生物炭对土壤有机污染物迁移行为影响研究进展

Research Progress on the Effect of Biochar on the Migration Behavior of Soil Organic Pollutants

摘要: 本文就生物炭吸附有机污染物的机制，运动、迁移、沉积、释放机理，对有机污染物生物有效性的影响进行了综述，并简要分析了当前生物炭应用存在的一些问题和今后的发展方向，为生物炭的应用和推广提供理论参考。

Abstract: This paper reviews the mechanism of adsorption of organic pollutants by biochar, the mechanism of movement, migration, deposition and release, and the impact on the bioavailability of organic pollutants, and briefly analyzes some problems in the current application of biochar and the future development direction, so as to provide a theoretical reference for the application and promotion of biochar.

1. 引言

生物炭是生物质在全部或部分缺氧条件下热解而得到的高碳、高度芳香化的物质，其本质是黑碳的一种 [1]。它的组成元素主要包括碳(60％以上)、氢、氧等，还有灰分 [2]。碳的含量和灰分的含量会随着热解温度的升高而增加，灰分的组成还与植物生长的地质条件有关 [3]。生物炭大量积累于土壤的有机质和黑炭中，并对土壤中有机污染物的迁移转化和生物有效性产生重大影响 [4]。生物炭在改善土壤质量、增加土壤碳汇、减少大气CO₂浓度、修复污染环境、提高土壤肥力及维持土壤生态系统平衡意义重大 [5] [6]。生物炭还能吸附土壤中的重金属、除草剂、石油烃类、农药等有机污染物，促进土壤中农药的降解，避免污染物随淋滤作用而污染地下水；同时，减少农作物对污染物残留的富集，达到降低农产品安全风险的作用，在治理非点源污染上有很大的应用前景 [7] [8] [9] [10] [11]。

2. 生物炭吸附有机污染物的机制

如表1所示，生物质炭吸附有机污染物的原理有分配作用、表面吸附作用、微观吸附机制等 [12]。施用生物炭显著提高土壤对有机污染物的吸附能力，能使有机污染从易解吸位点向难解吸位点转变，明显降低土壤溶液中污染物浓度。其吸收机理随制备生物炭的温度的不同也会不同 [13]。

Table 1. Adsorption of common biochars on organic pollutants

表1. 常见生物炭对有机污染物的吸附作用

3. 生物炭在土壤中运动迁移机理和沉积释放

生物炭在土壤介质中的运动迁移和沉积释放的模型主要有胶体过滤模型和流弥散方程(CDE)两种。土壤中生物炭颗粒以胶体颗粒形式迁移，其迁移主要包括颗粒沉积和再释放，扩散、沉积、吸附、惯性、拦截等都是生物炭与土壤表面作用机制 [10]。研究发现，当各种作用力达到平衡时，生物炭颗粒在土壤孔隙中，若改变土壤溶液的化学条件，破坏平衡时，滞留的生物炭颗粒会解吸回溶液中 [20]。其迁移途径如图1所示。

Figure 1. Migration mechanism of biochar particles in soil media [20]

图1. 生物炭颗粒在土壤介质中的迁移机理 [20]

4. 生物炭对土壤中有机污染物生物有效性的影响

表2中的研究发现，生物炭对阿特拉津的吸附能力要比土壤强800~3800倍 [21]。生物炭的添加降低植物、动物对有机污染物的吸收以及微生物的降解作用。植物的根系可以吸收土壤溶液中的有机污染物并将其一部分迁移积累到地上部分，蚯蚓等土壤动物通过真皮吸收以及肠吸收的方式吸收疏水有机化合物。生物炭对有机污染物具有较强吸附能力，使得氯苯在土壤中的生物有效性下降 [27]。

Table 2. Effect of biochar on the bioavailability of organic pollutants

表2. 生物炭对有机污染物生物有效性的影响

5. 展望

目前，生物炭在土壤环境中的迁移转化及其归趋方面的研究均在起步阶段，待大量深入研究。对生物炭施入土壤引起的长期环境效应的研究也很少，应该大力拓展生物炭应用领域。当前，在制备缓释农药 [28] 中有人使用了生物炭，缓释肥料 [29] 也有相应的例子，修复环境 [30] 中也有相关人员使用负载微生物的生物炭。针对已经被污染的土壤，可以通过测土配方施用生物炭，这样既避免浪费，也能起到改善土壤的效果。可以加强生物炭吸收污染物的最适范围的研究，找到热点污染物最适的吸收量。然而，只有经过大批量的田间试验，证实生物炭的施用能提高产量和修复土壤，那么才有可能大规模推广到农业生产中。因此，大量的田间试验方面还待加强。