生物炭修复重金属污染土壤对农作物生长影响机制研究进展.pdf
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1、Hans Journal of Soil Science 土壤科学土壤科学,2023,11(3),146-156 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/hjss https:/doi.org/10.12677/hjss.2023.113019 文章引用文章引用:李璞,盛红坤,阮佳琪,谭字江,李国东.生物炭修复重金属污染土壤对农作物生长影响机制研究进展J.土壤科学,2023,11(3):146-156.DOI:10.12677/hjss.2023.113019 生物炭修复重金属污染土壤对农作物生长影响生
2、物炭修复重金属污染土壤对农作物生长影响机制研究进展机制研究进展 李李 璞,盛红坤,阮佳琪,谭字江,李国东璞,盛红坤,阮佳琪,谭字江,李国东*南开大学滨海学院环境科学与工程系,天津 收稿日期:2023年6月19日;录用日期:2023年7月20日;发布日期:2023年7月27日 摘摘 要要 随着农业生产的不断发展,土壤重金属污染问题日益严重,影响着农作物的生长和发展。生物炭修复重随着农业生产的不断发展,土壤重金属污染问题日益严重,影响着农作物的生长和发展。生物炭修复重金属污染是一种新兴的生态修复技术,近年来引起了广泛关注。生物炭可以有效改善土壤结构,增加土金属污染是一种新兴的生态修复技术,近年来引
3、起了广泛关注。生物炭可以有效改善土壤结构,增加土壤肥力,有助于农作物产量质量的提升。本文主要就生物炭修复重金属污染土壤后对于土壤肥力和农作壤肥力,有助于农作物产量质量的提升。本文主要就生物炭修复重金属污染土壤后对于土壤肥力和农作物的影响进行研究综述,探究具体影响,以期为后续相关学术研究提供理论依据。物的影响进行研究综述,探究具体影响,以期为后续相关学术研究提供理论依据。关键词关键词 生物炭,重金属,土壤肥力,农作物生物炭,重金属,土壤肥力,农作物 Research Progress on the Mechanism of Biochar Remediation of Heavy Metal C
4、ontaminated Soil on Crop Growth Pu Li,Hongkun Sheng,Jiaqi Ruan,Zhijiang Tan,Guodong Li*Department of Environmental Science and Engineering,Nankai University Binhai College,Tianjin Received:Jun.19th,2023;accepted:Jul.20th,2023;published:Jul.27th,2023 Abstract With the continuous development of agricu
5、ltural production,the problem of soil heavy metal pol-lution is becoming more and more serious,which affects the growth and development of crops.Biochar remediation of heavy metal pollution is a emerging ecological restoration technology,*通讯作者。李璞 等 DOI:10.12677/hjss.2023.113019 147 土壤科学 which has at
6、tracted wide attention in recent years.Biochar can effectively improve soil structure,increase soil fertility,and contribute to the improvement of crop yield and quality.This paper mainly reviews the effects of biochar on soil fertility and crops after remediation of heavy met-al-contaminated soil,a
7、nd explores the specific effects,in order to provide theoretical basis for subsequent academic research.Keywords Biochar,Heavy Metal,Soil Fertility,Crop Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).ht
8、tp:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 近年来,随着经济和社会的发展,我国土壤重金属污染问题日益受到关注。2014 年生态环境部发布的全国土壤污染状况调查公报显示,全国土壤总污染超标率为 16.1%,主要为无机型污染类型,其中 Pb点位超标率为 1.5%。我国农田土壤综合污染率为 22.1%,其中重金属污染占绝大部分。我国土壤重金属污染形势严峻,且主要为无机型污染,镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍 8 种无机污染物点位超标率分别为 7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%1。重金属污染的土壤肥力较差,生长
9、的植物体内重金属含量高,人或动物摄入后,重金属通过食物链进入人体,可能会引发骨密度降低、骨折、机体免疫力下降等症状。生物炭是含碳生物质在相对低温、有限氧或无氧环境下热解产生的材料,具有比表面积大、含氧官能团丰富、孔隙结构发达、导电性良好等特点2。生物炭既能改善土壤性质,影响土壤微生物的丰度和活性,又能降低包括重金属在内的多种污染物的生物有效性,并且在土壤环境中稳定存在,具体影响如表 1 所示。这些特性使生物炭成为一种廉价高效的土壤修复剂。另一方面,经过生物炭修复后的重金属污染土壤,通过增加土壤见持水量和阳离子交换等使土壤肥力得到改良,促进物质与能量的循环利用3。除此之外,通过添加生物炭来改善土
10、壤化学性质与物理特性,引起土壤微生物群落、酶活性变化改善生物体生存环境等,对农作物的生长具有显著影响4。Table 1.Effects of different types of biochar on heavy metals 表表 1.不同类型生物炭对重金属的影响 不同类型土壤 重金属种类 不同种类生物炭 生物炭修复重金属影响 普通重金属污染土壤 Cd 松木生物炭 Cd 的生物有效性降低 酸性土壤 Cd、Cu 杂木生物炭 提高土壤对 Cd 的吸附作用,降低作物中 Cu 的浓度 水稻土 Cd、Zn 稻草生物炭 降低稻谷中 Cd、Zn 浓度 农田土壤 As 水稻秸秆生物炭 提高了 As 的生物有
11、效性 温室土壤 Cd 水稻秸秆生物炭 降低了土壤中 Cd 浓度 酸性红土 Cd 动物粪便生物炭 降低了土壤中 Cd 的可利用率 农业土壤 Pb 蔬菜垃圾生物炭 对 Pb 固定效果好,增加土壤微生物群落 工业土壤 Cu、Pb、Cd 橄榄油废物生物炭 累计去除 Cu、Pb、Cd 等重金属离子的能力超过 50%Open AccessOpen Access李璞 等 DOI:10.12677/hjss.2023.113019 148 土壤科学 2.重金属污染土壤现状、成因及其危害重金属污染土壤现状、成因及其危害 2.1.重金属污染土壤现状重金属污染土壤现状 近年来,随着社会经济的快速发展,以及工业和农业
12、相关行业的进步,我国土壤环境面临日益严重的重金属污染问题。根据相关数据,我国每年约有 1200 万 t 粮食直接或间接受到重金属污染,导致年均1000 多万 t 粮食减产,经济损失在 300 亿元以上5。2014 年全国土壤污染状况调查公报显示,土壤中主要的重金属污染元素为汞、镉、铅、砷、铬、镍、铜、锌 8 种,其点位超标率分别为 1.6%、7.0%、1.5%、2.7%、1.1%、4.8%、2.1%、0.9%,说明我国农田土壤重金属污染对农业生态环境安全已经构成了严重威胁。2.2.重金属污染土壤成因重金属污染土壤成因 人为活动是土壤重金属污染的主要成因。来源可分为三大类,即工业源、农业源和城市
13、生活源。工业源指在燃煤发电、开采冶炼等工业生产过程中所产生的废气、废水和废渣直接或间接进入土壤环境中,以及大部分废弃矿场在雨水冲刷以及自然风化过程中向土壤环境释放矿物质,造成土壤重金属污染。农业源即在部分农业生产活动中,使用含有重金属的水灌溉农田,使得污水中的重金属被转移到土壤中;除此之外,农业生产活动中过量使用化肥和农药以及牲畜排泄物中也含有部分的重金属,长期的不合理使用以及不清洁的卫生情况也会造成土壤重金属污染。城市生活源指含汞电光源、铅酸电池、温度计等常见废弃物中含有重金属,由于这些废弃物被随意丢地,处理不到位,会加重土壤的重金属污染6(图 1)。Figure 1.Causes of h
14、eavy metal polluted soil 图图 1.重金属污染土壤成因 2.3.重金属污染土壤的危害重金属污染土壤的危害 众多研究表明,重金属污染物毒性大。一般重金属元素浓度在 110 mg/L 范围内即可产生生物毒性7,重金属容易随土壤、水体迁移等手段进入农田土壤中,并在土壤中逐渐富集,当土壤中的重金属含量富集到一定浓度时,会造成农田土壤的活性下降,肥力丧失,进而影响到农作物的生长和发育,导致农作物产量与质量下降。重金属污染超标的农作物被食用后,重金属随之进入人体,在人体器官中慢性李璞 等 DOI:10.12677/hjss.2023.113019 149 土壤科学 积累,难以排出,
15、破坏人体生理功能,对身体健康造成严重危害8(图 2)。Figure 2.The hazards of heavy metal polluted soil 图图 2.重金属污染土壤的危害 3.生物炭修复重金属污染土壤生物炭修复重金属污染土壤 3.1.生物炭来源及性质生物炭来源及性质 生物炭原料来源广泛,可采用多种原材料,一般可分为农业废弃物、木质纤维素两大种类。农业废弃物中常见的有农作物秸秆,如小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆等9,木质纤维素中常见的有油橄榄、松针和锯末等。生物炭的制备方法包括热裂解、水热炭化、气化以及化学处理。其中,有研究表明,改变炭化温度,不同温度下制备得到的生物炭的吸附、固定重
16、金属能力也各不同,其中高温度下制备得到的生物炭效果更好10。生物炭主要由芳香烃或具有石墨结构的碳组成,主要元素有 K、Ca、Na、Mg 等(表 2),是在缺氧条件下经高温热解将生物质碳化而产生的一种高度芳香化固体物质。其孔隙结构发达、含碳量高、具有较大的比表面积、离子交换能力强和丰富法人表面含氧官能团,并且可以在环境中稳定存在11。这些特性使生物炭成为了修复重金属污染土壤的一种廉价有效的土地修复剂。近年来多项研究表明,在农田土壤中添加生物炭后,不仅作为一种修复重金属污染的修复剂,还可提高土壤对营养元素的截留,为农作物提供大量营养,有益于良性微生物的生长,进而提高了土壤的有机质含量,减少了农田土
17、壤肥力的丧失,并且通过改善土壤持水性,提高了农作物的产量和质量12。Table 2.Basic properties of biochar 表表 2.生物碳基本性质 生物炭来源 热解温度()K(gkg-1)Ca(gkg-1)Na(gkg-1)Mg(gkg-1)CEC(cmolkg-1)酸性官能团(mmolg-1)小麦秸秆 450 24 4-2 23.7-玉米秸秆 450 30.65 2.28-0.48 46.3-动物粪便 400 26.43 17.25 4.10 10.7 22.19 8.08 柳桉木 550 2.36 21.26 0.73 1.09 9.12 1.49 桉树叶 400 1.7
18、4 5.55 1.04 0.76-3.05 废水污泥 550 0.09 13.2 0.12 0.36 35-3.2.生物炭修复重金属污染土壤机理生物炭修复重金属污染土壤机理 生物炭的比表面积较大,孔隙结构发达,拥有丰富的官能团,可以通过离子交换、静电作用对土壤中的重金属元素进行吸附固定,降低重金属污染物在土壤中的扩散速度和有毒物质的迁移。生物炭表面具有丰富的含氧官能团,通过官能团中的氧原子孤电子与重金属离子相结合形成稳定的络合物,从而对重金属离子进行固定作用。相关研究表明,生物炭可以和 Cu、Pb、Ag、Al 等发生络合反应进行固定13。李璞 等 DOI:10.12677/hjss.2023.
19、113019 150 土壤科学 3.3.生物炭对重金属污染土壤的影响生物炭对重金属污染土壤的影响 由于土壤环境复杂,重金属污染稳定性强,迁移难度大,生物碳吸附治理土壤中的重金属污染具有突出的优势。3.3.1.生物炭对土壤生物炭对土壤 pH 值的影响值的影响 生物炭制备时温度高低的不同,以及本身灰分中致碱矿物与碳酸盐的影响,使得生物炭一般呈碱性,且生物炭本身持有的碱性会直接影响到土壤的 pH 值。尹小红等实验研究表明,在稻田土壤中施加生物炭会让土壤本身的 pH 值得到极大的提升,来到了 7.16 14。刘元等实验研究发现,在 pH 值=8.30 的潮湿土壤中加入秸秆生物炭后,土壤本身 pH 值无
20、明显变化15。张伟明研究表明,在土壤中加入生物炭后,土壤的 pH 值明显降低,但增加生物炭的浓度,土壤的 pH 值会明显升高16。3.3.2.生物炭对土壤养分和有机碳的影响生物炭对土壤养分和有机碳的影响 土壤养分是农作物生长的必备营养元素,是农作物获得养分的重要途径之一,包括氮、磷、钾等多重元素。李明等实验研究发现,在农田土壤中施加生物炭后,土壤中的有机碳、速效磷和速效钾含量明显提高,说明土壤养分随生物炭的施加而明显提高17。曾爱等实验研究表明,在农作物生长过程中,施加生物炭,土壤中的速效钾含量明显提高18。顾美英等实验研究发现,在低养分的农田土壤中,加入生物炭,土壤养分含量得到了显著提升。另
21、外相关研究表明,在土壤中施加生物炭,可以有效增加土壤有机碳含量19。3.3.3.生物炭对土壤中阳离子交换量的影响生物炭对土壤中阳离子交换量的影响 土壤肥力的一种体现指标就是土壤阳离子交换量,阳离子交换量越高,说明土壤肥力越好。张新帅等和蒋少军等实验研究同时表明,在施加生物炭之后的土壤与对照土壤相比,施加生物炭的土壤其阳离子交换量至少增加 50%以上,并且生物炭施加量越多,其阳离子交换量越高20。陈红霞等实验研究表明,在耕层土壤中施加生物炭,阳离子交换量明显增加,且效果高于施加化肥的耕层土壤。陈心想等实验研究也表明,土壤阳离子交换量随生物炭的施加而有所提高,具体提高幅度为 1.5%58.2%21
22、。3.3.4.生物炭对土壤容重的影响生物炭对土壤容重的影响 土壤容重可以体现出土质的疏松程度和土壤结构,以及土壤孔隙的大小,是表现土壤理化性质的重要指标之一,土壤容重和疏松程度成反比,及土壤容重越小土壤越疏松。生物炭的容重很小,在土壤中施加生物炭,可以有效降低土壤容重。李玉梅等实验研究很好的证明了这一观点,在土壤中施加生物炭,可以有效减小土壤容重,且施加生物炭越多,土壤容重降低越平缓22。陈红霞等研究也验证了这一观点,在耕层土壤中施加生物炭,对于土壤容重具有良好的降低作用,且生物炭施加量越多,土壤容重减少的程度越低。3.3.5.生物炭对土壤团粒结构和水分的影响生物炭对土壤团粒结构和水分的影响
23、土壤的通气性和保水能力是农作物生长的重要因素。而团粒结构是反映土壤通气性、保水能力的一个关键指标。团粒结构较好的土壤具有多级孔隙,对于农作物的生长具有良性影响。生物炭比表面积大、孔隙高、容重小的特点,可以更好优化土壤团粒结构,进而促进农作物生长。多项研究表明,添加生物炭可以改善土壤的透水性和保水能力,进而提升土壤的通透性和保水能力。此外,张皓钰等实验研究表明,土壤的持水能力随生物炭的施加而增强,且持水能力随生物炭的施加而增强,同时土壤的含水量也随之增加23。付玉荣等实验研究表明,生物炭的施加能够使土壤团粒结构变得更加良好,提升土壤肥力和含水率,同时也促进农作物的生长24(表 3)。李璞 等 D
24、OI:10.12677/hjss.2023.113019 151 土壤科学 Table 3.Effect of biochar on heavy metal polluted soil 表表 3.生物炭对重金属污染土壤的影响 影响方面 处理 影响原因 影响效果 土壤 pH 值 稻田土壤中加入生物炭 生物炭本身灰分中含有致碱矿物与碳酸盐使生物炭一般呈碱性,直接影响到土壤的 pH 值 土壤 pH 值增加,且生物炭浓度增加,土壤 pH 值随之增加 土壤养分和有机碳 农田土壤中施加生物炭 生物炭可以提高土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量;生物炭可以在不增加土壤中 CO2释放量的情况下提高土壤有机碳含量
25、氮、磷、钾等土壤养分增加,土壤有机碳含量增加 土壤中阳离子交换量 耕层土壤中施加生物炭 生物炭可以增加土壤的阳离子交换量,使土壤保肥能力得到提升 阳离子交换量随生物炭的施加量增加而升高 土壤容重 土壤中施加生物炭 生物炭本身容重小,在土壤中施加生物炭可以有效降低土壤容重 土壤容重有效降低,降低量随生物炭的施加量逐渐降低 土壤团粒结构和水分 添加生物炭 生物炭孔隙率高、比表面积大、容重小的特点,可以优化土壤团粒结构,提高土壤的透水和通气性。土壤团粒结构更加良好,含水率升高,提高土壤肥力,促作物生长 4.施加生物炭后对于土壤肥力和农作物生长的影响施加生物炭后对于土壤肥力和农作物生长的影响 土壤肥力
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