生物炭在铅、镉污染土壤修复中的研究进展

Hans Journal of Soil Science 土壤科学, 2018, 6(4), 108-114Published Online October 2018 in Hans. /journal/hjsshttps:///10.12677/hjss.2018.64014Research Progress of Biochar in SoilRestoration of Lead and CadmiumComposite Contaminated SoilLing Chen, Qingwei Zhang, Xiucai Yang, Xiaoli Wang*College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang GuizhouReceived: Sep. 19th, 2018; accepted: Oct. 8th, 2018; published: Oct. 15th, 2018AbstractBiochar is a kind of highly aromatic refractory solid material which is formed by carbonization of organic materials under anaerobic conditions. It has good structure, large specific surface area and adsorption capacity. Numerous studies had shown that biochar, as a new passivating agent, can reduce the acid extractable lead (Cd) and cadmium (Pb) in soil by a series of reactions such as complexation, precipitation, adsorption and ion exchange with heavy metals. This paper summa-rized the researches of biochar in soil remediation of Cd and Pb pollution in recent years, and ex-plored the difference between the effect of biochar remediation of Cd and Pb combined pollution and single contaminated soil from the aspects of curing heavy metals, repairing effect and influen-cing factors in order to provide the basis for the research on heavy metal combined pollution re-mediation of biochar. The long-term effect of biochar on heavy metal combined pollution should be strengthened in the future.KeywordsBiochar, Cd, Pb, Soil Recovery生物炭在铅、镉污染土壤修复中的研究进展陈领，张青伟，杨秀才，王小利*贵州大学农学院，贵州贵阳收稿日期：2018年9月19日；录用日期：2018年10月8日；发布日期：2018年10月15日*通讯作者。

陈领 等摘要生物炭是有机材料在厌氧或绝氧条件下经高温裂解炭化而成的一类高度芳香难熔性固态物质，具有良好的结构、巨大的比表面积以及吸附力。

众多研究表明，生物炭作为新型的钝化剂，可通过与土壤重金属发生络合、沉淀、吸附以及离子交换等一系列反应，降低土壤中酸可提取态铅(Cd)、镉(Pb)的含量。

本文综述了近年来生物质炭在Cd 、Pb 污染土壤修复中的研究情况，分别从生物炭修复重金属的固化机理、修复效果及影响因素等方面，探究生物质炭修复Cd 、Pb 复合污染与单一污染土壤的效果差异，为生物炭修复重金属复合污染研究提供依据，今后应加强生物炭对重金属复合污染修复的长期效应研究。

关键词生物炭，镉，铅，土壤修复Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/1. 引言随着矿产开采、燃煤和汽车排放、冶炼等工业活动以及污水灌溉、施用污泥和劣质化肥等农业活动的进行，大量Cd 、Pb 等有害重金属不断进入农业环境中，对农田、菜地等造成污染[1]。

2014年全国土壤污染状况调查公报显示我国土壤镉含量点位超标(0.3 mg/kg) 7%，是无机污染物点位超标率中最严重的；铅污染点位超标(250 mg/kg) 1.5% [2]。

土壤中Cd 、Pb 等重金属通过作物生长富集在作物中，对食品质量安全产生严重的影响，并借由食物链转移到人体，危害人类健康[3]。

现已有研究证明，生物炭有良好的结构基础、较大的比表面积以及吸附力，是一种良好化学钝化修复剂，可用于土壤重金属污染修复[4]。

生物炭可通过与土壤重金属发生络合、沉淀、吸附、离子交换等一系列反应，以减少重金属的迁移性和生物有效性，达到修复目的[5]。

众多研究结果表明，生物炭能降低酸可提取态Cd 、Pb 的含量，从而降低重金属的生物有效性，作为改良剂修复重金属污染土壤具有可行性。

本文综述生物炭在铅、镉污染土壤修复中的研究，探究生物炭在Cd 、Pb 复合污染与Cd 、Pb 单一污染的效果差异，为生物炭修复重金属复合污染研究提供依据。

2. 土壤中铅、镉的赋存形态及影响因素土壤中重金属的毒性在很大程度上取决于重金属在土壤中存在的形态，而不仅仅是其含量。

在众多的土壤重金属形态分级方法中，欧盟提出的BCR 连续提取法被认为是评价重金属生物有效性的有效方法，它将土壤中重金属的形态分为酸可提取态(交换态和碳酸盐结合态)、Fe-Mn 氧化结合态(可还原态)、有机结合态(可氧化态)和残渣态；酸可提取态迁移性强，可直接被生物利用；Fe-Mn 氧化结合态和有机结合态在适当的环境条件下可转化为酸可提取态，可间接被生物利用；残渣态迁移性最弱，不能被生物利用[1] [6]。

土壤中铅、镉的迁移与土壤的种类、性质、pH 值等因素有关，还直接受氧化还原条件的影响。

土壤对镉的吸附同pH 值呈正相关；土壤中34PO −等离子均能影响镉的迁移转化；如Cd 2+和34PO −形成难溶的、植物难吸收的Cd 3(PO 4)2 [7]。

土壤中的Pb 2+容易被有机质和粘土矿物所吸附；腐殖质高的土壤对铅的吸陈领等附能力强；铅也和配位体形成稳定的金属配合物和螯合物；当土壤pH降低时，铅的迁移能力提高，生物有效性增加[8]。

前人研究显示当土壤中同时存在Cd和Pb时，Pb会提高Cd的生物活性，同等Cd污染程度下，弱酸提取态Cd含量随Pb 加入量的增加而略有增加。

陈怀满等[9]动力学试验发现，Pb-Cd 混合流出液中的Cd很快就达到了平衡，且在一定时间区段内超过了起始浓度，这是由于后来吸附的Pb 替代了原已吸附的Cd，增加了Cd的活性。

因此，土壤中的重金属活性变化是复杂的。

3. 生物质炭及其结构与性质生物质炭广义上被认为是黑碳的一种类型，是生物有机材料(生物质)在厌氧或绝氧条件下，经高温(240℃~700℃)裂解炭化产生的一类高度芳香难溶性固态物质[10] [11] [12] [13]。

生物炭的元素主要包括碳(一般> 600 g/kg)、氢、氧等，其次是钾、钙、钠、镁、硅等矿质元素以氧化物或炭酸盐的形式存在于灰分中，灰分溶于水后呈碱性，施于土壤中能提高土壤pH，改善土壤养分供应状况[14] [15]。

生物质炭具有良好的孔隙结构，巨大的比表面积，且表面存在大量的-OH，-COOH等含氧官能团，增加土壤阳离子NH等的吸持能力，提高土壤的肥力[18]。

交换量(CEC) [16] [17]，可以提高土壤对养分离子钙、钾、镁和+4使生物质炭可以与重金属离子产生络合、静电吸附等作用，或改变土壤的持水量、pH值、阳离子交换量等理化性质，使重金属固定或活性降低以降低其有效含量，从而减少土壤中重金属对作物生长的影响[19]。

4. 生物质炭对镉–铅复合污染土壤的修复4.1. 修复机理以Pb为例，生物炭对Pb污染土壤的修复可分为4个过程(图1) [20]：1) Pb2+与生物炭的含氧官能团发生表面络合作用。

与矿物氧化物的游离OH发生内层络合作用，-OH、C=O、Si-O-Si和C-H等表面官能团对Cd (II)的吸附也起重要作用[1] [21]。

2) Pb2+与生物炭表面的Ca2+和Mg2+等阳离子发生交换，促进金属与生物炭中的腐殖质、矿物氧化物的共沉淀和内层络合作用。

生物炭具有较高的阳离子交换能力，强酸性含氧官能团的羧基可电离出H+与重金属进行离子交换[22]，可促进Cd，Pb形成金属氢氧化物。

3) 物理吸附和表面沉淀。

生物炭因具有较大的比表面积，也能通过物理吸附来实现对重金属的钝化。

在生物炭表面，多种重金属存在竞争性吸附。

由于Pb2+具有比其他重金属离子更高的电负性，使得生物炭对Pb2+的吸附远大于对其他重金属离子的吸附[23]。

4) Pb2+在生物炭颗粒中的粒内扩散。

图1. 生物炭对Pb的固化机理陈领等有研究表明，Pb与生物炭的含氧官能团形成络合物是生物炭吸附Pb的主要机理，而阳离子交换是生物炭吸附Cd2+主要机制[24] [25]。

生物炭对重金属污染土壤理化性质的影响，并不是单独由某一机制引起的，而是多种机制共同发生作用。

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，还会影响土壤中微生物的数量和活性、调控土壤中营养元素的循环等，从而对土壤重金属的赋存形态产生影响。

4.2. 修复效果重金属形态不同，其有效性也不同，植物可以吸收的主要是有效态重金属。

大量研究表明，生物炭的施用能影响土壤中Cd和Pb的形态分布及迁移性，使易迁移的酸可提取态重金属转化为迁移性较弱的可还原态和残渣态[26]，从而实现重金属的固化，使其生物有效性降低，减少在农作物中的积累。