环保视域下生物炭对土壤成分的影响分析

广西大学资源环境与材料学院 罗子健，苏娇，梁小凤，黄虎臣，王露洁，王维生

一、引言

进入工业社会以来，大量的农药、化肥和农业原料的生产及矿产资源的开采、冶炼加工过程会由于空气尘埃的散播及废水排放而对周边土壤造成严重的重金属污染。重金属进入土壤环境后，会破坏土壤的理化性质，降低土壤肥力，影响作物生长及其品质。重金属元素因其本身微观结构，具有多形态、易发生水解反应、易与无机酸反应等特点，使重金属生成溶度积较小的化合物，使得重金属的毒害性较强及在环境中具有持久性。土壤中高浓度的重金属经过一系列物理化学反应后会扩散到周边土壤、地下及地表水体，从而会对人类健康造成长期的危害。因而，重金属对土壤生态环境的破坏及修复治理成为当今研究的重点（杨苏才等，2017）。

生物炭是生物质在缺氧条件下高温热解的固体产物，具有难溶性、稳定性、高度芳香化等特点。生物炭的原材料来源广泛，秸秆、甘蔗渣、蚕沙等许多农林业废物都可制作生物炭。生物炭不仅因其化学性质稳定，适用于长期封存土壤中的碳，从而减少大气CO2的排放量，而且生物炭因具有较高的比表面积丰富的多孔结构等性质，使得生物炭在土壤重金属修复方面有重要的作用。本文简明阐述了生物炭对土壤重金属的修复机理，以期为生物炭对土壤重金属修复的应用提供参考。

二、生物炭对土壤重金属修复机理

广泛的定义中，生物炭指有机质在缺氧或无氧的条件下，经过高温（＜900℃）热解形成的富含碳素的多孔固体（张小凯等，2013），表面含有大量的官能团和负电荷，具有较大的比表面积和孔隙度，可提高土壤阳离子交换量（CEC）和土壤pH值，在土壤改良方面有良好的应用前景（王桂君等，2017）。生物炭对土壤肥力和重金属的去除有积极作用使得土壤中的重金属经过食物链进入人体的途径大大减少。土壤重金属元素不同，生物炭对其作用机理也有所差异，但主要包括以下四个方面：物理吸附作用、离子交换作用、络合作用和沉淀作用。

（一）物理吸附作用

因生物炭表面含有巨大的比表面积，高温热解后的生物质表面有许多孔隙，对土壤中的重金属具有较强的吸附作用，进而降低了土壤中重金属的含量。生物炭施加入土壤中后，将土壤中的重金属离子吸附在其表面，或者通过扩散作用进入生物炭的内部，整个过程主要是非选择性吸附，起作用的是分子之间的范德华力（李金文等，2018）。生物炭对土壤重金属元素的物理吸附作用是：当土壤中添加了生物炭之后，生物炭表面含有大量的含氧官能团，可与外界发生氧化反应从而提高土壤CEC。土壤CEC的含量越高，土壤中的胶体成分对重金属离子的吸附量也随之增大，呈正比关系，因此土壤重金属元素经过土壤胶体的吸附而被固定。另外，生物炭中含有较多碳酸盐和有机阴离子而带有较高的碱度，其表面负电荷又可吸引土壤中的阳离子，因而可显著提高土壤pH值。土壤pH值的提高，使土壤去质子化导致土壤负电荷增加而吸引重金属阳离子。此外，土壤胶体微粒表面的负电荷增加，因而进一步使得土壤CEC增加（MENG J,et al.,2017）。黑炭分别在30°C和70°C下土壤培养4个月内，黑炭的氧含量分别增加了4%和38%，土壤CEC分别增加了53%和538%。黑炭表征结果表明土壤培养过程中氧化反应形成新的羧基官能团是CEC增加的重要原因。

（二）离子交换作用和络合作用

由于生物炭具有较高的碱度，当土壤施加生物炭后，生物炭表面含有大量的负电荷，提高了土壤的酸碱性。生物炭与土壤重金属会发生离子交换作用是由于金属阳离子能够与生物炭表面的官能团发生交换，这些官能团既有酸性官能团（-COOH、-OH等），又有碱性官能团（-NH2）等，离子交换反应使得重金属钝化从而使其存在形式发生改变，降低了重金属的毒害性。离子交换作用主要利用官能团与土壤重金属发生反应。当生物炭施加到土壤中后，经过一段时间的培养，有些具有特定配位体的含氧官能团与土壤中的重金属阳离子络合从而特异性吸附重金属，形成一种稳定的金属络合物，降低了重金属在土壤中的移动性。

（三）沉淀作用

生物炭表面附有大量的含氧官能团和矿物质（碳酸盐、磷酸盐等），当生物炭加入土壤中后，这些矿物当中的氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐等阴离子会与土壤中的重金属发生沉淀反应，重金属由此被降低了迁移性。通过电子探针X射线显微分析（EPMA）试验，发现可通过重金属与生物炭结合降低重金属的迁移性，即重金属在生物炭表面形成碳酸盐、磷酸盐或氢氧化物（董爱琴等，2017）。生物炭自身的pH一般都较高，加入土壤中之后，提高了酸性土壤的pH，进而发生土壤重金属沉淀作用。

生物炭加入土壤中并不是单一的物理吸附作用、离子交换作用、沉淀作用和络合作用，而是许多反应机制共同进行的，每个反应机制生就物炭在土壤中对重金属的修复机理的作用还需要进一步研究。

三、影响生物炭对土壤重金属修复的因素

在土壤中施加生物炭之后，生物炭可在较短时间内改变土壤的理化性质，与土壤重金属发生的一系列变化使得土壤重金属得到了有效修复。此外，生物炭还可持续提供及保留土壤中的养分从而促进植物的生长，提高农产品的品质。本文简述了3种生物炭对土壤重金属影响的主要因素：生物炭自身性质、生物炭的添加量和土壤自身理化性质。

生物炭是由生物质在缺氧条件下热解形成的，生物质原料的选择多种多样。选择不同的生物，热解形成的生物炭也就千差万别，生物炭的比表面积、孔隙结构、表面官能团等也就具有较大的差异。不同的生物质热解形成的生物炭自身性质的差异对土壤重金属的修复作用有所不同。另外，不同的热解条件（温度、热解时间、通气量等）也会对生物炭的性质具有一定影响。

在土壤中施加生物炭的数量不同，其对整个修复作用的效果也有差异。当生物炭添加到土壤中后，提升了土壤的pH值，使得土壤中的重金属被固定。王红等（2018）研究表明，利用水葫芦制成的生物炭添加到土壤中后，对土壤重金属Zn和Pb进行修复。结果发现，随着生物炭的添加量增加，土壤浸出液中重金属Pb和Zn的含量越低。Houben等（2013）研究了生物三种不同炭剂量对油菜籽吸收重金属的影响，发现添加1%生物炭后，植物内的Zn浓度与对照相比稍微有所提高，但5%和10%的剂量却能显著降低植物内Zn的积累浓度。

对于不同的污染土壤，土壤的基本理化性质，如土壤含水量、酸碱性、污染类型等，对生物炭修复土壤重金属的修复效果也有明显差异。土壤的酸碱性主要由土壤溶液中的H+离子浓度决定，不同的土壤类型，pH值也有一定的差异。一般来说，土壤pH值较高会显著降低土壤中重金属的移动性和生物有效性。土壤的种类千差万别，土壤中的一些理化性质也具有巨大的差异。

四、总结与展望

土壤重金属污染目前已经引起了各国研究人员的关注，而生物炭作为土壤重金属修复的一种材料，受到世界各地科研人员的关注。但目前生物炭对土壤重金属的修复仅限于在实验室中完成，因此，在今后的研究中，应当开展在实际污染地块中的修复研究。另外，目前多数研究只是针对土壤重金属的单一修复效果，但实际生活中，污染地块并不是单一污染，而是多种重金属联合污染，因此今后应当多对复合污染修复进行研究。最后，生物炭自身可能含有一些重金属，添加到土壤中后，可能存在一定的生态风险，生物炭自身的重金属对修复过程的影响以及这些重金属最终将如何处置还有待研究。