生物炭修复污染土壤的研究进展

李忱昊

（辽宁工程技术大学 辽宁阜新 123000）

引言

生物炭（biochar）是一类富含碳素的黑色固体物质，其含碳量一般在60%以上，在缺氧或无氧条件下由各种生物有机质经高温热解制成。在热解过程中产生众多含氧官能团如羧基、羟基以及其他羧酸酯结构，这些结构令生物炭的吸附能力和抗氧化能力极为优秀。制备生物炭的原料来源广泛，早在几百年前巴西亚马逊河流域的印第安人就利用动植物有机体来制备生物炭，以增加土壤生产力。

1 生物炭在土壤修复中的应用

随着生物炭更多地应用在改良土壤性质和提高土壤碳含量上，越来越多的学者开始重视其在修复有机污染土壤中的作用。代快等[1]用烟杆生物炭探究烤烟土壤中多种农药残留的去除效果，实验发现在施加生物炭后三种农药在烟叶中的含量均随着植株生育期的推进而减少，三种农药的施药安全间隔期也较未施生物炭对照组明显缩短，但施药100 天后，生物炭处理的土壤中农药降解率却低于未处理土壤，农药残留可能会影响后茬作物的生长。对农药降解产物在土壤中的迁移研究中，发现施加生物炭可阻止农药降解产物在土壤中的移动。高玉玲等[2]对生物炭去除杀虫剂的研究发现，生物炭可在水溶液中去除91%杀扑磷，这对生物炭去除农药等有机污染物提供了依据。

随着工业发展，在制作各种化工产品的过程中会有意或无意向环境中排放诸如多环芳烃等有机污染物，利用生物炭的吸附能力治理此类污染也是近年来的研究方向。张晗等[3]研究了生物炭对菲的吸附特性，以荔枝树枝、水稻和小麦秸秆为原料制备生物炭，利用元素分析仪对生物炭所含碳、氢、氧、氮含量进行分析，并用全自动比表面分析仪测定其比表面积，并采用傅立叶红外光谱表征，进行吸附试验，发现在600℃下制备的生物炭的碳含量最高，随着烧制过程中热解温度的升高，原料中（O+N）/C 原子比逐渐降低，表明大量含氧官能团会遭到破坏。600℃下三种生物炭的比表面积顺序为：荔枝树枝＞小麦＞水稻，与吸附顺序一致，表明生物炭巨大的比表面积是提高对有机污染物“菲”吸附能力的重要因素。叶益辰等[4]在600℃下用油菜秸秆烧制生物炭和磷酸改性生物炭，进而制作改性生物炭-LDHs（Mg-Al-NO3）复合材料，对双酚A 进行吸附试验，结果表明除了改性生物炭的吸附能力较未改性生物炭有大幅提升外，该复合材料在酸碱性不同的环境下表现有差异，其在弱酸性条件下的吸附能力强于弱碱性环境，该复合材料有吸附时间短、环境友好且原料价廉易得等优点，但同时存在制作程序繁琐等缺点有待改进。

另外，石油及石油烃对土壤的污染也逐渐成为一大治理难题。石丽芳等[5]在利用生物炭对辽河油田受污染土壤进行了修复研究，取实验土壤测定其碳氢化合物、芳香族化合物含量并分析其受污染程度，用玉米、芦苇、松针制成生物炭，与不加生物炭的空白组对照并分析不同生物炭对石油污染土壤的修复效果。实验结果发现，在进行到40 天时，芦苇生物炭对土壤中石油烃的降解效果好于其余两种生物炭，且随时间变化差距逐渐增大，而玉米、松针生物炭对石油烃的去除效率是空白对照的两倍，同样有较出色的去除能力。但是对于石油污染物质中最难降解的非烃类物质，三种生物炭虽使该污染物含量有所下降，但总的来说去除能力不太理想。王艳杰等[6]也对该地石油烃污染土壤进行过研究，选取当地常见的玉米秸秆作为生物炭原料，配施以NH4NO3和K2HPO4两种养料，对修复前后土壤的理化性质比较中发现，添加玉米秸秆碎屑、生物炭和养料后使土壤质量大为提高。同时研究发现修复后土壤更有利于微生物繁殖生长，能刺激微生物对土壤中石油烃的分解，从而增强土壤修复能力。然而同上个研究案例相同，生物炭对非烃类石油污染物降解能力依旧较低。姜宇等[7]用牛粪生物炭展开对石油烃污染土壤修复研究，确定出牛粪生物炭最佳投加量为50g/kg，牛粪生物炭降解石油烃的最佳pH 为7.0 左右，最佳降解温度为30℃左右，对于降解时间的确定，研究发现经过150 天后降解率趋于平缓，但具有长期效应。

由于生物炭原料价廉易得、含碳率高，具有巨大的比表面积、发达的孔隙结构、稳定的理化性质等特点，其被广泛用作土壤改良剂，提高农作物产量。柴文武相关研究表明，在施加农作物秸秆生物炭后，葡萄园土壤容重降低，含水量增加，且在第二年之后实现增产，葡萄质量也有所提高；Yuan 等[8]在研究中发现，用蚕豆、大豆、花生、绿豆秸秆制成的生物炭使红壤pH 值分别提高了0.59、0.89、0.95、1.05，而且研究还发现豆科秸秆制备的生物炭对红壤酸度的改良效果要优于非豆科植物制备的生物炭；曾晓玉等[9]对温室酸化土壤研究表明，当生物炭与土壤质量比为5:100时，土壤阳离子交换量、交换性盐基总量和有机碳的质量显著增加，这将极大提高土壤缓冲能力、提高酸化土壤的pH，从而提高土壤质量。

2 生物炭对重金属污染土壤的修复

我国是农业大国，粮食问题是关乎我国国计民生的头等大事，因此耕地质量对粮食安全的重要程度不言而喻。据调查发现，我国耕地约有1/6 左右受重金属污染，其中镉、镍、汞、砷、铅是污染土壤的主要重金属。随着我国对农业生产及生态环境重视程度提高，对重金属污染土壤的研究也越来越深，生物炭的应用则为解决土壤重金属污染提供了新思路。

黏土矿物具有很好的吸附重金属的能力，很多研究将黏土矿物与生物炭相结合投入到治理土壤重金属污染当中，二者对铅镉复合污染的修复能力较好，单一的黏土矿物材料能更好地处理铅污染土壤，单一生物炭材料修复镉污染土壤更强。除了不同材料与生物炭复合治理，两种及以上生物炭相结合同样能够对土壤中铅的修复起到良好效果。利用不同技术对生物炭进行改性以期增强其修复能力，用秸秆生物炭和酸性矿山废水（AMD）生成的铁絮体作为原料，利用化学改性和紫外辐射联用技术两种方法联合制作改性生物炭，再用正交试验来确定最佳改性条件，用BET-N2 法、红外光谱分析（FTIR 技术）、扫描电镜测试（SEM）等方法对改性生物炭的形貌特征、孔隙结构以及表面化学性质进行表征，发现改性试剂最佳配比为CS2用量1mL、ZnSO4·7H2O 用量2 mL、NaOH 用量8mL，其主要依靠化学吸附，对Pb（II）主要的吸附机理为离子交换和螯合作用。

3 生物炭对土壤环境的影响

生物炭也可用来修复土壤盐渍化等问题，但在该方面的相关研究较少，目前还处于探索阶段。谢文达等[10]测定了添加生物炭后盐渍化土壤的pH，发现生物炭对土壤pH 的变化具有缓冲能力，通过检测电导率的变化发现生物炭对降低土壤中水溶性盐分含量也有积极作用。韩剑宏等[11]的研究也表明，在土壤中单独施加生物炭能提高土壤阳离子交换量，提高土壤养分含量。

生物炭的施用量是限制微生物代谢的一大因素，微生物对土壤中碳和磷的代谢能力随着生物炭施用量的增加而降低，因此，过量施用生物炭造成土壤元素化学计量失衡是限制土壤微生物代谢磷的重要因素。另外生物炭还能够增强蔗糖酶、碱性磷酸酶等土壤酶的活性，促进土壤中有机污染物的分解。

生物炭能够解决因植物连作而导致的作物产量及质量问题，李珍等[12]发现造成穿心莲连作障碍的一大原因就是根际土壤中生物多样性的下降和群落结构的改变，而生物炭的添加能够有效缓解这一障碍。杨敏等[13]提到烟草连作产生障碍的主要原因是长期种植烟草的土壤中会大量积累酚酸物质，导致土壤中有益微生物生长受抑制，从而表现出对病原微生物的选择性促进，以至于使土壤生态失衡，研究发现，施加生物炭明显降低了土壤中酚酸类物质的含量，为土壤微生物提供了良好的栖息地，有效提高了群落丰富度，避免了单一物种的大量繁殖，从而抑制了病原微生物的生长，缓解了烟草的连作障碍。马丽等[14]施加生物炭提高了连续种植草莓的土壤中细菌与真菌的数量，同时发现根际微生物的数量和种类在生物炭添加量为0.30%时最丰富，此时的草莓根系也最发达，过多或过少添加都会导致连作障碍治理效果低下，因此对生物炭添加量的把控是解决土壤生态问题的关键之一。

结语

生物炭对土壤污染的修复主要依靠其物理化学特性，对重金属、有机物等污染物进行吸附、络合，使污染物在土壤中的迁移能力和生物有效性大为减弱，从而不易被作物利用，减小对人类健康的威胁。在对生物炭修复方法的研究上，单一施用生物炭固然能够取得良好的修复效果，用生物炭与有机肥、微生物或不同种类的生物炭复合修复，其效果要优于单一生物炭的施用。另外可以对生物炭改性以提高其性能，同时搭配其他修复方法如植物超量吸收、微生物分解等，对土壤污染修复也有出色表现。

由于在目前实验室阶段中生物炭的某些机理尚不明确，实验只针对某一特定类型土壤，某种生物炭是否具备泛用性还有待探究。在生产过程中或产生其他有毒有害物质，对环境造成的影响需作进一步评价。尽管生物炭原料价廉易得，但制作成本较高，产品价格能否被广大农民接受也值得思考，因此今后也应当对如何减少制作成本进行相关研究。