生物炭对土壤重金属形态影响的研究进展

1、    生物炭对土壤重金属形态影响的研究进展    张平屠娟丽黄超群摘要：指出了作为一种新型的吸附剂，生物炭具有良好的结构基础、较大的比表面积以及吸附力，近年来成为环境、能源等领域的关注热点。通过介绍重金属在土壤中的赋存形态，概述了生物炭与土壤的相互作用，包括其在改变土壤ph值、有机质含量、阳离子交换量和氧化还原电位等方面的环境效应，分析了这些效应与土壤重金属形态有效性的关系，展望了生物炭对污染土壤修复的研究方向，以期为生物炭技术的应用和推广提供参考。关键词：生物炭；土壤；重金属；修复：x53：a：16749944（2017）80102031引言土壤重金

2、属污染是由于人类活动导致土壤中重金属含量升高，超出正常范围，造成土壤质量退化与环境恶化的现象。汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的元素被称为重金属污染中的“五毒” 1，它们通过不同的途径进入环境中，即使浓度很小，也可在生物体内积累，产生食物链浓缩，危害人类的身体健康。目前，我国不少地区都遭受着重金属污染的危害，其对粮食作物产生不良影响，时常发生农产品重金属超标事件，国内外都在积极研究有效的重金属污染修复方法，国内外常用的方法有物理修复、化学修复、生物修复、农艺措施修复等 2。利用生物炭作为改良剂，施入污染土壤中，改变土壤的理化性质，属于化学修复方法。生物炭是生物质在供氧不足条件下发生不完

3、全燃烧热裂解后所形成的产物3。目前已有研究证明，生物炭有良好的结构基础、较大的比表面积以及吸附力，因此它是一种良好化学钝化修复剂，可用于土壤重金属污染修复。通过吸附、沉淀、络合、离子交换等一系列反应4，使有效态重金属向稳定化形态转化，降低重金属的有效性，修复污染土壤。2土壤中的重金属赋存形态土壤中重金属的生物有效性不同，对植物的毒害和对环境的污染程度也有所不同，它们与重金属元素在土壤中存在的形态和含量有关 5。1979年tiesser提出形态分析法，对土壤中重金属赋存形式进行分类，将重金属在土壤中分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰（铝）氧化物结合态、有机质及硫化物结合态、残渣态等5种状态6。不同

4、形态的重金属，有效性也不同，有效态重金属的含量与植物吸收利用率成正比。可交换态、碳酸盐结合态、氧化物结合态容易被植物吸收利用，是重金属的有效態；有机结合态和残渣态较稳定，不易被植物吸收利用7。生物炭作为新型的土壤改良剂，能使重金属从有效态向有机结合态和残渣态转化8，对土壤的重金属污染修复有重要的意义。3生物炭对土壤中重金属形态的影响影响土壤中重金属形态的主要土壤性状有ph值、有机质含量、阳离子交换量和氧化还原电位值等9。生物炭加入重金属污染的土壤中，不仅可以直接吸附锁定土壤中的重金属离子，还可以通过影响土壤理化性质，从而改变重金属在土壤中的赋存形态以及含量。3.1生物炭对土壤ph值的影响ph值

5、是土壤的重要理化性质，会影响重金属的水解平衡，使重金属的形态在可交换态和碳酸盐结合态之间互相转化10。一般随着ph值升高，将促进土壤胶体对重金属的吸附，并形成金属碳酸盐和氢氧化物沉淀，土壤重金属的有效性下降。相反，土壤对重金属的吸附随ph值降低而减弱，土壤ph值由中性向酸性条件转化时，有效态重金属的含量随之增加，移动性变大11。生物炭含有一定量的灰分，其中含有以氧化物或碳酸盐形式存在的矿物质元素，溶于水后呈碱性12，添加生物炭后，重金属污染土壤ph值一般会较对照升高。王鹤发现生物炭不仅可以通过简单吸附来降低有效态铅含量，还能通过提高ph值和有机质含量来促进有效态铅向其他形态转化，从而降低土壤中

6、铅的生物有效性13。高瑞丽等在铅、镉复合污染土壤中施用生物炭培养30d后发现添加生物炭处理的ph值比未添加生物炭处理的升高了0.311.05，降低铅、镉的生物有效性，促进铅、镉向更稳定的形态转化 14。郭素华等在铅污染土壤中加入玉米秸秆生物炭后，土壤ph值升高了0.431.32，当生物炭添加量为1%5%之间时，施用量越多，铅生物有效性越低；添加量为5%时，铅生物可利用态降低22.21%15。丁文川等向铅和镉污染土中添加生物炭后，土壤ph值较对照上升了0.350.86单位值，土壤中重金属的酸可提取态含量下降，残渣态含量上升，且热解温度越高的生物炭对铅的修复效果越好，因为热解温度影响了生物炭化学组

7、成结构，改变了重金属的吸附机理，从而对生物炭土壤重金属稳定效果产生显著的影响16。因此，土壤ph值的调节在土壤重金属修复过程中起着非常关键的作用。3.2生物炭对土壤有机质的影响土壤有机质也是影响重金属生物有效性的重要因素，有机质与重金属离子之间可产生静电吸附、络合作用17，影响重金属的可移动性。有机质与重金属离子形成配位络合物，降低其移动性和生物有效性。比起土壤中的其它矿质胶体，有机质对重金属离子的吸附能力要强得多；同时，有机质分解形成的腐殖酸还能与重金属离子形成螯合物18，不易被植物吸收利用。生物炭比土壤有机质对阳离子的吸附能力强，对土壤中重金属的形态和转化有很大影响。易卿等发现添加生物炭能

8、增加土壤有机质含量，且随着添加量（2%6%）的增加土壤有机质含量也随之增加。但随着培养时间的延长，土壤有机质逐渐下降，但仍比未添加生物炭的对照有机质含量要高19。郭素华等在铅污染土壤中加入玉米秸秆生物炭后，有机质含量较对照增加了56.84%277.89%（平均161.4%），铅的酸溶态含量较对照降低了12.21%32.97%15。唐行灿等将玉米秸秆热解制备的生物炭施入铜、铅、镉复合污染土壤，发现生物炭添加的量越大，土壤有机质含量就越高。施加生物炭后，重金属有效态含量减少，有机结合态和残渣态含量增加4。 3.3生物炭对土壤阳离子交换量的影响土壤的阳离子交换量（cec）指土壤胶体所能吸附各种阳离子

9、的总量。生物炭表面富含大量含氧官能团如羧基、羰基和羟基等，带有大量负电荷以及较高的电荷密度，因此生物炭的cec值较高，吸附性能良好。向重金属污染土壤中施用生物炭，将引起土壤cec增大，能够吸附更多的阳离子，使得土壤对重金属的固持作用也增强19。随着生物炭在土壤中存在时间的延长，土壤的cec增加20。易卿等在土壤中加入生物炭后，与不添加生物炭的对照相比，添加量越大，土壤cec值越大。添加水稻、樟木生物炭的土壤培养90d后，土壤cec值均比对照有所增大，土壤有效态镉含量与土壤中有机质的含量呈显著负相关19。张振宇在重金属镉污染土壤中加入生物炭梯度为7.5 t/hm2、15 t/hm2、30 t/h

10、m2，土壤cec呈现显著增加趋势，随着施用生物炭量的提高增幅逐渐增大，分别较增大了4.90%、20.1%和25.8%，增加了土壤对镉离子的固持作用21。杨惟薇等在潮土、水稻土、赤红壤三种土壤中添加生物炭，土壤的cec都显著提高，且在45d的培养时间内，随着培养时间的延长，cec升高越明显，与镉的有效态呈显著负相关，与可氧化态、残渣态呈显著正相关 20。3.4生物炭对土壤氧化还原电位值的影响土壤氧化还原电位（eh）反映了土壤溶液中氧化还原状况，即土壤中氧化态和还原态物质的相对浓度，对土壤重金属的有效性有重要影响11。土壤eh主要取决于土体内的水气比例，土壤中水分较多时氧浓度减少，土壤处于还原状态

11、，eh较低，水分较少时氧浓度增多，土壤处于氧化状态，eh较高22。土壤中水分条件的变化会导致eh发生相应的改变，直接影响到铁、锰、硫在土壤中的状态，进而影响土壤重金属的形态转化，与重金属的环境毒性有显著相关性15。施加生物炭之后土壤的持水能力和供水能力得到提高，生物炭用量多的土壤涵养水分的能力强，土壤较为湿润，此时土壤的eh降低，而土壤中大多数重金属元素是亲硫元素，在低eh的土壤环境下易生成难溶性硫化物，从而降低重金属的毒性和危害；在高eh的土壤环境下，难溶性硫化物逐渐转化为易溶性硫酸盐，重金属的有机结合态在此条件下较不稳定，重金属的生物有效性和移动性增加17。王艳阳等进行了不同生物炭施加量的

12、土壤水分入渗及其分布特性研究，發现生物炭的施加能够改善黑土区土壤持水能力和水分入渗特性，有利于作物生长23。李剑睿发现在镉污染水稻土中添加生物炭与有机肥，土壤氧化还原电位显著降低（p<0.05），增加土壤fe2+等还原态阳离子，促进了土壤中fe2+与 cd2+对根表点位的竞争吸附，造成镉含量显著下降11。生物炭对土壤理化性质的影响，并不是单一的引起某一性质的改变，而是会产生一系列的反应，引起多方面的改变，这些改变共同发生作用。生物炭的添加除了改变土壤的ph值、有机质含量、阳离子交换量和氧化还原电位以外，还会影响土壤的微生物的数量和活性、调控土壤中营养元素的循环等，这些性质的改变，都会对土

13、壤重金属的赋存形态产生影响。综上所述，生物炭自身独特的性质使其具有修复土壤重金属污染的潜能。4研究展望生物炭的施用虽然已被证明具有许多优势，但还有几个方面的研究仍有不足，还需深入开展。首先，目前许多试验都是针对单一生物炭治理某一种重金属污染，然而污染土壤一般为两种以上的重金属复合污染，一种单一的生物炭可能对一些重金属起固定作用，而对另一些重金属起活化作用，因此会造成一定的环境风险。将来应开发各种形式的生物炭复合材料，如各种生物炭复合或生物炭与其他吸附材料复合，研究复合材料对重金属复合污染土壤的修复。其次，多数研究都是室内或盆栽实验，未来可多开展大田试验，研究生物炭施入土壤后，对污染土壤的修复效

14、果，并加强其对土壤质量影响的研究。最后，还应重视生物炭对土壤的长期效应，研究其对重金属的固化是否稳定，是否可能再次活化而造成二次污染。参考文献：1张格丽. 国内外农业镉污染研究现状及其发展趋势分析j. 农业环境保护， 1997， 16（3）： 114117.2郭文娟， 梁学峰， 林大松， 等. 生物炭对镉污染土壤的修复效应及其环境影响行为j. 环境科学， 2013， 34（9）： 37163720.3antal m.j.， gronli m. the art， science and technology of charcoal productionj. industrial and engi

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