高敬堯++王宏燕++許毛毛++代琳++馮露++袁佳慧++徐紅濤++孫巖++吳艷偉

摘要：在高溫條件下（通常<700 ℃），通過(guò)限氧或完全缺氧對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行熱裂解和炭化所產(chǎn)生的一類(lèi)含碳豐富的固態(tài)穩(wěn)定物質(zhì)稱(chēng)為生物炭。生物炭因其灰分中含有一定比例的礦質(zhì)元素如鉀、鈣、鈉、鎂、硅等，它們以氧化物或碳酸鹽形式存在，溶于水后呈堿性，所以生物炭普遍呈堿性；生物炭表面含有大量的—COOH、—COH、—OH等含氧官能團(tuán)，豐富的含氧官能團(tuán)易使生物炭表面產(chǎn)生大量負(fù)電荷，進(jìn)而提高陽(yáng)離子交換量（CEC）；生物炭巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)土壤持水、透氣、保肥的能力，提高土壤對(duì)于易淋失養(yǎng)分元素和重金屬污染物的吸附能力，具有提高肥料利用率、修復(fù)污染土壤的作用；生物炭還有助于促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量；生物炭發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)有助于降低土壤體積、質(zhì)量，具有改善土壤物理性狀的作用，同時(shí)對(duì)促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育、為土壤微生物提供棲息環(huán)境和生存空間、提高作物產(chǎn)量均有一定的效果。從生物炭的特性及制備影響因素、對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響、作物的生長(zhǎng)發(fā)育及養(yǎng)分的吸收利用以及對(duì)污染土壤的修復(fù)和改良等方面進(jìn)行闡述，并提出未來(lái)生物炭在農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用，以期為相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：生物炭；農(nóng)田土壤；土壤性質(zhì)；作物生長(zhǎng)；土壤改良；污染土壤修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)： S156.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0010-06

收稿日期：2016-04-06

基金項(xiàng)目：黑龍江省科技計(jì)劃（編號(hào)：GA10B502）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后科研基金（編號(hào)：2012RCB95）。

[JP2]作者簡(jiǎn)介：高敬堯（1990—），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)及土壤改良。E-mail：1069592819@qq.com。

通信作者：王宏燕，博士，教授，主要從事生物質(zhì)炭相關(guān)研究。E-mail：why220@126.com。

[ZK）]

有一種肥料對(duì)于提高極其貧瘠的土壤肥力具有顯著的作用，它廣泛并長(zhǎng)期被生活在巴西亞馬遜流域的人們使用，被稱(chēng)為亞馬遜黑土（Terra Preta）[1]。這種肥料具有含碳豐富、pH值較高等特點(diǎn)，其土壤氮、磷等肥力的含量是周邊其他類(lèi)型土壤的3倍左右；農(nóng)作物產(chǎn)量也是周邊其他類(lèi)型土壤作物產(chǎn)量的2倍左右[2]；這類(lèi)土壤中微生物的活性也比附近其他土壤中高得多。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)代學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，這種黑土是長(zhǎng)期生活在亞馬遜流域的人們?yōu)榱嗽黾油寥婪柿Χ藶橹圃斓?，是目前亞馬遜流域乃至全球土質(zhì)最優(yōu)良和肥沃的土壤之一。它是將不同生物質(zhì)（biomass）原料經(jīng)焚燒過(guò)后施入土壤，導(dǎo)致土壤呈黑色，這類(lèi)土壤的主要成分是生物炭（biochar）。生物炭是指將生物質(zhì)原料（農(nóng)作物秸稈、木材、畜禽糞便、生活垃圾等）在限氧或缺氧條件下，經(jīng)高溫?zé)崃呀馑a(chǎn)生的一類(lèi)高度芳香化、含碳豐富、穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)[3]。

生物炭被學(xué)術(shù)界廣為關(guān)注源于對(duì)全球氣候變化的研究，因?yàn)樯锾烤哂懈叨确枷慊慕Y(jié)構(gòu)，使其具有極高的穩(wěn)定性而長(zhǎng)期存在于土壤中，因此可以通過(guò)土壤吸收大氣中的碳并將其以生物炭的形式固定于土壤中，從而減少和降低因CO2引起的溫室效應(yīng)。生物炭產(chǎn)品還可以進(jìn)一步提高碳負(fù)效應(yīng)來(lái)應(yīng)對(duì)和緩解全球氣候變化[4]。Lehmann等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向土壤中施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的生物炭時(shí)，幾乎完全抑制了甲烷的排放[5]。在此基礎(chǔ)上，隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于生物炭研究的深入，發(fā)現(xiàn)生物炭除了具有固碳減排作用外，還因其獨(dú)特的理化性質(zhì)而具有持水、透氣、保肥、提高微生物活性及促進(jìn)作物產(chǎn)量增長(zhǎng)的作用。同時(shí)，生物炭豐富的多孔結(jié)構(gòu)及表面含有的大量含氧官能團(tuán)對(duì)于重金屬、有機(jī)污染物等具有較強(qiáng)的吸附能力，將有毒物質(zhì)固定在生物炭?jī)?nèi)部，可降低化學(xué)有效性和活動(dòng)性，從而修復(fù)和改良受污染的土壤[6]。20世紀(jì)80年代以后，全球?qū)W者對(duì)于生物炭的理化性質(zhì)以及將其作為土壤改良劑、固碳劑的研究相繼展開(kāi)，逐漸拉開(kāi)了生物炭相關(guān)研究的序幕。

1生物炭的特性及制備影響因素

生物炭的性質(zhì)受原材料以及制備過(guò)程中溫度、時(shí)間、壓力、氧氣等條件影響[7-8]。制備生物炭的原料以及制備過(guò)程中的環(huán)境條件不同，所產(chǎn)生的生物炭理化性質(zhì)如pH值、孔隙度、比表面積、養(yǎng)分含量、陽(yáng)離子交換量（CEC）、吸附能力等不盡相同[9]。生物炭中含有大量作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，除碳含量較高外，氮、磷、鉀、鈣、鎂的含量也較高，碳、氮含量由于燃燒、揮發(fā)的原因隨溫度的升高而降低，而鉀、鈣、鎂、磷的含量隨溫度的升高而增加[10]。一般情況下，主要元素的比例為碳66.6%～87.9%、氫1.2%～2.9%、氧10.6%～266%；其次是灰分元素，主要包括鉀、鈣、鈉、鎂、硅等[11]。

Gaskin等指出，熱解溫度對(duì)生物炭的質(zhì)量尤其是表面化學(xué)性質(zhì)、孔徑大小的影響非常大，生物炭的碳含量、養(yǎng)分濃度受制備生物炭的原材料類(lèi)型影響較大[12-14]。生物炭的元素組成與炭化溫度有關(guān)，在限制供氧量條件下，隨著炭化溫度的升高，其含碳量增加；氫、氧含量降低，灰分含量有所增加，比表面積逐漸增大。而灰分的元素組成還與植物生長(zhǎng)地的土壤類(lèi)型、植物種類(lèi)有關(guān)[13]。生物炭中礦物質(zhì)含量從高到低排序一般為畜禽糞便>草本植物>木本植物，而含碳量則相反[12，14]。

一般而言，生物炭的pH值、灰分含量、比表面積與熱裂解的溫度呈正相關(guān)[15]，一般制備溫度越高，其比表面積越大。Kishimoto等研究表明，400～1 000 ℃制成的生物炭，其比表面積為200～400 m2/g[16]；在低溫條件下，產(chǎn)出的生物炭也可能具有較小的比表面積[17]。大部分生物炭呈堿性，一方面是因?yàn)樯锾恐械幕曳衷刂饕獮殁洝⑩}、鎂等，多數(shù)以氧化物、碳酸鹽形式存在，溶于水后顯堿性；另一方面，由于植物生長(zhǎng)過(guò)程中聚集大量金屬陽(yáng)離子，為保持體內(nèi)電荷平衡，會(huì)積累一定量的堿基（有機(jī)陰離子），在熱解過(guò)程中堿基被濃縮，使生物炭呈堿性[18]。生物炭本身具有改良土壤性質(zhì)、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成、調(diào)控土壤微生物生態(tài)等特性，同時(shí)還能減少土壤的重金屬含量，以炭作原料制備生物炭基肥，這些特性也是生物炭與普通炭的區(qū)別所在，詳見(jiàn)表1。

2生物炭施入對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.1生物炭對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤水分含量及其有效性是全球范圍內(nèi)衡量土壤生產(chǎn)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。生物炭因其豐富的多空隙結(jié)構(gòu)可以吸附、保持水分，并且可以增強(qiáng)土壤水分的滲透性[19]。Glaser等研究發(fā)現(xiàn)，在巴西亞馬遜地區(qū)，富含生物炭土壤的水分含量較鄰近無(wú)炭土壤高18%[20]。文曼研究表明，生物炭對(duì)沙土的持水作用最明顯，當(dāng)土壤水吸力為800 kPa時(shí)，生物炭含量為 150 g/kg 處理的水分含量為18%，為對(duì)照的4.5倍，這可能是因?yàn)樯锾吭黾恿松惩恋谋缺砻娣e、極性基團(tuán)數(shù)量[21]。因此，大孔隙結(jié)構(gòu)土壤通過(guò)施加生物炭可以提高土壤田間持水量。土壤含水量高低除與土壤質(zhì)地有關(guān)外，還受生物炭的顆粒度、比表面積、密度等影響。

同時(shí)，生物炭對(duì)土壤物理性狀的影響還與生物炭的施用量、被施土壤基礎(chǔ)肥力水平有關(guān)。黃超等研究表明，當(dāng)生物炭用量為10 g/kg時(shí)，其對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響不明顯；但當(dāng)生物炭用量為50、200 g/kg時(shí)，其對(duì)肥力水平較低土壤的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量、容重、飽和持水量均產(chǎn)生明顯影響，但對(duì)肥力水平較高的土壤，生物炭?jī)H對(duì)土壤容重產(chǎn)生明顯影響，對(duì)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量、田間持水量的影響不顯著[22]。生物炭可以有效降低土壤體積、質(zhì)量，有研究表明，生物炭施用量與土壤體積、質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)[23]。

總體而言，生物炭對(duì)于土壤物理性狀的影響及改善主要體現(xiàn)在降低土壤體積與質(zhì)量、土壤拉伸強(qiáng)度，促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)和發(fā)育，以及增加土壤孔隙度、提高土壤透氣和持水保水能力[24]。

2.2生物炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，生物炭具有固碳減排、提高土壤肥力的作用[25-26]。植物通過(guò)光合作用將CO2固定在體內(nèi)，生物質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫?zé)崃呀獾奶炕饔?，將大氣中的CO2以穩(wěn)定炭的形式固定，從而阻止碳向大氣中再次回歸。生物炭的添加對(duì)于土壤有效養(yǎng)分含量的提高具有促進(jìn)作用。有研究表明，增施生物炭使得盆栽大豆、牧草全生育期N2O排放量減少50%～80%，并幾乎不排放甲烷[26]。郭偉等研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭與對(duì)照處理相比，在0～7.5、7.5～15.0 cm 2個(gè)土層之間堿解氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒(méi)有顯著差異，但施用生物炭處理明顯提高了土壤耕層全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[27]。同時(shí)也有研究指出，在玉米苗期，通過(guò)添加生物炭可以有效增加土壤全氮、有機(jī)碳含量，但是對(duì)于土壤全磷、速效磷含量沒(méi)有影響[28]。

生物炭可以提高土壤中氮含量的原因可能為以下幾個(gè)方面：（1）生物炭中含有少量氮元素，對(duì)于提高土壤中氮含量有促進(jìn)作用；（2）由于生物炭的多孔結(jié)構(gòu)，可以改善土壤呼吸狀況，土壤中碳氮比升高，能夠抑制氮素的微生物轉(zhuǎn)化、反硝化作用，從而促進(jìn)土壤中氮含量的增加[27]。但也有學(xué)者指出，添加生物炭對(duì)于土壤中有效磷、鈣、鎂含量的提高具有顯著效果，但是對(duì)于氮、鉀的影響不明顯[29]。Novak等研究表明，土壤中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的生物炭，67 d后發(fā)現(xiàn)土壤鈣、鉀、錳、磷含量明顯升高，但硫、鋅含量降低[30]。

生物炭具有較高的pH值，普遍呈堿性。因?yàn)樯锾康幕曳衷刂饕獮殁c、鉀、鈣、鎂等，這些元素主要以氧化物、碳酸鹽的形式存在，溶于水呈堿性[31]。有研究發(fā)現(xiàn)，以2種花生殼為原料，將在300、400 ℃條件下制備的生物炭加入酸化土壤中，可以顯著降低土壤容重，提高土壤pH值，并且pH值的提高能力與生物炭中灰分含量呈正相關(guān)，當(dāng)生物炭添加量為5%時(shí)，與對(duì)照相比，2種溫度下制備的生物炭使土壤pH值分別提高了0.99、1.40[32]。因此，生物炭可以用作酸性土壤的改良劑來(lái)中和土壤酸度，提高土壤的pH值，對(duì)我國(guó)東北部地區(qū)的較酸且肥力較低的白漿土的改良具有積極作用和意義。

土壤陽(yáng)離子交換性能的提高，有助于作物對(duì)于養(yǎng)分的吸收和利用，使養(yǎng)分緩慢地釋放，降低養(yǎng)分的淋洗和流失。生物炭表面含有大量的—COOH、—COH、—OH等含氧官能團(tuán)，豐富的含氧官能團(tuán)易使生物炭表面產(chǎn)生大量負(fù)電荷，增強(qiáng)土壤對(duì)陽(yáng)離子的吸附能力，進(jìn)而提高陽(yáng)離子交換量[33]。

生物炭對(duì)土壤CEC的影響與土壤類(lèi)型、質(zhì)地及生物炭的施用量有關(guān)，生物炭對(duì)提高土壤CEC的作用與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，即有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，施用生物炭對(duì)土壤CEC作用較弱，而有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤在土壤CEC方面較強(qiáng)[34]。

3生物炭施入對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

[HTK]3.1生物炭對(duì)作物養(yǎng)分吸收的影響[HT]

生物炭可通過(guò)改良土壤理化性質(zhì)，如改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機(jī)碳含量、提高土壤pH值、提高陽(yáng)離子交換量、降低交換態(tài)Al3+含量等途徑來(lái)間接影響作物生長(zhǎng)發(fā)育；同時(shí)，生物炭也可直接向作物提供少量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，生物炭對(duì)作物的作用效果與生物炭的類(lèi)型、施用量、土壤類(lèi)型和植物種類(lèi)等諸多因素具有一定相關(guān)性。

許多研究表明，生物炭的施用對(duì)作物有增產(chǎn)效果。Major等在哥倫比亞熱帶草原氧化土壤中單施0、8、20 t/hm2生物炭進(jìn)行為期4年的玉米種植研究。結(jié)果表明，除第1年外，后3年玉米產(chǎn)量連續(xù)提高，20 t/hm2處理在第4年的產(chǎn)量比對(duì)照提高140%[35]。Uzoma等對(duì)生長(zhǎng)在沙土的玉米進(jìn)行研究得出，玉米產(chǎn)量在生物炭施用量為0～15 t/hm2范圍內(nèi)基本隨其用量的增加而增加[36]。除玉米外，生物炭也可促進(jìn)大豆[37]、水稻[38]、番茄[39]等作物的生長(zhǎng)。關(guān)于生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，有研究認(rèn)為，生物碳對(duì)低有機(jī)質(zhì)含量土壤的增產(chǎn)效果顯著，但對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量高的土壤作用不明顯[40]，或在施用生物炭同時(shí)配施化肥才能起到增產(chǎn)作用[19]，原因是肥料消除了生物炭養(yǎng)分低的缺陷，而生物炭賦予肥料養(yǎng)分緩釋性能的互補(bǔ)和協(xié)同作用[41]。但生物炭的過(guò)高施用會(huì)抑制作物生長(zhǎng)，甚至減產(chǎn)，或出現(xiàn)隔年增產(chǎn)而當(dāng)季影響小等現(xiàn)象[14]。

3.2生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

生物炭在作物對(duì)養(yǎng)分吸收方面的影響與生物炭的種類(lèi)、施用量以及土壤中原養(yǎng)分含量密切相關(guān)。施用生物炭有利于促進(jìn)作物組織中磷、鉀、鈣、鎂等元素的吸收[42]。研究證明，生物炭對(duì)小麥、水稻、玉米的氮素吸收量積累有一定的促進(jìn)作用[43]。張晗芝等試驗(yàn)顯示，在玉米苗期，2.4、12 t/hm2的生物炭用量可促進(jìn)干物質(zhì)的積累，然而生物炭用量為 48 t/hm2 時(shí)會(huì)抑制干物質(zhì)的積累，但效果都未達(dá)統(tǒng)計(jì)顯著水平[28]。配施化肥對(duì)生物炭作用的發(fā)揮存在一定影響，施肥水平較低時(shí)，生物炭的施用可促進(jìn)植株對(duì)氮磷鉀的吸收；但當(dāng)施氮量較高時(shí)，生物炭的施用則限制植株對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收[44]。

生物炭在作物的生長(zhǎng)發(fā)育及養(yǎng)分吸收中的作用受諸多因素影響，其作用機(jī)理沒(méi)有特別明確，多數(shù)試驗(yàn)都是針對(duì)短期效果進(jìn)行研究，并且得出的多數(shù)為正向的結(jié)論。為了更好地發(fā)揮生物炭的作用，在研究生物炭?jī)?yōu)勢(shì)方面的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注生物炭的施用對(duì)作物產(chǎn)生的負(fù)面影響，從多方面控制生物炭作用的影響因素，逐步加強(qiáng)生物炭對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的作用。

4生物炭施入對(duì)污染土壤的改良和修復(fù)

4.1生物炭對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)與改良

重金屬污染元素主要包括汞、鎘、鉛、鉻和類(lèi)金屬元素砷等生物毒性明顯的元素，以及有一定毒性的鋅、銅、鎳等。重金屬不能被微生物降解，可通過(guò)食物鏈在動(dòng)物、人體內(nèi)積累而嚴(yán)重影響人體健康[45]。重金屬污染問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今環(huán)境科學(xué)研究的重要內(nèi)容，特別是水體、土壤重金屬污染問(wèn)題受到越來(lái)越多的重視。因此，重金屬污染的治理技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)領(lǐng)域。生物炭具有致密的微孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，吸附能力強(qiáng)，能吸附鉛[46-47]、鉻[48]、汞[49]、鎘[50-51]、銅[52-54]、鋅[55-57]等重金屬；此外，它還具有生產(chǎn)成本低、生態(tài)安全、無(wú)污染、可大面積推廣等顯著特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其作為一種高效廉價(jià)的吸附劑在治理水體、土壤重金屬污染以及受污染環(huán)境介質(zhì)的控制和修復(fù)等過(guò)程中得以應(yīng)用。生物炭對(duì)重金屬離子的吸附作用研究成為近年來(lái)環(huán)保工作者十分關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題[58]。

現(xiàn)階段生物炭應(yīng)用在重金屬污染治理的研究，主要針對(duì)銅、鉛、鋅、鎘、絡(luò)等重金屬，主要還是利用生物炭巨大的比表面積、豐富的含氧官能團(tuán)的吸附能力和表面的離子交換反應(yīng)。Samadi等研究表明，由甘蔗渣制得的木炭可有效去除水溶液中6價(jià)鉻，木樹(shù)皮快速熱解制得的生物炭作為吸附劑可去除水中的有毒重金屬（As3+、Cd2+、Pb2+）[59]；Uchimiya等發(fā)現(xiàn)，由廢棄物經(jīng)過(guò)低溫、高溫?zé)峤庵频玫纳锾恳约罢羝罨?lèi)似炭可以固定水、土壤中的重金屬（如鎘、銅、鎳、銀）等[60]。

另外，Houben等利用0.01 mol/L CaCl2溶液提取投加量分別為1%、5%、10%生物炭反應(yīng)后土壤中的重金屬，結(jié)果表明：在生物炭與土壤反應(yīng)1 h后，土壤中鎘、鋅、鉛的可濾出毒性隨著生物炭投加量的增大明顯降低；而且隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至56 d，重金屬的可濾出毒性進(jìn)一步降低[61]。Zhang等利用小桉樹(shù)、小麥谷殼制成的生物炭，以0.5%、5.0%的投加比例修復(fù)土壤中重金屬鎘；反應(yīng)3周后，CaCl2提取液中鎘含量明顯降低[62]。Méndez等對(duì)比了城市污水污泥制成的生物炭和原始污泥對(duì)某地中海農(nóng)田土壤中重金屬銅、鎳、鋅的修復(fù)作用，結(jié)果表明：與原始污泥相比，熱解后的生物炭中重金屬的可移動(dòng)性和可濾出風(fēng)險(xiǎn)均降低，加入污泥制備的生物炭不僅降低了土壤中銅、鎳、鋅的可濾出毒性，而且生物炭處理還明顯提高了沙壤土的有效水分含量、田間持水量[63]。

Almaroai等對(duì)比了生物炭、牛骨、蛋殼的施加對(duì)土壤中鉛的生物有效性的影響，該試驗(yàn)利用玉米作為試驗(yàn)作物，種植21 d后，在生物炭的修復(fù)作用和鹽水灌溉的條件下，玉米嫩枝中的鉛濃度得到有效降低[64]。Bian等則利用麥稈制成的生物炭對(duì)華南地區(qū)5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行田間試驗(yàn)，研究生物炭對(duì)種植水稻的土壤中重金屬鎘的修復(fù)效果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭的投加量為40 t/hm2時(shí)，水稻顆粒中的鎘含量降低了20%～90%，并且達(dá)到安全線以下（0.4 mg/kg）[65]。該試驗(yàn)表明，生物炭是解決華南地區(qū)鎘大米問(wèn)題的一種極具潛力的方法。

通過(guò)以上多位學(xué)者的研究表明，由不同生物質(zhì)原料制備的生物炭能有效降低土壤中重金屬的可濾出毒性，而且隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，重金屬的可濾出毒性可以得到進(jìn)一步降低。

4.2生物炭對(duì)化肥、農(nóng)藥等有機(jī)污染物的影響

鑒于生物炭結(jié)構(gòu)的特殊性及其物理化學(xué)特性，能夠吸附有機(jī)污染物，已被應(yīng)用于有機(jī)污染物污染的環(huán)境的治理。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能高效去除復(fù)合污染體系中的PAHs（多環(huán)芳烴），對(duì)水溶液中的西維因、莠去津、撲滅通、毒死蜱等有機(jī)農(nóng)藥也具有良好的吸附效果[66-68]。熱解溫度是影響生物炭吸附能力的重要因素，Chen等發(fā)現(xiàn)，松針生物炭能吸附水中的4-硝基甲苯，且隨著炭化溫度的升高，生物炭的吸附能力增強(qiáng)[69]。底泥生物炭對(duì)卡馬西平的Freundlich吸附系數(shù)Kf可由200 ℃時(shí)的216.52 mg/kg升至50 ℃時(shí)的 713.18 mg/kg[70]。同時(shí)，生物炭吸附容量還受外界條件，如pH值、溶液溫度、初始濃度以及生物炭投加量等因素的影響[71-72]。此外，還有研究者對(duì)比了生物炭和活性炭對(duì)污水中活性藍(lán)、羅丹B的吸附效果，發(fā)現(xiàn)生物炭的吸附效果優(yōu)于活性炭[74]。

土壤3中生物炭對(duì)污染物的強(qiáng)吸附活性及明顯的吸附、解吸遲滯（Hysteresis）現(xiàn)象，改變了土壤中污染物的賦存形態(tài)，降低了土壤中污染物的生物有效性。這種作用一方面可降低土壤殘留污染物的生物有效性、減弱生物修復(fù)效果變差及除草劑作用等負(fù)面影響；另一方面可降低污染物對(duì)土壤生物的毒性、污染物對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移污染以及對(duì)地下水源的污染風(fēng)險(xiǎn)。

土壤中添加微量生物炭，對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)成分吸收及植物產(chǎn)量基本沒(méi)有影響，但可降低除草劑的除草效果，并降低植物從土壤中吸收富集農(nóng)藥的作用，從而間接降低土壤殘留農(nóng)藥對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移污染風(fēng)險(xiǎn)[74-75]。隨著土壤中生物炭含量增加，除草劑敵草隆對(duì)稻田稗草的殺蟲(chóng)效果逐漸降低[76]，殘留污染物菲的微生物礦化速率和可提取態(tài)[羥丙基-β-環(huán)糊精（HPCD）提取]含量均逐步降低。當(dāng)土壤中添加生物炭含量超過(guò)0.5%時(shí)，利用HPCD提取對(duì)微生物礦化量之間線性關(guān)系不明顯，表明當(dāng)土壤中生物炭含量增加，用化學(xué)模擬提取的方法預(yù)測(cè)土壤中污染物生物有效性的可靠性降低。生物炭的存在同樣能夠降低沉積物中脂溶性化合物（多環(huán)芳烴和多氯聯(lián)苯）的生物有效性，從而使它們?cè)谏矬w內(nèi)的富集量減少[77]。有研究發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)質(zhì)含量相同的沉積物中，生物炭含量高時(shí)，多氯聯(lián)苯的生物-沉積物累積系數(shù)（BSAF）明顯低。Rust等對(duì)海底沉積物中多環(huán)芳烴在幾種無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)的生物富集現(xiàn)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能降低多環(huán)芳烴的生物有效性[78]。

生物炭對(duì)土壤殘留農(nóng)藥生物有效性的影響程度受生物炭性質(zhì)及農(nóng)藥性質(zhì)等因素影響。生物炭表面積越大、微孔性越強(qiáng)，對(duì)農(nóng)藥吸附活性越大，對(duì)農(nóng)藥生物有效性的影響也越強(qiáng)；對(duì)不同農(nóng)藥而言，親水性越強(qiáng)，被生物炭隔離作用越弱，生物炭對(duì)其生物有效性的影響越小[79]。有研究表明，農(nóng)藥在堿性條件下降解速度加快，但是少量生物炭添加到土壤中對(duì)土壤pH值增加較小[80]，而土壤中農(nóng)藥主要被生物炭吸附隔離，因此農(nóng)藥在添加生物炭的土壤中不但沒(méi)有加速降解，反而延緩了降解的速率。

5展望

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物炭的研究表明，生物炭施入土壤具有固碳減排的作用，而且因其獨(dú)特的性狀，對(duì)于改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收及生長(zhǎng)發(fā)育、修復(fù)和改良污染性土壤具有一定積極作用[81-82]。但是目前關(guān)于生物炭的研究仍存在不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在生物炭制備過(guò)程中，原料、溫度、時(shí)間等條件不同，制備的生物炭性質(zhì)不盡相同，不同領(lǐng)域及研究方向的研究手段也不同，對(duì)于研究結(jié)果也相對(duì)缺乏可比性。而且，我國(guó)地大物博，土壤類(lèi)型及種類(lèi)眾多，不同類(lèi)型的生物炭施入土壤后，對(duì)于土壤的理化性狀方面的表現(xiàn)也不盡相同，因此應(yīng)建立生物炭與土壤關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)不同類(lèi)型土壤、不同地表作物，有針對(duì)性地開(kāi)展相關(guān)研究及數(shù)據(jù)整合，探索因地制宜的生物炭類(lèi)型及施用量。

（2）目前關(guān)于生物炭的研究多集中在室內(nèi)試驗(yàn)和小規(guī)模的田間試驗(yàn)，鮮有開(kāi)展生物炭相關(guān)大田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，與小型模擬試驗(yàn)相比，大田試驗(yàn)具有生物炭用量大、環(huán)境不可控、周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。在生物炭應(yīng)用土壤改良及作物生長(zhǎng)發(fā)育大規(guī)模推廣之前，尚須考慮制備成本、推廣方案、施用方法等因素。

（3）現(xiàn)階段大多數(shù)研究主要集中在生物炭特性與制備影響因素及直接應(yīng)用土壤方面，以生物炭基為核心的土壤改良劑和炭基肥相關(guān)研究較少。因此，針對(duì)以生物炭為載體的肥料及改良劑研究，以及合理定量化配施是今后需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。同時(shí)，對(duì)于生物炭基的農(nóng)作物品種專(zhuān)用肥料是今后的研究重點(diǎn)。

（4）生物炭對(duì)于土壤作物以及生態(tài)環(huán)境功能的研究及影響多集中在宏觀層面，對(duì)于促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高產(chǎn)量等方面在短期內(nèi)效果明顯，但其內(nèi)部作用機(jī)理尚須進(jìn)一步研究和探索。

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