关于生物炭修复土壤重金属污染的研究进展

史 娜

（河南大学迈阿密学院，河南 开封 475000）

近年来，土壤重金属污染问题日益突出。据统计，我国已有近10%的耕地受到重金属污染。所以土壤重金属污染问题亟需解决。目前，研究出的有效修复技术包括植物修复、化学沉淀等，这些技术具有耗时长、成本高和可能造成二次污染等特点。因此，有学者提出使用相对稳定、经济环保的生物炭材料，将其施入土壤，既能提高土壤的物化或生物特性、降低土壤酸化的危害，还可以增加土壤的保水性和养分有效性等，进而提高农作物产量。因此，被推荐作为修复受重金属污染土壤的一种有益的改良剂。

1 生物炭的制备及基本特征

生物炭是一种将动植物有机残体在低氧或缺氧条件下，高温干馏并热解炭化所形成的一种高度芳香化的难熔性土壤改良剂。常用的制备方法是热裂解技术，依据制备过程中不同的热解温度、速率和停留时间，将其分为慢速热裂解、快速热裂解、气化和水热炭化。

生物炭有巨大的比表面积和孔隙度，表面大量负电荷和较高的电荷密度促使其良好地吸附重金属和有机污染物等。将生物炭施入土壤后，能有效提高土壤pH值和肥力，降低土壤重金属含量，进而减轻土壤中的重金属的毒害。

2 生物炭在土壤重金属污染中的修复机理

生物炭特征的变化及土壤性质的不同会影响生物炭在土壤重金属污染中的作用，从而影响重金属的迁移和生物炭改良土壤后的生物利用度，主要通过两方面的作用：第一，金属与生物炭之间的直接作用；第二，影响土壤特性，从而间接影响金属可用性。

2.1 直接作用

2.1.1 物理吸附、离子交换

生物炭对重金属的吸附主要与其比表面积和孔隙度有关。Qian Tingting[1]等吸附实验表明，在碱性、高温（550℃～650℃）环境制备的小麦秸秆炭具有更强的吸附能力，所以认为碱性条件促进生物炭对重金属离子的吸附固定。

2.1.2 生物炭表面具有较高的阳离子交换量和大量酸性官能团，可提供H+与重金属进行离子交换

赵硕[2]等采用盆栽试验，结果发现，添加高温秸秆生物炭导致黑土阳离子交换量降低；施入高温秸秆生物炭后，交换性Ca2+含量下降，交换性K+和Mg2+含量上升。

2.1.3 络合、沉淀作用

Harvey[3]等发现低温制备的生物炭表面富含官能团中的氢、氮、氧、磷、硫可作为配位原子与重金属离子发生络合反应，更加有效快速地固定重金属，降低重金属的迁移性及毒害作用。且生物炭中含有大量的可溶性碳酸盐与土壤中的重金属反应，产生不溶性化学盐等物质进行沉淀。

除与重金属的直接作用外，生物炭还通过改善土壤条件、提高土壤的pH值等方式，间接作用于重金属。

2.2 间接作用

生物炭对不同类型重金属的迁移能力影响不同。MengJun[4]等添加3%的稻草和猪粪混合制备的生物炭时，对土壤中Pb2+浓度降低幅度最大；混合比例为3∶1制得的生物炭对重金属的固化作用最好。大多数研究表明，向重金属污染的土壤中施用生物炭，能降低重金属的生物有效性及毒性，提高微生物的丰度及活性，改变土壤微生物群落结构，从而减轻重金属带来的毒害。

3 生物炭应用的潜在风险

先前的许多研究都强调生物炭应用的好处，而生物炭应用中的风险值得进一步探究，如改良后的生物炭可能会将所含的有毒物质（如多氯二苯并二恶英）引入土壤，影响植物生长和土壤微生物群落。Li[5]等研究发现，使用老化的生物炭可以增加玉米中乙草胺的积累，这是由于老化生物炭的吸附能力下降。另外，由于生物炭密度低，施入土壤可能会产生粉尘。Li[6]等实验表明用2%核桃壳生物炭处理过的土壤的粉尘排放量高于对照组，且粉尘排放量随施用量增大而增加。人们可能会吸入生物炭粉尘，导致呼吸道炎症。而且不存在空气时，热解产生的生物炭中多环芳烃易在蔬菜中积累，使人类饮食暴露的风险增加，进而增加癌症风险。

基于上述生物炭应用的潜在风险，要对制备过程中产生的废气进行适当处理和净化，并且注意施入碱性土壤时的种类及用量。

4 结语与展望

生物炭作为一种新型高效的有机吸附材料，广泛的应用既能有效解决我国工农业废弃物资源再利用问题，又实现土壤的综合治理与改善。

但当前大多数研究都鲜有涉及其消极影响和应用风险。目前开展的很多试验是室内及短期的，缺乏说服力；结合相关研究发现，对于重金属污染土壤的修复主要集中在单一污染或土壤重金属含量较少。故使用生物炭进行固定时，有必要考虑其对不同种类重金属污染物的修复效果。因此今后的研究要侧重于修复土壤重金属污染后的土地利用情况，全面实现生物炭的多层次利用。