生物炭在土壤環境中的應用研究及展望

李慶維，趙霞，魏晉飛，張瑞

(蘭州理工大學 石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

人類發展過程中對生態環境的破壞導致土壤質量日益惡化，使得農業的發展受到了極大的影響。生物炭是一種多功能的吸附材料，來源于亞馬遜河存在的一種黑色的肥沃土壤，研究人員在這種土壤中種植的農作物產量要比普通土壤高，從而引起了人們的廣泛興趣，經過多年的研究與發展，在2007年澳大利亞國際生物炭會議上取得統一命名[1-4]。生物炭被定義為在微氧或無氧條件下經過低溫熱分解得到的富碳固體，其自身的多孔結構有利于土壤中各種離子的平衡與調控，對農作物所需營養物質所表現出的強吸附性可以有效改善土壤質量。

1 生物炭的基本特征

生物炭主要由C、H、O、N等元素組成，且含有豐富的礦質元素，施加到土壤中可以提供給土壤必需的營養并提高土壤肥力[5-7]。與傳統的活性炭等炭材料相比，生物炭的組分中含有大量的芳香族基團，特別是溶解的芳香族基團結構比例較大，從而呈現高度的穩定性[8]。又因生物炭具有豐富的多孔結構以及較大的比表面積和良好的通氣性、透水性，所以可以作為土壤微生物生長的媒介、改變土壤中微生物的群落結構以及大幅度提高土壤整體的養分含量和含水率[5，9-10]。

生物炭是一種呈堿性的含碳有機體，其特征受制備原材料以及制備條件的影響。如生物炭的粒徑分布與原材料本身關系比較密切；生物炭的密度會隨著熱解溫度和加熱滯留時間的延長而增加；表面的一些化學性質如親水性、疏水性和酸堿性等都會受到熱解條件和原料的影響[1]。一些生物炭具有顯著的陰離子交換容量[11-12]，從而對農作物吸取營養元素的循環起到調節作用，提高土壤pH并改善土壤質地，為有益微生物的生存提供良好的發育環境。

2 生物炭在土壤中的應用

2.1 生物炭對土壤不同污染物的吸附

土壤中的污染物種類繁多，大致可分為以下幾類：①物理污染物。主要包括工廠、礦山等產生的固體廢棄物如工業垃圾等。②化學污染物。包括無機污染物和有機污染物，無機污染物包括如汞、鎘、鎳、鈷等重金屬，過量的氮、磷等營養元素以及氧化物和硫化物等;有機污染物包括各種化學農藥、石油及其裂解產物，以及其他各類有機合成產物等。③生物污染物。通常指攜帶各種病菌的城市垃圾以及由衛生設施排出的廢水、廢物等。④放射性污染物。主要存在于核原料開采地區和大氣層核爆炸地區，以鍶和銫等在土壤中生存期長的放射性元素為主。實際上，土壤污染多為復合型污染，即多種污染情況同時存在。本文主要介紹生物炭對重金屬、農藥等土壤污染物的吸附。

2.1.1 生物炭對重金屬的吸附 土壤中的重金屬污染物主要有銅、鉛、鋅、錫、鎳、鈷、銻、汞、鎘和鉍等，主要來源于污水灌溉、礦山金屬開采、汽車尾氣排放以及工業生產等[13-14]。重金屬不僅會污染土壤，也會危害動植物、土壤微生物甚至人類的健康。重金屬通過不同途徑進入土壤后，不易被土壤中的微生物分解，因此在土壤中不斷累積，并通過吸收和富集等作用進入到植物以及其他生物，隨著生物鏈作用在動物以及人類體內蓄積，危害到動植物和人類的健康[13]。

生物炭因其具有較大的比表面積，較高的pH以及陽離子交換量，并在其表面含有較豐富的含氧官能團，不僅可以增加土壤對重金屬的靜電，增加土壤pH值，也可以與重金屬形成表面絡合物從而吸附土壤中的重金屬，有助于穩定重金屬，降低土壤中的重金屬含量，減少重金屬危害[15-16]。用不同原料或在不同條件下制備的生物炭在吸附重金屬時存在差異。Agrafioti等[17]從稻殼、城市固體廢物和污水污泥的有機組分，以及砂壤土中提取的生物炭，用來吸附As(Ⅴ)、Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，實驗表明從污泥中提取的生物炭可以有效地去除89%的Cr(Ⅵ)和53%的As(Ⅴ)。Pan等[18]分別用花生、大豆、油菜籽和稻谷秸稈生成的生物炭從酸性水溶液中吸附Cr(Ⅲ)，通過一系列實驗以及對比，得出四種不同生物炭對Cr(Ⅲ)的吸附能力先后順序為：花生秸稈生物炭>大豆秸稈生物炭>油菜秸稈生物炭>稻谷秸稈生物炭。丁文川等[19]分別在300，500，700 ℃熱解溫度下制備生物炭，以研究對土壤中Pb 和 Cd的形態變化的影響，實驗最終表明不同熱解溫度生物炭對Pb污染土壤的改良順序為：700 ℃>500 ℃>300 ℃。由此可知，不同原材料和不同熱解溫度制得的生物炭對重金屬的吸附效果不同。當然，還有其他因素影響生物炭對重金屬的吸附，例如環境中的pH，在吸附過程中投加的生物炭的量，以及環境中腐殖酸的影響等因素。丁文川等[20]通過實驗分析等得出結論，加入腐殖酸能夠顯著促進生物炭對Cr(Ⅵ)的吸附。

2.1.2 生物炭對農藥的吸附 隨著世界人口的不斷增加，人類對糧食的需求量也大大提高，然而農業總是受到害蟲的不利影響，導致每年有高達45%的農作物被損害，因此在農業上使用農藥是改善農作物質量常用到的方法，另外人們為了提高農作物產量大量施用化肥。但是由于缺乏完善的管理機制，以及人們環保意識普遍偏低，過量的使用農藥以及化肥造成有超過99%的殘余滯留在土壤中，被長期污染的土壤會出現明顯的酸化現象，土壤養分(氮、磷、鉀等)隨污染程度加重而減少，并且造成土壤空隙度變小，從而造成土壤結構板結。農藥的過度使用也會造成對土壤生物的危害[21]。

生物炭之所以能夠吸附土壤中的農藥取決于它自身獨特的理化性質。生物炭的表面能較高而且比表面積較大，包含了酚羥基和羧基等含氧官能團，并且有高度的芳香化結構，這些性質使得它擁有良好的吸附特性[15，21]。生物炭對農藥的吸附過程包括三個方面，表面吸附、分配作用以及孔隙截留[22]。生物炭對農藥的吸附受很多方面的影響，比如生物炭的種類、農藥的種類、熱解溫度、施加的生物炭的量等。Gregory等[23]在受控制的溫室條件下，利用柳樹生物炭作為土壤改良劑導致土壤微生物活性增加，最終使DDT(及其產物)減少了25%，林丹減少了75% 。張耀等[24]分別在烏柵土、黑土、紅壤以及潮土中分析了2，4，6-TCP的淋溶遷移性，并分別使用果殼、稻稈以及椰殼為原材料制成的生物炭吸附四種土壤中的2，4，6-TCP，結果表明椰果生物炭對2，4，6-TCP的吸附效果最佳。生物炭不僅對農藥有很好的吸附效果，對土壤吸附有機物也可以起到促進作用。饒瀟瀟等[25]利用花生殼生物炭對土壤吸附鄰苯二甲酸二甲酯進行研究，實驗中分別在 450 ℃ 和700 ℃兩個溫度下分別熱解2 h和4 h制備四種不同的生物炭，并將制備的生物炭進行標記PSBX-Y，X表示碳化溫度，Y表示碳化時間，實驗數據表明四種生物炭對土壤吸附鄰苯二甲酸二甲酯的增強作用不同，優良順序為PSB700-4>PSB700-2>PSB450-4>PSB450-2，因此，提高碳化溫度和碳化時間更有助于土壤對有機物的吸收。

2.2 生物炭的其他應用

生物炭因其具有巨大的比表面積和豐富的官能團，以及其富碳的性質，在農業領域內起到至關重要的作用，主要可以作為土壤改良劑，也可以固碳減排。

2.2.1 土壤改良劑 生物炭的施加會改變土壤的理化性質。生物炭施加到土壤后，可以降低土壤的容重、增加土壤的孔隙度、有效的保持土壤水分，并且可以提高土壤陽離子交換量、土壤的pH，增加土壤有機碳的含量等[26]。Pandit等[27]研究發現，生物炭的施加可以顯著提高土壤的水分含量、pH、土壤養分供應率以及土壤陽離子交換率。房彬等[28]通過對土壤分別施加20，50，100 t/hm2的生物炭，和空白組實驗進行比對，結果發現土壤容重分別降低了3.5%，14.6%和32.5%，土壤年均pH分別增加了0.10，0.19和0.20個單位，土壤有機質含量分別提高44.9%，137.7%和297.2%，并且油菜籽產量分別提高了15.7%，33.6%和35.4%，玉米產量分別增加了7.6%，11.1%和20.3%，說明生物炭不但可以改變土壤的理化性質，還可以促進農作物的增產。另外，生物炭的施加還可以減少土壤養分的淋失，提高土壤養分的利用率。

2.2.2 固碳減排 生物炭本身具有高度的穩定性并且含有豐富的碳含量，因此在其生產和運輸等過程中可以避免生物質中的碳素因微生物分解等途徑而進入大氣，從而可以起到固碳減排、減少溫室氣體排放等作用。

植物進行光合作用所固定的有機碳可以被生物炭轉化為惰性碳，因此可以不被土壤微生物迅速礦化，從而可以實現固碳減排。生物炭也可以減少農用土壤中溫室氣體的排放。Bamminger等[29]通過實驗計算生物炭在土壤中吸收的二氧化碳當量的數量可能抵消了20多年來氣候變暖導致的土壤溫室氣體排放量的增加，這凸顯了生物炭作為一種工具來抵消土壤溫室氣體排放的價值。Case等[30]研究結果表明，在接近飽和的受精土壤中，生物炭抑制累積土壤N2O產量達91%，不過，目前還不清楚生物炭如何以及在何種環境條件下持續抑制土壤N2O排放。

3 結語與展望

生物炭在土壤及農業環境中的應用研究存在非常好的發展潛力，在土壤中的貢獻不僅能夠有效改善環境，還可以開拓多元化的資源利用模式，對土壤治理、維持生態平衡以及農業環境的可持續發展具有重要意義。當前農業環境污染程度較大，使得可持續發展戰略面臨巨大挑戰，因此生物炭為土壤治理提供了一個全新有效的解決思路。但是，目前生物炭的制備材料種類繁多，不同的生物炭理化性質大不相同，因此可通過不同原料和控制條件對生物炭性能進一步優化，使其能對不同污染類型的土壤進行有效改良。目前國內外對生物炭的研究已不僅限于其本身，已有部分學者將生物炭與其他材料例如納米材料、無機材料和磁性材料結合制備新的復合材料，其在結構和性能上要優于原單一材料，對污染物的去除效果也更加明顯。但一些材料對于土壤中微生物具有毒性作用，生物炭復合材料施加到土壤是否會導致原有微生物種類和數量的下降，進而影響土壤環境質量。另外生物炭和所用材料對污染物均具有吸附效果，并且生物炭與所添加的材料之間會產生作用，對于生物炭復合材料對于污染物的吸附缺少定量化的分析。因此對生物炭復合材料仍需要進一步的研究，為其更高效的應用于土壤提供更科學的依據。