【《生物炭的土壤应用进展研究的国内外文献综述》3500字】

生物炭的土壤应用进展研究的国内外文献综述1.1生物炭对土壤理化性质的影响生物炭可作为土壤修复改善土壤理化性质，例如提高土壤pH、阳离子交换量以及土壤缓冲能力等。一些研究也报道了生物炭应用能够改善污染土壤的总孔隙度、保水能力和容重ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Anna</Author><Year>2014</Year><RecNum>159</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[42]</style></DisplayText><record><rec-number>159</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">159</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Anna,V.McBeath</author><author>Ronald,J.Smernik</author><author>Evelyn,S.Krull</author><author>Johannes,Lehmann</author></authors></contributors><titles><title>Theinfluenceoffeedstockandproductiontemperatureonbiocharcarbonchemistry:Asolid-state13CNMRstudy</title><secondary-title>BiomassandBioenergy</secondary-title></titles><periodical><full-title>BiomassandBioenergy</full-title></periodical><pages>121-129</pages><volume>60</volume><keywords><keyword>Biochar,Solid-stateCNMRspectroscopy,Aromaticcondensation,Meanresidencetime,Carbonsequestration,Pyrolysis</keyword></keywords><dates><year>2014</year></dates><isbn>0961-9534</isbn><accession-num>MCBEATH2014121</accession-num><urls><related-urls><url>/science/article/pii/S0961953413004637</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/j.biombioe.2013.11.002</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Anna,2014#159"42]。生物炭还可以通过提高土壤Ca含量来提高农田土壤的团聚体以及饱和水导率ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Alfred</Author><Year>2016</Year><RecNum>160</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[43]</style></DisplayText><record><rec-number>160</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">160</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Alfred,Obia</author><author>Jan,Mulder</author><author>Vegard,Martinsen</author><author>Gerard,Cornelissen</author><author>Trond,Børresen</author></authors></contributors><titles><title>Insitueffectsofbiocharonaggregation,waterretentionandporosityinlight-texturedtropicalsoils</title><secondary-title>SoilandTillageResearch</secondary-title></titles><periodical><full-title>SoilandTillageResearch</full-title></periodical><pages>35-44</pages><volume>155</volume><keywords><keyword>Biocharparticlesize,Soilaggregatestability,Soilwaterretention</keyword></keywords><dates><year>2016</year></dates><isbn>0167-1987</isbn><accession-num>OBIA201635</accession-num><urls><related-urls><url>/science/article/pii/S0167198715001798</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/j.still.2015.08.002</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Alfred,2016#160"43]。生物炭对土壤理化性质的影响取决于原料类型、热解温度、施用量、土壤类型以及土壤中生物炭的老化程度。生物炭能改善土壤的物理特征。生物炭能够有效降低土壤的容重和颗粒密度。这可能归因于生物炭相对较低的容重（0.6gcm-3）和颗粒密度（1.5-2.0gcm-3）稀释了土壤原本的容重（1.25gcm-3）和颗粒密度（2.4-2.8gcm-3）。土壤容重和颗粒密度的下降与土壤孔隙呈负相关关系。Omondi等ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Omondi</Author><Year>2016</Year><RecNum>162</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[44]</style></DisplayText><record><rec-number>162</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">162</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Omondi,MorrisOduor</author><author>Xia,Xin</author><author>Nahayo,Alphonse</author><author>Liu,Xiaoyu</author><author>Korai,PunhoonKhan</author><author>Pan,Genxing</author></authors></contributors><titles><title>Quantificationofbiochareffectsonsoilhydrologicalpropertiesusingmeta-analysisofliteraturedata</title><secondary-title>Geoderma</secondary-title></titles><periodical><full-title>Geoderma</full-title></periodical><pages>28-34</pages><volume>274</volume><dates><year>2016</year></dates><isbn>00167061</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/j.geoderma.2016.03.029</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Omondi,2016#162"44]曾报道了生物炭将土壤孔隙度提高了8.4%。生物炭的多孔特征改善了土壤的孔隙结构，同时降低了土壤的容重。此外，生物炭还能够提高土壤团聚体以及降低土壤的紧实度，从而间接影响土壤的物理结构特征。容重的下降和孔隙度的上升可以促进土壤中的液体、气体以及热量的传递。已有报道表明，生物炭处理土壤中有效持水量可提高15.1%，饱和水利系数提高了25.2%ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Omondi</Author><Year>2016</Year><RecNum>162</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[44]</style></DisplayText><record><rec-number>162</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">162</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Omondi,MorrisOduor</author><author>Xia,Xin</author><author>Nahayo,Alphonse</author><author>Liu,Xiaoyu</author><author>Korai,PunhoonKhan</author><author>Pan,Genxing</author></authors></contributors><titles><title>Quantificationofbiochareffectsonsoilhydrologicalpropertiesusingmeta-analysisofliteraturedata</title><secondary-title>Geoderma</secondary-title></titles><periodical><full-title>Geoderma</full-title></periodical><pages>28-34</pages><volume>274</volume><dates><year>2016</year></dates><isbn>00167061</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/j.geoderma.2016.03.029</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Omondi,2016#162"44]。水蒸气吸附等温线的滞后量也随着生物炭施用量的增加而增加，并认为与土壤有机质、微孔和比表面积的增加有关。施用生物炭已被证实能够显著调节酸性土壤的pH。生物炭通常为碱性的（pH>7），生物炭中的灰分物质，例如碳酸盐和金属氧化物，可以与土壤中的H+和含Al化合物结合，从而中和土壤酸度。此外，-COO—以及-O—等官能团被认为对300-500°C制备的生物炭碱度有促进作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Jin-Hua</Author><Year>2011</Year><RecNum>163</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[45]</style></DisplayText><record><rec-number>163</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">163</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Jin-Hua,Yuan</author><author>Ren-Kou,Xu</author><author>Hong,Zhang</author></authors></contributors><titles><title>Theformsofalkalisinthebiocharproducedfromcropresiduesatdifferenttemperatures</title><secondary-title>BioresourceTechnology</secondary-title></titles><periodical><full-title>BioresourTechnol</full-title><abbr-1>Bioresourcetechnology</abbr-1></periodical><pages>3488-3497</pages><volume>102</volume><number>3</number><keywords><keyword>Alkalinity,Biochar,Carbonates,Cropresidues,Amendmentofacidsoils</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><isbn>0960-8524</isbn><accession-num>YUAN20113488</accession-num><urls><related-urls><url>/science/article/pii/S0960852410018201</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/j.biortech.2010.11.018</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Jin-Hua,2011#163"45]。相较于其他用于中和酸性土壤的物质，生物炭可以在土壤中留存较长的时间，从而使土壤pH维持在较为理想的水平上。较高的土壤pH也会影响土壤的阳离子交换量（Cationexchangecapacity,CEC），从而改善土壤的保肥能力。生物炭表面的羧基官能团可在一定pH条件下发生质子化作用，同时吸附土壤中钾、钙、镁、钠离子，降低土壤营养物质的浸出。Zeta电位可以用来评估土壤对养分的保留能力。Zeta电位与胶体粒子的表面电荷有关。Yuan等指出，在pH3-7范围内，生物炭的Zeta电位为负值，并且Zeta电位数值也随着pH的上升而增长。因此，酸性土壤中生物炭的添加可以提高土壤pH以及CEC，从而提高土壤对Ca2+、Mg2+以及K+的截留能力。1.2生物炭对土壤污染物的作用许多研究人员已经注意到，大部分的生物炭在降低重金属可利用性方面具有不同的潜力。一方面，生物炭对重金属生物可利用性的影响取决于生物炭特征以及生物炭施用量。另一方面，生物炭对重金属污染土壤的处理效果也随着重金属种类以及土壤理化特征的影响，例如pH值、氧化还原电势、粘土含量、土壤有机物、阳离子交换量，痕量金属浓度、湿度、厌氧以及好氧条件、温度等。其中，pH值和土壤有机物是最关键的影响重金属可利用性的因素。土壤pH可以通过提高土壤碱度的方式促进金属离子转化为氢氧化物等沉淀物质。此外，较高的pH有助于生物炭表面发生去质子化，生物炭表面电负性更强，进而促进生物炭与重金属阳离子之间静电吸附作用的发生。土壤有机物通常是通过与重金属发生有机官能团的表面络合来影响重金属的迁移转化。生物炭作为一种碳基材料能够有效地提高土壤有机碳。目前，重金属研究通常是将生物炭与土壤作为一个研究整体，缺乏重金属在生物炭与土壤有机碳等不同基质上的吸附分配数据。生物炭通过电荷吸附、离子交换、产生沉淀以及表面络合等途径结合并且吸附重金属，从而影响土壤中重金属的迁移转化行为（图1-1）。截留在土壤中的重金属可能会经历一系列的过程，包括植物提取、浸出、挥发、氧化还原、甲基化以及去甲基化作用等。生物炭的化学活性表面可以强烈地吸附毒性物质，包括酸性土壤中的Al、Mn、H+以及重金属污染土壤中的金属离子等。在多种重金属复合污染的土壤中，往往会发生竞争吸附的现象。例如，相较于Pb(=2\*ROMANII)和Cd(=2\*ROMANII)，Cu(=2\*ROMANII)更易于与有机官能团络合而发生钝化，因为Cu的有机络合物稳定性更高。Pb(=2\*ROMANII)和Cu(=2\*ROMANII)的水解常数低于Cd(=2\*ROMANII)和Ni(=2\*ROMANII)，因此易于通过电荷吸附与生物炭紧密结合ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Xing</Author><Year>2021</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[46]</style></DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">40</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Xing,Jia</author><author>Xu,Guoren</author><author>Li,Guibai</author></authors></contributors><titles><title>Comparisonofpyrolysisprocess,variousfractionsandpotentialsoilapplicationsbetweensewagesludge-basedbiocharsandlignocellulose-basedbiochars</title><secondary-title>EcotoxicologyandEnvironmentalSafety</secondary-title></titles><periodical><full-title>EcotoxicologyandEnvironmentalSafety</full-title></periodical><pages>111756</pages><volume>208</volume><dates><year>2021</year></dates><isbn>01476513</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/j.ecoenv.2020.111756</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Xing,2021#40"46]。图1-1生物炭对土壤污染物的固定机制ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zama</Author><Year>2018</Year><RecNum>145</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[47]</style></DisplayText><record><rec-number>145</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">145</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zama,EricF.</author><author>Reid,BrianJ.</author><author>Arp,HansPeterH.</author><author>Sun,Guo-Xin</author><author>Yuan,Hai-Yan</author><author>Zhu,Yong-Guan</author></authors></contributors><titles><title>Advancesinresearchontheuseofbiocharinsoilforremediation:areview</title><secondary-title>JournalofSoilsandSediments</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofSoilsandSediments</full-title></periodical><pages>2433-2450</pages><volume>18</volume><number>7</number><dates><year>2018</year></dates><isbn>1439-0108 1614-7480</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1007/s11368-018-2000-9</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Zama,2018#145"47]Fig.1-1ImmobilizationmechanismsofbiocharonsoilcontaminantsADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zama</Author><Year>2018</Year><RecNum>145</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[47]</style></DisplayText><record><rec-number>145</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">145</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zama,EricF.</author><author>Reid,BrianJ.</author><author>Arp,HansPeterH.</author><author>Sun,Guo-Xin</author><author>Yuan,Hai-Yan</author><author>Zhu,Yong-Guan</author></authors></contributors><titles><title>Advancesinresearchontheuseofbiocharinsoilforremediation:areview</title><secondary-title>JournalofSoilsandSediments</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofSoilsandSediments</full-title></periodical><pages>2433-2450</pages><volume>18</volume><number>7</number><dates><year>2018</year></dates><isbn>1439-0108 1614-7480</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1007/s11368-018-2000-9</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Zama,2018#145"47]物理吸附和π-π电子反应是影响生物炭和多环芳烃污染物土壤的主要机制。生物炭中的石墨烯结构可以作为π电子供体，确保与苯环化合物发生π-π电子反应。因此，π-π电子反应通常倾向于发生在高温生物炭。此外，低温生物炭含有高水平的可溶性有机物，可以与多环芳烃结合，从而抑制多环芳烃与生物炭固态基质的吸附或是促进多环芳烃从土壤中脱附迁移。农林废弃物制备的生物炭能够有效地降低多环芳烃的生物积累。生物炭的碳结构特征与有机物的分配作用，疏水性以及π-π电子反应相关。农林废弃物制备的具有丰富的碳库以及较低的O/H比，被认为是固定土壤多环芳烃的首要选择。此外，微生物-生物炭复合物也被用于修复多环芳烃污染的土壤。常见的多环芳烃降解菌包括节杆菌（Arthtobacter）、黄杆菌（Flavobacterium）以及变形菌（Betaproteobacteria）等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Xu,2014#161"48]。微生物-生物炭复合物主要是通过生物炭的物质传递以及微生物附着作用促进多环芳烃的降解。生物炭可作为沉积颗粒将土壤中的多环芳烃聚集在生物炭表面，而生物炭的孔隙结构为微生物提供了栖息场所，多环芳烃和其降解菌的聚集接触促进了多环芳烃的降解。1.3生物炭对土壤微生物的影响图1-2生物炭-微生物相互作用机制ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Zhu,2017#144"49]Fig.1-2Proposedmechanismsofbiochar-microbeinteraction已有研究表明，生物炭加入到重金属污染的土壤中，土壤中的细菌丰度存在不同程度上的增长，菌群均一性和多样性均下降ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Igalavithana,2019#157"50]。然而，在另一项有关生物炭修复重金属污染土壤的研究中，生物炭施入并没有发现对土壤微生物显著的影响ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Igalavithana,2017#158"51]。由此可见，生物炭对土壤微生物活性以及群落结构组成的影响是多样的。Zhu等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Zhu,2017#144"49]提出了生物炭与微生物相互作用的潜在机制（图1-2）：（1）生物炭通过孔隙结构和表面积为土壤微生物提供庇护；（2）生物炭为土壤微生物提供吸附的营养物质和离子而促进微生物的生长；（3）生物炭的挥发性有机物以及环境持久性自由基可触发潜在毒性；（4）生物炭通过改善对微生物生长至关重要的土壤性质来提高微生物的栖息环境（包括曝气条件、含水量以及pH值等）；（5）生物炭通过改变生物酶活性来影响微生物相关的土壤元素循环；（6）生物炭通过信号分子的吸附和水解，中断微生物细胞间的种内和种间交流；应该注意的是，生物炭可能含有一些分子，可以作为微生物交流的信号；（7）生物炭提高土壤污染物的吸附与降解并且减轻污染物对微生物的生物可利用性和毒性。部分生物炭-微生物作用机制已经被证实，但是一些作用机制仍需要进一步的实验验证。生物炭对土壤微生物的影响受到生物炭特征以及土壤条件的显著影响。例如，因为微生物对不同的碳源的代谢能力有所不同，所以生物炭的脂肪族碳/芳香碳含量能够影响微生物的群落组成。可溶性有机物中较高的芳香炭物质被证明与一些土壤微生物的相对丰度呈正相关关系，包括Preteobacteria、Firmicutes以及Actinobacteria，这些微生物能够有效利用疏水性有机成分。而生物炭原料中含有较多的大分子蛋白、脂质以及木质素等物质，能够被土壤中的Bacteroidetes等降解，从而促进土壤中Bacteroidetes的相对丰度的提高ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Peng</Author><Year>2020</Year><RecNum>156</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[52]</style></DisplayText><record><rec-number>156</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">156</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Peng,Zhang</author><author>Peng,Huang</author><author>Xuejing,Xu</author><author>Hongwen,Sun</author><author>Bin,Jiang</author><author>Yuhong,Liao</author></authors></contributors><titles><title>Spectroscopicandmolecularcharacterizationofbiochar-deriveddissolvedorganicmatterandtheassociationswithsoilmicrobialresponses</title><secondary-title>ScienceofTheTotalEnvironment</secondary-title></titles><periodical><full-title>ScienceoftheTotalEnvironment</full-title></periodical><pages>134619</pages><volume>708</volume><keywords><keyword>Biochar,Dissolvedorganicmatter,Spectroscopiccharacteristics,ESI-FT-ICR-MS,Soilmicrobialresponse</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>0048-9697</isbn><accession-num>ZHANG2020134619</accession-num><urls><related-urls><url>/science/article/pii/S0048969719346108</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/j.scitotenv.2019.134619</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Peng,2020#156"52]。此外，生物炭的孔隙结构被认为能为微生物提供定植场所，因此微生物活细胞能够附着在生物炭表面上。在这种情况下，具有较大的比表面积的生物炭可能更有利于土壤中微生物的生长。同时，生物炭在与土壤接触过程中可能会发生老化作用，孔隙结构可能会被土壤有机物堵塞，生物炭表面发生氧化，可能会影响微生物的最终定植与生长状况。目前，鉴于土壤种类的多样性以及不同类型的生物炭特征的高度差异化，在生物炭对微生物的影响效果以及机制方面依旧存在着很多的疑问，需要结合生物炭特征以及土壤培养过程深入探索。参考文献[1]DhoteL,KumarS,SinghL,etal.Asystematicreviewonoptionsforsustainabletreatmentandresourcerecoveryofdistillerysludge[J].Chemosphere,2021,263:128225.[2]LundinM,OlofssonM,PetterssonGJ,etal.Environmentalandeconomicassessmentofsewagesludgehandlingoptions[J].Resources,ConservationandRecycling,2004,41(4):255-278.[3]AlmudenaH,MartaC,MaiteM,etal.Environmentalassessmentofanaerobicallydigestedsludgereuseinagriculture:Potentialimpactsofemergingmicropollutants[J].WaterResearch,2010,44(10):3225-3233.[4]VelgheI,CarleerR,YpermanJ,etal.Studyofthepyrolysisofsludgeandsludge/disposalfiltercakemixfortheproductionofvalueaddedproducts[J].BioresourTechnol,2013,134:1-9.[5]GaoN,LiJ,QiB,etal.Thermalanalysisandproductsdistributionofdriedsewagesludgepyrolysis[J].JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis,2014,105:43-48.[6]KeiluweitM,NicoPS,JohnsonMG,etal.DynamicMolecularStructureofPlantBiomass-DerivedBlackCarbon(Biochar)[J].EnvironSciTechnol,2010.[7]DeLR,JoseM.,Sanchez-MartinAM,CamposP,etal.Effectofpyrolysisconditionsonthetotalcontentsofpolycyclicaromatichydrocarbonsinbiocharsproducedfromorganicresidues:Assessmentoftheirhazardpotential[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2019,667(JUN.1):578-585.[8]LiM,TangY,RenN,etal.Effectofmineralconstituentsont