Page 18 - 《华中农业大学学报（自然科学版）》2023年5期

第42卷 第5期 华 中 农 业 大 学 学 报 Vol.42 No.5
2023年 9月 Journal of Huazhong Agricultural University Sep. 2023，12~19

1 生物炭的改性方式及其理化性质 的表面结构和理化性质、提高其应用性能，越来越多
夏晓阳，王响玲，夏浩，等.改性生物炭特征及其对盐碱化土壤改良的研究进展［J］.华中农业大学学报，2023，42（5）：12⁃19.
DOI：10.13300/j.cnki.hnlkxb.2023.05.002 的学者集中于生物炭的改性研究，其制备流程通常
生物炭在土壤改良中应用广泛，但在复杂的土 分为前处理和后处理2种类型（图1）。目前生物炭常
改性生物炭特征及其对盐碱化土壤改良的研究进展 壤环境中，其比表面积、孔隙度和官能团具有局限 用的改性方法大致分为 4类：物理改性、化学改性、负

性，无法满足理想的改良效果要求。为优化生物炭 载改性和有机改性。
夏晓阳 ，王响玲 ，夏浩 ，李宇轩 ，王吉元 ，姜存仓 1，2
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1.华中农业大学资源与环境学院/微量元素研究中心，武汉 430070；
2.石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，石河子 832003
摘要 土壤盐碱化严重制约农业的可持续发展，但施用改性生物炭对盐碱地改良效果显著。为探究改性生
物炭改良盐碱土壤的作用机制，本文归纳总结了不同改性方式对原生物炭理化性质的影响，以及改性生物炭对
盐碱地的改良效果和影响因素。结果表明，改性生物炭具有比表面积大、含氧官能团类型和数量多、碱性物质比
例下降等特点；可以促进盐碱化土壤团粒结构的形成，增加对盐分离子的吸附和养分保持，改变土壤微生物的功
能结构，增强作物应对外界胁迫的能力。然而改性生物炭长期效应及在不同类型盐碱地上应用差异的研究较
少。未来应进行不同类型盐碱地应用的大田试验，深入研究改性生物炭对不同盐分离子的吸附能力及长效作
用，优化在不同盐碱类型下的改良途径。
关键词 改性生物炭； 改性方法； 盐碱地； 土壤改良
图1 改性生物炭的制备流程
中图分类号 TQ424 ； S156.4 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2023）05-0012-08
Fig.1 Preparation process of modified biochar
1.1 物理改性 面络合物，提高对金属离子的吸附能力 ［13］ 。总体而
由于气候干旱、成土母质富含盐基离子以及灌 带较多的盐基离子，会出现施用效果不明显甚至土
物理改性包括球磨、气体活化、紫外线照射等， 言，化学改性增加生物炭表面的含氧官能团种类和
［9］
溉不合理、开发过度等多重因素导致了盐碱地的形 壤盐碱度升高的现象 。大量研究表明，改性生物炭
是一种在改性过程中不需要使用化学试剂的绿色、 数量，提高生物炭比表面积和孔隙度，其中酸碱改性
［1］
成与发展 。据统计，目前全世界盐碱化土壤面积共 在改良盐碱土壤方面具有明显作用 ［10-11］ ，这与改性
有 11 亿 hm ，而我国盐碱土总面积为 3 690 万 hm ，主 后生物炭表面含氧官能团、酸性基团的种类和数量 环境友好型改性方式。球磨研磨将生物炭内部孔隙 能够对生物炭的pH产生显著影响。
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要分布在西北、华北、东北以及沿海地区，其中，西部 增加 ［12］ ，比表面积、总孔隙度进一步扩大，阳离子交 网络暴露、含氧官能团引入生物炭表面，比表面积扩 1.3 金属负载改性
［17］
地区的盐碱土面积占全国的 69.03%，且呈逐年递增 ［13］ 大 。气体活化过程中因挥发性化合物被清除增加 金属改性可使生物炭获得更大的比表面积和更
换能力增强密切相关 。此外，改性生物炭上负载
趋势 。盐碱化土壤可溶性盐离子含量高，导致团聚 ［14-16］ 孔隙度，水蒸气中氧与生物炭表面碳交换，形成表面 多的吸附位点，改变生物炭金属元素含量和表面电
［2］
的外源添加物质的特性也有影响 。因此，越来 氧化物 ［18］ 。紫外光照射可以氧化生物炭原有的官能 荷，具有良好的静电吸引和沉淀能力。外源金属氧
体稳定性差，具体表现为土壤板结、持水率差且盐碱
越多的研究关注改性生物炭在盐碱土壤中的应用。 团，在照射距离 40 mm 下照射 32 h 后生物炭 O/C 从 化物的负载能够显著提升生物炭对阴离子的吸附能
［3］
环境常常伴随着土壤养分有效性的降低 。盐胁迫
改性生物炭虽然在盐碱化土壤的改良中表现出 0.22上升至 0.45，说明改性生物炭的含氧官能团相对 力 ［15］ 。例如，MgCl 2 改性后的生物炭表面引入带正
引起的土壤溶液渗透势升高对植物形成生理干旱，
突出潜力，但目前在盐碱地上应用的改性生物炭类 含量增加 ［19］ 。因此，物理改性的主要作用是扩大生 电的 MgO 片层和羟基官能团有利于对硝态氮的吸
［4］
抑制植物对养分元素的吸收 ，植物体内钠离子含量
型有限，且不同改性方式会对生物炭理化性质的改 物炭比表面积、孔隙结构，增加表面官能团种类和 附 ［21］ 。FeCl 3 和 FeCl 2 改性的水稻秸秆生物炭具有较
［5］
升高能够抑制酶活性，破坏细胞内离子稳态 ，且较
变有显著差异，在盐碱地上施用效果也会有不同的 数量。 高的零电荷点（pHzpc），增强了与磷养分之间的静电
高的 pH 环境会产生碱胁迫，影响植物细胞稳定，导
侧重。 1.2 化学改性 吸附和配体交换反应，提高对磷酸盐的吸附率，磷素
致植物生理代谢紊乱 。因此，盐碱胁迫已成为限制 ［16］
［6］
农业生产的关键影响因素。 因此，本文综述了生物炭的改性方法和改性特 化学改性是提升生物炭表面性能最常用的方 养分淋失率分别降低 86.4% 和 69.3% 。也有研究
生物炭是生物质在限氧条件煅烧而成的富碳材 征，改性生物炭在盐碱地上的应用情况及不同类型 式 ，通 过 加 入 酸（H 3 PO 4 、HNO 3 、HCl、H 2 SO 4 ）、碱 发现，MgO堵塞生物炭孔隙从而降低比表面积，但对
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+
料，作为一种温和的土壤改良剂，在改善酸性土壤 改性生物炭对于盐碱地改良产生显著影响的可能机 （NaOH、KOH）或氧化剂（H 2 O 2 、KMnO 4 ）来实现对生 K 和 PO 4 的吸附能力增强，说明金属负载改性生物
［22］
pH、提高营养元素有效性以及缓解铝毒等方面已经 制，并提出未来研究重点和发展方向，以期为改性生 物炭理化性质的改善。酸碱改性对于生物炭表面酸 炭的吸附能力主要受化学过程影响 。
碱基团的影响十分显著，KOH 改性后碱性基团的比 1.4 有机改性
［7］
取得显著成效 。研究表明在盐碱地区施用生物炭 物炭在盐碱地上的合理应用和生产实践提供理论
例进一步增加，而 H 3 PO 4 改性后酸性基团显著升高， 有机化合物官能团含量丰富，被广泛用于生物
［8］
也有较好的效果 。但由于生物炭本身呈碱性且携 依据。
约是碱性基团的 3.3 倍 ［12］ 。HCl 改性后油茶籽壳生 炭的官能团富集。施用富含羧基、羟基、酚基和醇基
收稿日期： 2023 ⁃ 02 ⁃ 06 物炭表面羧基和酚羟基均有所增加 ［20］ 。H 3 PO 4 改性 等含氧官能团的改性生物炭能够显著增强对目标污
基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（42167042）；绿 洲 生 态 农 业 兵 团 重 点 实 验 室 开 放 课 题（202103）；国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 也得到了相似的结果，即化学改性生物炭的比表面 染物的吸附。Li 等 ［23］ 用 L-半胱氨酸对柚皮生物炭
（2022YFD1701004-1）
积和孔隙度增加，含氧官能团（—COOH、—OH、P= 改性，将巯基、氨基、羧基官能团在生物炭富集，增加
夏晓阳，E-mail： Xia-xiaoyang@webmail.hzau.edu.cn
通信作者： 姜存仓，E-mail： jcc2000@mail.hzau.edu.cn O、P=OOH）含量显著升高，通过与金属离子形成表 生物炭的吸附位点和亲水性。以聚乙烯亚胺作为改