生物炭對土壤污染物吸附固持作用的研究進(jìn)展

生物炭對土壤污染物吸附固持作用的研究進(jìn)展

土壤不僅是人類生存和發(fā)展的主要自然資源之一，也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,人類活動對土壤環(huán)境日益加劇的干擾導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量下降,進(jìn)入土壤中的外源污染物質(zhì)逐漸積累,最終會影響植物的生長發(fā)育,造成地下水的污染,對食品安全和人體健康產(chǎn)生威脅,給全球可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。生物炭是生物質(zhì)熱解的固體產(chǎn)物,將生物炭作為土壤添加劑在增加土壤碳匯的同時還能改善土壤環(huán)境質(zhì)量、持留土壤養(yǎng)分、提高糧食產(chǎn)量,在應(yīng)對由于人類活動而加劇的全球變暖和因土壤質(zhì)量惡化導(dǎo)致的糧食產(chǎn)量不足等問題上顯示出巨大的潛力,成為近年來的研究熱點(diǎn)。生物炭具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和吸附性,向土壤環(huán)境中大量輸入生物炭,必然對土壤中各類污染物的環(huán)境行為產(chǎn)生影響,最終影響污染物在環(huán)境中的歸趨。本文就生物炭施用對土壤中N、P、重金屬和有機(jī)污染物的吸附固持作用進(jìn)行概述,探討其對污染物生物有效性的影響,并對今后研究的重點(diǎn)進(jìn)行展望。1生物炭的性質(zhì)和功能生物炭是生物質(zhì)通過熱裂解的方法在缺氧或者少氧條件下制備的一種富有孔隙結(jié)構(gòu)、含碳量高的碳化物質(zhì)。生物炭的制備原料來源廣泛,農(nóng)林業(yè)廢棄物如木材、秸稈、果殼及工業(yè)和城市生活中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物如垃圾、污泥都可以作為原料。生物炭的組份復(fù)雜,含有C、H、O、N、P、K、Ca、Na、Mg等多種元素。因原料不同,不同類型生物炭元素含量等差異較大,如總N含量范圍在1.8~56.4g/kg,總P在2.7~480g/kg,pH值在4~12。生物炭的性質(zhì)主要受原材料、溫度、制備時間的影響。不同生物質(zhì)材料含有的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的比重不同,組織結(jié)構(gòu)不同,碳化物的孔隙結(jié)構(gòu)也有很大差別。生物炭的制備溫度一般<700℃,隨制備溫度的提高,生物炭的pH值和表面積逐漸增加,產(chǎn)率降低,芳香化程度逐漸升高,表面含氧官能團(tuán)的組成發(fā)生變化,堿性官能團(tuán)的數(shù)目逐漸增多,元素組成、CEC等也會發(fā)生變化。生物炭表面的物理化學(xué)性質(zhì)使其成為一種良好的吸附材料。首先,生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu),比表面積巨大。據(jù)報道,850℃下炭化竹材和椰子殼,發(fā)現(xiàn)1h炭化后的竹炭比表面積高達(dá)370m2/g,而椰子殼炭則為410m2/g。其次,生物炭表面帶有大量負(fù)電荷和較高的電荷密度,并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能團(tuán),具有很大的陽離子交換量(CEC),理論上能夠吸附大量可交換態(tài)陽離子。由于生物炭的CEC與其O/C比有很好的相關(guān)性,新制備的生物炭在空氣和水中暴露一段時間后,經(jīng)過微生物促進(jìn)的表面氧化作用,其表面含氧官能團(tuán)增加,CEC會增大。生物炭具有的高度芳香化結(jié)構(gòu)使其與其他任何形式的有機(jī)碳相比具有更高的生物化學(xué)和熱穩(wěn)定性,可長期保存于環(huán)境和古沉積物中而不易被礦化。Kuzyakov等人利用14C標(biāo)記的方法分析了多年生黑麥草制備的生物炭的滯留時間,結(jié)果顯示,在理想條件下,生物炭每年可以降解0.5%,但是在自然條件下,生物炭的平均滯留時間大約是2000a,半衰期是1400a。Goldberg認(rèn)為生物炭可以通過光化學(xué)裂解、微生物降解和無機(jī)分解等3種機(jī)制降解。生物炭在土壤中的滯留時間很大程度上取決于多種因素,包括生物炭的組成、化學(xué)性質(zhì)、土壤環(huán)境和氣候條件等。2生物碳有助于降低土壤污染物的環(huán)境風(fēng)險2.1生物炭對農(nóng)田養(yǎng)分元素的吸附生物炭添加到土壤中之后可以固持土壤中的N、P等農(nóng)業(yè)面源污染物,減少土壤滲漏和地表流失,降低水體的富營養(yǎng)化風(fēng)險。這主要通過以下兩個方式實(shí)現(xiàn):一方面,生物質(zhì)炭對土壤中溶解態(tài)的NH4+、NO3-和PO43-具有相當(dāng)強(qiáng)的吸附特性,并可有效降低農(nóng)田土壤氨的揮發(fā),從而顯著減少相關(guān)元素通過淋洗進(jìn)入地下水或通過水土流失進(jìn)入地表水的量。另一方面,生物炭對營養(yǎng)元素的吸附將N、P等元素固定在土壤的表層,保證了作物生長所需養(yǎng)分的供給,提高了營養(yǎng)元素的利用效率,可降低土壤化學(xué)肥料的施加量,從而減少N、P等養(yǎng)分元素的外源輸入。此外,Rondon等研究表明,向土壤中添加生物炭還可以顯著提高大豆的固氮能力,在提高土壤生產(chǎn)力的同時增加土壤肥力,有效地減少土壤對化學(xué)肥料的需求量。因此,探索將生物炭合理地應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體周圍的土壤以控制N、P等營養(yǎng)元素的流失,對于消減由于過量施用化學(xué)肥料引起的農(nóng)業(yè)面源污染具有積極地作用。2.2生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響生物炭比其它土壤有機(jī)質(zhì)對陽離子的吸附能力更強(qiáng)。生物炭的施用能夠顯著影響土壤中重金屬的形態(tài)和遷移行為。林愛軍等研究發(fā)現(xiàn)土壤施加10mg/kg骨炭后,水溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu、Pb的濃度都顯著下降;水溶態(tài)和交換態(tài)Cd的濃度也得到降低。王衛(wèi)漢等進(jìn)行了改性納米碳黑用于重金屬污染土壤改良的研究,與對照相比,土壤添加1%、3%和5%改性納米碳黑培養(yǎng)60d后,有效態(tài)Cu含量分別降低了47.3%、72.0%和80.9%,有效態(tài)Zn含量分別降低了3.0%、17.7%和43.6%。生物炭不僅可以直接吸附固持土壤中的重金屬離子,還可以通過影響土壤的pH值、CEC、持水性能等理化性質(zhì)減少土壤中重金屬向植物體系的遷移。Uchimiya等的研究表明,生物炭的輸入引起的土壤pH值升高會促進(jìn)土壤中的CdⅡ、NiⅡ的固定。Glaser等的研究表明,土壤中的生物炭表面可部分被輕度氧化形成羰基、酚基和醌基,提高土壤的CEC。因重金屬的性質(zhì)不同,生物炭對土壤中不同重金屬的固持呈現(xiàn)不同的效果。一般,生物炭對土壤中重金屬的固持機(jī)理主要為以下三種:①添加生物炭后,土壤的pH值升高,土壤中重金屬離子形成金屬氫氧化物、碳酸鹽或磷酸鹽而沉淀或者增加了土壤表面活性位點(diǎn);②金屬離子與碳表面電荷產(chǎn)生靜電作用;③金屬離子與生物炭表面官能團(tuán)(特別是含氧、磷、硫、氮的官能團(tuán))形成特定的金屬配合物,這種反應(yīng)對于與特定配位體有很強(qiáng)親和力的重金屬離子在土壤中的固持非常重要。生物炭對土壤中重金屬離子的固持作用可降低重金屬的生物有效性,消減其向植物根系的遷移,降低土壤污染對植物的基因毒性,對于修復(fù)土壤重金屬污染具有很大的潛力。2.3生物炭對土壤有機(jī)物含量的影響在土壤中,生物炭對疏水性有機(jī)污染物具有比土壤有機(jī)質(zhì)高幾個數(shù)量級的吸附親和性。生物碳能強(qiáng)烈吸附疏水性有機(jī)污染物(如PAHs、PCBs、PCDDs、農(nóng)藥、MCPA等)。其吸附過程包括表面吸附和分配作用兩個不同的過程。生物炭表面含有的官能團(tuán)與離子或有機(jī)物能形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵,從而發(fā)生表面吸附,表面飽和吸附量與吸附劑的比表面積呈良好的線性關(guān)系。由于熱解溫度的不同,生物炭表面理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有顯著差異,表面吸附的貢獻(xiàn)量隨炭化溫度升高而迅速增大,而在低的熱解溫度下制備的生物炭由于含有較多的有機(jī)成分,分配作用起主要作用。除了生物炭的比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、原子(極性)以及芳香度等結(jié)構(gòu)參數(shù),生物炭對不同有機(jī)污染物的吸附強(qiáng)度和解吸滯后程度還取決于有機(jī)污染物的分子大小、疏水性以及環(huán)境的pH值、其它可溶性有機(jī)物的濃度等因素。由于不同位點(diǎn)的表面結(jié)構(gòu)、能量和吸附位點(diǎn)飽和等原因,土壤中有機(jī)污染物在生物炭上的吸附都是非線性吸附,隨著土壤中碳含量的增加,對污染物的最大吸附容量和非線性程度逐漸增強(qiáng)。利用生物炭消減PAHs等有機(jī)污染物風(fēng)險的研究越來越為人們所關(guān)注,向污染土壤中添加生物炭已經(jīng)被認(rèn)為是控制外源污染物遷移轉(zhuǎn)化及毒性的一種有效辦法。Wallstedt等將生物炭添加到污染土壤后發(fā)現(xiàn)土壤中水溶態(tài)酚類含量明顯降低。Wen等研究發(fā)現(xiàn),五氯酚(PCP)污染的土壤中添加生物炭之后,PCP的生物可給性迅速降低?；ɡ虻壤脺厥遗柙詫?shí)驗(yàn),研究了生物質(zhì)炭輸入對污泥施用土壤性質(zhì)、植物生長及土壤-植物系統(tǒng)中多環(huán)芳烴遷移性能的影響。發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的輸入使得污泥-土壤體系中的多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)移到植株中的量明顯減少,含炭堆肥污泥處理中多環(huán)芳烴在黑麥草中的累積量比普通污泥相應(yīng)處理降低了27%~34%。與重金屬不同,土壤中的有機(jī)污染物可以通過水解、氧化、光解等化學(xué)作用和生物作用進(jìn)行降解,生物炭對有機(jī)污染物的固持作用在降低污染物生物有效性的同時也降低了土著微生物對污染物的降解率,增加了土壤中有機(jī)污染物的滯留時間。如余向陽等研究發(fā)現(xiàn),土壤中生物炭含量為0.1%~1.0%時,毒死蜱降解半衰期為對照土壤的1.3~2.9倍。邱宇平等也發(fā)現(xiàn)土壤中加入0.5%的草木灰后,敵草隆的降解速率常數(shù)下降了45%,半衰期時間延長了66%。3生物炭的土地施用綜上所述,生物炭的輸入可以增強(qiáng)土壤的吸附性能,鎖控土壤中的N、P等營養(yǎng)元素和污染物質(zhì),減少污染物的生物有效性,從而控制土壤環(huán)境中污染物質(zhì)向水體和植物體系的遷移,對于消減環(huán)境中由于過量施肥造成的農(nóng)業(yè)面源污染,污染土壤中重金屬和有機(jī)物的穩(wěn)定化具有很高的應(yīng)用價值。將生物炭的制備與其土地施用結(jié)合起來,不僅可以緩解能源危機(jī)、增加土壤中的碳匯,還可以改善