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生物炭在退化土壤修復中的應用及展望

2020-12-28 03:04呂慧捷周鴻淼付國勝
南方農業(yè)·中旬 2020年10期
關鍵詞:生物炭修復展望

呂慧捷 周鴻淼 付國勝

摘 要 生物炭是一種新型環(huán)境功能材料,比表面積大、官能團豐富、空隙結構豐富,將其應用到退化土壤的修復中,可有效改善土壤的理化性質,最終改善退化土壤的現(xiàn)狀,提升土壤的持續(xù)利用率?;诖耍酝嘶寥佬迯妥鳛檠芯壳腥朦c,對生物炭在其修復中的應用進行了詳細的研究,并結合當前的研究現(xiàn)狀,對其應用進行了展望。

關鍵詞 生物炭;退化土壤;修復;展望

中圖分類號:X53 文獻標志碼:B DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.29.105

社會的高速發(fā)展不可避免地帶來了一定的環(huán)境負面影響。在眾多的負面影響中,土壤退化就是其中尤為嚴重的一項。具體來說,當前土壤退化現(xiàn)象集中體現(xiàn)在土壤沙化、鹽漬化、酸化和重金屬污染,嚴重降低了土壤的生產力和穩(wěn)定性,制約了我國農業(yè)的發(fā)展。面對這一現(xiàn)狀,借助有效的手段,加強退化土壤的修復已經成為亟待解決的社會問題。在諸多的退化土壤修復措施中,生物炭作為一種新型的環(huán)境功能材料,以其自身的優(yōu)勢,在退化土壤的修復中得到了廣泛的應用,并取得了顯著的成效。

1 生物炭特性

生物炭作為一種新型的環(huán)境功能材料,是一種在無氧或缺氧環(huán)境下將生物質(如作物秸稈等)經高溫裂解而形成的含碳物質,保留了原有生物質的良好孔隙結構,具有較大的孔隙度和比表面積,且穩(wěn)定性較高,含氮少,碳氮比(C/N)高,是一類熔點高、性質穩(wěn)定、高度芳香化的富含碳元素的物質。依據生物炭材料的來源,可對其進行劃分,包括木炭、竹炭、秸稈炭、稻殼炭、動物糞便炭等。從生物炭的組成元素來說,主要是由芳香烴、單質碳共同組成,其物理、化學性質都比較穩(wěn)定。

生物炭以其自身的特性,在退化土壤的修復中具有極高的應用價值。具體來說,生物炭的特性集中體現(xiàn)在:1)比表面積大、疏松多空,具有極強的吸附性能;2)為芳香化結構,具有極強的固碳能力;3)生物炭表面具有豐富的官能團,直接與土壤其他成分產生相互作用;4)生物炭在生成的過程中,受到原料和熱解條件的影響,其理化性質表現(xiàn)出特異性,可發(fā)揮出不同的作用。基于生物炭這些特性,將其應用到退化土壤的修復中,可迅速提高土壤的pH值、持水量、有機質含量等,有效改善土壤的肥力,提升農作物的產量;另外,基于生物炭的吸附特性,將其應用到污染土壤修復中,可最大限度減弱土壤的污染[1]。

2 生物炭在退化土壤修復中的主要應用

2.1 生物炭修復沙化土壤

沙化是導致土壤退化的重要原因,沙化后的土壤養(yǎng)分含量降低,導致土壤生產能力逐漸下降。針對這一現(xiàn)狀,將生物炭應用于沙化土壤中,可增加土壤對Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+的吸附能力。同時,應用生物炭,可進一步提升沙化土壤中的水分利用率,進而達到治理土壤沙化的效果。

相關研究結果表明,隨著生物炭施入量的不斷增加,沙化土壤中游離的氮、磷、鎂和硅等的含量降低,減少了土壤中的養(yǎng)分流失,進而提升了土壤的養(yǎng)分貯存能力[2]。同時,生物炭比表面積較高、陽離子交換容量較高,可吸附相關的營養(yǎng)元素,也可達到提升土壤養(yǎng)分含量的目的。此外,由于豐富的空隙結構,生物炭的施用可增強土壤對水分的保持和截留,從而進一步提升土壤的含水量[3]。

2.2 生物炭改良鹽漬化土壤

土壤鹽漬化是全世界所面臨的一個共同問題,全世界大約有932億公頃土地受鹽漬化的影響。此外,鹽堿地每年以10~15億公頃的速度增加[4]。我國作為受鹽漬危害較嚴重的國家,鹽堿地面積較大,且次生鹽堿地面積逐年增加。據中科院南京土壤所最新研究表明,我國各類鹽漬化土地的總量高達0.99億公頃,其主要分布在華北、東北、西北的內陸地區(qū)和長江以南的沿海地帶[5]。鹽堿的危害導致許多農田遭到廢棄,我國每年因土壤鹽漬化直接造成的經濟損失高達25億元。

土地在利用的過程中,受到灌溉不當?shù)纫蛩氐闹萍s,會導致地下水位上升,最終易導致土壤出現(xiàn)鹽漬化。生物炭比表面積高,具有空隙結構,在鹽漬化土壤修復過程中,可吸附土壤中的鹽離子,進而降低土壤的含鹽量,以此對土壤環(huán)境進行修復。

具體來說,生物炭修復鹽漬化土壤主要有以下3個途徑:1)生物炭可以促進土壤團聚結構的穩(wěn)定,修復板結土壤,增加土壤孔隙度,進而可以改善土壤水分滲透性能,降低其鹽漬化程度;2)生物炭的吸附性能可增強對土壤中鹽基離子的吸附,進而有效降低游離鹽離子的濃度,生物炭中富含的Ca2+、Mg2+等離子,可將土壤中的有害Na+替換下來,進而降低土壤的堿化程度;3)通過生物炭的應用,可進一步增加土壤中的有機質含量,改善土壤團聚結構,減少地面蒸發(fā),促進鹽漬化土壤中鹽分的淋洗、中和等,提高土壤的供氮能力[6-7]。

2.3 生物炭改善酸化土壤

土壤酸化是導致土壤退化的重要因素,土壤酸化已成為一個全球性的環(huán)境問題。土壤酸堿性是對土壤質量進行衡量的重要指標,一旦土壤出現(xiàn)了酸化的現(xiàn)象,就會導致土壤pH值下降、理化性質變差,最終降低土壤的養(yǎng)分。同時,在酸化土壤中,土壤中游離態(tài)鋁離子轉化能力增強,使其成為可供植物吸收的形態(tài),使得農作物易發(fā)生鋁中毒現(xiàn)象。

生物炭具有堿性,施入土壤后,會通過中和反應,提高土壤pH值;另外,生物炭的施入通過改變土壤pH,可加速土壤中Al3+的水解,促進土壤中的Al3+轉化成為Al(OH)3沉淀。

2.4 生物炭在污染土壤中的修復

隨著社會生產的快速發(fā)展,環(huán)境土壤污染現(xiàn)象越來越嚴重。在對污染土壤進行修復的過程中,生物炭修復作用顯著。生物炭修復屬于原位修復方式,這種修復方式不會產生移動污染土壤,也不會對土壤產生較大的負面影響。另外,由于生物炭原料比較廣泛、生產成本低,是目前最為值得應用的污染土壤修復手段。

從生物炭的特性來說,由于其具備豐富的官能團、疏松多孔的結構,生物炭可直接對土壤中的有機污染物進行吸附。同時,生物炭表面含有較多的無機礦物、磷酸鹽等,還可以與污染土壤中的金屬離子進行交換,最終形成沉淀物,進而降低土壤污染物的遷移能力和生物有效性。研究表明,生物炭對污染土壤中有機污染物進行分解的過程中,基本上都是通過分配作用、表面吸附、空隙填充和聯(lián)合作用等進行的,并且生物炭的比表面積與其吸附能力、表面官能團含量、有機污染物種類等密切相關。由于生物炭具有極強的催化能力,將其應用到污染土壤中,可通過直接或間接的形式,對土壤中的污染物進行降解,最終將污染土壤中的有毒無機物轉化成無毒或者毒性很小的小分子化合物,進而達到修復污染土壤的目的。例如,可催化硝基化合物的降解,提高污染物的降解效率。微生物可利用生物炭作為底物碳源,污染土壤中施入生物炭可為微生物的新陳代謝提供一定的碳源、營養(yǎng)物質,從而達到增強微生物活性的目的,進而可以加強微生物對土壤中污染物的分解[8]。

3 生物炭在退化土壤修復中的應用展望

1)生物炭在退化土壤修復中具有極大的應用潛能。在不同類型的土壤中,生物炭的施入量是存在差異的,需要針對不同地域和類型的土壤進行精準量化施用,將其使用量與經濟效益相結合,選擇最佳的生物炭,最終達到預期的修復效果。2)生物炭在對退化土壤修復的過程中,依然存在一定的局限性,需要與其他修復方法相結合。3)借助生物炭對退化土壤進行修復的過程中,還要對其中存在的潛在環(huán)境風險進行評估。由于生物炭的原料來源比較廣泛,大多數(shù)以固體廢棄物為主,原料本身會存在一定程度的污染。因此,在利用生物炭對退化土壤進行修復時,必須對土壤所受到的負面影響給予重視,防止二次污染的產生[9]。

4 結語

伴隨社會生產的進步與發(fā)展,土壤受到多種因素的制約,出現(xiàn)了不同原因類型的退化現(xiàn)象。基于此,有必要利用生物炭所特有的理化性質和結構,修復沙化土壤、鹽漬化土壤、酸化土壤等污染土壤,最大程度改善土壤的生產力,提高土壤肥力,增強土壤穩(wěn)定性,以滿足農業(yè)生產的需求。

參考文獻:

[1] 鞠暢,王立,馬放.生物炭在退化土壤修復中的應用及展望[A].中國環(huán)境科學學會.2019中國環(huán)境科學學會科學技術年會論文集(第三卷)[C].中國環(huán)境科學學會:中國環(huán)境科學學會,2019:448-452.

[2] 周志紅,李心清,邢英,等.生物炭對土壤氮素淋失的抑制作用[J].地球與環(huán)境,2011,39(2):278-284.

[3] 張斌,劉曉雨,潘根興,等.施用生物質炭后稻田土壤性質、水稻產量和痕量溫室氣體排放的變化[J].中國農業(yè)科學,2012,45(23):4844-4853.

[4] 肖克飚,吳普特,雷金銀,等.不同類型耐鹽植物對濱海鹽土生物改良研究[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2013,31(12):2433-2440.

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[6] 王瑞.碳基土壤調理劑改良退化土壤的作用效果[D].臨汾:山西師范大學,2018.

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[8] 王桂君,王磊,律其鑫.生物炭對退化和污染土壤的修復作用研究進展[J].長春師范大學學報,2017,36(12):83-85.

[9] 鐘哲科,楊慧敏,翟志忠,等.檸條生物炭及其在退化土壤修復中的應用[J].林業(yè)科技通訊,2015(1):19-23.

(責任編輯:趙中正)

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