生物炭对污染土壤的修复及作用机理研究

生物炭对污染土壤的修复及作用机理研究摘要：生物炭作为一个一种土壤改良剂，在应用的过程中不仅能够减少温室气体的排放，而且还能够改良土壤理化和生物性状，降低土壤中污染物质的含量、排解土壤中的毒性，从而实现对土壤的修复。文章在阐述土壤污染情况和生物炭内涵、特点、性质、材料、制备方法的基础上，结合各个文献报道的内容具体分析生物炭对污染土壤的修复方法，旨在为相关人员对生物炭的研究提供更多支持。

Abstracts：Biochar as a soil conditioner, a in the process of application can not only reduce greenhouse gas emissions, but also can improve soil physical and chemical and biological properties, reduce content of pollutants in the soil, to eliminate toxicity in the soil, so as to realize the restoration of soil. Articles on soil pollution and biochar connotation, characteristics, properties, the material, the preparation methods, on the basis of combining the literature reports the content of the concrete analysis of biochar repair methods for contaminated soil, to relevant personnel to provide more support for biochar research.

关键词：生物炭；污染土壤；修复；作用机理；研究

引入：目前土壤污染状况，来自公报，生物炭对污染土壤的修复作用（概述）

从《全国土壤污染状况调查公报》的全国土壤污染状况调查了解到全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量较差，加上频繁的农业活动、工业活动等也加重了土壤污染现象的发生。从土壤污染分布的情况来看南方土壤污染重于北方，重工业地区工业废弃地、工业废弃地、公园园区污染比一般地区的污染严重，土壤污染中镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。在这样的发展背景下，怎样控制和治理土壤污染，特别是重金属污染成为相关人们需要思考的问题。经过学者的调查研究发现生物炭能够有效缓解土壤中的重金属污染问题。生物炭是指生物残渣在低氧的状态下进行燃烧，燃烧之后形成多孔结构、低密度碳材料，从而使得生物炭具有不同的理化特点，能够对土壤中的酸碱环境、重金属污染问题进行改良、修复。为了更好的了解生物炭在土壤修复中的作用，加强人们对生物炭在防止土壤重金属污染中作用的认识，文章在介绍生物炭性质、属性、制备等基础上，对生物炭在

影响土壤理化性质、酸碱值、阳离子交换量、养分、污染转移、微生物群落等方面问题进行探究。

一、生物炭概述

（一）内涵和制备

生物炭是指厌氧、绝氧等人工控制条件下对植物生物进行热解操作，通过一系列的热解操作最终获得二氧化碳、可燃性气体、挥发性油类、含碳丰富芳香环分子结构和多孔特点的固体物质。在生物炭制备的过程中需要应用多种技术设备，包括干烘、慢速热解、中速热解、气化、水热碳化等。

热解技术能够根据热解温度和停留的时间来进行划分操作，慢速热解则是个持续操作的过程，快速热解深受快速转移加热操作的影响。热解内容的不同深刻影响生物炭的产品属性。挥发物体和气体在炉内的移动速度决定了水蒸气的停留时间，在长时间的停留下会引发第二次反应，具体表现为生物炭表现出现焦油和焦油碳化的现象。热解气化是指生物质源在大气800摄氏度的环境下经过加压操作被再次氧化，在热解气化操作的过程中会从产生各种气体和少量的生物炭。水热碳化是在200-250摄氏度的环境下生物质高气压悬浮在液体中数较小的时候出现固体、液体和气体物质。

热解操作的时候随着温度和缺氧状态的变化生物炭的结构也会相应的发生变化，具体表现为随着碳化温度的升高产生相应的芳香环结构。小的芳香单元在分解操作的时候会形成较大的结合层，木炭在200摄氏度到300摄氏度的时候会出现快速下降的现象，木炭的产量在400摄氏度的温度环境下达到温度的装填。不同类型热解生物质产物情况如表一所示。

表一：不同类型热解生物质产物情况

（二）生物炭的性质

生物炭原料和热解温度、时间等对生物炭的性质有着十分重要的影响，具体表现在以下几个方面：第一，碱性。受生物质种类和热解参数差异的影响，生物炭的酸碱值一般被控制在4-12，且这种酸碱值会随着热解温度的升高而增加。畜禽类的粪便在灰分含量较高的情况下制备出来的生物炭也具有很高的酸碱值，相应的豆科植物秸秆制备生物炭酸碱值碱性含量也会增加，与之相对的是稻壳和麦秸生物炭的酸碱值和碱性含量值也会降低。在热解温度的升高下高碳酸盐的总体含量也会增加，生物炭的碱性相应的增加。这些官能在酸碱值较高的情况下能够以阴离子的形态存在，并和H*发生缔合反应，使得生物炭具备石灰效应，增强其改良酸性土壤的潜力。第二，比表面积。生物炭的比表面积会随着热解温度的变化发生相应的变化，在这个过程中生物炭的比表面积也会相应的增加。第三，表面功能基团。生物质的前处理和热解操作能够在一定程度上改变生物碳的表面功能。在热解温度的升高下，生

物炭表面OH、CH2、芳香环也会发生相应的变化。第三，CRC。生物质在一定的温度范围内得到的生物炭具有很大的CEC值，特别是在400摄氏度的环境下获得的CEC值会增加，但是随着温度的提升，CEC的数值会相应的降低。第四，元素组成。生物炭元素的组成深受热解温度、生物物质种类等因素的影响。经过一系列元素分析结果证明，在温度是150-500摄氏度的时候，能够反映芳构化程度的H/C摩尔比速度会快速的减少，在500-700摄氏度的时候，H/C摩尔比会缓慢的减少。在这个过程中，生物炭中的C、P和矿物质元素也会实现进一步的富集，含量由多到少分别是畜禽粪便、草本植物、木本植物，粪便生物炭和植物废弃物生物炭对土壤改良起到了十分重要的改良作用，但是不能将其作为一种单独的肥料来使用。第五，稳定性。生物炭具有很强的稳定性特点，将生物炭施加到土壤中过程中留存的时间要一般的植物残体长，加上生物炭本身有效性的特点，人们在应用生物炭的时候需要加强对其稳定性特点的认识。

二、生物炭.对土壤的修复作用

（一）生物炭对土壤理化性质的影响

1、土壤容重、毛管含水量、总空隙

土壤容重、毛管含水量、总空隙等是土壤物理特性的重要指标，经过实践研究证明生物炭的应用能够在一定程度上降低土壤的容重和密度，使得土壤的应用保持一定的水分。土壤中的毛管空隙深刻影响土壤存水能力，且毛管的空隙度越高，土壤通气性表现越差，土壤的饱和导水率也会相应的减少。毛管水量的提升能够增加土壤的蓄水量，有效保证土壤中的水分含量。生物炭的是应用能够改变土壤中的孔隙情况，在应用生物炭之后的土壤容量降低了9%，改变了土壤的性质。

2、土壤酸碱值和阳离子交换量

土壤的化学性质体现在土壤的酸碱值、CEC、饱和度上。经过实践证明土壤的酸碱值直接影响土壤的养分，基于大多数的生物炭是碱性的，在这些生物炭中添加生物炭能够有效提升土壤的酸碱值。其中，在土壤酸碱值是6.4-10.4之间的时候，在土壤中添加非豆科类的植物生物炭能够在两个月的时间内提升0.7个单位的土壤酸碱值。由此证明了含有盐基离子的生物炭的应用能够有效提升土壤的酸碱值。CEC离子交换量是评价土壤肥力的重要指标，也是土壤团聚体形成的重要物质，代表了土壤团粒结构和土壤养分能力特性。经过实践研究证明，将生物炭施加到土壤中之后，CEC提升了20%，因此证明生物炭的添加有效提升了土壤中的CEC交换量，对沉淀土壤中的有害杂质起到了十分重要的作用。在土壤中加入生物炭还能够有效降解除草剂，实现不同程度土壤离子的交换。经过实验操作进一步验证了和土壤的有机质相比，生物炭只能够进行较低的阳离子交换量操作，且在土壤有机物大量分解和表面