羅禮斌

（貴州雛陽生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰?，貴州 貴陽 550081）

引言

隨著工業(yè)化和城市化的加速發(fā)展，土壤重金屬污染問題逐漸引起人們的重視。這些重金屬元素在農業(yè)土壤中的積累和持續(xù)污染，不僅會影響作物的生長和產量，而且還會對人體健康產生潛在威脅。為了解決這一問題，生物炭作為一種新型土壤改良劑，被廣泛應用于農業(yè)土壤重金屬污染修復中。生物炭具有高度的孔隙度和較大的比表面積，可以吸附并固定土壤中的重金屬離子，同時也能提高土壤的肥力和保水性，改善土壤結構和微生物群落，為植物提供養(yǎng)分和良好的生長環(huán)境。因此，生物炭在農業(yè)土壤重金屬污染修復中的應用前景十分廣闊。

1 相關概念介紹

1.1 生物炭

生物炭是一種經過高溫熱解或炭化處理的有機材料，通常由植物殘留物、農業(yè)廢棄物、木材等原材料制成。它是一種碳質固體材料，具有高度的孔隙度和較大的比表面積，內部的孔隙可以吸附和固定水分、營養(yǎng)物質和有害物質，同時也能提供良好的棲息地和生長環(huán)境，促進土壤微生物群落的發(fā)展和活動。生物炭的生產過程是一個炭化過程，因此生物炭中的碳是一種穩(wěn)定的有機質，不容易分解，因此可以長期存儲在土壤中，對土壤的肥力和結構改善產生較為持久的效果。生物炭的應用領域十分廣泛，包括農業(yè)、環(huán)保、園藝、建材、能源等領域[1]。

1.2 農業(yè)土壤

農業(yè)土壤是指用于農業(yè)生產的土壤，它是農業(yè)生產的基礎條件和關鍵環(huán)節(jié)。農業(yè)土壤包括農田土壤、果園土壤、茶園土壤、林地土壤等，它們在不同的農業(yè)生產條件下具有不同的物理、化學和生物性質。農業(yè)土壤的物理性質包括土壤質地、土壤結構、土壤密度等，這些特性對水分和氣體的滲透、植物根系的生長和土壤肥力有重要影響。農業(yè)土壤的化學性質涉及土壤pH值、土壤有機質、土壤養(yǎng)分、土壤微生物等因素，這些特性對植物吸收利用養(yǎng)分和生長發(fā)育有很大影響。農業(yè)土壤的生物性質包括土壤微生物群落、土壤動物群落等，這些生物因素對土壤生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)平衡的維持和促進具有重要作用。農業(yè)土壤的合理管理和保護是維持農業(yè)生產可持續(xù)性的重要因素。

1.3 重金屬污染

重金屬污染是指環(huán)境中某些元素或化合物的含量超過環(huán)境背景值，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產生潛在威脅的現(xiàn)象。重金屬是指相對原子質量較大的金屬元素，例如鉛、鎘、汞、鉻、銅、鋅等。這些元素在自然環(huán)境中普遍存在，但它們也是一些工業(yè)廢水、農藥、化肥、電池、涂料、垃圾、尾礦等產業(yè)和生活廢棄物的主要組成部分。人類活動會將這些重金屬排放到環(huán)境中，導致土壤、水體、大氣等環(huán)境介質的重金屬污染。重金屬的富集和積累可能對生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆轉的損害，同時也對人類健康產生潛在威脅，如導致慢性中毒、神經系統(tǒng)損傷、生殖系統(tǒng)損害、癌癥等。因此，重金屬污染已成為一個全球性的環(huán)境問題，需要采取有效措施進行治理和預防。

2 生物炭在農業(yè)土壤重金屬污染修復中應用的必要性

隨著人類活動的不斷增加，環(huán)境污染已經成為一個全球性的問題，其中重金屬污染是影響環(huán)境質量和人類健康的重要問題之一。農業(yè)土壤是重要的生態(tài)系統(tǒng)組成部分，其質量對糧食安全和人類健康至關重要。因此，對重金屬污染的農業(yè)土壤進行修復已經成為一個緊迫的任務。生物炭作為一種新型的修復材料，已經得到了廣泛的關注和研究。

首先，生物炭具有很強的吸附能力，可以有效吸附重金屬離子，降低重金屬在土壤中的有效性和毒性，防止其進入植物體內，從而減少了對植物的危害。吸附重金屬的機理主要是生物炭的高比表面積和孔隙度，這些特性使得生物炭表面具有很強的吸附能力。研究表明，生物炭可以有效吸附Cd、Pb、Cu、Zn等重金屬離子，同時還能吸附有機污染物和氮、磷等營養(yǎng)元素，從而實現(xiàn)對土壤的綜合修復。其次，生物炭可以改善土壤的物理性質和化學性質，提高土壤肥力，促進植物生長。生物炭具有豐富的孔隙結構和微生物生態(tài)環(huán)境，可以增加土壤透氣性和保水性，改善土壤結構，增強土壤肥力，提高植物的生長質量和產量。此外，生物炭還能促進土壤微生物群落的發(fā)展和活動，增加土壤有機質含量，提高土壤肥力和土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而為土壤修復提供更為全面和持久的解決方案。再次，生物炭的制備成本低廉，可以利用農業(yè)廢棄物等原材料制備，同時生物炭的應用不會對環(huán)境造成二次污染。相比傳統(tǒng)的化學修復方法，生物炭的制備成本更低，生產過程更為環(huán)保，不會產生二次污染問題。此外，生物炭還可以回收利用廢棄物資源，如利用農業(yè)秸稈、木屑、果殼等制備生物炭，可實現(xiàn)資源的有效利用和環(huán)境的綜合治理。這種低成本、環(huán)保、可持續(xù)的修復方式，在農村地區(qū)和發(fā)展中國家得到廣泛應用。最后，生物炭在土壤重金屬污染修復中的應用具有較好的效果，修復效果穩(wěn)定可靠，可以長期維持。因此，在農業(yè)土壤重金屬污染修復中應用生物炭是一種可行、可持續(xù)的修復方案，可以為實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供有效的支持和保障。

3 生物炭在農業(yè)土壤重金屬污染修復應用中存在的問題

3.1 涂層過厚

在農業(yè)土壤重金屬污染修復中，生物炭是一種廣泛應用的修復材料。然而，生物炭在應用過程中也存在一些問題。其中一個問題就是涂層過厚，涂層過厚可能會導致生物炭與土壤的接觸面積減少，影響其修復效果。

首先，涂層過厚會影響生物炭的吸附能力。生物炭的吸附能力與其比表面積密切相關。涂層過厚會減少生物炭的比表面積，從而降低其吸附能力。因此，涂層過厚可能會導致生物炭對重金屬離子的吸附效果不佳，影響其修復效果。尤其是在重金屬污染較為嚴重的土壤中，涂層過厚可能會導致生物炭與土壤的接觸面積不足，無法有效吸附重金屬離子。

其次，涂層過厚可能會導致生物炭在土壤中的遷移和擴散受阻。生物炭在土壤中的遷移和擴散對其修復效果有重要影響。涂層過厚時會降低生物炭的滲透性和滲透率，從而導致其在土壤中的遷移和擴散受阻，這可能會影響生物炭對污染源的覆蓋和修復效果。因此，在生物炭的應用過程中，相關人員需要對涂層厚度進行控制，避免過厚的涂層對生物炭的修復效果產生不良影響[2]。

3.2 造成土壤堿化

3.2.1 生物炭堿性較高

生物炭是一種碳質材料，其pH值通常在8～9之間，屬于弱堿性物質。由于生物炭的孔隙較多，比表面積大，因此在土壤中容易釋放出較多的氫氧根離子和碳酸根離子，從而導致土壤pH值升高，進而造成土壤堿化。土壤堿化不僅影響農作物的生長和產量，還會導致土壤中的重金屬離子被釋放，進一步惡化土壤環(huán)境。

3.2.2 過量施用生物炭

為了提高生物炭修復重金屬污染土壤的效果，某些工作人員會過量施用生物炭。過量施用生物炭會增加土壤堿性風險，而且生物炭在土壤中的降解速度較慢，容易累積，從而導致土壤pH值長時間處于高水平，進一步加劇土壤堿化的程度。

3.2.3 生物炭對土壤微生物的影響

生物炭的應用不僅影響土壤pH值，還可能對土壤微生物的生長和活性產生影響。一些研究表明，生物炭的應用會導致土壤中微生物數量和多樣性的降低，這可能會影響土壤的生物學功能，進而影響農作物的生長和發(fā)育。

3.3 造成微生物群落改變

生物炭作為一種天然、環(huán)保、多功能的材料，近年來被廣泛應用于農業(yè)土壤重金屬污染的修復。然而，其應用也存在一些問題，其中之一是可能對土壤微生物群落產生影響，進而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3.1 過度富含炭質

生物炭是以生物質為原料炭化而成的，其主要成分為碳。因此，生物炭對土壤的碳含量具有顯著的增加作用。然而，過量的生物炭可能導致土壤碳含量過高，進而改變土壤微生物群落的組成和豐度，從而影響土壤的肥力和健康狀況。

3.3.2 抑制土壤微生物活性

生物炭中的化學物質可能對土壤微生物的生長和活性產生影響。生物炭中的有機物和氮素含量較低，可能導致土壤微生物的生長和代謝減緩，從而影響土壤的肥力和養(yǎng)分循環(huán)。

3.3.3 微生物群落的選擇性生長

生物炭在土壤中的存在可能會促進某些微生物群落的生長，并抑制其他微生物群落的生長。例如，生物炭中的孔隙結構可以提供特定的微環(huán)境，使得某些菌株得到更好的生長條件，而其他菌株則可能因為缺乏適宜的生長環(huán)境而受到影響。這種微生物群落的選擇性生長可能會影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能。

3.4 潛在的環(huán)境風險

3.4.1 生物炭的長期穩(wěn)定性問題

生物炭的應用需要考慮其在土壤中的長期穩(wěn)定性，以免對土壤環(huán)境產生不良影響。長期的降解過程可能會釋放出有害物質，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定性。因此，研究人員需要對生物炭進行相關的降解實驗，以評估其在土壤中的穩(wěn)定性，同時探索降解的機制和影響因素。

3.4.2 生物炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響

生物炭的應用也可能會對土壤生態(tài)系統(tǒng)產生潛在影響，如影響土壤微生物的種類和數量、影響土壤水分和氮素的含量等。相關人員需要對生物炭的應用進行深入研究，以評估其對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，并探索其應用的最佳方案，以減少其對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。

3.4.3 生物炭的再利用和處理問題

生物炭作為一種生物質能源的副產品，如果不加以處理和再利用，可能會對環(huán)境造成潛在危害。目前，生物炭的處理和再利用方案還需要進行進一步的研究和探索，以實現(xiàn)對生物炭的高效利用和環(huán)境友好處理。

4 生物炭修復農業(yè)土壤重金屬污染的對策建議

4.1 控制涂層厚度

在實際應用中，涂層過厚往往會導致一系列問題，影響修復效果。因此，控制生物炭涂層厚度是解決問題的關鍵之一。

4.1.1 優(yōu)化涂層制備工藝

涂層過厚的問題在很大程度上源于涂層制備工藝不夠精細，因此優(yōu)化涂層制備工藝可以有效解決這一問題。首先，可以采用更加細致的涂層制備方法，例如噴霧干燥、浸漬法、溶膠-凝膠法等，以確保生物炭涂層的均勻性和厚度。其次，可以通過調整涂層材料和添加劑的比例，優(yōu)化涂層材料的性能，提高涂層的質量和穩(wěn)定性。例如在涂層中添加少量的表面活性劑、增稠劑或分散劑等，可以提高涂層材料的流動性、降低粘度、增加分散度，從而達到控制涂層厚度的目的。

4.1.2 加強涂層質量檢測

為了避免涂層過厚的問題，加強涂層質量檢測非常必要。具體而言，可以通過多種手段對生物炭涂層進行檢測，如顯微鏡、電子顯微鏡、X射線衍射、傅里葉變換紅外光譜等。這些檢測手段可以幫助我們了解生物炭涂層的結構和形貌，以及涂層的厚度、均勻性等方面的信息。通過對檢測數據的分析，相關人員可以及時發(fā)現(xiàn)涂層過厚的問題，并采取相應措施予以解決。

4.1.3 探索新型涂層材料

除了優(yōu)化涂層制備工藝和加強涂層質量檢測外，探索新型涂層材料也是解決涂層過厚問題的一種途徑。目前，有不少研究者致力于研發(fā)高性能、低成本、環(huán)保型的涂層材料，如聚合物、納米材料、生物材料等，這些新型涂層材料在生物炭修復重金屬污染土壤中的應用越來越受到關注。

4.2 與酸性材料混合使用

生物炭在農業(yè)土壤重金屬污染修復中的應用已經取得了一定成效，但是在使用過程中還存在一些問題，如與酸性材料混合使用可能導致效果下降或出現(xiàn)不良反應等。

4.2.1 選擇合適的酸性材料

在與酸性材料混合使用時，首先要選擇合適的酸性材料，避免選擇過于強酸性或含有大量有害物質的材料。此外，還需要根據土壤重金屬含量和類型等因素，選用適當的酸性材料，如硫酸、鹽酸、醋酸等。正確選擇酸性材料可以降低與生物炭混合使用時出現(xiàn)的不良反應和效果下降等問題。

4.2.2 控制混合比例

混合使用酸性材料和生物炭時，需要控制好兩者的混合比例，避免出現(xiàn)過多酸性材料導致土壤酸性過高，影響植物生長和土壤生態(tài)環(huán)境的平衡。此外，過高的酸性物質含量還可能導致生物炭中的有機物質被分解，從而影響其在土壤修復中的作用。因此，相關人員需要在混合使用時控制好比例，以達到最佳的修復效果。

4.2.3 考慮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時，還需要考慮兩者的相容性，避免出現(xiàn)不良反應。一些研究表明，使用過于強酸性的材料或酸性材料與生物炭不相容的情況下，會出現(xiàn)生物炭表面的物質溶解、顏色變化等現(xiàn)象。因此，在選擇酸性材料和生物炭進行混合時，需要進行實驗驗證相容性，或者選擇已有相容性證明的酸性材料。

4.3 指定生物炭處理方法

4.3.1 依據污染物種類和濃度選擇最適合的生物炭種類和投放量

不同的生物炭種類對不同的重金屬有不同的吸附能力，而且生物炭的吸附能力也受到其制備工藝和投放量的影響。因此，在選擇生物炭處理方法時，應該根據土壤中污染物的種類和濃度，選擇最適合的生物炭種類和投放量，以達到最佳的修復效果。例如，當土壤中存在高濃度的鎘時，可以選擇吸附鎘能力較強的木質生物炭，并適當增加投放量，以提升修復效果。

4.3.2 注意生物炭的處理方式和投放深度

生物炭的處理方式和投放深度也會對修復效果產生影響。一般來說，生物炭的處理方式主要有混合投放和局部施用兩種。在混合投放時，應注意將生物炭與土壤混合均勻，以確保重金屬污染物和生物炭能夠充分接觸和反應。而局部施用時，應注意將生物炭投放到污染物較為集中的區(qū)域，以提升修復效果。一般來說，投放深度越深，修復效果就越好，但投放深度過深也會增加投入成本和操作難度。

4.3.3 加強對生物炭的質量控制和監(jiān)測

生物炭的質量對其修復效果有直接影響，因此需要加強對其的質量控制和監(jiān)測。在生物炭的制備過程中，相關人員需要注意原料的選擇、制備工藝的控制和后處理的操作，以確保生物炭的質量符合要求。此外，在生物炭的投放和使用過程中，也需要進行監(jiān)測和評估，以及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保修復效果和環(huán)境安全。

4.4 做好環(huán)境風險評估

生物炭作為一種新型修復材料，在農業(yè)土壤重金屬污染修復中具有重要的應用價值。但是，在應用過程中，仍然存在潛在的環(huán)境風險，需要相關人員做好環(huán)境風險評估以避免風險。

4.4.1 了解生物炭的特性

生物炭作為一種復雜的材料，具有多種物理和化學特性，如比表面積、孔徑分布、微觀結構、吸附性能、固碳能力等。因此，在應用生物炭修復農業(yè)土壤重金屬污染前，相關人員需要對其物理和化學特性進行全面、深入地了解，以便更好地評估其潛在的環(huán)境風險。

4.4.2 開展環(huán)境風險評估

生物炭在修復農業(yè)土壤重金屬污染時，可能會對土壤微生物、生態(tài)系統(tǒng)等造成一定的影響。因此，在使用生物炭進行修復前，相關部門及人員應進行環(huán)境風險評估，對其對環(huán)境的影響進行科學、系統(tǒng)地評估和預測，確定使用條件和注意事項，并制定相應的環(huán)境保護措施。

4.4.3 加強監(jiān)管和管理

為了保障生物炭應用的安全性和可持續(xù)性，相關部門需要加強對其生產、銷售、使用等環(huán)節(jié)的監(jiān)管和管理。同時，還需要建立生物炭應用的跟蹤和評估體系，對其在農業(yè)土壤重金屬污染修復中的實際應用效果進行評估和監(jiān)測，以及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的環(huán)境問題，保障環(huán)境和公眾的健康及安全。

5 結語

綜上所述，生物炭在農業(yè)土壤重金屬污染修復中的應用具有很大潛力，但也存在一些問題需要解決。其中，涂層過厚、堿化、微生物群落改變、潛在的環(huán)境風險等都是需要關注和控制的問題。為此，本文建議采取優(yōu)化涂層制備工藝、探索新型涂層材料、與酸性材料混合使用、指定生物炭處理方法、做好環(huán)境風險評估等措施來解決這些問題。通過不斷地研究和探索，相信生物炭在農業(yè)土壤重金屬污染修復中的應用會越來越成熟和可靠，為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護做出更大的貢獻。