生物炭——重金属污染土壤改良剂

重金属污染土壤原位修复是指向污染土壤中投加一种或多种物质，调节土壤理化性质，通过与重金属发生一系列反应，改变重金属在土壤中的赋存形态，降低其生物活性和毒性，减少对环境的毒害作用和在土壤中的迁移积累，达到土壤修复的目。目前，比较常见的改良剂主要包括粘土矿物、含磷材料、硅钙物质、金属氧化物、有机物料、生物炭和新型材料等。不同改良剂对土壤中重金属的钝化作用不尽相同，主要包括离子交换、吸附、沉淀、络合和氧化还原等作用机理。

生物炭基本组成元素有碳、氢、氮、氧等，并以含碳量高为重要特征，其中大多数碳以高度扭曲的芳香环不规则叠层堆积的形式存在生物炭具有疏松多孔的结构，具有较大的比表面积;生物炭还具有芳香族化合物的结构特性，其表面含有含氧、含氮、含硫等多种官能团，具备良好的吸附能。

1、生物炭的应用

作为一种具有极大应用潜力的功能材料，生物炭作为一种新型环境功能材料引起广泛的关注。在农业应用方面，一般认为，生物炭具有良好的理化性质和养分调节能力，施入土壤后，由于其多孔性结构，可以有效改善土壤理化性质和微生物活性，降低土壤养分的流失，从而提高土壤肥力，促进作物的生长。

生物炭具有高度芳香化结构，稳定性高，将生物有机质通过热解方式转化为高度稳定的生物炭，可以减缓含碳物质的分解，从而减少温室气体的排放。有研究发现生物炭在土壤中通过表面吸附溶解性有机碳(DOC)，促进包裹着有机质的土壤颗粒的大量形成，从而减缓土壤有机碳的矿化作用，减少CO的排放;另有研究结果表明，相较于等C量的碳素物质，生物炭能够减少80%CH4排放。

生物炭具有多孔性，且表面官能团丰富，能够吸附环境中的有机污染物和重金属，从而有效地降低污染物的迁移性和生物可利用性，减少污染物的环境风险。生物炭对重金属吸附容量高，向土壤中添加生物炭可以增加土壤对重金属的吸附容量。而对有机污染物来说，高温制备的生物炭一般具有较强的极性，与有机物质的亲和能力较强;生物炭能够提高土壤中微生物的活性，提高对有机污染物的降解能力。

2、生物炭对重金属的作用机理

生物炭钝化重金属的可能机制有离子交换作用、静电吸附作用、表面沉淀和络合作用。有研究表明污泥制备的生物炭对Pb的吸附是多种机制共同实现的，其中最为关键的是Pb2+与生物炭表面释放的Ca2+、Mg2+等阳离子发生交换作用，促进生物炭中的腐殖质和矿物氧化物对Pb的共沉淀和内层络合作用，而Pb2+与表面官能团发生络合作用、物理吸附以及Pb2+在生物炭颗粒内扩散均起到一定的作用。对于不同重金属来说，生物炭钝化其作用机制可能存在差异;不同生物炭在理化性质方面存在差异，其对重金属钝化的机制也不尽相同;此外，重金属污染的土壤本身的性质对生物炭钝化重金属的效果也会产生一定的影响。

3、生物炭对土壤重金属有效性的影响

近年来，对生物炭与土壤中重金属之间的关系和相互作用的研究不断深入，通过一系列对生物炭-土壤体系和生物炭-土壤-植物体系的试验结果表明，生物炭能够有效地降低土壤中Pb、Zn、Cd、Ni等重金属的有效性，但是对As则是起到促进释放的作用。

但有学者研究认为生物炭不能起到固定土壤重金属的作用，相反，会活化土壤中的重金属，促进重金属释放。因此在土壤中施用生物炭对重金属产生的影响和作用机制仍然需要开展深入的研究。