主壤是人类赖以生存和发展的基础[1]，除草剂是农业领域使用的主要农用化学品之一[2]，约占农药消费总量的48%[3]。已有研究报道了残留在环境中的阿特拉津等除草剂具有雄性生殖毒性和内分泌干扰效应等毒理作用[4-5]。全球范围内，土壤中除草剂残留污染及其危害日益突出，控制和消除土壤除草剂污染己成为相关领域关注和研究的热点问题之一[6-7]。作为一种新型环境功能材料，生物炭因其具有精致的微孔结构和巨大的比表面积等特殊的物理化学性质，在土壤改良与修复领域展现出良好的应用前景[8-9]。生物炭的科学研究与产业化发展对于推动国家低碳经济模式转型，实现农业与环境的可持续发展，都具有重要战略意义[10]。

本文综述了生物炭对敌草隆、西玛津、阿特拉津等几种常用除草剂吸附效应的研究进展，讨论了影响生物碳吸附性能的一些因素，以期为生物炭的科学使用提供参考,并对生物炭用于农药污染的调控应用进行了展望。

1 生物炭的基本性质

生物炭(Biochar)是生物质在缺氧条件下热解产生的一种多孔富炭物质[11],来源广泛，性质稳定，属于广义概念上黑炭的一种类型[12-13]；其物理化学特征包括比表面积巨大，离子交换容量高，同时又具有高度的芳香化结构，能够强烈地吸附疏水性有机污染物[14-15]。农林业生产活动中的木屑[16]、秸秆[17]、畜禽粪便[18]乃至茶树枝[19]、松子壳[20]、木薯渣[21]等废弃物均可以作为生物炭的生物质来源。一般认为，生物质在限氧条件下热解时，随热解温度升高，生物炭极性降低，芳香性提高，形成了排列规整的石墨烯片层，比表面积剧烈变化，并在这个过程中逐步形成了不规则的孔隙结构[22]；这种不规则的孔隙结构，构成了生物碳突出吸附性能的物质基础。

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2 生物炭对除草剂的表观吸附效果与生物有效性

许多室内模拟实验表明生物炭对除草剂具有明显的吸附效果。对阿特拉津(Atrazine)[23]、敌草隆(Diuron)[24]、哒草伏[25]、乙草胺(Acetochlor)[26]、西玛津(Simazine)[27]、莠去津(Atrazine)[28]、异丙隆(Isoproturon)[29]、伏草隆(Fluometuron)[30]等除草剂进行的研究结果表明，生物炭对多种除草剂具有良好的吸附作用，吸附-解吸试验结果均表现出显著的解吸延迟，可抑制除草剂的淋溶，提示生物碳在环境中具有减小农药等污染物对地下水威胁的实际意义。表1列举了部分吸附试验所使用的生物质材料与研究的除草剂名称。

 

表1 不同来源生物炭吸附除草剂的研究

  

生物质来源除草剂文献来源小麦与水稻秸秆敌草隆[23]桉木敌草隆[24]玉米秸秆、松针敌草隆[38]柠条敌草隆[32]松树木屑乙草胺[39]猪粪便乙草胺[39]杨树枝2,4-D[26]水稻秸秆异丙甲草胺[37]甘蔗叶阿特拉津[35]蚕沙阿特拉津[35]玉米秸秆西玛津[31]

(6) 从原电机配套冷却器风机来看，计算最大风机电机功率15 kW 2P ，但实际配了22 kW 2P，实际风压约达3 000 Pa左右。但电机系统最大也不到2 000 Pa。总配用电机功率88 kW，功耗大，造成系统效率降低。

借助红外光谱、核磁共振、X射线能谱分析和元素分析等测试方法，生物炭对除草剂的吸附机理也得到了深入的研究。张桂香等[31]发现生物质原始组分随温度升高而被破坏，发生缩水聚合等反应而形成凝聚态芳香性化合物，所形成生物炭的炭化程度增强；生物炭炭化程度的增强，导致生物质炭从软炭质逐渐过渡到硬炭质，高温的作用使—OH、酯基C=O和脂肪C中的CH2和C-O减少，芳香C逐渐暴露，继续升高热解温度，连接芳香C之间的C=O和酚—OH逐渐被去除，带来比表面积的剧烈增加，在吸附乙草胺时“孔填充作用”发挥吸附性能；邢泽炳等[32]在600℃制备的柠条生物炭，其比表面积可达到187.56 m2·g-1，平均孔径4.83 nm，微孔体积占总孔体积的52%。

葛超超等[37]以水稻秸秆为原料，比较了200℃和350℃制备的生物炭(标记为D200和D350)对异丙甲草胺的吸附和缓释作用，发现D350生物炭对异丙甲草胺的表面吸附作用更强，且脱附滞后指数(5.35) 明显高于D200生物炭( 2.07) ，脱附滞后效应更明显。

3 影响生物炭对除草剂吸附性能的因素

3.1 生物炭的来源

曹美珠等[35]以甘蔗叶和蚕沙为原料，在500℃热解温度下制备生物炭，通过室内培养和模拟土柱淋溶实验，研究了2种不同来源生物炭对阿特拉津在冲积土(砂土)和潮土(粘土)中淋溶与迁移的影响，两种生物炭的添加比例分别为0.2%和 0.5%，污染土中阿特拉津的浓度为10 mg·kg-1。结果表明，在同一种土壤中，生物炭添加量相同时，甘蔗叶生物炭对土壤中阿特拉津的淋溶与迁移抑制效果较蚕沙炭明显，指出这可能是因为甘蔗叶生物炭的有机碳含量比蚕沙高，因此制备的生物炭比表面积相对更大。王子莹等[39]研究发现猪粪便来源的生物炭对乙草胺的吸附量高于松树木屑生物炭，推测原因可能是由于两种生物炭灰分含量差异引起。

3.2 生物炭的制备温度

孙航等[38]以西北黄土为研究对象，采用批量法研究不同温度下制得的生物炭对西北黄土吸附敌草隆的影响。结果表明，生物炭吸附敌草隆的过程中，其动力学特征可较好符合准二级吸附动力学模型，热力学特征适用Freundlich等温吸附模型，这与张桂香等[31]、邢泽炳等[32]、葛超超等[37]的研究结果一致。

一些研究已经不满足于传统的室内振荡吸附与解吸试验，研究内容开始逐渐从研究生物炭的表观吸附量扩展到对除草剂的生物有效性上来。李玉梅等[33]通过混土施药模拟长残效除草剂的土壤残留环境，研究了生物炭对异噁草松土壤残留生物有害性的影响，结果表明异噁草松残留超过 0.72 mg·kg-1时，对照组的玉米造成穗秃尖率大、结实率低、子粒成熟度差、含水率高；添加生物炭对玉米生长有一定的促进作用，产量平均增加10.25% ，并证实生物炭对土壤中一定阈值范围内的异噁草松残留具有降低生物有害性的作用；该研究组另外以大豆为实验材料的研究表明，对当土壤中莠去津残留量达2.0 mg·kg-1时，添加生物炭处理的大豆株高、有效荚数、百粒重、单株粒重分别增加44.62%、16.79%、9. 60%、22.79%，与未加生物炭处理对照组差异显著(成熟期调查)[34]。

在图像信号中添加高斯白噪声,多种信噪比条件下,采用改进的CNN模型以及多种通道关键区域的识别结果如图3所示,其中,图3(a)、图3(c)、图3(e)、图3(g)以及图3(i)分别为20 dB、10 dB、0 dB、-10 dB和-20 dB时模型对应的识别率训练曲线,图3(b)、图3(d)、图3(f)、图3(h)以及图3(j)分别为20 dB、10 dB、0 dB、-10 dB和-20 dB时模型对应的损失函数训练曲线。图中的Epoch表示一个完整的票据数据训练集通过神经网络模型的次数。

邢泽炳等[32]以防风固沙灌丛植物柠条为原料，分别在 200℃、300℃、400 ℃、600 ℃进行炭化处理制备生物炭，使用土柱淋溶实验，检测柠条生物炭对土壤中的除草剂敌草隆的吸附效能。结果表明，随炭化温度升高，柠条生物炭吸附性能增强，同时也指出，随着炭化温度的升高，柠条生物炭的炭得率不断降低。图1为该研究获得的柠条生物炭吸附等温线。

1.4 治疗方案 所有患者入院后立即参考《中国心力衰竭诊断和治疗指南2014》及《室性心律失常中国专家共识》中方案接受常规药物治疗，包括积极控制原发病、对症治疗等，同时应用胺碘酮（杭州赛诺菲制药有限公司生产，200毫克／片）抗心律失常。在此基础上，观察组联合应用人参果总皂苷（吉林省集安益盛药业股份有限公司生产，0.25克／粒），口服，2粒／次，3次／天。所有患者均治疗4周为1个疗程，联用3个疗程后观察疗效。

  

图1 不同温度热裂解生物炭的吸附等温线[32]

众多研究都发现生物炭的吸附性能与其制备温度密切相关。国内较早开展生物炭研究的陈宝梁等[36]发现，相对高温(>500℃)下热解所得松针生物炭碳含量较高、残留有机物较少，而且高温生物炭的孔隙结构发达、比表面积较大、芳香性较高、极性较弱；张桂香等[31]考察了西玛津在不同温度下制备的玉米秸秆生物炭上的吸附行为，结果表明西玛津在玉米秸秆生物炭上的吸附能力随着碳化程度的增强而增大；低温(100℃)制备的玉米秸秆生物炭的线性吸附特性以分配作用为主导，随碳化温度的升高(200℃至600℃)，吸附过程中的非线性逐渐增强，分析较高温度下产生的生物炭具有高的吸附能力主要是因为疏水作用，电荷转移(π-π)作用和孔填充作用机制。

需要指出的是，并非生物炭的制备温度越高，吸附效果越好。陈宝梁等[36]同时发现，过高的炭化温度有可能破坏生物炭微孔的形成；同时在规模制备商品生物炭时也会带来较高的能源消耗。

3.3 土壤性质

余向阳等[40]以红胶木生物炭为材料的研究表明，有机质含量低的土壤(如红土)，生物炭对农药的吸附效果更好，并分析原因可能在于土壤的有机质含量越高(如黑土)，会与生物炭产生竞争吸附或者堵塞生物炭的孔隙。

4 展望

许多学者指出，生物炭的投入是一个不可逆的过程，因此要重视生物炭施用后对土壤环境中生物、物理过程与化学过程的耦合影响。我国地域辽阔，土壤环境复杂，土壤性质差异较大，加之生物质材料来源广泛，除草剂种类繁多，如何实现土壤-生物炭-除草剂三者之间能够形成最佳的环境效应是今后研究的一个重点，包括经济的生物炭制备技术、合理的生物炭投放技术以及生物炭可能产生的副作用评估等内容都是未来生物炭科学需要解决的问题。

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