生物炭在土壤环境中的应用研究及展望

李庆维，赵霞，魏晋飞，张瑞

(兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

人类发展过程中对生态环境的破坏导致土壤质量日益恶化，使得农业的发展受到了极大的影响。生物炭是一种多功能的吸附材料，来源于亚马逊河存在的一种黑色的肥沃土壤，研究人员在这种土壤中种植的农作物产量要比普通土壤高，从而引起了人们的广泛兴趣，经过多年的研究与发展，在2007年澳大利亚国际生物炭会议上取得统一命名[1-4]。生物炭被定义为在微氧或无氧条件下经过低温热分解得到的富碳固体，其自身的多孔结构有利于土壤中各种离子的平衡与调控，对农作物所需营养物质所表现出的强吸附性可以有效改善土壤质量。

1 生物炭的基本特征

生物炭主要由C、H、O、N等元素组成，且含有丰富的矿质元素，施加到土壤中可以提供给土壤必需的营养并提高土壤肥力[5-7]。与传统的活性炭等炭材料相比，生物炭的组分中含有大量的芳香族基团，特别是溶解的芳香族基团结构比例较大，从而呈现高度的稳定性[8]。又因生物炭具有丰富的多孔结构以及较大的比表面积和良好的通气性、透水性，所以可以作为土壤微生物生长的媒介、改变土壤中微生物的群落结构以及大幅度提高土壤整体的养分含量和含水率[5，9-10]。

生物炭是一种呈碱性的含碳有机体，其特征受制备原材料以及制备条件的影响。如生物炭的粒径分布与原材料本身关系比较密切；生物炭的密度会随着热解温度和加热滞留时间的延长而增加；表面的一些化学性质如亲水性、疏水性和酸碱性等都会受到热解条件和原料的影响[1]。一些生物炭具有显著的阴离子交换容量[11-12]，从而对农作物吸取营养元素的循环起到调节作用，提高土壤pH并改善土壤质地，为有益微生物的生存提供良好的发育环境。

2 生物炭在土壤中的应用

2.1 生物炭对土壤不同污染物的吸附

土壤中的污染物种类繁多，大致可分为以下几类：①物理污染物。主要包括工厂、矿山等产生的固体废弃物如工业垃圾等。②化学污染物。包括无机污染物和有机污染物，无机污染物包括如汞、镉、镍、钴等重金属，过量的氮、磷等营养元素以及氧化物和硫化物等;有机污染物包括各种化学农药、石油及其裂解产物，以及其他各类有机合成产物等。③生物污染物。通常指携带各种病菌的城市垃圾以及由卫生设施排出的废水、废物等。④放射性污染物。主要存在于核原料开采地区和大气层核爆炸地区，以锶和铯等在土壤中生存期长的放射性元素为主。实际上，土壤污染多为复合型污染，即多种污染情况同时存在。本文主要介绍生物炭对重金属、农药等土壤污染物的吸附。

2.1.1 生物炭对重金属的吸附 土壤中的重金属污染物主要有铜、铅、锌、锡、镍、钴、锑、汞、镉和铋等，主要来源于污水灌溉、矿山金属开采、汽车尾气排放以及工业生产等[13-14]。重金属不仅会污染土壤，也会危害动植物、土壤微生物甚至人类的健康。重金属通过不同途径进入土壤后，不易被土壤中的微生物分解，因此在土壤中不断累积，并通过吸收和富集等作用进入到植物以及其他生物，随着生物链作用在动物以及人类体内蓄积，危害到动植物和人类的健康[13]。

生物炭因其具有较大的比表面积，较高的pH以及阳离子交换量，并在其表面含有较丰富的含氧官能团，不仅可以增加土壤对重金属的静电，增加土壤pH值，也可以与重金属形成表面络合物从而吸附土壤中的重金属，有助于稳定重金属，降低土壤中的重金属含量，减少重金属危害[15-16]。用不同原料或在不同条件下制备的生物炭在吸附重金属时存在差异。Agrafioti等[17]从稻壳、城市固体废物和污水污泥的有机组分，以及砂壤土中提取的生物炭，用来吸附As(Ⅴ)、Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，实验表明从污泥中提取的生物炭可以有效地去除89%的Cr(Ⅵ)和53%的As(Ⅴ)。Pan等[18]分别用花生、大豆、油菜籽和稻谷秸秆生成的生物炭从酸性水溶液中吸附Cr(Ⅲ)，通过一系列实验以及对比，得出四种不同生物炭对Cr(Ⅲ)的吸附能力先后顺序为：花生秸秆生物炭>大豆秸秆生物炭>油菜秸秆生物炭>稻谷秸秆生物炭。丁文川等[19]分别在300，500，700 ℃热解温度下制备生物炭，以研究对土壤中Pb 和 Cd的形态变化的影响，实验最终表明不同热解温度生物炭对Pb污染土壤的改良顺序为：700 ℃>500 ℃>300 ℃。由此可知，不同原材料和不同热解温度制得的生物炭对重金属的吸附效果不同。当然，还有其他因素影响生物炭对重金属的吸附，例如环境中的pH，在吸附过程中投加的生物炭的量，以及环境中腐殖酸的影响等因素。丁文川等[20]通过实验分析等得出结论，加入腐殖酸能够显著促进生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附。

2.1.2 生物炭对农药的吸附 随着世界人口的不断增加，人类对粮食的需求量也大大提高，然而农业总是受到害虫的不利影响，导致每年有高达45%的农作物被损害，因此在农业上使用农药是改善农作物质量常用到的方法，另外人们为了提高农作物产量大量施用化肥。但是由于缺乏完善的管理机制，以及人们环保意识普遍偏低，过量的使用农药以及化肥造成有超过99%的残余滞留在土壤中，被长期污染的土壤会出现明显的酸化现象，土壤养分(氮、磷、钾等)随污染程度加重而减少，并且造成土壤空隙度变小，从而造成土壤结构板结。农药的过度使用也会造成对土壤生物的危害[21]。

生物炭之所以能够吸附土壤中的农药取决于它自身独特的理化性质。生物炭的表面能较高而且比表面积较大，包含了酚羟基和羧基等含氧官能团，并且有高度的芳香化结构，这些性质使得它拥有良好的吸附特性[15，21]。生物炭对农药的吸附过程包括三个方面，表面吸附、分配作用以及孔隙截留[22]。生物炭对农药的吸附受很多方面的影响，比如生物炭的种类、农药的种类、热解温度、施加的生物炭的量等。Gregory等[23]在受控制的温室条件下，利用柳树生物炭作为土壤改良剂导致土壤微生物活性增加，最终使DDT(及其产物)减少了25%，林丹减少了75% 。张耀等[24]分别在乌栅土、黑土、红壤以及潮土中分析了2，4，6-TCP的淋溶迁移性，并分别使用果壳、稻秆以及椰壳为原材料制成的生物炭吸附四种土壤中的2，4，6-TCP，结果表明椰果生物炭对2，4，6-TCP的吸附效果最佳。生物炭不仅对农药有很好的吸附效果，对土壤吸附有机物也可以起到促进作用。饶潇潇等[25]利用花生壳生物炭对土壤吸附邻苯二甲酸二甲酯进行研究，实验中分别在 450 ℃ 和700 ℃两个温度下分别热解2 h和4 h制备四种不同的生物炭，并将制备的生物炭进行标记PSBX-Y，X表示碳化温度，Y表示碳化时间，实验数据表明四种生物炭对土壤吸附邻苯二甲酸二甲酯的增强作用不同，优良顺序为PSB700-4>PSB700-2>PSB450-4>PSB450-2，因此，提高碳化温度和碳化时间更有助于土壤对有机物的吸收。

2.2 生物炭的其他应用

生物炭因其具有巨大的比表面积和丰富的官能团，以及其富碳的性质，在农业领域内起到至关重要的作用，主要可以作为土壤改良剂，也可以固碳减排。

2.2.1 土壤改良剂 生物炭的施加会改变土壤的理化性质。生物炭施加到土壤后，可以降低土壤的容重、增加土壤的孔隙度、有效的保持土壤水分，并且可以提高土壤阳离子交换量、土壤的pH，增加土壤有机碳的含量等[26]。Pandit等[27]研究发现，生物炭的施加可以显著提高土壤的水分含量、pH、土壤养分供应率以及土壤阳离子交换率。房彬等[28]通过对土壤分别施加20，50，100 t/hm2的生物炭，和空白组实验进行比对，结果发现土壤容重分别降低了3.5%，14.6%和32.5%，土壤年均pH分别增加了0.10，0.19和0.20个单位，土壤有机质含量分别提高44.9%，137.7%和297.2%，并且油菜籽产量分别提高了15.7%，33.6%和35.4%，玉米产量分别增加了7.6%，11.1%和20.3%，说明生物炭不但可以改变土壤的理化性质，还可以促进农作物的增产。另外，生物炭的施加还可以减少土壤养分的淋失，提高土壤养分的利用率。

2.2.2 固碳减排 生物炭本身具有高度的稳定性并且含有丰富的碳含量，因此在其生产和运输等过程中可以避免生物质中的碳素因微生物分解等途径而进入大气，从而可以起到固碳减排、减少温室气体排放等作用。

植物进行光合作用所固定的有机碳可以被生物炭转化为惰性碳，因此可以不被土壤微生物迅速矿化，从而可以实现固碳减排。生物炭也可以减少农用土壤中温室气体的排放。Bamminger等[29]通过实验计算生物炭在土壤中吸收的二氧化碳当量的数量可能抵消了20多年来气候变暖导致的土壤温室气体排放量的增加，这凸显了生物炭作为一种工具来抵消土壤温室气体排放的价值。Case等[30]研究结果表明，在接近饱和的受精土壤中，生物炭抑制累积土壤N2O产量达91%，不过，目前还不清楚生物炭如何以及在何种环境条件下持续抑制土壤N2O排放。

3 结语与展望

生物炭在土壤及农业环境中的应用研究存在非常好的发展潜力，在土壤中的贡献不仅能够有效改善环境，还可以开拓多元化的资源利用模式，对土壤治理、维持生态平衡以及农业环境的可持续发展具有重要意义。当前农业环境污染程度较大，使得可持续发展战略面临巨大挑战，因此生物炭为土壤治理提供了一个全新有效的解决思路。但是，目前生物炭的制备材料种类繁多，不同的生物炭理化性质大不相同，因此可通过不同原料和控制条件对生物炭性能进一步优化，使其能对不同污染类型的土壤进行有效改良。目前国内外对生物炭的研究已不仅限于其本身，已有部分学者将生物炭与其他材料例如纳米材料、无机材料和磁性材料结合制备新的复合材料，其在结构和性能上要优于原单一材料，对污染物的去除效果也更加明显。但一些材料对于土壤中微生物具有毒性作用，生物炭复合材料施加到土壤是否会导致原有微生物种类和数量的下降，进而影响土壤环境质量。另外生物炭和所用材料对污染物均具有吸附效果，并且生物炭与所添加的材料之间会产生作用，对于生物炭复合材料对于污染物的吸附缺少定量化的分析。因此对生物炭复合材料仍需要进一步的研究，为其更高效的应用于土壤提供更科学的依据。