生物炭对土壤重金属污染的作用

作为重要的土壤改良剂、污染物质吸附剂的生物炭在农业和环境中具有巨大的应用价值和现实意义，因而受到国内外学者们的普遍关注。本文基于生物炭在农业增产和重金属污染治理方面的国内外研究文献，综述了生物炭的基本特性及对土壤的改良作用，分析了生物炭对土壤肥力及作物增产的影响，阐述了生物炭对土壤重金属污染修复机理,及该域未来的发展动向，以期为生物炭大规模农用提供参考。

生物炭(biochar)也称生物质炭，是指生物质在缺氧或无氧条件下热裂解得到的一类含炭的、稳定的、高度芳香化的固态物质，在广义概念上是黑炭( black carbon)的一种类型，2007年在澳大利亚届国际生物炭会议上取得统一命名，主要施用于农林业土壤。

农业废弃物如木材、秸秆、果壳及工业和城市生活中产生的有机废弃物如垃圾、污泥等都是制备生物炭的重要原料。 生物炭的利用，是一个多赢策略，在利用生物量(包括森林残留、农业残渣、木屑、纸浆和污泥)的同时，还消除了因焚烧、腐烂对环境造成的污染，且热解生产的生物油(bio-oil)缓解了燃料短缺，产生的混合气还可当作生产炭的燃料。生物炭施到土壤，能增加土壤有机物质，提高土壤肥力,使作物增产，同时，生物炭还可降低土壤重金属和农药的污染。

本文综述了近年来生物炭在土壤改良、农作物增产、重金属污染治理等方面的研究进展，,并扼要分析了该域未来的发展动向，为生物炭大规模农用提供参考。

1 、生物炭基本特性

炭化后的生物炭，基本保留了原有生物质的良好孔隙结构，具有较大的孔隙度和比表面积，据报道，污泥生物炭的BET可达32.24 m2 .g-1，是污泥BET的5倍。但不同的原材料和生产环境条件(温度、时间)得到的生物炭，在结构、pH、灰分含量、持水性、表观密度、孔容、比表面积等理化性质上差异很大，其中，热解温度对生物炭理化性质的影响一直是研究的热点。

对生物炭进行元素分析得知，生物炭含有C、H、O、N，还含有丰富的土壤养分元素如N 、P 、Ca、Mg、K及微量元素Mn 、Zn、 Cu等,不同的制备条件及原材料得到的生物炭元素组成大不相同，但共同点是生物炭的含炭量均很高，一般均在70%以上。进一步分析表明，生物炭具有高度芳香化的结构，含有大量酚羟基、羧基和羰基，这些基本性质使生物炭具备了良好的吸附特性及稳定性。

2 、生物炭对土壤的改良作用

生物炭的土壤改良剂功能源于南美亚马逊盆地黑土(Terra Preta)的发现及研究。19世纪,当时生活在亚马逊河流域的人们发现了一种特殊的“黑土壤”，这种称为Terra Preta(TP)土壤是古人类刀耕火种形成的一种特殊的肥沃土壤，其所含的有机炭是普通土壤的3-4倍，对恢复土壤生产力和改良土壤具有重要作用。据报道，酸性土壤占世界可耕种面积的十分之三，酸性条件下可导致铝对植物的毒性，还可引起P、 Mo、Ca和Mg的缺失，这将影响作物的生长和产量，而生物炭大都呈碱性，生物炭施入土壤，对酸性土壤的改良、提高土壤pH值，减轻铝毒性具有显著效果。同时，生物炭能改善土壤的物理结构，影响土壤微生物活性，减少营养元素的流失，调控营养元素的循环。

2.1、对土壤理化性质的影响

土壤的物理性质包括土壤质地结构、土壤比重、土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分等，生物炭对土壤理化性质的改善效果与生物炭施用量和土壤肥力水平有关,不同质地土壤表现出不同的结果,生物炭可以增大土壤的比表面积、能有效降低土壤的容重与密度，增加土壤的总孔隙度、毛管孔隙度与通气孔隙度，有效地保持土壤中的水分，从而促进植物更充分的吸收水分，减少水分的损失等。

2.2 、对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤的重要组成部分，虽然在土壤中的含量很少，却是土壤肥力的重要指标，也是陆地生态系统主要的炭汇来源之一。施用生物质炭可显著提高土壤有机碳的积累，增加土壤有机碳的氧化稳定性，降低土壤水溶性有机炭。添加生物炭有利于土壤有机质的积累和形成，对提高土壤肥力，稳定土壤有机碳库有重要意义。

2.3、对土壤养分的影响

生物炭中含有丰富的有机大分子和空隙结构，施入土壤后较易形成大团聚体，因而可增土壤对养分离子的吸附和保持，使其不易随水冲洗而流失，土壤中大部分的N素储存于各种复杂的有机质中，只有氨化为NH4+和硝化成N03-等才能被植物吸收利用，氨化作用、硝化作用均是在细菌的参与下进行的，生物炭的加入，影响微生物群落，从而导致土壤N循环的变化。

生物炭是一种贫N物质，有高的C/N比，因此，将生物炭施入土壤，由于生物炭对NH4+、N03-有很的吸附作用，可以在短时间内减少土壤有效N素的含量，同时可以减少N素的淋溶损失。

生物炭自身含有一些养分和营养元素，水溶性的 K、Ca、Na、Mg等主要来自生物炭本身，生物炭的P含量可达2773 mg/kg生物炭可提高土壤养分，促进农作物生长，而生物炭对作物产量的增加因土壤类型、生物炭种类及施入量等条件的不同而不同。

3 、生物炭对土壤重金属污染治理作用

3.1 生物炭对土壤重金属形态的影响

生物炭的施用能够显著影响土壤中重金属的形态和迁移行为，生物炭能降低土壤中Pb、Cd的酸可提取态含量，因而降低重金属的生物有效性，对重金属表现出很好的固定效果，

3.2生物炭对重金属有很的吸附能力。

3.3 生物炭对农作物吸收富集重金属的影响

生物炭的施用，降低了土壤重金属的生物有效性，使其固定在土壤中，减少了农作物对重金属的吸收，生物炭可以减少了农作物对重金属的吸收,提高农作物的品质。

4、展望

生物炭是近年来迅速发展起来的热点研究域之一，生物炭取之于农，亦可用之于农，生物炭在农业中的应用具有广阔前景。目前，关于生物炭的基本性质及其在农业应用方面研究已取得了一定的成果，但在以下几方面仍需要进一步的深入研究。

(1) 目前，关于不同生物质原料在不同条件(裂解温度、时间等)下制备的生物炭的特征还未完全弄清楚。研究使用的生物质多种多样，同种生物质在不同条件下制备的生物炭其理化性质存在一定差异，而不同种生物质在相同条件下制备的生物炭其理化性质也存在差异，而具有不同理化性质的生物炭对土壤肥力的改良作用及降低重金属污染方面存在很大差异，所以生物炭基本理化特征还缺乏系统而全面的研究。

(2)生物炭对不同区域不同作物种类的土壤改良效果还缺乏系统的、长期的研究。目前，很多室内及田间模拟实验表明，在短期内生物炭对土壤具有一定的改良作用，但生物炭对土壤的长期效应还需进一步的研究。

(3)生物炭与土壤的相互作用机理还缺乏系统而全面的阐述。大量研究表明，生物炭能提高土壤pH、CEC、持水量、改善土壤微生物群落，但其机理仍需进一步探讨，为生物炭还田提供可靠依据。

(4)生物炭对土壤重金属的有效性和迁移转化的影响作用机制仍需进一步研究，同时，应增加生物炭对土壤重金属污染长期定位实验，进一步阐述生物炭对土壤重金属污染治理的机制。来源：网络，版权归原作者所有。