生物炭对土壤重金属修复的作用机理研究综述

生物炭对土壤重金属修复的作用机理研究综述

魏海杉1,2,3,4,5，刘哲1,2,3,4,5，李燕1,2,3,4,5，陈微微1,2,3,4,5，孟婷婷1,2,3,4,5

1. 陕西省土地工程建设集团有限责任公司 陕西西安 710075；

2. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司 陕西西安 710021；

3. 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室 陕西西安 710021；

4. 陕西省土地整治工程技术研究中心 陕西西安 710075；

5. 自然资源部土地工程技术创新中心 陕西西安 710075

摘要:生物炭是一种环境友好型材料，具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，较高的孔隙度和吸附、过滤能力，能够循环可持续利用等特点。本文总结了生物炭的基本特性，结合国内外研究探讨了生物炭在重金属污染修复和农业生产等方面的应用，提出了生物炭未来研究的方向和发展前景，以期为进一步综合应用生物炭提供理论参考。

关键词:生物炭；重金属；污染修复；作用机制

生物炭又称为生物质炭，是由农作物秸秆、废旧木材、畜禽残骸、枯枝落叶和排泄物等生物废弃物在厌氧条件下经过高温热解形成的一种产物[1]。生物炭的理化性质稳定，具有丰富的孔隙结构和表面官能团，其比表面积较大，吸附和过滤能力较强，是一种经济实用的土壤改良剂，具有广泛的适用性和良好的修复效果。近几年来，生物炭在土壤重金属污染修复方面的应用价值逐渐显现，受到国内外研究学者的广泛关注，成为生态学、环境科学和土壤学等多学科研究的热点问题之一。

土壤重金属污染主要包括Cd、Cr、Pb、Hg和As等元素的污染，上述重金属元素对生物体的毒害性较大，并且可以经过食物链传递和进一步累积，引发一系列的食品安全和公众健康问题。通过物理、化学等方法吸附土壤重金属，降低土壤中重金属活性，是现阶段普遍使用的重金属污染土壤修复技术，也是生物炭成为生态学、环境科学和土壤学研究热点的主要原因。

1 生物炭在土壤重金属修复方面的应用

在修复土壤重金属污染方面，生物炭能够改变重金属形态，抑制重金属迁移，达到显著的修复效果。研究表明，大豆秸秆生物炭能够控制污染土壤中重金属Zn、Cu、Pb和Cd元素向空心菜地上部分迁移富集，显著降低空心菜根部重金属含量[2]。研究生物炭对重金属的钝化作用时，发现加入生物炭能够有效降低Zn、Cu、Pb和Cd元素的可移动性，减少土壤中有效态Cd含量[3]。在研究燕麦壳和鸡粪对土壤Cu污染修复的过程中，发现两种生物炭均能够将可交换态Cu转化为残渣态和有机结合态，起到钝化Cu元素的作用，促进植物生长[4]。一方面鸡粪生物炭可以增加土壤pH值，减少了土壤中可交换态Cu的含量，有利于农作物的生长，另一方面鸡粪生物炭增加了土壤微生物的活性，促进了农作物生长，其在重金属修复方面具有良好的应用前景。另外，不同原料生物炭对土壤重金属污染修复的效果不同，竹炭、玉米秸秆等生物炭和猪粪生物炭对土壤Cd元素均具有较好的吸附性能，并且猪粪生物炭的吸附效果最佳[5]。

2 生物炭修复土壤重金属的作用机理

2.1 降低土壤酸度，提高土壤pH值，改善土壤肥力

生物炭呈碱性，对酸性土壤改良和农作物生长具有促进作用。室内培养实验结果表明，添加秸秆生物炭处理的土壤pH值与对照相比呈增加趋势，并且添加的秸秆生物炭pH值越高对土壤的改良效果越理想[6]。生物炭中含有一定量的矿质元素，以碳酸盐、氧化物等形式存在，其溶于水中呈碱性，具有较高的pH值，将生物炭施于酸性土壤中，能够显著降低土壤酸度，提高土壤pH值，生物炭通常可以作为酸性土壤的中和剂。土壤pH值是衡量土壤肥力状况的一项重要指标，与土壤环境和养分状况等具有密切关系。在强酸性红壤和弱酸性黄棕壤中施用同等剂量的生物炭能明显提升土壤pH值，其中强酸性红壤的改良效果优于弱酸性黄棕壤，且随着生物炭施用量的增加，土壤的肥力指标也在一定程度上得到改善。生物炭对于盐碱土的改良具有较大潜力，生物炭对不同地区的盐碱地土壤改良均具有显著效果，但其长期还田的效应尚不明确，还需基于田间试验进行长期大量的数据观测和综合研究。

2.2 改良土壤微生物群落结构，提高土壤微生物活性

生物炭在一定程度上会影响土壤中微生物的活性、丰度和多样性，微生物的改变又在一定程度上影响了土壤的理化性质和肥力状况。生物炭的多孔隙结构，一方面为微生物提供了良好的生存环境，另一方面生物炭可以固持水分和各种养分，保障微生物的营养供给，为土壤微生物生长提供所需的能量和较好的生存条件。施加生物炭会增强微生物在农作物根部的繁殖能力，在一定范围内增加生物炭的施用量，能够增加土壤中各类有益微生物的活性和丰度。生物炭的施用还可以进一步改变土壤中细菌的多样性和农作物根际微生物的群落组成结构。研究结果表明，对连作黄瓜施用生物炭后，土壤细菌数量显著增加，尖孢镰刀菌和真菌数量减少，土壤微生物主要类型由真菌型

转变为细菌型，显著提高了土壤微生物活性、多样性和均匀度[7]。

2.3 提高土壤养分有效性，提升农作物品质，促进农作物增产

土壤养分作为农作物生长的重要影响因素，决定着农作物的品质和产量，进一步影响着农民的收益。生物炭具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，可以作为土壤改良剂，提高土壤养分有效性，促进农作物对养分的吸收，有利于农作物的生长。生物炭的施用效果和土壤环境条件、种植农作物的种类和采用的种植方式等具有密切关系。研究结果表明，生物炭对沙壤土中种植的高粱、马铃薯等农作物的生长发育和增产增收具有促进作用。制备生物炭的原料种类对农作物的产量具有一定的影响，例如，畜禽粪便制备的生物炭增产效果最明显，秸秆和木材等材料制备的生物炭增产效果次之，渣壳类制备的生物炭增产效果则最弱。添加生物炭对农作物生产力影响的研究表明，沙壤土优于壤土，酸性土优于中性土。田间实验结果表明，生物炭对提高南方双季稻区改良土壤酸化、提高水稻产量和增加农民收入效果良好[8]。另外，与单独施用肥料相比，生物炭与肥料混施水稻增产更多。

3 展望

生物炭施加到土壤中，通过调节土壤理化性质、改善土壤质量和肥力状况，能够降低土壤中重金属的含量，改变土壤中微生物的活性、多样性、丰度和群落结构，最终提高农作物产量和品质。因此，生物炭在土壤重金属修复和农业生产方面具有巨大的应用价值和发展前景。未来在探索更多原料来源生物炭的同时，也应对生物炭应用的扩展进行探索，进一步的研究中还应关注以下几个方面：（1）存在于土壤中的重金属污染物成分较复杂多样，目前关于修复土壤中重金属的研究多为针对同类型污染物，尚缺乏综合性研究。（2）生物炭改性技术可以进一步提高生物炭的性能，已经成为当前的研究热点问题之一。（3）目前大部分研究仅针对于短期效果，研究结果缺乏比较性和长期连续性监测，还需进一步开展关于生物炭长期效果的研究。今后，在对生物炭进行应用研究的过程中，应采用更加系统全面的研究方式，从而为生物炭的理论发展提供更加科学合理的数据支撑，使生物炭在土壤重金属污染修复发展方面发挥重要作用。

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（2023-JC-QN-0343）；陕西地建土地工程技术研究院预研项目（2024-NBYY-01, 2022-NBYY-08,2024-NBYY-03）

参考文献

[1]徐东昱, 周怀东, 高博. 生物炭吸附重金属污染物的研究进展[J]. 中国水利水电科学研究院学报(中英文), 2016, 14(1): 7-15.

[2]盘丽珍, 许中坚, 伍泽广, 等. 大豆秸秆生物炭对铅锌尾矿污染土壤的修复作用[J]. 水土保持学报, 2018, 32(5): 325-329+334.

[3]HamzenejadTaghlidabad R, Sepehr E. HeavyMetals Immobilization in Contaminated Soil Bygrape-Pruning-Residue Biochar[J]. Archives of Agronomyand Soil Science, 2017,64(8):1041-1052.

[4]Moore F, Gonzalez M E, Khan N, et al. Copper Immobilization by Biocharand Microbial Community Abundance in Metal-Contaminated Soils[J].The Science of the total environment,2018(616): 960-969.

[5]WANG R Z, HUANG D L, LIU Y G, et al. Investigating the adsorption behavior and the relative distribution of Cd2+ sorption mechanisms on biochars by different feedstock [J]. Bioresource Technology, 2018, 261.

[6]李明, 李忠佩, 刘明, 等. 不同秸秆生物炭对红壤性水稻土养分及微生物群落结构的影响[J]. 中国农业科学, 2015, 48(7): 1361-1369.

[7]王彩云, 武春成, 曹霞, 等. 生物炭对温室黄瓜不同连作年限土壤养分和微生物群落多样性的影响. 应用生态学报, 2019, 30(4): 1359-1366.

[8]廖萍, 汤军, 曾勇军, 等. 生物炭和石灰对酸性稻田水稻产量、土壤性状和经济效益的影响[J]. 中国稻米, 2019, 25(1): 44-48.