生物炭在退化土壤修复中的应用及展望

吕慧捷 周鸿淼 付国胜

摘 要 生物炭是一种新型环境功能材料，比表面积大、官能团丰富、空隙结构丰富，将其应用到退化土壤的修复中，可有效改善土壤的理化性质，最终改善退化土壤的现状，提升土壤的持续利用率。基于此，以退化土壤修复作为研究切入点，对生物炭在其修复中的应用进行了详细的研究，并结合当前的研究现状，对其应用进行了展望。

关键词 生物炭;退化土壤;修复;展望

中图分类号：X53 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.29.105

社会的高速发展不可避免地带来了一定的环境负面影响。在众多的负面影响中，土壤退化就是其中尤为严重的一项。具体来说，当前土壤退化现象集中体现在土壤沙化、盐渍化、酸化和重金属污染，严重降低了土壤的生产力和稳定性，制约了我国农业的发展。面对这一现状，借助有效的手段，加强退化土壤的修复已经成为亟待解决的社会问题。在诸多的退化土壤修复措施中，生物炭作为一种新型的环境功能材料，以其自身的优势，在退化土壤的修复中得到了广泛的应用，并取得了显著的成效。

1 生物炭特性

生物炭作为一种新型的环境功能材料，是一种在无氧或缺氧环境下将生物质（如作物秸秆等）经高温裂解而形成的含碳物质，保留了原有生物质的良好孔隙结构，具有较大的孔隙度和比表面积，且稳定性较高，含氮少，碳氮比（C/N）高，是一类熔点高、性质稳定、高度芳香化的富含碳元素的物质。依据生物炭材料的来源，可对其进行划分，包括木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭、动物粪便炭等。从生物炭的组成元素来说，主要是由芳香烃、单质碳共同组成，其物理、化学性质都比较稳定。

生物炭以其自身的特性，在退化土壤的修复中具有极高的应用价值。具体来说，生物炭的特性集中体现在：1）比表面积大、疏松多空，具有极强的吸附性能;2）为芳香化结构，具有极强的固碳能力;3）生物炭表面具有丰富的官能团，直接与土壤其他成分产生相互作用;4）生物炭在生成的过程中，受到原料和热解条件的影响，其理化性质表现出特异性，可发挥出不同的作用。基于生物炭这些特性，将其应用到退化土壤的修复中，可迅速提高土壤的pH值、持水量、有机质含量等，有效改善土壤的肥力，提升农作物的产量;另外，基于生物炭的吸附特性，将其应用到污染土壤修复中，可最大限度减弱土壤的污染[1]。

2 生物炭在退化土壤修复中的主要应用

2.1 生物炭修復沙化土壤

沙化是导致土壤退化的重要原因，沙化后的土壤养分含量降低，导致土壤生产能力逐渐下降。针对这一现状，将生物炭应用于沙化土壤中，可增加土壤对Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+的吸附能力。同时，应用生物炭，可进一步提升沙化土壤中的水分利用率，进而达到治理土壤沙化的效果。

相关研究结果表明，随着生物炭施入量的不断增加，沙化土壤中游离的氮、磷、镁和硅等的含量降低，减少了土壤中的养分流失，进而提升了土壤的养分贮存能力[2]。同时，生物炭比表面积较高、阳离子交换容量较高，可吸附相关的营养元素，也可达到提升土壤养分含量的目的。此外，由于丰富的空隙结构，生物炭的施用可增强土壤对水分的保持和截留，从而进一步提升土壤的含水量[3]。

2.2 生物炭改良盐渍化土壤

土壤盐渍化是全世界所面临的一个共同问题，全世界大约有932亿公顷土地受盐渍化的影响。此外，盐碱地每年以10～15亿公顷的速度增加[4]。我国作为受盐渍危害较严重的国家，盐碱地面积较大，且次生盐碱地面积逐年增加。据中科院南京土壤所最新研究表明，我国各类盐渍化土地的总量高达0.99亿公顷，其主要分布在华北、东北、西北的内陆地区和长江以南的沿海地带[5]。盐碱的危害导致许多农田遭到废弃，我国每年因土壤盐渍化直接造成的经济损失高达25亿元。

土地在利用的过程中，受到灌溉不当等因素的制约，会导致地下水位上升，最终易导致土壤出现盐渍化。生物炭比表面积高，具有空隙结构，在盐渍化土壤修复过程中，可吸附土壤中的盐离子，进而降低土壤的含盐量，以此对土壤环境进行修复。

具体来说，生物炭修复盐渍化土壤主要有以下3个途径：1）生物炭可以促进土壤团聚结构的稳定，修复板结土壤，增加土壤孔隙度，进而可以改善土壤水分渗透性能，降低其盐渍化程度;2）生物炭的吸附性能可增强对土壤中盐基离子的吸附，进而有效降低游离盐离子的浓度，生物炭中富含的Ca2+、Mg2+等离子，可将土壤中的有害Na+替换下来，进而降低土壤的碱化程度;3）通过生物炭的应用，可进一步增加土壤中的有机质含量，改善土壤团聚结构，减少地面蒸发，促进盐渍化土壤中盐分的淋洗、中和等，提高土壤的供氮能力[6-7]。

2.3 生物炭改善酸化土壤

土壤酸化是导致土壤退化的重要因素，土壤酸化已成为一个全球性的环境问题。土壤酸碱性是对土壤质量进行衡量的重要指标，一旦土壤出现了酸化的现象，就会导致土壤pH值下降、理化性质变差，最终降低土壤的养分。同时，在酸化土壤中，土壤中游离态铝离子转化能力增强，使其成为可供植物吸收的形态，使得农作物易发生铝中毒现象。

生物炭具有碱性，施入土壤后，会通过中和反应，提高土壤pH值;另外，生物炭的施入通过改变土壤pH，可加速土壤中Al3+的水解，促进土壤中的Al3+转化成为Al（OH）3沉淀。

2.4 生物炭在污染土壤中的修复

随着社会生产的快速发展，环境土壤污染现象越来越严重。在对污染土壤进行修复的过程中，生物炭修复作用显著。生物炭修复属于原位修复方式，这种修复方式不会产生移动污染土壤，也不会对土壤产生较大的负面影响。另外，由于生物炭原料比较广泛、生产成本低，是目前最为值得应用的污染土壤修复手段。

从生物炭的特性来说，由于其具备丰富的官能团、疏松多孔的结构，生物炭可直接对土壤中的有机污染物进行吸附。同时，生物炭表面含有较多的无机矿物、磷酸盐等，还可以与污染土壤中的金属离子进行交换，最终形成沉淀物，进而降低土壤污染物的迁移能力和生物有效性。研究表明，生物炭对污染土壤中有机污染物进行分解的过程中，基本上都是通过分配作用、表面吸附、空隙填充和联合作用等进行的，并且生物炭的比表面积与其吸附能力、表面官能团含量、有机污染物种类等密切相关。由于生物炭具有极强的催化能力，将其应用到污染土壤中，可通过直接或间接的形式，对土壤中的污染物进行降解，最终将污染土壤中的有毒无机物转化成无毒或者毒性很小的小分子化合物，进而达到修复污染土壤的目的。例如，可催化硝基化合物的降解，提高污染物的降解效率。微生物可利用生物炭作为底物碳源，污染土壤中施入生物炭可为微生物的新陈代谢提供一定的碳源、营养物质，从而达到增强微生物活性的目的，进而可以加强微生物对土壤中污染物的分解[8]。

3 生物炭在退化土壤修復中的应用展望

1）生物炭在退化土壤修复中具有极大的应用潜能。在不同类型的土壤中，生物炭的施入量是存在差异的，需要针对不同地域和类型的土壤进行精准量化施用，将其使用量与经济效益相结合，选择最佳的生物炭，最终达到预期的修复效果。2）生物炭在对退化土壤修复的过程中，依然存在一定的局限性，需要与其他修复方法相结合。3）借助生物炭对退化土壤进行修复的过程中，还要对其中存在的潜在环境风险进行评估。由于生物炭的原料来源比较广泛，大多数以固体废弃物为主，原料本身会存在一定程度的污染。因此，在利用生物炭对退化土壤进行修复时，必须对土壤所受到的负面影响给予重视，防止二次污染的产生[9]。

4 结语

伴随社会生产的进步与发展，土壤受到多种因素的制约，出现了不同原因类型的退化现象。基于此，有必要利用生物炭所特有的理化性质和结构，修复沙化土壤、盐渍化土壤、酸化土壤等污染土壤，最大程度改善土壤的生产力，提高土壤肥力，增强土壤稳定性，以满足农业生产的需求。

参考文献：

[1] 鞠畅，王立，马放.生物炭在退化土壤修复中的应用及展望[A].中国环境科学学会.2019中国环境科学学会科学技术年会论文集（第三卷）[C].中国环境科学学会：中国环境科学学会，2019：448-452.

[2] 周志红，李心清，邢英，等.生物炭对土壤氮素淋失的抑制作用[J].地球与环境，2011，39（2）：278-284.

[3] 张斌，刘晓雨，潘根兴，等.施用生物质炭后稻田土壤性质、水稻产量和痕量温室气体排放的变化[J].中国农业科学，2012，45（23）：4844-4853.

[4] 肖克飚，吴普特，雷金银，等.不同类型耐盐植物对滨海盐土生物改良研究[J].农业环境科学学报，2013，31（12）：2433-2440.

[5] 牛东玲，王启基.盐碱地治理研究进展[J].土壤通报，2002，33（6）：449-455.

[6] 王瑞.碳基土壤调理剂改良退化土壤的作用效果[D].临汾：山西师范大学，2018.

[7] 张丹，王力华，孔涛，等.生物废弃物对滨海盐土改良效果.生态学杂志，2013，32（12）：3289-3296.

[8] 王桂君，王磊，律其鑫.生物炭对退化和污染土壤的修复作用研究进展[J].长春师范大学学报，2017，36（12）：83-85.

[9] 钟哲科，杨慧敏，翟志忠，等.柠条生物炭及其在退化土壤修复中的应用[J].林业科技通讯，2015（1）：19-23.

（责任编辑：赵中正）