1.东北土壤重金属污染现状
近年来，我国农田重金属呈日渐增长的趋势，农用耕地的重金属污染状况日益严重[1]，有关数据表明，全国遭受不同程度重金属污染的耕地面积已达到2000万hm2，而东北黑土区的污染面积约占总面积的20%左右；东北黑土总面积虽只占国家总面积十分之一左右，却产出了全国五分之一的粮食和三分之一的商品粮，保护东北黑土的重要意义不言而喻[2-3]。
目前，许多学者对黑土重金属污染状况进行调查，郭观林等[4]对中国东北北部
22个县市黑土进行重金属（Cd、Pb、Cu、Zn）检测，结果显示，土壤样品中重金属Cd污染最严重的，其余三个重金属Pb、Cu、Zn污染，依次有57.1 %, 21.0 %和53.3%的表土样品受到这3种重金属的污染；王粟等[5]东北典型区域为研究对象检测七种（As、Cd、Co、Cr、Hg、Ni、Pb）重金属含量，发现某些区域的 Cd、Ni、Hg元素含量超标。影响黑土土壤重金属污染的最主要因素之一可能是黑土区矿产资源的开采；农药和化肥的过量施用，农业生产过程中的污水灌溉等，也是影响黑土土壤重金属含量的重要因素。
2.生物炭
2.1生物炭的制备原料
生物炭来源丰富且可再生，目前，制备生物炭的常用原材料可分为植物根茎（水生植物、草生植物、木生植物）、动物粪便、市政垃圾等[6-7]。在植物根茎中水生植物通常选用海藻类，海藻基生物炭具有较高的阳离子交换量和pH以及较高含量的氮、灰分的无机元素，可平衡土壤的pH，有利于酸化土壤的改良[8]；草本植物多选用秸秆作物，一般包括玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆和高粱秸秆等[9]，秸秆生物炭除了含有碳元素外，还蕴含氮、氢、氧、硫以及少量的微量元素，具有改变土壤肥力的效果，又因结构中具有羟基、羧基和脂肪族链状等特性，而对一些物质具有较高的吸附力[10-11]；木生植物一般选用的主要有竹子[12]、棕榈废弃物[13]和松木[14]等；当前动物粪便制作生物炭，主要选用猪粪[15]、鸡粪[16]、牛粪[17]等，利用动物粪便制备生物炭不仅可以使粪便减量化和无害化，还可以减少环境污染[18]；在市政垃圾中主要利用污泥制作生物炭，污泥中常含有大量有毒有害的物质，处理不当会对环境造成严重的污染，运用一定的技术手段加工成污泥基生物炭后，可用于修复土壤重金属污染[19-20]。
无论是选择哪类原料制备生物炭，都可以达到物质循环利用的目的，促进农业的绿色可持续性发展，使我国的环境和经济效益得到提高。
2.2生物炭特性及影响因素
2.2.1pH值
生物炭的pH是决定其效能的主要因素，由于制备生物炭的原料不同，使生物炭的pH变化范围较广，其pH随炭化温度的升高而增加[21]。戴佩彬[22]以植物根茎（水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆）为原料，在不同的温度下（300℃、400℃、500℃）制备生物炭，研究发现，生物炭的pH与制备温度呈正相关；王煌平等[23]以动物粪便（猪粪、鸡粪、牛粪）为原料，研究在不同温度（350℃、450℃、550℃、650℃、750 ℃）下，制备出的生物炭的理化性质，结果表明，随温度的增加pH逐渐上升；陈林等[24]以污泥为原料，于不同的温度（300℃，400℃，500℃，600℃）条件下制备生物炭，同样发现污泥生物炭的pH随温度的升高而增加。综上所述，生物炭的pH大多随炭化温度的增加而上升，原料的选择对pH的影响较小；在实际应用过程中，应利用相应的技术手段获取生物炭的pH，根据不同的需求选择最佳的生物炭。
2.2.2比表面积
生物炭的比表面积主要与原料选择和炭化温度有关。原料不同导致生物炭的灰分不同，灰分含量的增加会堵塞部分生物炭的孔隙，从而导致比表面积降低；李家康等[25]在相同的温度（550℃）下选用水稻秆、大豆秆、小麦秆和玉米秆为原料，于缺氧条件下制备生物炭，研究得出玉米秸秆生物炭的比表面积最低，这与连神海等[26]人所得的实验结果一致，说明比表面积受制备生物炭原料的影响。炭化温度的升高一般会增加生物炭的比表面积，这是因为生物质大分子在热解过程中逐渐炭化形成多孔结构[27]。本文选取植物根茎（烟杆）、动物粪便（鸽粪）、市政垃圾（污泥）三种不同类型的原料，分别分析炭化温度对生物炭比表面积的影响，结果如表1所示，烟杆生物炭在温度为300~500℃时，比表面积随温度的上升而增加，但在500~700℃时，比表面积却呈下降的趋势，说明制备生物炭的温度并不是越高越好，而有一个上限阈值；从鸽粪生物炭和污泥生物炭的数据结果来看，两者在600~800℃的温度范围内时，比表面积均随温度的上升而增加。在温度为700℃时，不同类型生物炭的比表面积从大到小顺序为鸽粪生物炭>污泥生物炭>烟杆生物炭，再次证实比表面积受原料类型的影响。[28]
2.2.3吸附性能。
生物炭由于含有高度的芳香环分子结构和多孔的特性而具有吸附特性，基于此，生物炭常用于修复土壤重金属污染，影响其吸附性能的因素较多，如生物质原料、炭化温度、炭化时间、比表面积、粒径等均能影响生物炭的吸附性[29-30]。
娜扎发提·穆罕麦提江等[31]利用秸秆、梧桐皮和污泥制备生物炭，研究发现其吸附性能由大到小的顺序为梧桐皮炭=污泥炭>秸秆炭，说明吸附性受原料的影响；李旭等[32]选用金鱼藻为制备原料，在不同热解温度下（300、500、700 ℃）制备生物炭，结果表明，其吸附性能在不同温度下的顺序为500℃>700℃>300℃，说明生物炭的吸附性能在合适的温度范围内，会随温度的增加而增强，但温度过高会减弱吸附性能。影响生物炭吸附性能的因素较为复杂，应根据所需解决的问题，综合选择生物炭，以达到最高的经济效益。
3.生物炭与重金属的作用机理
生物炭固定重金属的机理较为复杂，可以通过本身的结构特性，直接吸附固定土壤中的重金属，与重金属元素发生沉淀、表面络合、离子交换、物理吸附、静电作用等综合反应[33]；也可以通过改变土壤理化性质，使重金属元素的形态发生改变，有生物有效性高的形态向生物有效性低的形态转换[34]。基于此，生物炭与重金属的作用机理可分为直接作用和间接作用。
3.1直接作用
生物炭与重金属发生反应为直接作用。刘爽等[35]用茶渣制备的生物炭对Pb吸附的研究发现，在扫描电镜图中能清晰的观察到有晶体沉淀产生，此时生物炭与Pb发生沉淀反应，沉淀完成后-OH消失，C=O/P=O峰发生位移，表明羧基和磷酸、偏磷酸基团与Pb发生表面络合，因此，此反应中的作用机理主要为沉淀反应和表面络合；张国胜等[36]双孢菇菌糠为原料在限氧热解条件下制备生物炭，研究菌糠生物炭对Pb2+的吸附机制，结果表明作用机理包括沉淀、含氧官能团络合、阳离子交换以及π电子配位。
3.2间接作用
生物炭通过改变土壤理化性质与重金属反应为间接作用。郑依虹[37]以水稻秸秆制备的生物炭对土壤理化性质及重金属镉的影响研究发现，生物炭使土壤阳离子交换量和有机质含量分别提高了34.7%、16.7%，Cd的可氧化物质结合态、残渣态所占比例分别提高了3.3%、2.8%，说明生物炭改善了土壤理化性质，并降低了重金属Cd的生物有效性；张敏研究生物炭对污染农田土壤理化性质及重金属有效性的影响结果表明，生物炭使土壤pH、电传导率、无机元素（N、P、K）含量、腐殖质总量均得到增加，使土壤中重金属的形态分布产生影响，并明显降低了土壤重金属的生物有效性。
综上所述，东北地区农业生态系统中重金属镉污染日趋严重，威胁粮食安全。生物炭作为一种优良的土壤改良剂，能够通过直接或间接作用影响土壤中的重金属含量。然而，对于目前为了追求经济效益而盛行的大豆连作模式下，生物炭对其重金属镉含量及相关微生物群落结构多样性研究报道较少。因此，本研究以大豆连作轮作模式为背景，从微生物生态学角度研究生物炭对土壤中重金属镉的调控作用。
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