土壤的一些物理、化学、生物性质，如提高土壤pH值和有机质含量等，降低其生物有效性及毒性，改善植物的生长环境，缓解重金属对植物的毒害作用。

生物炭吸附固定重金属的重要途径之一是提高土壤的阳离子交换能力，而生物炭表面本身即具有巨大的阳离子交换量，这使其具备了强烈吸附土壤中重金属的能力，降低土壤中重金属含量。此外，生物炭自身的多孔性、较小的容重以及极大的比表面积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，并在与土壤混合后增加土壤孔隙度，改良土壤质地，还可促进土壤形成水、肥、气、热条件较为协调的团粒结构。由于生物炭的主要组成元素为碳元素，施入后直接增加了土壤的含碳量，间接增加了土壤中有机质含量。生物质材料炭化时温度不同会导致生物炭pH值的差异，但大多数生物炭的pH值均在8.0～11.0，大量施入时可将土壤的pH值提高0.2～0.8个单位，但碱性土壤作用未知。

作为生态系统的重要成员，土壤微生物的健康以及多样性，影响着土壤中以微生物为主的生物化学过程。而重金属毒害作用通常会对土壤微生物的丰富度、生物量、代谢和生化活性产生消极作用，进而对土壤结构、稳定性、保水性和养分循环产生不利影响。但大多数研究显示，作为一种新型土壤改良剂，向重金属污染的土壤中施用生物炭，可以提高微生物丰度及活性，改变土壤微生物的群落结构，从而缓解重金属带来的毒害，促进有益微生物生长。除此之外，生物炭表面的孔洞结构可作为微生物优良的栖息环境。微生物可以利用生物炭表面所固定的营养物质作为自身生长发育的能量。

3  施用生物炭的潜在风险与注意事项

3.1  生物炭制备的潜在风险

作为生物炭的原料，生物质来源广泛、种类繁多，其中本就可能含有多种重金属和有机污染物，因而在制备成土壤修复材料投入使用后可能会给土壤带来二次污染。在制备过程中，随着原料总量减少，一些有毒物质，如多环芳烃、二噁英浓度可能会增加。此外，原料中的重金属及有机污染物也可能会在热解制备过程进入烟气中，因此对制备过程中产生的废气进行适当处置和净化是一项必要的工作。

3.2  生物炭施用的注意事项

生物炭在加工制备过程中，其氮、硫分会严重损失，加之强烈的吸附性，长期大量单一施用会导致土壤有效养分含量降低，对作物生长造成不利影响，因此在施用时需注意配施氮肥、补充硫肥。基于生物炭比表面积大和孔隙度高的特点，许多污染物、细菌和病毒容易附着在生物炭上。随着空气流动，细小的生物炭颗粒容易进入人体的呼吸道和皮肤，对呼吸系统和心血管健康造成一定威胁，故施用时需注意防护。除此之外，由于生物炭本身呈弱碱性，故在施用于碱性土壤时要注意种类及用量。

4  结束语

应用生物炭修复重金属污染土壤是当前土壤污染修复领域的一个热点。施用生物炭在具有诸多积极作用的同时，也不可避免地存在一些潜在风险和不足之处，但当前大多数研究对其消极影响和风险方面鲜有涉及。而且，目前开展的很多试验是室内及短期试验，缺乏一定的说服力。因此，为了保证农产品质量和安全，应用生物炭技术需注意扬长避短。相关科研人员有必要进一步开展长期、系统性、规模性的试验，并对其负面影响和不确定性开展更为深入的研究，以期对生物炭的施用效果进行更加全面的评价、操作和管理，充分发挥生物炭的应用潜能。

参考文献：

[1]环境保护部，国土资源部.全国土壤污染状况调查公报[EB/OL].[2014-04-17].http：//www.gov.cn/foot/2014-04/17/   content_2661768.htm.

[2]杨文浩，李佩，周碧青，等.生物炭缓解污染土壤中植物的重金属胁迫研究进展[J].福建农林大学学报，2019（6）：695-705.