生物炭对于土壤修复的研究论文

欢迎您关注--农业环境科学】来源：《江苏农业科学》2018 年 16 期作者：朱永琪1，董天宇2，宋江辉2，杨光2，陈建华2，王海江1单位：1. 石河子大学农学院；2. 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室目前，农田土壤重金属污染治理和修复越来越受国家的重视，生物炭是从生物质中热解得到的一种富含碳的难溶性固态物质。生物炭施入土壤后，与土壤重金属发生吸附、沉淀、络合、离子交换等一系列反应，使土壤重金属钝化。土壤重金属的生物有效性是指土壤重金属在生物体内吸收、积累或产生危害的程度。生物炭可以通过改变土壤的理化性质及微生物群落结构来影响重金属的生物有效性。本文主要综述了生物炭修复土壤重金属污染的研究进展，阐述了不同材料以及不同裂解温度下生物炭对重金属生物有效性的影响，归纳总结了温度以及不同原材料对生物炭吸附行为的影响，探讨了生物炭对土壤重金属生物有效性的影响，并对今后的研究方向进行了展望。前 言土壤是构成生态系统的基本要素之一，与人类的生存和发展息息相关。近年来，随着全球工业化以及农业现代化的发展，加上农用资源的大力投入，使土壤污染日益加剧；而由于土壤重金属污染具有滞后性、不可逆性以及隐蔽性，学者对土壤重金属污染的关注也日益增多。据报道，在全球范围内，由人类活动向环境投放的重金属约有2441.5万t，而在我国受重金属污染的耕地面积约有2.0×107 hm2，其中广西、四川、辽宁、云南等地区的铅（Pb）含量是背景值的2.5 倍，大部分省（区）的镉（Cd）含量是土壤背景值的2 倍以上，某些省（区）甚至是背景值的10 倍，Pb、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）在部分省（区）超标也极为严重。农业部农产品污染防治重点实验室调查显示，重金属超标的农产品面积占污染物超标农产品种植总面积的80％以上。因此，明确土壤重金属的毒害机制，开展土壤重金属污染修复研究，对于缓解土壤压力、改善生态环境具有重大意义。

据外媒报道， 一项涉及新南威尔士大学的国际研究发现，一种由城市、农业和林业废料制成的产品还有一个额外的好处，那就是减少了现代农业的碳足迹。 新南威尔士大学科学学院材料科学与工程学院的客座教授Stephen Joseph表示，发表在《GCB Bioenergy》上的这项研究提供了强有力的证据，其证明了生物炭有助于减缓气候变化。

“生物炭可以将大气中的碳吸收到土壤中并将其储存数百至数千年，”这项研究的论文首席作者说道，

“这项研究还发现，生物炭有助于在土壤中构建高达20%（平均3.8%）的有机碳，并还可以将土壤一氧化二氮排放减少12%至50%，这增加了生物炭缓解气候变化的好处。”

政府间气候变化专门委员会最近的《气候变化与土地特别报告(Special Report on Climate Change and Land,)》支持了这些发现，该报告估计生物炭具有缓解气候变化的重要潜力。

Joseph教授表示：“该政府间小组发现，到2050年，全球生物炭每年可减少3亿至6.6亿吨二氧化碳。跟澳大利亚去年的排放量相比--估计为4.99亿吨二氧化碳--你可以看到生物炭可以吸收大量排放。我们只需要有开发和利用它的意愿。”

稳定的木炭

生物炭是在缺氧环境中加热生物质残渣如木屑、动物粪便、污泥、堆肥和绿色废物的产物，这一过程被称为热解。其结果是稳定的木炭，这种物质可以减少温室气体排放，以此同时可以提高土壤肥力。

GCB Bioenergy研究回顾了约300篇论文，其中包括33篇荟萃分析，这些荟萃分析研究了过去20年发表的14000篇生物炭研究中的许多内容。

“研究发现，作物平均产量从10%增加到42%，植物组织中的重金属浓度减少了17%到39%，植物对磷的可利用性也增加了，”Joseph教授说道，“生物炭可以帮助植物抵抗疾病等环境胁迫，并帮助植物耐受有毒金属、水分胁迫和有机化合物如除草剂莠去津。”

对植物的好处

这项研究首次详细说明了生物炭如何改善植物的根区。在前三周，生物炭与土壤发生反应，可以促进种子萌发和幼苗生长。

在接下来的六个月里，生物炭颗粒会产生反应表面，改善植物的营养供应。

三到六个月后，生物炭开始在土壤中“老化”并形成微团聚体，从而保护有机物不被分解。

Joseph教授表示，研究发现，生物炭对酸性和沙质土壤的反应最大，在这些土壤中，生物炭跟化肥一起施用。

Joseph教授表示：“我们发现，生物炭的积极效果取决于剂量，也取决于生物炭的特性跟土壤限制和植物养分需求的匹配。植物尤其是在热带和亚热带潮湿地区常见的低营养、酸性土壤中，如新南威尔士州和昆士兰州的北海岸，可以从生物炭中显著受益。西澳大利亚、维多利亚州和南澳大利亚的沙质土壤，尤其是受气候变化影响日益严重的旱地地区也将大大受益。”

Joseph AM教授是利用农业、城市和林业废弃物生产工程稳定生物炭的专家。自上世纪70年代土著澳大利亚人介绍生物炭以来，他就一直在研究生物炭在促进 健康 土壤和应对气候变化方面的好处。

他指出，数百年来，生物炭一直被澳大利亚、拉丁美洲尤其是亚马逊盆地和非洲的土著居民用于作物生产和保持土壤 健康 。

在17世纪，生物炭还被记录为动物的饲料补充物。

尽管澳大利亚的研究人员自2005年以来就开始研究生物炭，但它作为商业产品的发展相对缓慢，澳大利亚每年约生产5000吨生物炭。

Joseph教授表示：“这部分是由于获得资助的大规模示范项目数量很少，农民和政府顾问对生物炭缺乏了解、存在监管障碍以及缺乏风险资本和年轻企业家来资助和建立生物炭企业。”

相比之下，美国每年的稀土产量约为5万吨，而中国每年的稀土产量超过50万吨。

需要在经济上可行

Joseph教授因其在可再生能源和生物炭方面的工作而获得了澳大利亚勋章。他表示，要使生物炭得到广泛应用，就需要将其跟农业操作相结合并证明其在经济上是可行的。

“我们已经做了科学研究，但我们还没有足够的资源来教育和培训人们、建立示范、让农民看到使用生物炭的好处以发展这个新产业。”

然而，随着大公司购买二氧化碳减排证书(CORC)来抵消他们的排放，这种情况正在慢慢改变，这提高了生物炭在澳大利亚的知名度。生物炭具有广泛的应用潜力。

Joseph教授等人最近在《International Materials review》发表了一项详细介绍了生物炭鲜为人知的用途的研究。

他百世，新南威尔士大学正在跟挪威的一家公司和一所大学合作，以开发一种基于生物炭的抗菌涂层来杀死水中的病原体并在空气过滤系统中使用。