浅谈生物炭在农业土壤重金属污染修复中的应用

罗礼斌

（贵州雏阳生态环保科技有限公司，贵州 贵阳 550081）

引言

随着工业化和城市化的加速发展，土壤重金属污染问题逐渐引起人们的重视。这些重金属元素在农业土壤中的积累和持续污染，不仅会影响作物的生长和产量，而且还会对人体健康产生潜在威胁。为了解决这一问题，生物炭作为一种新型土壤改良剂，被广泛应用于农业土壤重金属污染修复中。生物炭具有高度的孔隙度和较大的比表面积，可以吸附并固定土壤中的重金属离子，同时也能提高土壤的肥力和保水性，改善土壤结构和微生物群落，为植物提供养分和良好的生长环境。因此，生物炭在农业土壤重金属污染修复中的应用前景十分广阔。

1 相关概念介绍

1.1 生物炭

生物炭是一种经过高温热解或炭化处理的有机材料，通常由植物残留物、农业废弃物、木材等原材料制成。它是一种碳质固体材料，具有高度的孔隙度和较大的比表面积，内部的孔隙可以吸附和固定水分、营养物质和有害物质，同时也能提供良好的栖息地和生长环境，促进土壤微生物群落的发展和活动。生物炭的生产过程是一个炭化过程，因此生物炭中的碳是一种稳定的有机质，不容易分解，因此可以长期存储在土壤中，对土壤的肥力和结构改善产生较为持久的效果。生物炭的应用领域十分广泛，包括农业、环保、园艺、建材、能源等领域[1]。

1.2 农业土壤

农业土壤是指用于农业生产的土壤，它是农业生产的基础条件和关键环节。农业土壤包括农田土壤、果园土壤、茶园土壤、林地土壤等，它们在不同的农业生产条件下具有不同的物理、化学和生物性质。农业土壤的物理性质包括土壤质地、土壤结构、土壤密度等，这些特性对水分和气体的渗透、植物根系的生长和土壤肥力有重要影响。农业土壤的化学性质涉及土壤pH值、土壤有机质、土壤养分、土壤微生物等因素，这些特性对植物吸收利用养分和生长发育有很大影响。农业土壤的生物性质包括土壤微生物群落、土壤动物群落等，这些生物因素对土壤生态系统和生态平衡的维持和促进具有重要作用。农业土壤的合理管理和保护是维持农业生产可持续性的重要因素。

1.3 重金属污染

重金属污染是指环境中某些元素或化合物的含量超过环境背景值，对生态系统和人类健康产生潜在威胁的现象。重金属是指相对原子质量较大的金属元素，例如铅、镉、汞、铬、铜、锌等。这些元素在自然环境中普遍存在，但它们也是一些工业废水、农药、化肥、电池、涂料、垃圾、尾矿等产业和生活废弃物的主要组成部分。人类活动会将这些重金属排放到环境中，导致土壤、水体、大气等环境介质的重金属污染。重金属的富集和积累可能对生态系统造成不可逆转的损害，同时也对人类健康产生潜在威胁，如导致慢性中毒、神经系统损伤、生殖系统损害、癌症等。因此，重金属污染已成为一个全球性的环境问题，需要采取有效措施进行治理和预防。

2 生物炭在农业土壤重金属污染修复中应用的必要性

随着人类活动的不断增加，环境污染已经成为一个全球性的问题，其中重金属污染是影响环境质量和人类健康的重要问题之一。农业土壤是重要的生态系统组成部分，其质量对粮食安全和人类健康至关重要。因此，对重金属污染的农业土壤进行修复已经成为一个紧迫的任务。生物炭作为一种新型的修复材料，已经得到了广泛的关注和研究。

首先，生物炭具有很强的吸附能力，可以有效吸附重金属离子，降低重金属在土壤中的有效性和毒性，防止其进入植物体内，从而减少了对植物的危害。吸附重金属的机理主要是生物炭的高比表面积和孔隙度，这些特性使得生物炭表面具有很强的吸附能力。研究表明，生物炭可以有效吸附Cd、Pb、Cu、Zn等重金属离子，同时还能吸附有机污染物和氮、磷等营养元素，从而实现对土壤的综合修复。其次，生物炭可以改善土壤的物理性质和化学性质，提高土壤肥力，促进植物生长。生物炭具有丰富的孔隙结构和微生物生态环境，可以增加土壤透气性和保水性，改善土壤结构，增强土壤肥力，提高植物的生长质量和产量。此外，生物炭还能促进土壤微生物群落的发展和活动，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力和土壤生态系统的稳定性，从而为土壤修复提供更为全面和持久的解决方案。再次，生物炭的制备成本低廉，可以利用农业废弃物等原材料制备，同时生物炭的应用不会对环境造成二次污染。相比传统的化学修复方法，生物炭的制备成本更低，生产过程更为环保，不会产生二次污染问题。此外，生物炭还可以回收利用废弃物资源，如利用农业秸秆、木屑、果壳等制备生物炭，可实现资源的有效利用和环境的综合治理。这种低成本、环保、可持续的修复方式，在农村地区和发展中国家得到广泛应用。最后，生物炭在土壤重金属污染修复中的应用具有较好的效果，修复效果稳定可靠，可以长期维持。因此，在农业土壤重金属污染修复中应用生物炭是一种可行、可持续的修复方案，可以为实现农业可持续发展和生态环境保护提供有效的支持和保障。

3 生物炭在农业土壤重金属污染修复应用中存在的问题

3.1 涂层过厚

在农业土壤重金属污染修复中，生物炭是一种广泛应用的修复材料。然而，生物炭在应用过程中也存在一些问题。其中一个问题就是涂层过厚，涂层过厚可能会导致生物炭与土壤的接触面积减少，影响其修复效果。

首先，涂层过厚会影响生物炭的吸附能力。生物炭的吸附能力与其比表面积密切相关。涂层过厚会减少生物炭的比表面积，从而降低其吸附能力。因此，涂层过厚可能会导致生物炭对重金属离子的吸附效果不佳，影响其修复效果。尤其是在重金属污染较为严重的土壤中，涂层过厚可能会导致生物炭与土壤的接触面积不足，无法有效吸附重金属离子。

其次，涂层过厚可能会导致生物炭在土壤中的迁移和扩散受阻。生物炭在土壤中的迁移和扩散对其修复效果有重要影响。涂层过厚时会降低生物炭的渗透性和渗透率，从而导致其在土壤中的迁移和扩散受阻，这可能会影响生物炭对污染源的覆盖和修复效果。因此，在生物炭的应用过程中，相关人员需要对涂层厚度进行控制，避免过厚的涂层对生物炭的修复效果产生不良影响[2]。

3.2 造成土壤碱化

3.2.1 生物炭碱性较高

生物炭是一种碳质材料，其pH值通常在8～9之间，属于弱碱性物质。由于生物炭的孔隙较多，比表面积大，因此在土壤中容易释放出较多的氢氧根离子和碳酸根离子，从而导致土壤pH值升高，进而造成土壤碱化。土壤碱化不仅影响农作物的生长和产量，还会导致土壤中的重金属离子被释放，进一步恶化土壤环境。

3.2.2 过量施用生物炭

为了提高生物炭修复重金属污染土壤的效果，某些工作人员会过量施用生物炭。过量施用生物炭会增加土壤碱性风险，而且生物炭在土壤中的降解速度较慢，容易累积，从而导致土壤pH值长时间处于高水平，进一步加剧土壤碱化的程度。

3.2.3 生物炭对土壤微生物的影响

生物炭的应用不仅影响土壤pH值，还可能对土壤微生物的生长和活性产生影响。一些研究表明，生物炭的应用会导致土壤中微生物数量和多样性的降低，这可能会影响土壤的生物学功能，进而影响农作物的生长和发育。

3.3 造成微生物群落改变

生物炭作为一种天然、环保、多功能的材料，近年来被广泛应用于农业土壤重金属污染的修复。然而，其应用也存在一些问题，其中之一是可能对土壤微生物群落产生影响，进而影响土壤生态系统的稳定性。

3.3.1 过度富含炭质

生物炭是以生物质为原料炭化而成的，其主要成分为碳。因此，生物炭对土壤的碳含量具有显著的增加作用。然而，过量的生物炭可能导致土壤碳含量过高，进而改变土壤微生物群落的组成和丰度，从而影响土壤的肥力和健康状况。

3.3.2 抑制土壤微生物活性

生物炭中的化学物质可能对土壤微生物的生长和活性产生影响。生物炭中的有机物和氮素含量较低，可能导致土壤微生物的生长和代谢减缓，从而影响土壤的肥力和养分循环。

3.3.3 微生物群落的选择性生长

生物炭在土壤中的存在可能会促进某些微生物群落的生长，并抑制其他微生物群落的生长。例如，生物炭中的孔隙结构可以提供特定的微环境，使得某些菌株得到更好的生长条件，而其他菌株则可能因为缺乏适宜的生长环境而受到影响。这种微生物群落的选择性生长可能会影响土壤生态系统的稳定性和功能。

3.4 潜在的环境风险

3.4.1 生物炭的长期稳定性问题

生物炭的应用需要考虑其在土壤中的长期稳定性，以免对土壤环境产生不良影响。长期的降解过程可能会释放出有害物质，影响土壤生态系统的健康和稳定性。因此，研究人员需要对生物炭进行相关的降解实验，以评估其在土壤中的稳定性，同时探索降解的机制和影响因素。

3.4.2 生物炭对土壤生态系统的影响

生物炭的应用也可能会对土壤生态系统产生潜在影响，如影响土壤微生物的种类和数量、影响土壤水分和氮素的含量等。相关人员需要对生物炭的应用进行深入研究，以评估其对土壤生态系统的影响，并探索其应用的最佳方案，以减少其对土壤生态系统的影响。

3.4.3 生物炭的再利用和处理问题

生物炭作为一种生物质能源的副产品，如果不加以处理和再利用，可能会对环境造成潜在危害。目前，生物炭的处理和再利用方案还需要进行进一步的研究和探索，以实现对生物炭的高效利用和环境友好处理。

4 生物炭修复农业土壤重金属污染的对策建议

4.1 控制涂层厚度

在实际应用中，涂层过厚往往会导致一系列问题，影响修复效果。因此，控制生物炭涂层厚度是解决问题的关键之一。

4.1.1 优化涂层制备工艺

涂层过厚的问题在很大程度上源于涂层制备工艺不够精细，因此优化涂层制备工艺可以有效解决这一问题。首先，可以采用更加细致的涂层制备方法，例如喷雾干燥、浸渍法、溶胶-凝胶法等，以确保生物炭涂层的均匀性和厚度。其次，可以通过调整涂层材料和添加剂的比例，优化涂层材料的性能，提高涂层的质量和稳定性。例如在涂层中添加少量的表面活性剂、增稠剂或分散剂等，可以提高涂层材料的流动性、降低粘度、增加分散度，从而达到控制涂层厚度的目的。

4.1.2 加强涂层质量检测

为了避免涂层过厚的问题，加强涂层质量检测非常必要。具体而言，可以通过多种手段对生物炭涂层进行检测，如显微镜、电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱等。这些检测手段可以帮助我们了解生物炭涂层的结构和形貌，以及涂层的厚度、均匀性等方面的信息。通过对检测数据的分析，相关人员可以及时发现涂层过厚的问题，并采取相应措施予以解决。

4.1.3 探索新型涂层材料

除了优化涂层制备工艺和加强涂层质量检测外，探索新型涂层材料也是解决涂层过厚问题的一种途径。目前，有不少研究者致力于研发高性能、低成本、环保型的涂层材料，如聚合物、纳米材料、生物材料等，这些新型涂层材料在生物炭修复重金属污染土壤中的应用越来越受到关注。

4.2 与酸性材料混合使用

生物炭在农业土壤重金属污染修复中的应用已经取得了一定成效，但是在使用过程中还存在一些问题，如与酸性材料混合使用可能导致效果下降或出现不良反应等。

4.2.1 选择合适的酸性材料

在与酸性材料混合使用时，首先要选择合适的酸性材料，避免选择过于强酸性或含有大量有害物质的材料。此外，还需要根据土壤重金属含量和类型等因素，选用适当的酸性材料，如硫酸、盐酸、醋酸等。正确选择酸性材料可以降低与生物炭混合使用时出现的不良反应和效果下降等问题。

4.2.2 控制混合比例

混合使用酸性材料和生物炭时，需要控制好两者的混合比例，避免出现过多酸性材料导致土壤酸性过高，影响植物生长和土壤生态环境的平衡。此外，过高的酸性物质含量还可能导致生物炭中的有机物质被分解，从而影响其在土壤修复中的作用。因此，相关人员需要在混合使用时控制好比例，以达到最佳的修复效果。

4.2.3 考虑酸性材料和生物炭的相容性

在混合使用酸性材料和生物炭时，还需要考虑两者的相容性，避免出现不良反应。一些研究表明，使用过于强酸性的材料或酸性材料与生物炭不相容的情况下，会出现生物炭表面的物质溶解、颜色变化等现象。因此，在选择酸性材料和生物炭进行混合时，需要进行实验验证相容性，或者选择已有相容性证明的酸性材料。

4.3 指定生物炭处理方法

4.3.1 依据污染物种类和浓度选择最适合的生物炭种类和投放量

不同的生物炭种类对不同的重金属有不同的吸附能力，而且生物炭的吸附能力也受到其制备工艺和投放量的影响。因此，在选择生物炭处理方法时，应该根据土壤中污染物的种类和浓度，选择最适合的生物炭种类和投放量，以达到最佳的修复效果。例如，当土壤中存在高浓度的镉时，可以选择吸附镉能力较强的木质生物炭，并适当增加投放量，以提升修复效果。

4.3.2 注意生物炭的处理方式和投放深度

生物炭的处理方式和投放深度也会对修复效果产生影响。一般来说，生物炭的处理方式主要有混合投放和局部施用两种。在混合投放时，应注意将生物炭与土壤混合均匀，以确保重金属污染物和生物炭能够充分接触和反应。而局部施用时，应注意将生物炭投放到污染物较为集中的区域，以提升修复效果。一般来说，投放深度越深，修复效果就越好，但投放深度过深也会增加投入成本和操作难度。

4.3.3 加强对生物炭的质量控制和监测

生物炭的质量对其修复效果有直接影响，因此需要加强对其的质量控制和监测。在生物炭的制备过程中，相关人员需要注意原料的选择、制备工艺的控制和后处理的操作，以确保生物炭的质量符合要求。此外，在生物炭的投放和使用过程中，也需要进行监测和评估，以及时发现和解决问题，确保修复效果和环境安全。

4.4 做好环境风险评估

生物炭作为一种新型修复材料，在农业土壤重金属污染修复中具有重要的应用价值。但是，在应用过程中，仍然存在潜在的环境风险，需要相关人员做好环境风险评估以避免风险。

4.4.1 了解生物炭的特性

生物炭作为一种复杂的材料，具有多种物理和化学特性，如比表面积、孔径分布、微观结构、吸附性能、固碳能力等。因此，在应用生物炭修复农业土壤重金属污染前，相关人员需要对其物理和化学特性进行全面、深入地了解，以便更好地评估其潜在的环境风险。

4.4.2 开展环境风险评估

生物炭在修复农业土壤重金属污染时，可能会对土壤微生物、生态系统等造成一定的影响。因此，在使用生物炭进行修复前，相关部门及人员应进行环境风险评估，对其对环境的影响进行科学、系统地评估和预测，确定使用条件和注意事项，并制定相应的环境保护措施。

4.4.3 加强监管和管理

为了保障生物炭应用的安全性和可持续性，相关部门需要加强对其生产、销售、使用等环节的监管和管理。同时，还需要建立生物炭应用的跟踪和评估体系，对其在农业土壤重金属污染修复中的实际应用效果进行评估和监测，以及时发现和解决潜在的环境问题，保障环境和公众的健康及安全。

5 结语

综上所述，生物炭在农业土壤重金属污染修复中的应用具有很大潜力，但也存在一些问题需要解决。其中，涂层过厚、碱化、微生物群落改变、潜在的环境风险等都是需要关注和控制的问题。为此，本文建议采取优化涂层制备工艺、探索新型涂层材料、与酸性材料混合使用、指定生物炭处理方法、做好环境风险评估等措施来解决这些问题。通过不断地研究和探索，相信生物炭在农业土壤重金属污染修复中的应用会越来越成熟和可靠，为农业可持续发展和环境保护做出更大的贡献。