王桂君，王 磊，律其鑫

(長春師范大學，吉林長春 130032)

生物炭對退化和污染土壤的修復作用研究進展

王桂君，王 磊，律其鑫

(長春師范大學，吉林長春 130032)

生物炭是將農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧或無氧條件下通過熱裂解過程而產(chǎn)出的一類多孔的、性質(zhì)穩(wěn)定、高度芳香化、富含碳元素的固態(tài)物質(zhì)。本文綜述了生物炭對退化土壤物理化學性質(zhì)改良的作用；同時分析生物炭對污染土壤的修復作用，以期為生物炭在農(nóng)業(yè)中的可持續(xù)利用提供基礎。

生物炭；土壤退化；土壤污染；土壤修復

土壤的侵蝕、退化和養(yǎng)分虧缺是目前農(nóng)業(yè)面臨的一大問題。此外，工業(yè)“三廢”、農(nóng)藥和化肥的不合理施用，致使污染物在土壤中累積，影響作物生長，威脅農(nóng)產(chǎn)品的安全[1]。而農(nóng)業(yè)廢棄物的大面積焚燒處理也帶來了空氣質(zhì)量的下降。由于生物炭的炭封存作用，使其備受關注，許多研究也表明生物炭多孔和高比表面積的特性使其有極強的吸附能力，一方面能改善土壤物理化學性質(zhì)，另一方面可以吸附土壤中的重金屬及高分子有機污染物等，關于生物炭的對土壤修復的作用研究已受到越來越多的關注。本文探討了生物炭對退化和污染土壤的修復作用，為農(nóng)業(yè)土壤的可持續(xù)利用提供借鑒。

1 生物炭概述

生物炭是生物質(zhì)廢棄物在缺氧或無氧的情況下經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的一類熔點高、性質(zhì)穩(wěn)定、高度芳香化的富含碳元素的物質(zhì)。生物炭中的碳元素含量高，主要由芳香烴、單質(zhì)碳、具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳原子組成，物理化學性質(zhì)穩(wěn)定。在自然環(huán)境中，微生物很難將其分解，因此在理論條件下，生物炭在土壤中可以長期穩(wěn)定存在，在土壤中施用一定比例的生物炭后，相當于把碳封存起來，以此來使氣候變化的環(huán)境效應得到緩解[2]。生物炭可以降低土壤容重，增加土壤團聚體的數(shù)量，改善土壤水氣條件，利于退化土壤的改良。此外，生物炭具有較大的表面積和微孔結(jié)構(gòu)和表面官能團，可吸附土壤中重金屬污染物和有機污染物，降低土壤中污染物的生物有效性，減小其對環(huán)境的風險。

2 生物炭對退化土壤的改良作用

2.1 調(diào)節(jié)土壤理化性狀，改善土壤結(jié)構(gòu)

生物炭可以調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度[2]，降低土壤容重，提高土壤含水量及對水分的保持能力[3],增加土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性，降低土壤張力等[4]。生物炭通過改變侵蝕土壤的結(jié)構(gòu)、泥沙養(yǎng)分等理化性質(zhì)可以減少土壤的侵蝕和淋失。而生物炭對土壤物理結(jié)構(gòu)[5]、土壤緊實度等[6]性狀的改良及對土壤水分的影響與生物炭本身所具有的多孔結(jié)構(gòu)和吸附能力有關[7]。生物炭對土壤持水性的影響與土壤質(zhì)地有關，同時也受到生物炭自身結(jié)構(gòu)與吸濕能力的制約。Dugan等用鋸末和玉米秸稈制成三種不同生物炭研究其對同類型土壤的物理性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭施加后使三種土壤的持水量均有所增加，而對沙質(zhì)土壤的最大持水量的促進作用最強。生物炭的施加能夠調(diào)節(jié)土壤pH值、影響土壤的質(zhì)地、增加土壤的陽離子交換量。因其具有豐富的芳環(huán)結(jié)構(gòu)和大量的表面含氧官能團，可為土壤提供大量離子交換點位。此外，生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，可以交換土壤中的H+和Al3+，降低其濃度，減輕其脅迫作用并調(diào)節(jié)土壤的pH[8]，可用于酸化土壤的改良。

2.2 改善土壤養(yǎng)分條件，提高養(yǎng)分利用率

2.3 影響土壤微生態(tài)環(huán)境和物質(zhì)循環(huán)

生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)不僅能夠使土壤中水氣熱維持在一個良性平衡，而且能儲存土壤養(yǎng)分，作為微生物活動的微環(huán)境。一定量的生物炭施加后能改變土壤生物群落的組成和豐度[15]，這些變化可能影響土壤的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)過程和土壤結(jié)構(gòu),進而影響土壤微生態(tài)系統(tǒng)和植物的生長，同時對土壤有機質(zhì)的循環(huán)也會產(chǎn)生影響[16]。生物炭中大部分碳的化學穩(wěn)定性很強，微生物很難將其中的C、N或者其他營養(yǎng)元素作為能源直接利用。然而由于生物炭特殊的結(jié)構(gòu)特征，有部分元素容易淋濾出來而容易被礦化，利于微生物的吸收利用，增加微生物的活性和豐富度。但是由于土壤微生態(tài)環(huán)境的復雜性、生物炭的性質(zhì)與土壤生物群落的聯(lián)系以及他們在土壤過程中的作用機制和驅(qū)動過程尚不明確[17]。

3 生物炭對污染土壤的修復作用

3.1 降低重金屬元素的生物有效性

生物炭粒徑小，對重金屬污染物具有極強的吸附能力。同時生物炭表面帶有負電荷，能夠高效率的吸附土壤和水體中的重金屬污染物，對污染物起鈍化和固定的作用，以此來降低、去除污染土壤中的重金屬的活性與毒性。生物炭豐富的表面官能團，能提高土壤離子的交換能力，促進重金屬污染物從污染土壤中轉(zhuǎn)移到生物炭表面上，降低重金屬污染物對土壤環(huán)境的危害程度。

3.2 使重金屬毒性降低

生物炭能夠通過離子代換使有毒金屬元素的形態(tài)發(fā)生改變，降低重金屬污染物對植物和土壤的危害。生物炭一般呈堿性，其施加后可以降低土壤中重金屬元素可交換態(tài)的含量。使土壤中危害較大的交換態(tài)、水溶態(tài)和有機重金屬形態(tài)的污染物轉(zhuǎn)變成低毒、無毒的結(jié)合態(tài)重金屬殘渣的形態(tài)，最終使污染土壤得到修復，同時還能提高植物對Mg、Ca等生長必需元素的利用率。

3.3 對有機污染物的作用

研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以降低多環(huán)芳烴的解析[18]，并能降低PCDD[19]、PAHs和有機殺蟲劑[20]等的生物可利用性。從農(nóng)業(yè)的角度，生物炭散布在土壤孔隙中，使土壤中吸收固定的殺蟲劑量有所增加，而減少了進入作物中的有機污染物的量，從而減少了污染物對作物的毒性和植物內(nèi)部的富積作用。生物炭裂解溫度增加，會提高其碳化率，而使其表面積增加，減少了無定型炭的量，從而增加生物炭吸收有機污染物的能力。

4 結(jié)語

生物炭對退化土壤的改良以及污染土壤的修復上有很大的潛能，其作用也得到大量研究的證實，但在實際的應用中，還要充分考慮到生物炭大規(guī)模應用于農(nóng)田后可能產(chǎn)生的生態(tài)影響，并需對大批量、長時間生物炭輸入后生態(tài)環(huán)境的安全性受到的影響進行全方位的科學評估。如是否會在一定的時間內(nèi)發(fā)生被微生物分解并產(chǎn)生溫室氣體、有毒有害物質(zhì)；是否會對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物多樣性造成改變；是否會對全球范圍內(nèi)的生態(tài)平衡造成威脅等[7]。因此，充分考慮農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的復雜性、脆弱性、敏感性和長期性的特點，結(jié)合實際情況，科學合理的選擇和應用生物炭修復技術(shù)，是發(fā)揮生物炭的潛能和應用價值的基本要求。

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ResearchProgressofBiocharonSoilRestorationandRemediation

WANG Gui-jun, WANG Lei, LV Qi-xin

(Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China)

Biochar is a kind of porous,stable,highly aromatic carbon rich material, which is produced by pyrolysis biomass waste under low oxygen condition.In order to give advise for the sustainable utilization of agricultural soil,the improvement of physical-chemical characters and the remediation of polluted soil by adding biochar were discussed in this paper.

biochar；soil degradation；soil pollution；soil remediation

X53

A

2095-7602(2017)12-0083-03

2017-09-12

吉林省教育廳“十二五”科學技術(shù)研究項目“生物炭對吉林西部退化土壤改良及作物生長的影響研究”(2015-366)；吉林省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“生物炭對作物生長性狀及土壤微生態(tài)的影響”(201710205140)。

王桂君(1979- )，女，副教授，博士研究生，從事土壤生態(tài)學研究。