張建云,高才慧,朱 暉,鐘水根,楊紋硯,鄭均瀧,吳勝春,單勝道,王志榮,張 進(jìn),曹志洪,Peter CHRISTIE
(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點實驗室,浙江 臨安 311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 臨安311300;3.浙江科技學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究所,浙江 杭州 310023;4.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室,浙江 杭州310012;5.中國科學(xué)院 南京土壤研究所,江蘇 南京210008)
生物質(zhì)炭對土壤中重金屬形態(tài)和遷移性的影響及作用機制
張建云1,2,高才慧2,朱 暉2,鐘水根2,楊紋硯2,鄭均瀧2,吳勝春1,2,單勝道3,王志榮4,張 進(jìn)1,2,曹志洪5,Peter CHRISTIE2
(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點實驗室,浙江 臨安 311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 臨安311300;3.浙江科技學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究所,浙江 杭州 310023;4.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室,浙江 杭州310012;5.中國科學(xué)院 南京土壤研究所,江蘇 南京210008)
生物質(zhì)炭是生物質(zhì)原料在缺氧條件下經(jīng)高溫裂解而成的一種固體產(chǎn)物,它們在土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用是當(dāng)前環(huán)境研究的熱點之一。對目前生物質(zhì)炭研究的進(jìn)展進(jìn)行了綜述,闡明了生物質(zhì)炭施入土壤可通過物理吸附、離子吸附、離子交換、沉淀絡(luò)合等交互作用機制,顯著降低土壤重金屬的有效態(tài),減少它們在環(huán)境介質(zhì)中的遷移性,從而降低土壤重金屬的生物毒性。但是生物質(zhì)炭的研究仍然存在許多問題,特別是如何增強它們在土壤環(huán)境中對重金屬離子鈍化的穩(wěn)定性、長效性以及生物質(zhì)炭—土壤—作物—人體健康風(fēng)險一體化研究等方面,仍需要持續(xù)深入研究。參61
土壤學(xué);生物質(zhì)炭;重金屬;土壤污染;修復(fù)機制;綜述
Key words:soil science;biochar;heavy metals;soil contamination;remediation mechanism;review
土壤圈位于生物圈、大氣圈、水圈、巖石圈的交匯處,時刻與各圈層進(jìn)行物質(zhì)、信息、能量的交換,對環(huán)境的自凈能力和容量有著重大貢獻(xiàn)。因而,土壤質(zhì)量的好壞直接影響環(huán)境的健康狀況。近年來,由于不合理的土地利用、工業(yè)廢棄物的排放以及濫用農(nóng)業(yè)化學(xué)品,中國農(nóng)田土壤遭受不同程度的污染,導(dǎo)致土壤肥力退化及環(huán)境質(zhì)量持續(xù)下降,對農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅;而且土壤中的污染物可通過淋溶作用滲透到深層土壤中,導(dǎo)致地表地下水污染[1-2]。國家環(huán)境保護(hù)部最新的土壤調(diào)查顯示,中國有將近19%農(nóng)業(yè)土壤受到了污染,其中主要是重金屬和類金屬污染[3]。因土壤污染減產(chǎn)糧食超過1 000萬t· a-1,造成各種經(jīng)濟(jì)損失約200億元·a-1。這不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,同時導(dǎo)致一系列環(huán)境問題,危害人體健康,引發(fā)癌癥和其他疾病[4]。土壤污染的危害已經(jīng)引起了各級政府的高度關(guān)注。為了切實加強土壤污染防治,逐步改善土壤環(huán)境質(zhì)量,國務(wù)院2016年5月印發(fā)了《土壤污染防治行動計劃》。土壤修復(fù)常用的方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)及其聯(lián)合修復(fù)方法[5]。物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)方法主要是通過固定穩(wěn)定化技術(shù)、熱處理技術(shù)、性能改良技術(shù)、氧化還原技術(shù)、電動力學(xué)修復(fù)等技術(shù)去除污染物[6]。該方法修復(fù)過程復(fù)雜,費用高,存在二次污染風(fēng)險,為降低因食物鏈造成的健康風(fēng)險,因而不適合在污染農(nóng)田土壤中大規(guī)模使用[7]。生物修復(fù)方法主要有植物修復(fù)與微生物修復(fù),雖然該修復(fù)方法經(jīng)濟(jì)、有效,但所需時間較長且易受外界環(huán)境條件制約,修復(fù)效果難以保證[8-9]。因此,國際上普遍認(rèn)為聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是目前高效、經(jīng)濟(jì)、合理的污染農(nóng)田修復(fù)方式,如采用石灰或海泡石粉等化學(xué)物質(zhì)與植物結(jié)合的方式修復(fù)污染土壤[10-12]。然而過量使用石灰或海泡石粉會導(dǎo)致土壤板結(jié)、質(zhì)地惡化,因此,尋找對土壤環(huán)境無害的新型修復(fù)材料迫在眉睫。近年來,一種新型材料——生物質(zhì)炭引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。生物質(zhì)炭不僅是一種新型能源[13]和新型碳匯[14]材料,而且由于其具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì),使它們在改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤質(zhì)量[8]、去除土壤中的污染物等[15]方面均有一定的成效,在土壤改良和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。本文將首先介紹生物質(zhì)炭的基本性質(zhì),然后綜述國內(nèi)外利用生物質(zhì)炭在改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和微生物的活性研究以及污染土壤修復(fù)等方面的最新研究進(jìn)展,并對當(dāng)前生物質(zhì)炭在土壤修復(fù)中應(yīng)注意的問題進(jìn)行概述,同時對未來研究的熱點和趨勢進(jìn)行展望。
生物質(zhì)炭一詞最先出現(xiàn)于有關(guān)亞馬遜河流域生態(tài)和農(nóng)業(yè)方面的研究論文[16]。研究人員將生物質(zhì)炭定義為:富含碳的生物質(zhì)在缺氧或者無氧的條件下通過高溫裂解或者不完全燃燒生成的一種含碳量大、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固體物質(zhì)[17]。可制備生物炭的原料多種多樣,包括植物類廢棄物[18-19](如秸稈、稻草、礱糠、樹枝等),動物糞便[20-21](如豬糞、牛糞、雞糞等),城市污水處理廠污泥[22],輕工業(yè)固體廢棄物,大分子藻類[23]等。不同的生物質(zhì)原料制備的生物質(zhì)炭其基本性質(zhì)也會存在差別。另外,生物質(zhì)炭的制備溫度是影響生物炭結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要因素。隨著溫度的升高,多孔性也會隨之增加,甚至比表面積增至原生物質(zhì)表面積的數(shù)千倍[24-25]。生物質(zhì)炭主要由單環(huán)和多環(huán)的芳香族化合物組成,具有較高的化學(xué)和生物學(xué)穩(wěn)定性;主要由碳、氫、氧、氮等元素組成,同時含有大量磷、硫、鉀、鈣、鎂、硅、鋁等植物所需的營養(yǎng)元素[26];一般呈堿性(pH 7~12);表面含有豐富的—COOH,—OH和—CO等含氧官能團(tuán)和堿性離子[如鉀離子(K+)和鈉離子(Na+)]及碳酸鹽(如碳酸鈣和碳酸鎂)[27-28]。這些性質(zhì)是影響生物炭吸附能力以及陽離子交換能力的重要因素。由于生物質(zhì)炭的特殊性質(zhì)使其在土壤改良劑、固碳、氮減排、緩釋肥料載體、污水治理、煙氣凈化、土壤修復(fù)、固體成型燃料、燃料電池、固體酸催化劑和電極材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景[29-30]。
2.1 生物質(zhì)炭對土壤重金屬形態(tài)的影響
重金屬對環(huán)境和人體危害最大的是其有效態(tài),因此,降低重金屬在土壤中的有效態(tài)是降低重金屬毒性的有效措施。生物質(zhì)炭在土壤重金屬鈍化固定修復(fù)中的應(yīng)用是當(dāng)前生物質(zhì)炭研究的熱點之一。已有很多研究表明:生物質(zhì)炭施入土壤可提高土壤pH值及有機質(zhì)含量,降低土壤重金屬的有效態(tài),從而降低土壤重金屬的生物毒性。
李季等[31]采用室內(nèi)培養(yǎng)法研究水稻Oryza sativa生物質(zhì)炭對銻污染土壤修復(fù)過程中發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)1~2個月后,5%的生物炭處理促進(jìn)了銻從鐵/錳氧化態(tài)向有機結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化,原因可能是生物炭上的羥基、羧基、芳香基等官能團(tuán)與土壤中的重金屬進(jìn)行有機配位絡(luò)合,從而增加有機結(jié)合態(tài)銻的含量。5%的生物質(zhì)炭處理導(dǎo)致土壤銻的生物可利用性比對照顯著降低了20%。生物質(zhì)炭對土壤重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化與季節(jié)及田間作物有著密切的關(guān)系。崔立強等[32]研究發(fā)現(xiàn):修復(fù)鉛污染土壤過程中,加入生物質(zhì)炭可使鉛酸溶態(tài)、還原態(tài)和氧化態(tài)組分顯著降低并向殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化。酸溶態(tài)、還原態(tài)和氧化態(tài)三者含量分別降低;而殘渣態(tài)鉛含量卻顯著升高。其中,上述4種形態(tài)的各個處理在2011年小麥Triticum aestivum季顯著高于2010年水稻季9.1%~28%,原因在于不同水分條件導(dǎo)致氧化還原電位的變化。
另外,重金屬在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化與生物質(zhì)炭的原料、粒徑及施用量有關(guān)。毛懿德等[33]用竹炭和檸條Caragana korshinskii炭作為生物質(zhì)炭原料進(jìn)行盆栽實驗,研究生物質(zhì)炭對土壤中鎘形態(tài)的影響。結(jié)果表明:與對照相比,0.1%和1.0%的竹炭及檸條生物質(zhì)炭處理可使交換態(tài)鎘含量分別降低4.99%,5.44%和9.44%,16.64%。土壤經(jīng)生物炭處理后,鎘活性指數(shù)有所降低,降幅最大的是1.0%檸條生物質(zhì)炭處理(降低0.18個單位),可知1.0%的檸條炭處理的鈍化效果最顯著。劉晶晶等[34]在重金屬混合污染土壤中添加不同粒徑的生物質(zhì)炭,發(fā)現(xiàn)5%稻草秸稈(0.25 mm)處理對降低土壤中鎘、銅、鉛和鋅有效態(tài)含量的效果最佳,分別減少了34.5%,50.1%,52.5%和52.1%,在粗粒徑(1.00 mm)竹炭處理下,酸溶態(tài)銅和鋅向可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化。李明遙等[35]在污染土壤中施入玉米Zea mays秸稈炭后發(fā)現(xiàn),土壤交換態(tài)鎘的含量降低,碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)以及殘渣態(tài)含量增加。
土壤中重金屬的各形態(tài)狀況與生物質(zhì)炭改變土壤有機質(zhì)、pH值有著密切的關(guān)系。崔立強等[32]、毛懿德等[33]、劉晶晶等[34]研究表明:根據(jù)歐盟參比司(European Community Bureau of Reference)土壤重金屬形態(tài)連續(xù)提取法(簡稱BCR法)分級得出的鉛有效態(tài)與pH值、有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤pH值與土壤可交換態(tài)鎘含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。
2.2 生物質(zhì)炭對土壤重金屬遷移性的影響
生物質(zhì)炭可以作為土壤改良劑使用,以增加土壤保肥能力、改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),也可作為重金屬鈍化劑,提高土壤對重金屬的吸附固定能力,降低重金屬的遷移性,減少二次污染,增加作物產(chǎn)量。諸多研究證明,生物質(zhì)炭對土壤中鎘、砷、鉻、銅、鉛[36-38]等有良好的吸附效果,對土壤中的汞也有一定的吸附作用[39]。由于生物質(zhì)炭呈堿性且含有豐富水溶性有機碳和有效磷,在酸性土壤中施加生物質(zhì)炭可有效降低土壤中重金屬的有效性[40]。GAPORALE等[41]通過等溫線研究證明,同種處理吸附重金屬的能力有差異。在單因素系統(tǒng)中,生物質(zhì)炭對重金屬的吸附強弱表現(xiàn)為鉛>鉻>銅,在雙因素系統(tǒng)中鉛對鉻、銅表現(xiàn)出抑制作用,與單因素系統(tǒng)相比生物質(zhì)炭對鉻和銅的吸附量降低了36.2%和73.5%。
研究表明:生物質(zhì)炭的吸附性能遠(yuǎn)大于其在土壤環(huán)境中的解析能力[42-43],因此,生物質(zhì)炭可以作為土壤污染修復(fù)劑使用。REES等[44]通過根箱實驗研究了黑麥草Lolium perenne與天藍(lán)遏藍(lán)菜Noccaea caerulescens對施入生物質(zhì)炭的土壤中鎘、鉛、鋅的吸附能力。結(jié)果表明:生物質(zhì)炭降低了這些重金屬的毒性,同時由于生物質(zhì)炭提供了一定的營養(yǎng)物質(zhì)(如鉀、鈣、鈉、鎂等)從而促進(jìn)了鋅/鎘超富集植物天藍(lán)遏藍(lán)菜的根系生長,降低了非富集植物黑麥草根系重金屬的含量。CHEN等[45]通過田間試驗種植四季水稻,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對第一季水稻鎘的含量沒有顯著影響,但后三季水稻中的鎘含量與空白相比分別減少了61%,86%和57%,土壤中有效鋅的含量也有所降低。原因可能是生物質(zhì)炭施用提高了土壤的pH值,增加了土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)的含量,從而降低了鎘的植物有效性[45]。
綜上所述,生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤有著良好的修復(fù)效果。在大量盆栽實驗的基礎(chǔ)上,近幾年生物質(zhì)炭作為一種修復(fù)劑也投入到了重金屬污染農(nóng)田中的應(yīng)用。崔立強等[32]大田試驗研究證明:生物質(zhì)炭的施用可有效降低鉛元素的生物可利用性和生態(tài)毒性。李海麗[46]大田試驗研究證明:施加生物質(zhì)炭后可有效降低鎘的植物毒性。與對照組比較,該處理中稻米中鉛、鋅和鎘含量下降分別了2.0%,19.4%和43.1%。然而由于生物質(zhì)炭原料及制備條件各異,生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤的修復(fù)效果有所不同。因此,探究生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤的修復(fù)機制至關(guān)重要。
研究生物質(zhì)炭去除重金屬的機制,對合理使用生物質(zhì)炭,改善土壤環(huán)境,提高生物質(zhì)炭的生態(tài)效益具有指導(dǎo)意義。由于生物質(zhì)炭生產(chǎn)原料來源廣泛,制備條件多樣,而土壤重金屬污染類型及程度不一等因素,使生物質(zhì)炭對重金屬的固定和鈍化機制也不盡相同[47]。根據(jù)目前已有的研究成果,生物質(zhì)炭對重金屬的修復(fù)主要包括物理吸附、離子吸附、離子交換、沉淀絡(luò)合、交互作用等多種作用機制[48-49]。
3.1 物理吸附
物理吸附也稱范德華吸附,是吸附質(zhì)分子與吸附劑表面原子或分子間以物理力進(jìn)行的吸附作用,這種物理力是范德華力,但這種作用力比較弱,一般是可逆的[49]。梁媛等[50]用含磷材料、牛糞生物炭和水稻秸稈生物炭修復(fù)鉛、鋅、鎘復(fù)合污染土壤。結(jié)果表明:牛糞生物質(zhì)炭固定鉛離子(Pb2+)的作用機理包括吸附、沉淀、離子交換等,水稻生物質(zhì)炭固定Pb2+的機制主要為吸附、離子交換,而鎘離子(Cd2+)主要通過離子交換作用固定在土壤中。CAO等[51]研究奶牛糞生物炭去除Pb2+時,也發(fā)現(xiàn)表面吸附對生物炭吸附重金屬離子有一定的作用。
3.2 離子交換
離子交換即為金屬陽離子與炭表面的電離質(zhì)子的離子交換作用。生物質(zhì)炭表面含有較高的陽離子交換量,當(dāng)生物質(zhì)炭施入土壤后會提高土壤對金屬陽離子的交換作用。EL-SHAFEY等[52]用纖維束生物炭吸附鎘離子(Cd2+)等重金屬離子,研究發(fā)現(xiàn)該種生物炭對重金屬離子的吸附機制主要是在生物炭表面發(fā)生離子交換作用,隨著金屬離子被吸附的過程水中質(zhì)子數(shù)有所增加。李力等[53]用玉米秸稈炭對Cd2+的吸附實驗中發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭對鎘的吸附機制主要以離子交換為主。
3.3 絡(luò)合與沉淀
生物質(zhì)炭表面的某些官能團(tuán)(如—COOH,—COH,—OH)可與土壤中重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),生成穩(wěn)定的絡(luò)合物[54]。另外,生物質(zhì)炭可提高土壤pH值,氫氧根離子(OH-)可與重金屬離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物,降低重金屬的遷移性[55]。此外,某些生物質(zhì)炭(如污泥基生物炭)還含有磷酸鹽和碳酸鹽,磷酸根與碳酸根可與重金屬離子發(fā)生沉淀反應(yīng)。吳敏等[56]采用Langmuir等溫曲線研究污泥生物質(zhì)炭對銅離子(Cu2+)和鉛離子(Pb2+)的吸附作用。結(jié)果表明:表面絡(luò)合可能是金屬在生物炭上吸附的主要機制。DONG等[57]研究了甘蔗Saccharum officenarum渣生物質(zhì)炭吸附重鉻酸根離子(Cr2O42-)機制,揭示了在酸性條件下生物炭對鉻的吸附主要是通過靜電引力的作用。
3.4 位點競爭
生物質(zhì)炭含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu),對重金屬有很好的吸附作用。由于污染土壤大多是混合污染型,因此,重金屬吸附在生物質(zhì)炭表面有競爭關(guān)系。GAPORALE等[41]研究證明:在單因素系統(tǒng)中,生物質(zhì)炭對重金屬的吸附強弱表現(xiàn)為鉛>鉻>銅,在雙因素系統(tǒng)中鉛對鉻、銅均表現(xiàn)出抑制作用。
3.5 交互作用
離子之間存在競爭關(guān)系外同時還存在交互作用。趙保衛(wèi)等[58]以胡麻Sesamum indicum和油菜Brassica campestris的秸稈為生物質(zhì)炭原料研究生物質(zhì)炭對重金屬鉻(Ⅵ)和銅(Ⅱ)的吸附作用。研究表明:生物質(zhì)炭對鉻(Ⅵ)的吸附量比單一體系銅(Ⅱ)的略高但不顯著,而鉻(Ⅵ)的吸附量較單一銅(Ⅱ)體系明顯增大。原因是鉻(Ⅵ)大多以HCrO4-形式存在并被吸附到生物炭表面[59],而HCrO4-具有較大的離子空間體積,隨著時間的推移被吸附的HCrO4-越來越多,構(gòu)成的離子框架空間逐漸增大,負(fù)電性的框架結(jié)構(gòu)與溶液中游離態(tài)的銅(Ⅱ)相互吸引,進(jìn)而達(dá)到對銅(Ⅱ)較好的吸附效果[60]。表明2種金屬在2種生物炭上的吸附存在交互作用,為協(xié)同吸附作用。
生物質(zhì)炭以農(nóng)林廢棄物和污泥為原料,不僅解決了廢棄物安全處置問題,減少它們對環(huán)境造成的影響,同時生物質(zhì)炭制備過程中產(chǎn)生的生物油和氣可進(jìn)一步進(jìn)行資源化和能源化利用。生物質(zhì)炭能改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、保持土壤養(yǎng)分、滋養(yǎng)土壤微生物、固定土壤污染物,有望在土壤改良中發(fā)揮重要作用。然而,利用生物質(zhì)炭修復(fù)土壤這項新技術(shù)還存在一些不完善的地方,尤其是生物質(zhì)炭的使用帶來的負(fù)面影響更不容忽視。在未來的研究中,如何合理使用生物質(zhì)炭,減輕它們對土壤環(huán)境造成的負(fù)面影響將成為熱點問題。
由于生物質(zhì)炭的原料多種多樣,制備溫度也各異,使其理化性質(zhì)有較大差異,又由于土壤污染類型及污染程度各異,使它們對土壤的改良效果也存在著較大的差異,因此,很難對其結(jié)果進(jìn)行有效的整合。今后的研究應(yīng)當(dāng)在充分了解土壤的污染類型及程度,污染土壤修復(fù)后的用途,篩選合適的生物質(zhì)炭材料,制定合理的生物質(zhì)炭施用量,以期達(dá)到最佳修復(fù)效果及最高經(jīng)濟(jì)效益。此外,也應(yīng)開展生物質(zhì)炭標(biāo)準(zhǔn)的制定研究。
在現(xiàn)有的研究中,生物質(zhì)炭對污染土壤的研究主要集中在對某一污染物的修復(fù)效果上。現(xiàn)實中土壤污染大多屬復(fù)合型污染,因此,日后應(yīng)當(dāng)研究生物質(zhì)炭對復(fù)合污染土壤的修復(fù)效果,及其修復(fù)機制以及影響修復(fù)效果的環(huán)境因素等。
目前,中國生物質(zhì)炭的應(yīng)用研究主要集中在中東部地區(qū),國際上對生物質(zhì)炭的利用研究也主要集中在熱帶及亞熱帶地區(qū)[61]。因此,未來的研究應(yīng)當(dāng)擴大區(qū)域范圍,以全面了解生物質(zhì)炭對不同土壤類型、不同氣候區(qū)域的修復(fù)效率。
生物質(zhì)炭具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)且具有很強的吸附性能。這使生物質(zhì)炭穩(wěn)定性強,且能降低土壤中污染物的移動性。然而芳香環(huán)化合物,如多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一類致癌物,對生物體具有一定的毒害作用。此外,由于生物質(zhì)炭原材料(如污泥)含有有毒有害物質(zhì)(重金屬和有機物等),過量使用可能會影響土壤性質(zhì),降低作物品質(zhì)。因此,對生物質(zhì)炭原材料進(jìn)行安全化處理至關(guān)重要。盡管生物質(zhì)炭的自然衰減過程可達(dá)到一個世紀(jì)之久,但最終將會被降解,且生物質(zhì)炭對污染物的吸附有一個飽和點,所以生物質(zhì)炭的使用對土壤長期安全依然存在風(fēng)險。故今后應(yīng)在原位條件下對生物質(zhì)炭進(jìn)行長期動態(tài)追蹤研究。
目前,多數(shù)生物質(zhì)炭研究主要集中在室內(nèi)、大棚或小面積的田間試驗。因此,今后的研究應(yīng)當(dāng)擴大田間使用范圍,結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚣疤镩g作物生長規(guī)律進(jìn)行長期定位實驗,擬定最佳修復(fù)方案,并建立示范基地,加以推廣。
生物質(zhì)炭含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)及植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。生物質(zhì)炭的使用可能會對微生物群落結(jié)構(gòu)和功能及土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,從而影響作物生長及質(zhì)量安全,最終通過食物鏈影響人體健康。因此,開展生物質(zhì)炭—土壤結(jié)構(gòu)—微生物—作物系統(tǒng)—人體健康連續(xù)體的研究有極其重要的意義。
[1] 王玉軍,陳懷滿.我國土壤環(huán)境質(zhì)量重金屬影響研究中一些值得關(guān)注的問題[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,32(7):1289-1293.
WANG Yujun,CHEN Huaiman.Several critical issues in the studies of soil environmental quality affected by heavy metals[J].J Agro-Environ Sci,2013,32(7):1289-1293.
[2] 周東美,王玉軍,陳懷滿.論土壤環(huán)境質(zhì)量重金屬標(biāo)準(zhǔn)的獨立性與依存性[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,33(2):205-216.
ZHOU Dongmei,WANG Yujun,CHEN Huaiman.Independence and dependence of soil environmental quality standard for heavy metals[J].J Agro-Environ Sci,2014,33(2):205-216.
[3] ZHAO Fangjie,MA Yibing,ZHU Yongguan,et al.Soil contamination in China:current status and mitigation strategies[J].Environ Sci Technol,2015,49(2):750-759.
[4] 熊嚴(yán)軍.我國土壤污染現(xiàn)狀及治理措施[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010(8):294-295,297.
XIONG Yanjun.Pollution status and control measures of soil in China[J].Mod Agric Sci Technol,2010(8):294-295, 297.
[5] 駱永明.污染土壤修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢[J].化學(xué)進(jìn)展,2009,21(增刊1):558-565.
LUO Yongming.Current research and development in soil remediation technologies[J].Pro Chem,2009,21(supp 1):558-565.
[6] 賈小飛,崔穎,李勇.我國污染土壤修復(fù)研究現(xiàn)狀分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2106(4):147.
JIA Xiaofei,CUI Ying,LI Yong.Analysis on the present situation of remediation of contaminated soil in China[J].Technol Innov,2016(4):147.
[7] HOUBEN D,EVRARD L,SONNET P.Beneficial effects of biochar application to contaminated soils on the bioavailability of Cd,Pb and Zn and the biomass production of rapeseed (Brassica napus L.)[J].Biom Bio,2013,57(11):196-204.
[8] JONES D A,LELYVELD T P,MAVROFIDIS S D,et al.Microwave heating applications in environmental engineering:a review[J].Res Conserv Recycl,2002,34(2):75-90.
[9] ARTHUR E L,RICE P J,RICE P J,et al.Phytoremediation-an overview[J].Crit Rev Plant Sci,2005,24(2):109-122.
[10] 孫約兵,王朋超,徐應(yīng)明,等.海泡石對鎘-鉛復(fù)合污染鈍化修復(fù)效應(yīng)及其土壤環(huán)境質(zhì)量影響研究[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(12):4720-4726.
SUN Yuebing,WANG Pengchao,XU Yingming,et al.Immobilization remediation of Cd and Pb contaminated soil:remediation potential and soil environmental quality[J].Environ Sci,2014,35(12):4720-4726.
[11] 梁學(xué)峰,韓君,徐應(yīng)明,等.海泡石及其復(fù)配原位修復(fù)鎘污染稻田[J].環(huán)境工程學(xué)報,2015,9(9):4571-4577.
LIANG Xuefeng,HAN Jun,XU Yingming,et al.In-situ remediation of Cd polluted paddy soil using sepiolite and combined amendments[J].Chin J Environ Eng,2015,9(9):4571-4577.
[12] 朱奇宏,黃道友,劉國勝,等.石灰和海泡石對鎘污染土壤的修復(fù)效應(yīng)與機理研究[J].水土保持學(xué)報,2009,23(1):111-116.
ZHU Qihong,HUANG Daoyou,LIU Guosheng,et al.Effects and mechanism of lime and sepiolite on remediation of Cd contaminated soils[J].J Soil Water Conserv,2009,23(1):111-116.
[13] 劉杰云,沈健林,邱虎森,等.生物質(zhì)炭添加對農(nóng)田溫室氣體凈排放的影響綜述[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015, 34(2):205-212.
LIU Jieyun,SHEN Jianlin,QIU Husen,et al.Effects of biochar amendments on net emissions of greenhouse gases from croplands:a review[J].J Agro-Environ Sci,2015,34(2):205-212.
[14] YOO G,KANG H.Effects of biochar addition on greenhouse gas emissions and microbial responses in a short-term laboratory experiment[J].J Environ Qual,2012,41(4):1193-1202.
[15] LI Hongying,YE Xinxin,GENG Zhigang,et al.The influence of biochar type on long-term stabilization for Cd and Cu in contaminated paddy soils[J].J Hazard Mater,2016,304:40-48.
[16] GROSSMAN J M,O’NEILL B E,TSAI S M,et al.Amazonian anthrosols support similar microbial communities that differ distinctly from those extant in adjacent,unmodified soils of the same mineralogy[J].Microb Ecol,2010,60(1):192-205.
[17] 呂宏虹,宮艷艷,唐景春,等.生物炭及其復(fù)合材料的制備與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34(8):1429-1440.
Lü Honghong,GONG Yanyan,TANG Jingchun,et al.Advances in preparation and applications of biochar and its composites[J].J Agro-Environ Sci,2015,34(8):1429-1440.
[18] LEHMAN J.A handful of carbon[J].Nature,2007,447(7141):143-144.
[19] SOHI S P,RULL E,LOPEZ-CAPEL E,et al.Chapter 2-A review of biochar and its use and function in soil[J].Adv Agron,2010,105:47-82.
[20] LEE Y,PARK J,RYU C,et al.Comparison of biochar properties from biomass residues produced by slow pyrolysis at 500℃[J].Bioresour Technol,2013,148:196-201.
[21] SAMSURI A W,SADEGH-ZADEH F,SEH-BARDAN B J.Characterization of biochars produced from oil palm and rice husks and their adsorption capacities for heavy metals[J].Int J Environ Sci Technol,2014,11(4):967-976.
[22] MENG Jun,WANG Lili,LIU Xingmei,et al.Physicochemical properties of biochar produced from aerobically composted swine manure and its potential use as an environmental amendment[J].Bioresour Technol,2013,142(4):641-646.
[23] TSAI W T,LIU S C,CHEN H R,et al.Textural and chemical properties of swine-manure-derived biochar pertinent to its potential use as a soil amendment[J].Chemosphere,2012,89(2):198-203.
[24] 陳再明,陳寶梁,周丹丹.水稻秸稈生物碳的結(jié)構(gòu)特征及其對有機污染物的吸附性能[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,33(1):9-19.
CHEN Zaiming,CHEN Baoliang,ZHOU Dandan.Composition and sorption properties of rice-straw derived biochars[J].Acta Sci Circumst,2013,33(1):9-19.
[25] 黃益宗,郝曉偉,雷鳴,等.重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)及其修復(fù)實踐[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,32(3):409-417.
HUANG Yizong,HAO Xiaowei,LEI Ming,et al.The remediation technology and remediation practice of heavy metals-contaminated soil[J].J Agro-Environ Sci,2013,32(3):409-417.
[26] 黃代寬,李心清,董澤琴,等.生物炭的土壤環(huán)境效應(yīng)及其重金屬修復(fù)應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(11):159-165.
HUANG Daikuan,LI Xinqing,DONG Zeqin,et al.Soil environmental influence of biochar and its application in soil heavy metal restoration[J].Guizhou Agric Sci,2014,42(11):159-165.
[27] 袁金華,徐仁扣.生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其對土壤環(huán)境功能影響的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2011,20(4):779-785.
YUAN Jinhua,XU Renkou.Progress of the research on the properties of biochars and their influence on soil environmental functions[J].Ecol Environ Sci,2011,20(4):779-785.
[28] YUAN Jinhua,XU Renkou,ZHANG Hong.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J].Bioresour Technol,2011,102(3):3488-3497.
[29] 李保強,劉鈞,李瑞陽,等.生物質(zhì)炭的制備及其在能源與環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2012,46(1):34-38.
LI Baoqiang,LIU Jun,LI Ruiyang,et al.Biochars preparation and its applications in energy and environment field[J].Biol Chem Eng,2012,46(1):34-38.
[30] 孔絲紡,姚興成,張江勇,等.生物質(zhì)炭的特性及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報 2015,24(4):716-723. KONG Sifang,YAO Xingcheng,ZHANG Jiangyong,et al.Review of characteristics of biochar and research progress of its applications[J].Ecol Environ Sci,2015,24(4):716-723.
[31] 李季,黃益宗,胡瑩,等.改良劑對土壤Sb賦存形態(tài)和生物可給性的影響[J].環(huán)境化學(xué),2015,34(6):1043-1048.
LI Ji,HUANG Yizong,HU Ying,et al.Effect of several amendments on fractionation and bio-accessibility of antimony in contaminated soil[J].Environ Chem,2015,34(6):1043-1048.
[32] 崔立強,楊亞鴿,嚴(yán)金龍,等.生物質(zhì)炭修復(fù)后污染土壤鉛賦存形態(tài)的轉(zhuǎn)化及其季節(jié)特征[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2014,30(2):233-239.
CUI Liqiang,YANG Yage,YAN Jinlong,et al.Speciation and season change characteristic of lead in contaminated soil with biochar amendment[J].Chin Agric Sci Bull,2014,30(2):233-239.
[33] 毛懿德,鐵柏清,葉長城,等.生物炭對重污染土壤鎘形態(tài)及油菜吸收鎘的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報,2015,31(4):579-582.
MAO Yide,TIE Boqing,YE Changcheng,et al.Effects of biochar on forms and uptake of cadmium by rapeseed in cadmium-polluted soil[J].J Ecol Rural Environ,2015,31(4):579-582.
[34] 劉晶晶,楊興,陸扣萍,等.生物質(zhì)炭對土壤重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,35(11):3679-3687.
LIU Jingjing,YANG Xing,LU Kouping,et al.Effect of bamboo and rice straw biochars on the transformation and bioavailability of heavy metals in soil[J].Acta Sci Circumst,35(11):3679-3687.
[35] 李明遙,張妍,杜立宇,等.生物炭與沸石混施對土壤Cd形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響[J].水土保持學(xué)報,2014,28(3):248-252.
LI Mingyao,ZHANG Yan,DU Liyu,et al.Influence of biochar and zeolite on the fraction transform of cadmium in contaminated soil[J].J Soil Water Conserv,2014,28(3):248-252.
[36] 楚穎超,李建宏,吳蔚東.椰纖維生物炭對Cd(Ⅱ),As(Ⅲ),Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的吸附[J].環(huán)境工程學(xué)報,2015,9(5):2165-2170.
CHU Yingchao,LI Jianhong,WU Weidong.Adsorption of Cd(Ⅱ),As(Ⅲ),Cr(Ⅲ)and Cr(Ⅵ)by coconut fiber-de-rived biochars[J].Chin J Environ Eng,2015,9(5):2165-2170.
[37] 孔德花,魏育東.生物炭對重金屬離子Pb2+和Cd2+的吸附作用研究[J].內(nèi)蒙古石油化工,2015(1):11-13.
KONG Dehua,WEI Yudong.Preparation of cotton stalk-based biochar and its application in adsobtion of heavy metal ion Pb2+and Cd2+[J].Inner Mongolia Petrochem Ind,2015(1):11-13.
[38] 徐楠楠,林大松,徐應(yīng)明,等.玉米秸稈生物炭對Cd2+的吸附特性及影響因素[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,33(5):958-964.
XU Nannan,LIN Dasong,XU Yingming,et al.Adsorption of aquatic Cd2+by biochar obtained from corn stover[J].J Agro-Environ Sci,2014,33(5):958-964.
[39] 趙凌宇,王延華,楊浩,等.木屑和稻稈基生物質(zhì)炭對汞的吸附特性比較[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34(3):556-562.
ZHAO Lingyu,WANG Yanhua,YANG Hao,et al.Adsorption of Hg(Ⅱ)by biochars produced from sawdust and rice straw[J].J Agro-Environ Sci,2015,34(3):556-562.
[40] 唐行燦,陳金林,李文慶.生物炭對Cu2+的吸附特性及其影響因素[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(5):1467-1470.
TANG Xingcan,CHEN Jinlin,LI Wenqing.Cu2+Adsorption characteristic of biochar and its influential factor[J].J Anhui Agric Sci,2014,42(5):1467-1470.
[41] GAPORALE A G,PIGNA M,SOMMELL A,et al.Effect of pruning-derived biochar on heavy metals removal and water dynamics[J].Biol Fertil Soils,2014,50(8):1211-1222.
[42] 陳心想,耿增超,王森,等.施用生物炭后塿土土壤微生物及酶活性變化特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,33(4):751-758.
CHEN Xinxiang,GENG Zengchao,WANG Sen,et al.Effects of biochar amendment on microbial biomass and enzyme activities in loess soil[J].J Agro-Environ Sci,2014,33(4):751-758.
[43] FORJáN R,ASENSION V,RODRíGUEZ-VILA A,et al.Contribution of waste and biochar amendment to the sorption of metals in a copper mine tailing[J].Catena,2016,137:120-125.
[44] REES F,STERCKEMAN T,MOREL J L.Root development of non-accumulating and hyperaccumulating plants in metal-contaminated soils amended with biochar[J].Chemosphere,2016,142:48-55.
[45] CHEN De,GUO Hu,LI Ruiyue,et al.Low uptake affinity cultivars with biochar to tackle Cd-tainted rice-a field study over four rice seasons in Hunan,China[J].Sci Total Environ,2016,541:1489-1498.
[46] 李海麗.生物質(zhì)炭對鉛鎘復(fù)合污染稻田土壤修復(fù)效應(yīng)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2015:37-38.
LI Haili.Effect and Mechanism of Biochar on Soil Remedia on of Plumbum and Cadmium Multiple Contaminated Paddy Soil[D].Hangzhou:Zhejiang University,2015:37-38.
[47] 趙保衛(wèi),石夏穎,馬鋒鋒.胡麻和油菜生物質(zhì)炭吸附Cu(Ⅱ)的影響因素及其機制[J].中國科技論文,2015, 10(24):2888-2893.
ZHAO Baowei,SHI Xiaying,MA Fengfeng.Influential factors in adsorption of Cu(Ⅱ)on biochars derived from flap and rape biomasses and mechanisms[J].China Sci Pap,2015,10(24):2888-2893.
[48] 吳偉祥,孫雪,董達(dá),等.生物質(zhì)炭土壤環(huán)境效應(yīng)[M].北京:科學(xué)出版社,2015.
[49] AHMAD M,RAJAPAKSHA A U,LIM J E,et al.Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water:A review[J].Chemosphere,2014,99(3):19-33.
[50] 梁媛,李飛躍,楊帆,等.含磷材料及生物炭對復(fù)合重金屬污染土壤修復(fù)效果與修復(fù)機理[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,32(12):2377-2383.
LIANG Yuan,LI Feiyue,YANG Fan,et al.Immobilization and its mechanisms of heavy metal contaminated soils by phosphate-containing amendment and biochar[J].J Agro-Environ Sci,2013,32(12):2377-2383.
[51] CAO Xinde,MA L Q,GAO Bin,et al.Dairy-manure derived biochar effectively sorbs lead and atrazine[J].Environ Sci Technol,2009,43(9):3285-3291.
[52] EL-SHAFEY E,COX M,PICHUGIN A A,et al.Application of a carbon sorbent for the removal of cadmium and other heavy metal ions from aqueous solution[J].J Chem Technol Biotechnol,2002,77(4):429-436.
[53] 李力,陸宇超,劉婭,等.玉米秸稈生物炭對Cd(Ⅱ)的吸附機理研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012,31(11):2277-2283.
LI Li,LU Yuchao,LIU Ya,et al.Adsorption mechanisms of cadmium(Ⅱ)on biochars derived from corn straw[J]. J Agro-Environ Sci,2012,31(11):2277-2283.
[54] 王震宇,劉國成, XING M,等.不同熱解溫度生物炭對Cd(Ⅱ)的吸附特性[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(2):4735-4734.
WANG Zhenyu,LIU Guocheng,XING M,et al.Adsorption of Cd(Ⅱ)varies with biochars derived at different pyrolysis temperatures[J].Environ Sci,2014,35(2):4735-4734.
[55] 程啟明,黃青,劉英杰,等.花生殼與花生殼生物炭對鎘離子吸附性能研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,33(10):2022-2029.
CHENG Qiming,HUANG Qing,LIU Yingjie,et al.Adsorption of cadmium(Ⅱ)on peanut shell and its biochar[J]. J Agro-Environ Sci,2014,33(10):2022-2029.
[56] 吳敏,寧平,吳迪.滇池底泥制備的生物炭對重金屬的吸附研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,38(2):102-106.
WU Min,NING Ping,WU Di.Heavy metal sorption characteristics of biochars derived from dianchi lake sediment[J].J Kunming Univ Sci Technol Nat Sci Ed,2013,38(2):102-106.
[57] DONG Xiaoling,MA L Q,LI Yuncong.Characteristics and mechanisms of hexavalent chromium removal by biochar from sugar beet tailing[J].J Hazard Mater,2011,190(1/3):909-915.
[58] 趙保衛(wèi),石夏穎,馬鋒鋒.Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)在胡麻和油菜生物質(zhì)炭上吸附的交互作用[J].環(huán)境化學(xué),2016,35(2):323-329.
ZHAO Baowei,SHI Xiaying,MA Fengfeng.Interacion between Cr(Ⅵ)and Cu(Ⅱ)adsorption onto biochars derived from flax and rape biomasses[J].Environ Chem,2016,35(2):323-329.
[59] AGRAFIOTI E,KALDERIS D,DIAMADOPOULOS E.Arsenic and chromium removal from water using biochars derived from rice husk,organic solid wastes and sewage sludge[J].J Environ Manage,2014,133C:309-314.
[60] 金寶丹.纖維素改性及其吸附重金屬離子的應(yīng)用研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2010.
JIN Baodan.Application Research on Cellulose Modification and Adsorption on Heavy Metalions[D].Fuxin:Liaoning Technical University,2010.
[61] 武玉,徐剛,呂迎春,等.生物炭對土壤理化性質(zhì)影響的研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2014,29(1):68-79.
WU Yu,XU Gang,Lü Yingchun,et al.Effects of biochar amendment on soil physical and chemical properties:current status and knowledge gaps[J].Adv Earth Sci,2014,29(1):68-79.
Mechanism and effects of biochar application on morphology and migration of heavy metals in contaminated soil
ZHANG Jianyun1,2,GAO Caihui2,ZHU Hui2,ZHONG Shuigen2,YANG Wenyan2,ZHENG Junlong2, WU Shengchun1,2,SHAN Shengdao3,WANG Zhirong4,ZHANG Jin1,2,CAO Zhihong5,Peter CHRISTIE2(1.Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.School of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;3.Institute of Ecology and Environment,Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023,Zhejiang,China;4.Office of Zhejiang Provincial Agriculture Ecology and Energy,Hangzhou 310012,Zhejiang,China;5.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,Jiangsu,China)
The applications of biochar,a pyrolytic product of biomass under the oxygen-free conditions,in improving soil fertility and other physicochemical properties as well as remediating heavy metal contaminated soil have become one of hotspots in the frontiers of environmental research.This paper reviewed the up-to-date progresses of the research concerning biochar,in an attempt to illustrate the mechanisms related to the interactions between heavy metals and biochar,including physical adsorption,ionic adsorption and exchange,precipitation and complexation,by which the bioavailability,mobility,and biotoxicity of heavy metals in soil could be effectively reduced.However,there still exist some problems,especially regarding how to enhance the long-term stability of biochar in immobilizing the metal ions.Meanwhile,the consortium study concerning the biocharsoil-crops-human health is urgently needed in the near future.[Ch,61 ref.]
S158;X53
A
2095-0756(2017)03-0543-09
浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報,2017,34(3):543-551
Journal of Zhejiang A&F University
10.11833/j.issn.2095-0756.2017.03.021
2016-06-13;
2016-11-04
浙江省重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目(2013TD12/12);浙江省科學(xué)技術(shù)公益項目(2015C33050);浙江省“三農(nóng)六方”科技協(xié)作項目(CTZB-F150922AWZ-SNY1);浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃項目(2015R412005)
張建云,從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用研究。E-mail:397017925@qq.com。通信作者:張進(jìn),副教授,博士,從事生物質(zhì)廢棄物資源化及其環(huán)境行為和環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail:jzhang@zafu.edu.cn
浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報2017年3期