化學中有機化合物的定義范文

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關鍵詞：有機化合物　同分異構體　同分異構現象

有機化合物的同分異構相當復雜,又非常普遍,所以對機化學必須全面了解同分異構現象及性質?；瘜W上，同分異構體是一種有相同化學式，有同樣的化學鍵而有不同的原子排列。很多同分異構體有相似的性質。有機化合物的同分異構現象有機化合物有著非常豐富的同分異構現象，概括如下：有機化合物的分子結構包括三個層次，即構造、構型、構象。構造是指有機物分子中各原子或原子團之間的結合順序或排列順序；構型是指有機物分子中的各個原子或原子團在空間的排列方式；構象是指在有機物分子中，由于圍繞單鍵旋轉而產生的原子或原子團在空間的不同排列形象。

一、同分異構體的定義和性質

化學上，同分異構體是一種有相同化學式，有同樣的化學鍵而有不同的原子排列的化合物。簡單地說，化合物具有相同分子式，但具有不同結構的現象，叫做同分異構現象；具有相同分子式而結構不同的化合物互為同分異構體。很多同分異構體有相似的性質。

同分異構體的組成和分子量完全相同而分子的結構不同、物理性質和化學性質也不相同， 如乙醇和甲醚。 同分異構體簡稱異構體，有機物中的同分異構體分為構造異構和立體異構兩大類。具有相同分子式，而分子中原子或基團連接的順序不同的，稱為構造異構。在分子中原子的結合順序相同，而原子或原子團在空間的相對位置不同的，稱為立體異構。 構造異構又分為（碳）鏈異構、位置異構和官能團異構（異類異構）。立體異構又分為構象和構型異構，而構型異構還分為順反異構和旋光異構(又稱對映異構)。

二、同分異構體

分子式相同，結構不同的化合物互為同分異構體。

1.對“分子式相同”的理解

1.1分子量相同的有機物一定有相同的分子式嗎？不一定，如甲酸和乙醇（式量46）、乙酸和丙醇（式量60）、丙酸和丁醇（式量74）、壬烷（C9H20）和萘（C10H8）（式量128）等。

1.2組成元素相同且最簡式也相同的有機物一定有相同的分子式嗎？不一定，如環丙烷和乙烯、乙炔和苯、甲醛和乙酸和葡萄糖等。

1.3分子量相同、元素百分含量相同（或最簡式相同）的有機物一定有相同的分子式嗎？一定。

2.對“結構不同”的理解：這里的結構是指空間構型不同，要注意結構簡式書寫的等效性。如就是同一種結構，只是書寫方式不同罷了。

3.對“化合物”的理解

3.1有機化合物之間可以互為同分異構體；有機化合物和無機化合物之間可以互為同分異構體，如NH4CNO和CO(NH2)2，前者為無機化合物，后者為有機化合物；無機化合物之間也可以互為同分異構體。

3.2既不是單質，也不是混合物，也不是原子，如O2和O3；H、T、D就不可以互稱同分異構體。再者，如淀粉與纖維素，分子式均為(C5H10O5)n　,但是,他們分別都是混合物。又如，　聚1-丁烯和聚2-丁烯也都是混合物，所以他們都不能互稱同分異構體。

三、同分異構體的結構

同分異構體的結構主要有碳鏈異構；（官能團）位置異構；（官能團）類別異構等三種異構形式，碳鏈異構是基礎和核心，其他兩類是擴展和升華。

1.碳鏈異構

在碳鏈異構中，首先必須掌握對等效氫原子（有機物分子中位置等同的氫）的判斷：

1.1連在同一個碳原子上的氫原子是等效的；

1.2連在同一個碳原子上的甲基上的氫原子是等效的；

1.3處于對稱位置或鏡面對稱位置的碳原子上連接的氫原子是等效的。

2.官能團位置異構

該法實際上是將同分異構體看成是由官能團取代烴中的不同氫而形成的。書寫時常先寫碳鏈異構，然后找等效氫，最后將等效氫原子用官能團取代即可。

3.官能團類別異構

通過將官能團進行拆分或重新組合，往往可以寫出多種具有不同官能團的同分異構體，這樣的方法叫類別異構。類別異構在有機物同分異構體的書寫中非常普遍。它不但要求學生掌握常見的官能團，熟悉官能團的變化形式，還能根據所給信息迅速判斷其變化和所處的位置。常見的官能團的變化形式有：烯烴和環烷烴；炔烴和二烯烴；醇和醚；醛和酮；羧基和酯；羧基和羥基醛；酚和芳香醇、芳香醚；硝基烷和氨基酸等。

四、判斷有機物同分異構體的思路與方法

分享有機物同分異構體的推導與判斷,是有機化學的難點,迅速地找出有機物的同分異構體,除了準確理解同分異構體的概念外,還要掌握推導同分異構體的一些方法和思路.，判斷同分異構體的基本思路，在學習同分異構體時,普遍感到找同分異構比較困難,究其原因主要是思路不清、無序,往往用湊的方法去解決問題,東拼一個,西湊一個,這樣的結果顯而易見,不是重復就是漏寫了。如何做到在推導同分異構體時不重復、不遺漏,關鍵是思維要有序,要掌握一定的方法。常見的同分異構現象有三類:、一類叫官能團異構(即類別異構),一類叫碳鏈異構,一類叫位置異構。含官能團的開鏈有機物可能這三種異構體都有,判斷同分異構體時可按照先找官能團異構,再找碳鏈異構,后找位置異構的思維順序去考慮,這樣就不易出現混亂 判斷官能團類別異構可借助有機物的通式,烴和烴的衍生物常用的通式和所代表的類別,可作為判斷類別異構的常用手段.有機化合物的數量如此之多首先是因為碳原子相互結合的能力很強。碳原子可以互相結合成不同碳原子數目構成的碳鏈或碳環。一個有機化合物的分子中碳原子的數量少則僅一、二個，多則可達幾千、幾萬甚至幾十萬個（有機高分子化合物）。此外，即使是碳原子數目相同的分子，由于碳原子間的連接方式有多種多樣，因而又可以組成結構不同的許多化合物。分子式相同而結構相異因而其性質也各異的不同化合物，稱為同分異構體，這種現象叫做同分異構現象。

同分異構現象在有機化合物中普遍存在。例如分子式C2H6O 就可代表乙醇和二甲醚兩種不同結構因而性質也不同的化合物，它們互為同分異構體。

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有機化學又稱為碳化合物的化學，是研究有機化合物的結構、性質、制備的學科，是化學中極重要的一個分支，也是高等院?；瘜W體系的四大基礎課程之一。有機化學又可分為有機合成化學、生物有機化學、物理有機化學、元素有機化學和金屬有機化學等分支。眾所周知，任何生命體的結構都是有機元素構成的，我們生活的環境和能源物質也都是有機物，所以有機化學發展迅速，內容豐富且社會應用性強，在生命科學、材料科學、環境科學和能源科學等諸多學科領域中均有所體現。隨著現代科學技術的迅猛發展，有機化學的教學內容雖然在持續增加，然而教學課時卻有逐漸壓縮的趨勢，所以教學內容多、學時少也就隨之成為教學工作中的矛盾主體。因此，作為一名化學學科的教師要傳授給學生的不應該僅僅是定義、公式和實驗方法，而是要盡可能提高學生學習熱情的同時，讓學生更多地了解各種化學現象在現實生活中的作用以及如何準確快速尋求到解決今后所遇到的化學問題的方法和思路。高校有機化學教學要適應新世紀對新人才的需求，迫切需要由理論公式型向現實應用型模式轉變，以培養真正適應科技發展需要的復合型人才。

二、教學目的轉變催生教學方法變革

著名教育學家陶行知先生曾經提出“生活即教育”的理論。學生不管接受何種形式的高等教育，最終都要學以致用、需要面向生活，融入社會為導向。教學的目的就是教給學生一技之長，讓他們學會做人、學會做事，順利過渡。在知識經濟與信息更新飛速發展時代，很多畢業生面臨著“剛畢業就失業”的現狀，就業崗位更新快、技術淘汰快，再長年限、再寬泛的專業高等教育也無法把學生培養成一勞永逸、無須“更新升級”的人才，所以這就急需我們的高等教育從教育的根本目的開始轉變，讓學生把課堂上學到的東西真正的做到學以致用，才能少走彎路，更快的適應社會，融入新的工作中。

有機化學學科的特點是化學知識來源于生活，又走向生活解決問題，與日常生活息息相關。而我們的教學過程就是將有機化學知識蘊藏在生活問題中，使化學教學成為還原生活的過程。盡量從學生的衣食住行出發，幫助學生認識有機化學與人類生活的關系，激發學生的學習熱情與興趣，感受化學的魅力，促進學生素質的全面發展。摒棄傳統教育填鴨式機械化的教學方式，寓教學于生活，以掌握解決現實問題的方法能力而不是掌握知識的數量多少為教學目的；無論是理論還是實驗教學都要以了解生活本質，解決生活的實際問題為目的。例如，對我們最為重要的水與有機化學有什么關系？普通的自來水，純凈水，礦泉水，地下水等諸多種類水的界定標準是什么？其中揮發性（VOC）和半揮發性（SVOC）有機污染物分別會對人體產生怎樣的危害，怎樣避免這種危害？我們應該怎樣健康的飲水？水源的污染對整個人類生存環境帶來怎樣的影響？如何有效的保護水源等都是學生感興趣的教學點，雖然從表面看所涉及的知識似乎很淺顯，但就像樹的根系一樣有著許多深層的有機化學知識點，從化學反應的方程式到最新的精密檢測儀器的應用都可以包含在內，非常值得師生一起探討研究。

三、教學內容轉變是教學改革的精髓

教學內容和課程體系直接反映了教學目的和人才培養目標，是教育創新的核心。因此，要搞好有機化學的教學工作，提高教學效果，使學生輕松掌握教學大綱的知識，就必須對教學內容進行全面改革。這也是教學改革中的靈魂與精髓。

（一）教學內容改革以教材改革為起點

教材是開展教學的依據。實現教學內容改革，先要選定恰當的教材。根據自身院校以及專業的特點重新選定教材，根據不同專業特色合理安排教學內容，有所側重的變化授課內容。有機化學教學內容豐富、理論深刻、實踐性強、與其他各學科交叉滲透性強等諸多特點，但目前各高等院校所選用的有機化學教材可謂是紛繁蕪雜，教材質量也是魚龍混雜。這就需要教師用心甄別，充分考慮本專業實際和學生的接受能力，選擇最為適合的教材，事半功倍。比如曾有環境專業的教師將“氨基酸”“蛋白質”“碳水化合物”“周環反應”等與本專業關系不強的內容和分析化學里邊講過的“四大譜”內容刪去，把有限的教學學時充分分配給與本專業關系密切的必學內容。這樣做的優點是有的放矢，既學到了學生認為有用的精華內容，同時也減輕了學生的課業負擔。

（二）將前沿問題引入課堂是教學改革的點睛之筆

教學內容要站在學科前沿，緊跟時代步伐。將最新專業動態融入日常課程，是教育教學向前發展、培養高科技人才的必由之路以及有效途徑。

科學技術日新月異的年代，隨著國內外有機合成技術的迅速發展，新的有機化合物不斷涌現，其種類和數量甚至正在以幾何數列增長，其應用也是深入到了人類生活的方方面面，有機化學正在向全世界展現它無可替代的地位和旺盛的生命力。時代的發展呼喚創新，教學方法和教學內容的更新迫在眉睫。有機化學作為基礎學科，廣泛滲透在工業生產、科學研究、日常生活的各個方面，業已取得翻天覆地的變化。將國內外學科發展的前沿問題引入課堂教學，不僅能夠豐富課堂教學，還能夠促進教師能力發展提高。也將極大提高學生的學習興趣，取得更好的教學效果。

在教學中，向學生推介諾貝爾化學獎中的前沿問題，尤其是與有機化學緊密相關的內容；或是在教材相關章節中，把自己的科研項目和研究成果的最新進展，向學生予以講述介紹，既豐富了課堂內容，又對學生生動展現了從理論到實踐的飛躍。教而不研則淺，研而不教則空，這充分說明了教學與科研亟需密切合而為一。教學中應該密切注意培養學生綜合運用知識解決問題的能力和科研創新能力。

網絡如此發達的今天，信息檢索已不再是難題，全球范圍內的有機化學前沿成果，最新的科技文章只需一臺連接了互聯網的電腦便盡收眼底，在講授基礎知識的同時向學生滲透一些最新的國際動態，不僅啟發其創新思維并同時提高學習熱情。教師自身的超前意識往往會潛移默化地給學生最為深刻的影響，例如，在講授緒論部分時對航天材料中有機部分的介紹，結合我國最新的航天成果，將納米塑料等概念引入課程中?；驅⒆罱贝笤谥貕A土金屬有機化學研究中取得新進展――首次實現了多氟戊搭烯衍生物的合成，以動態方程式的方式展示給大家，從而鼓勵激發學生學習的興趣和熱情，以課程為紐帶帶動師生的互動，使學生深切感受到科學技術的飛速發展給社會發展帶來的巨大變革。

（三）注重交叉學科的課堂教育是教學改革的重要組成

諸多化學學科中，有機化學這門課涉獵其他學科最為廣泛，集歷史性、趣味性、實用性為一體。為了培養學生學習有機化學的興趣，可以在學期初緒論部分重點介紹有化學的發展史、著名科學家所作出的貢獻、有機化學研究的新領域、各種國際化學獎項中最新的有機化學研究成等以及相關學科的發展簡史。教師在備課過程中，除要保持知識的準確性外更要力求每堂課都注入新的知識動態，結合專業特點豐富課堂教學內容，聯系日常社會生活，有意識的將食品學、生物學、材料學、物理學甚至藝術等其他專業融入有機化學的教學中，從多角度、多層次詮釋每一個知識點，讓學生不再覺得化學是枯燥乏味的，而是一門令人充滿探索熱情的、魅力四射的學科。多學科交叉學習有機化學不但能解釋大部分生活中的化學現象，還能提高學生整體素質，是行之有效的提高教學質量的方法。

四、教學改革呼喚教學形式的轉變

（一）授課形式多樣化是現代有機化學教育的基本要求

有機化學知識點繁雜，公式變化多樣，如果教師仍然拘泥傳統的以信息傳遞為主的教學方法（講授法，談話法，討論法，讀書指導法等）必定會使學生感到枯燥乏味，但是若將以直接經驗為主的教學方法（參觀法，演示法，實習法，練習法等）引入課堂必將收效顯著，中國的學生普遍動手能力差，大學中的實驗科目又大部分是教師在準備和教授，如何有效地增強學生的創造能力和分析解決問題能力是當今高校教育亟需改善的通病。教學的組織形式也可以由以往普遍的班級授課適當轉變為分組教學、個別教學，道爾頓制或特朗普制的形式，相信多樣化的授課形式一定會令學生每次課程都有所期待，激發了好奇心從而鍛煉了思維能力，同時帶動了課程知識點的學習。

（二）多媒體技術在教學中的廣泛應用是現代化學教育的內在要求

有機化合物以分子結構復雜、反應條件嚴格、副反應多、反應機理難掌握而著稱，多媒體及網絡技術的迅猛發展為有機化學教學注入了活力，有望改變有機化學難學、難懂的觀念，極大地改善傳統教學模式的弊病。

多媒體課件作為輔助教學手段，具有很多優點。首先，它使現代化學教育更形象更生動。它具有高信息涵蓋量、色彩豐富、呈像生動、動感形象等長處，作為高科技教學手段，其引入與應用，積極促進了現代有機化學教學改革的發展。Flash對化學實驗的圖像解構，將微觀世界里的有機化學反應形象而又生動地呈現出來，使對各種反應機理的描述不再晦澀抽象難懂。

其次，多媒體教學可以使有機化合物空間立體結構更加形象直觀，其動畫功能可以利用不同顏色、不同大小、不同形狀代表各化合物上的原子或基團，把有機反應過程直觀地表現出來，變靜態為動態過程。多媒體演示可用于代替昂貴但高效靈敏的儀器的操作，如氣象色譜-質聯聯用儀（GC-MS），液相色譜-質譜聯用儀（HPLC-MS）等。

價格昂貴一般學校難以引入課堂教學實驗之中，但利用CAI課件即可向學生模擬這些儀器的操作，讓學生對有機測試先進手段有更加直觀的理解，任何教學手段都是為教學內容服務的。

再次，多媒體教學手段為師生之間溝通提供了便捷途徑。通過開拓網絡教學平臺，可實現教師在線答疑，學生可根據自己在學習過程中遇到的問題在網上與教師交流討論，也可以與其他同學進行討論。這種教學平臺的應用彌補了大學教師科研任務重、不坐班，學生在課余時間找不到教師答疑的缺點，在空間上和時間上相對自由。目前網絡平臺輔助教學在我們的教學工作中得到了良好的運用，用于答疑、公布教學信息和教學資源共享等方面。今后將進一步研究完善教學平臺的應用，以實現無紙化提交、批改作業，提高工作效率。

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關鍵詞：必修與選修；整合；銜接；交融；教學有效性

筆者結合新課標改革的理念，認為教師作為教與學雙邊關系中的引導者，可以將教學內容部分的必修與選修相聯系的內容進行銜接和交融，以促進高中化學教學的有效性。

一、明辨之：云在青天水在瓶――現狀思考

當前來說，高中化學教學的開展依舊不如預期的理想，很多時候，新課標的改革發展理念僅僅成為一句口號。針對高中階段的學生來說，學生所要學習的內容包括選修和必修共有九門功課。學生的學習壓力大、負擔重、學習時間緊張?；瘜W學科作為其中的一門功課，筆者認為選修和必修部分的教學其實有著一定的聯系，必修教學部分，可以說是打基礎的階段，這個時期為學生的化學學習打下扎實的基礎，不僅有助于激發學生學習化學的欲望和興趣，還有助于學生在今后的選修學習階段節約時間，達到事半功倍的成效。然而當前來說，高中化學教學中突出的幾個問題，主要呈現在以下幾個方面：

首先，學生的學習興趣不濃郁。在必修課階段，多數教師采用傳統的教學方法，使得在教學開展過程中，學生的學習方式比較傳統，學生的學習積極性不濃郁，加上學生的學習負擔較重，多數學生有些顧不上。

其次，學生的學習方法不科學?？v觀魯科版必修和選修的內容，有一些內容是重合的、相關的，但是不少教師在教學的過程中，沒有進行適當的拓展和融合，而是抱著書上寫到哪里就講到哪里，學生學習知識點的時候淺嘗輒止。到了選修階段，學生再度重新開始學習復習相關知識點，浪費了大量的時間和精力。

再次，學生的學習自主性沒有強化。不少學生到了化學選修學習的階段時，由于沒有掌握科學的學習方法，多數學生都是被動接收知識點，老師講到哪里就學到哪里，沒有自主學習的積極性，更沒有充分激發自身的主觀能動性。

結合上述現狀，當前高中化學的選修和必修課程沒有得到融合和拓展，而浪費了大量的時間和精力，這是比較遺憾的地方。

二、深思之：站在天平的兩端――深度解讀

作為教師，在必修階段，還不清楚哪些學生今后會進入化學選修部分的學習，多數教師抱著這樣的想法，在必修課堂教學階段，沒有針對教學內容進行適當的整合拓展，這是一種錯誤的教學理念。

高中化學新課程標準提出：“高中化學課程應有助于學生主動構建自身發展所需的化學基礎知識和基本技能，進一步了解化學學科的特點，加深對物質世界的認識；有利于學生體驗科學探究的過程，學習科學研究的基本方法，加深對科學本質的認識，增強創新精神和實踐能力；有利于學生形成科學的自然觀和嚴謹求實的科學態度，更深刻的認識科學、技術和社會之間的相互關系，逐步樹立可持續發展的思想……”

由此可見，一方面是學生繁重的學業壓力，另一方面是教師有限的教學時間和教學精力。關于必修與選修教學內容之間的融合，猶如站在天平的兩端，筆者認為，只有將學生從壓力中解放出來，運用統籌方法，即將必修與選修教材的內容進行有效的整合，最終提升高中化學教學的有效性。

三、篤行之：唯有源頭活水來――實踐案例

筆者以魯科版高中化學教材為例，以下是關于筆者針對選修內容與必修內容進行整合、的幾個實踐案例：

1.寓教于樂，以經驗激活整合

所謂好之者不如樂之者，興趣是激發學生主觀能動性的最原始的動力，也是激發學生有效參與學習的最有力的方法。在教學中，筆者結合寓教于樂的方法，一般來說，必修階段是在學生高一年級的時候進行，這個時期需要充分激發學生的興趣度。高中化學與初中化學相比，難度增加了很多，很多學生進入高一參與化學學習的時候，最明顯的感悟就是難度很大，多數學生會出現畏難情緒。教師則可以運用自己的經驗激活整合，將化學必修課的知識點與選修的知識點充分整合，引導學生在寓教于樂的過程中，以“授人以漁”為目的，激發學生自身的主觀能動性。

比如筆者在教學中將《必修2》的第三章重要的有機化合物和選修《有機化學基礎》知識進行了相結合教學。以筆者多年的教學經驗，通過這兩個部分的整合，既讓學生的基礎知識有了牢固的積淀，也讓學生們感受到學習過程的快樂。學習《必修2》的第三章重要的有機化合物時，講完甲烷、乙烯、苯和乙醇后，可以把“官能團”的定義從選修提到必修來講，讓學生體會學習有機化學的方法；在介紹完乙烯的加成反應后，可以拓展反應機理很相似的加成聚合反應，讓學生重視有機化學反應機理的學習；必修中苯的取代反應除了介紹硝化反應外，可以通過多媒體視頻的演示拓展選修部分的溴代反應和磺化反應，再介紹苯的加成反應和與酸性高錳酸鉀溶液不反應的事實，讓學生深刻理解由苯的特殊結構所帶來的“易取代，能加成，難氧化”的特殊性質，到選修部分就擴展到苯的同系物性|的講解，既復習了苯的性質也理解了基團和基團之間的互相影響；在學習酯的水解前必修課本上安排了一個乙酸乙酯的水解實驗，可以用選修的肥皂的制備視頻代替，讓學生對酯的水解反應和學習選修《有機化學基礎》產生興趣。學習選修《有機化學基礎》的知識時注重與必修內容的銜接，盡可能從學生已有的知識出發提出問題，讓他們帶著問題線索進入新的學習內容中去。比如必修中同分異構現象重點介紹碳骨架異構到選修部分擴展到官能團的位置異構和官能團的類型異構。

2.見縫插針，以問題驅動整合

傳統的教學課堂基本上成了教師的“一言堂”，多數學生都是在被動的模式下參與課堂，對于教師的提問也是被動進行解決。在必修階段，如果一些老師不進行適當的延伸，不少的結論及規律只能讓學生死記硬背，這樣學生會越來越厭學。筆者認為，問題是教學的核心。在教學過程中，要引導學生將被動變為主動，就要引導學生積極質疑?？梢酝ㄟ^見縫插針的方式，以問題驅動整合，在理解后進行記憶效果會更好。筆者在教學中運用問題驅動的方式，將一部分必修課程與選修課程之間的內容加以交融、完善，提升課堂教學的有效性。

在教學中，筆者以問題驅動整合，比如⒀⌒蕖段鎦式峁褂胄災省分械詼章第四節分子間作用力提到《必修2》教授離子化合物和共價化合物時進行，為了解釋由分子構成的共價化合物為什么熔沸點比較低；氫鍵則提到選修《有機化學基礎》教授醇的熔沸點和溶解性時進行，讓學生理解飽和一元醇的沸點比與其相對分子質量接近的烷烴或烯烴的沸點要高，以及多元醇沸點高、易溶于水的性質。

3.開放思維，以鞏固提升整合

在教學中，有一些學生出現屢教不會的現象，針對課堂上的知識點不能快速進行吸收和消化，筆者認為產生這種現象的根源在于人的思維。所以在必修課的授課階段，筆者更在意的是教給學生一種思維，引導學生在學習知識點的過程中，形成一種開放思維，自己發現問題，自己找出答案。

在教學中，筆者將《必修2》第一章原子結構與元素周期律和選修《物質結構與性質》第一章原子結構的銜接。為了鞏固提升，筆者提一些開放性的問題，比如化學必修課程中只介紹了元素周期表的周期與原子的電子層數有關，每周期所能容納的元素種數是數出來的，而通過問題讓學生在核外電子排布的基礎上深化知識，能用鮑林近似能級圖解釋周期的劃分和每一周期所能容納的元素種數。再如在必修課程的基礎上，從原子結構的量子力學模型出發，用電離能、電負性定量地衡量元素原子得失電子的能力，引導學生從核外電子排布的角度理解元素性質的周期性變化。最終達到讓學生更高層次理解“結構決定性質”的化學基本理念，感受元素周期表的魅力與強大。

筆者還將《必修2》的第二章化學鍵化學反應與能量與選修《化學反應原理》第一、二章的相關知識銜接。比如實現反應所釋放能量向電能轉化的單液原電池銜接到盡可能減少副反應發生的使反應所釋放能量更加有效地向電能轉化的雙液原電池；影響化學反應的限度和速率的外界條件由必修的定性結論到選修的定量分析、從必修的經驗型化學向選修的理論性化學過渡，都促進學生從多因素、定量的角度思考問題，對結論規律的理解記憶、分析問題解決問題的能力都有所鞏固和提高。

四、領悟之：黃沙吹盡始得金――遠景展望

總而言之，在教與學的雙邊關系中，教師是這個過程中的引導者，學生是這個過程中的主體。教師與學生之間只有相互配合，很好的將必修教材與選修教材中有聯系的內容進行有效整合，充分利用多媒體，提升教學的有效性，才能真正引領高中化學課堂教學有效性得到全面的提升。筆者堅信，根據學生的實際情況控制教學的深度和廣度，在整合教學理念的運用之下，實現基礎知識與拔高知識的良好銜接及交融，培養學生學習化學的興趣，真正實現高中化學教材新課改的目的，高中化學課堂教學定會綻放有效的花朵。

參考文獻：

[1]周鑫榮，高中化學新課程必修與選修的銜接教學，[J]，化學教育，2009年12期.

[2]張水m、左香華，從必修和選秀教材的銜接談高中化學的教學――以化學反應的快慢和限度在必修和選修教材中的編制為例，[J]，化學教育，2006年11期.

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關鍵詞：苯酚；探究性學習；教學設計

文章編號：1008-0546（2013）09-0064-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

新課程背景下的化學教育改革的基本思路之一就是提高學生科學探究的能力，使學生在知識和技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個方面都得到發展?！陡咧谢瘜W新課程標準》要求學生“具有較強的問題意識，能夠發現和提出有探究價值的化學問題，敢于質疑，勤于思索，逐步形成獨立思考的能力，善于與人合作，具有團隊精神”，“發展學習化學的興趣，樂于探究物質變化的奧秘，體驗科學探究的艱辛和喜悅，感受化學世界的奇妙與和諧”。[1]

《美國國家科學教育標準》對探究的定義是：“探究是多層面的活動，包括觀察；提出問題；通過瀏覽書籍和其他信息資源發現什么是已經知道的結論，制定調查研究計劃；根據實驗證據對已有的結論做出評價；用工具收集、分析、解釋數據；提出解答，解釋和預測；以及交流結果。探究要求確定假設，進行批判的和邏輯的思考，并且考慮其他可以替代的解釋?！盵2]

綜合國內外對探究性學習的定義，結合高中化學教學實際，我們認為探究性學習是指：在動態、開放、主動、多元的學習環境中，學生在教師引導下，仿照科學探究的過程，發揮主觀能動性，學習科學內容和技能，體驗、理解和應用科學探究方法，培養科學健康的情感態度和價值觀的一種學習方式。探究性學習是實施素質教育的最佳途徑，是新課程改革中的一個亮點。以“苯酚”為例嘗試探究性學習實踐如下：

一、 核心內容教學價值分析

1. 課程標準對選修5《有機化學基礎》的教學要求

根據“結構決定性質”的基本思想方法，設計苯酚的結構和性質的探究，并遷移到酚類的結構和性質，運用多種教學手段幫助學生對知識的理解，培養學生的能力。依據《有機化學基礎》模塊的功能定位，通過對苯酚課例的設計思路的分析，探討如何在課堂教學中落實科學探究，實現三維目標。在教學中設計通過源于學生生活的情境設計，盡量把學生帶入真實的問題情境中，提出有效的問題，來激發學生的探究欲望，最后用實驗驗證苯酚的性質。

2. 核心內容的學科分析

醇和酚是重要的烴的含氧衍生物，都含有羥基官能團。苯酚和醇的性質有相似之處，又有不同之處，通過本節課的對比學習，學生對酚羥基和醇羥基的性質將有一個更全面的認識，理解官能團的性質與所處的化學環境有一定的相互影響，從而學會全面地看待問題，更深層次地掌握知識。

二、 核心內容學生分析

1. 從知識層面看

在必修階段已經具備有機化學基本的類別概念，知道一些典型有機物的性質。在選修5第一、二章的學習過程中對官能團決定有機物的化學性質、基團的相互影響都有了一定的認識，但有待完善。

2. 從能力層面看

具備了一定的分析、解決問題的能力；設計分析簡單實驗的能力；對“結構決定性質”這一普遍規律比較熟悉，因此具有性質預測的知識基礎，知道研究有機化合物的一般方法和流程，具備進行探究活動的能力。

本節課授課對象是實驗班學生，他們樂于展示自我，生生交流、師生交流容易展開。但他們自主探究的意識、合作創新的精神還有一定程度欠缺，需要老師引導和支持。

三、 核心內容學生學習和發展空間分析

經歷探究過程以獲取理智能力的發展和深層次的情感體驗，建構知識，掌握解決問題的方法，是探究學習要達到的三個目標。其中經歷探究過程顯然是最重要的，為確保能開展探究，就必須給學生充足的時間、空間和自由度，特別是苯酚的酸性的探究，盡可能使學生經歷一個比較完整的探究過程?；瘜W課堂教學在模式上更加倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手的課堂氛圍，教師更加注重培養學生收集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力。

四、三維教學目標

（1）知識與技能：能認出酚類的結構特征；能描述苯酚的物理性質；能書寫酚羥基弱酸性的相關化學方程式和離子方程式、苯酚與濃溴水的取代反應化學方程式、知道苯與氯化鐵的顯色反應并且能簡單應用；能比較醇羥基和酚羥基的化學性質差異，能比較苯與苯酚中苯環的化學性質相似和差異，了解羥基對苯環的影響。

（2）過程與方法：通過對苯酚性質學習，認識有機化合物結構與性質的關系；通過苯酚與苯、醇的比較學習，培養猜想和預測能力和比較學習的思想；通過實驗活動，培養實驗能力和表達能力；通過差異性比較，認識基團間的相互影響。

（3）情感態度價值觀：通過實驗體驗化學科學的學習方法；通過酚類物質的應用，認識酚類物質在生產生活中的應用價值；通過工業含酚物質排放引發的環境問題，養成關注環境，樹立良好的環保意識觀及安全使用化學品的觀念。

五、教學重點難點

重點：酚羥基的弱酸性、苯酚的取代反應。

難點：羥基與苯環相互影響對苯酚性質的影響，與醇、苯性質比較的差異。

六、核心內容的教學流程

七、核心內容教學設計

1. 醇和酚結構的比較

2. 苯酚物理性質的學生活動與自主探究

[學生活動探究]

實驗1：觀察苯酚的顏色、狀態，聞一聞苯酚的氣味。

實驗2：在試管中加入少量水，逐漸加入苯酚晶體，不斷振蕩試管。繼續向上述試管中加入苯酚晶體至有較多量晶體不溶解，不斷振蕩試管，靜置片刻。（提醒同學實驗過程中接觸苯酚一定要注意安全及出現情況的處理方法）

實驗3：將上述試管放在水浴中加熱。從熱水浴中拿出試管，冷卻靜置。

實驗4：取少量苯酚于試管中，加入酒精溶液，充分振蕩。

3.苯酚化學性質的學生活動與自主探究

[學生活動探究]閱讀苯酚軟膏使用說明書，找出體現苯酚化學性質的關鍵詞，推測苯酚酸性

[藥品名稱]苯酚軟膏[性狀]本品為黃色軟膏；有苯酚特臭味。

[藥物組成]本品每克含主要成分苯酚0.02克。

[作用類別]本品為皮膚科用藥類非處方藥藥品。

[藥理作用]本品為消毒防腐劑，其作用機制是使細菌的蛋白質發生凝固和變性。

[注意事項]1.避免接觸眼睛和黏膜。2.用后擰緊瓶蓋，當藥品性狀發生改變時禁止使用，尤其是色澤變紅后。

[藥物相互作用]不能與堿性藥物并用。

[學生活動探究]如何設計實驗探究苯酚的酸性？記錄學生提出的實驗方案。

[學生活動探究]

實驗1：試管中取2mL苯酚溶液，滴加石蕊試劑，觀察現象。

實驗2：在試管中取2mL氫氧化鈉溶液，滴加2～3滴酚酞試液，再加入少量苯酚濁液，振蕩，觀察顏色變化。

實驗3：在兩支試管中分別加入2mL苯酚濁液，并分別向其中滴加碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液，充分振蕩，觀察并比較現象（注意觀察加鹽溶液的試管中是否有氣泡）

實驗4：取苯酚溶液2mL，邊振蕩邊逐滴加入氫氧化鈉溶液，至恰好澄清，再持續通入二氧化碳氣體（簡易裝置制備），溶液又變渾濁。

[學生小結]苯酚俗稱石炭酸，具有弱酸性，酸性介于碳酸和碳酸氫根離子之間。由于苯酚的酸性太弱，以至于不能使石蕊試劑變紅。

[學生活動探究]在濃溴水中逐滴加入苯酚稀溶液，并不斷振蕩，有白色沉淀生成。

[學生質疑與討論]苯環能發生加成和取代反應，推測該反應是取代反應還是加成反應呢？請設計探究方案證明你的推測。

[學生活動探究]用電導率實驗測定苯酚與溴水反應的導電性變化（或測定反應前后的pH變化）。

[學生小結]對比苯和苯酚跟溴的反應，苯和溴發生取代反應的條件：用液態溴，并用鐵屑作催化劑，生成一元取代物。苯酚的取代反應條件：溴水，不需要催化劑，生成三元取代物。學生分析酚羥基對苯環的影響。苯酚的上述反應，靈敏而快速，并且產生三溴苯酚不溶于水，因此可以用于苯酚定性檢驗和定量測定。

[學生活動探究]苯酚與三氯化鐵溶液的顯色反應。

[學生小結]這個反應也能用來檢驗苯酚

4.學生分析含酚廢水處理工藝流程，回答相關問題，并總結本節課相關知識點

[學生展示圖片]苯酚和酚類物質的制取和應用。

[學生展示]人為非法排放酚類物質造成水體等環境危害案例——說明酚類物質的毒性。

[學生分析討論]含苯酚的工業廢水處理的流程圖如下：

八、教學反思

本節課從開始的知識回顧，到已有知識的遷移應用，最后建立了新的知識體系，設計了“尊重認知—豐富認知—應用認知”的方法線。教師不僅要了解學生的認知，還要通過不懈的努力不斷擴大學生的認知，才能更好地進行新的教學，實現良性循環。反思整個教學過程，還有一些生成性的問題沒有解決，有待今后的思考和提高?？傊瘜W課堂教學在模式上應該更加倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手的課堂氛圍，教師應更加注重培養學生收集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力以及交流與合作的能力。

參考文獻

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【關鍵詞】教材 教學方法 環境

升入高中后，由于教材、教學方法、環境等方面的因素，學生往往需要一個適應期，而高一正是初中和高中的一個過渡年級，高一銜接的好壞將直接影響一個學生整個高中的學習，所以做好高一教學的銜接至關重要。所以如何做好初高中的銜接，是每一個高一老師都需要認真考慮的問題。

我認為化學這門功課要做好初、高中銜接著重需要注意下面三點：一是初高中教材的銜接；二是教學方法的銜接；三是學生學習方法、學習心理的銜接。

1 初高中教材的銜接

高一老師首先應該認真鉆研教材，熟悉初、高中全部教材的體系和內容。明確哪些知識點在初中已經基本解決；哪些知識點應在初中解決而實際并未完全解決；哪些知識點在初中已解決，應在高中拓寬和加深等。例如在初中，對于根據物質組成進行分類已經講過，高一教師只需要強調酸、堿、鹽的定義，不需要花過多的時間；而對于原子中質子、電子的計算大多數初中是不講的，所以在講物質的量關于質子、電子的計算時需要將這一內容補充，告訴學生計算方法。又比如在講“物質的分離和提純”時，對于過濾和結晶，初中化學已經講過，大多同學已經會的，只要一帶而過，而對于萃取和蒸餾初中根本沒講過，就需要詳細講。最好在剛進入高一時搞一次摸底測驗，要全面了解學生學習的現實情況，做到心中有數。

另外要緊扣高中化學教學大綱，采用“集中復習”和“穿插復習”相結合的方法，做好知識的查漏補缺工作，以創造一個較為整齊的教學起點。對于學生在初中化學模棱兩可的知識一定要重新講透。在吃透大綱和教材，摸清學生思想、知識、能力等基本素質情況和學習中的現實情況以后，再“對癥下藥”，采取有效措施，順利地做好了初、高中化學教學的銜接工作。當然在初、高中教材銜接時還要注意把握時機和尺度，通過相關知識的銜接要讓學生能從更高層次上來準確理解初中化學知識，力求做到對今后的高中化學學習有所幫助。

2 教學方法的銜接

初中化學的教學方法由于受到初中生知識水平及初中化學做為入門學科的限制，較多的采用灌輸式的講解方法，進入高中時，教師要抓住學生生理從少年向青年轉變，學習心理自“經驗記憶型”的被動接收知識向“探索理解型”主動學習知識的轉變時期，在教學方法上則應更多地采取啟發式，啟發學生主動地進行學習、引導學生從本質上理解所學內容。改進教學方法，善用啟發式教學。例如，學生在剛剛接觸“物質的量”這一知識點時，都會感覺難，而且不能理解，這是老師應該從一個微粒向1mol去啟發，由少到多，讓學生逐步理解，直到最后開竅弄懂。又如，在講“二氧化硫的性質“時，可以由二氧化硫作為酸性氧化物性質與二氧化碳相似，啟發同學們自己寫出二氧化硫的一些化學方程式。這樣，不僅有助于復習前面的內容，還利于學生理解二氧化硫的性質。

除了啟發式教學，還要充分利用教材上的圖表、演示實驗、教學模型等直觀材料，結合當前社會熱點，讓學生認識到化學與社會、化學與生活、化學與經濟等有著重要的聯系，以此培養學生學習化學的興趣。例如講授“硫酸”時，可利用投影介紹有關環境污染的嚴重為危害、環境保護的重要性及我國的有關環境政策；而在講有機化學知識的時候應注意結合球棍模型，讓學生通過直觀材料理解有機化合物結構的異同。

3 學生學習方法、學習心理的銜接

課堂上教學生學會某些知識，是為了課外學生會學更多的知識。學生學習方法的指導應貫穿于教學的各個環節中，應結合課本各內容給學生各種知識予具體指導。但不管什么方法也比不上興趣這個最好的老師。高一老師要在摸清高一新生的心理變化情況和素質情況后，盡可能地激發學生學習化學的興趣，發展良好的思維能力。良好的學習興趣是求知欲的源泉，是思維的動力，也是提高高中化學教學質量的關鍵。高一新生正處于不成熟向逐步成熟的過渡階段。一個實驗、一個人、一件事、一本書都可激發起他們心中的熱情。如在進行無機元素化合物知識的講解時，如果結合一些適當的演示實驗，對于一些簡單的實驗還可以讓學生自己動手操作，這樣會讓學生對化學越來越有興趣。另外，在講授時注意結合一些實際的例子，同樣也會吸引學生。比如，我們在講氯氣、二氧化硫等有毒氣體時，可以設計一個小的情景：假設氣體發生泄漏，你應該如何逃生？并且可以現場演示，這樣不僅教會學生知識，而且可以增強他們應對危險的能力，同時也可以讓他們喜歡上化學課，對化學越來越有興趣。因此，在化學教學中要發揮各種優勢，使學生一開始就“迷”上化學，并將學習興趣轉化為學習的動力。除此之外，老師也要注意加強自身修養，用自己的人格魅力去感召學生，讓學生喜歡你，從而喜歡你的課。

初中學生學習化學的方法主要是記憶、重現、簡單模仿。這種較為機械、死板的方法不僅容易遺忘，而且也不能適應高中注重能力及創新的要求。高一教師有責任指導學生改進學習方法，改死記硬背的記憶方法為理解后記憶，對于同類型的物質注意比較，有的只要記一類，這樣不僅節省時間，還不易遺忘，這樣也便于學生適應高中化學的學習。學習方法的正確與否是決定能否學好化學的重要一環。當然，學生學習方法的轉變是一項艱苦的勞動，要有一個逐步適應的過程，決不能操之過急。在高一對學生鋪設的問題臺階不要一下子就很高，要使他們能上得去，以防發生兩極分化。要通過耐心細致的引導，教會學生從比較中學習，發現相似，尋求規律，逐步培養思維的敏捷性和嚴密性。在做和練中，不斷找出好的學習方法。

古人說：授人以魚，只備一飯之需；授人以漁，則可終生受用。教學生如何學習，使學生能有效、正確地進行各種知識及技能的學習是授人以漁之舉，也是高一老師的責任，也是對高一老師能力的考驗。

高一一年與初中教學各方面的銜接問題，應是相輔相成、互為促進的。在教學實踐中要重視其內在聯系。特別是要寓學習方法指導于課堂教學中，能力培養要貫穿于整個教學過程中，這樣才能做到事半功倍，也有利于學生的學習。

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關鍵詞 空氣理化檢驗 PM2.5 教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

隨著我國的經濟飛速發展，以煤炭為主的能源消耗大幅攀升，機動車保有量急劇增加，經濟發達地區氮氧化物（NO）和揮發性有機化合物（VOCs）排放量顯著增長，臭氧（O3）和可入肺顆粒物（PM2.5）污染加劇，京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等區域 PM2.5 和 O3 污染加重，灰霾現象頻繁發生，能見度降低。為進一步完善環境空氣質量監測與評價工作，改進環境質量評估辦法，努力消除公眾主觀感受與監測評價結果不完全一致的現象，環保部對執行了11年的環境空氣質量標準及其評價方法進行了新一輪修訂?！董h境空氣質量標準》（GB3095—2012） （以下簡稱“新標準”），調整了污染物項目及限值，增設了PM2.5 平均濃度限值和O3 八小時平均濃度限值，收緊了PM10 等污染物的濃度限值，收嚴了監測數據統計的有效性規定，更新了污染物項目的分析方法。

目前，我們使用的是2006年出版的全國高等醫藥教材建設研究會和衛生部教材辦公室于2005年開始組織編寫的國內第一套供衛生檢驗專業使用，并于2006年出版的規劃教材《空氣理化檢驗》，其中檢測技術和方法大部分是國內外常用的標準方法，但這些標準方法隨著新問題、新設備、新技術的出現而不斷變化。因此，教材中有些內容難免滯后，要求我們在進行課堂設計時將有關標準的變化及學科發展動態納入教學，及時調整教學內容及更新教學內容。筆者對比研究了新舊標準，現將有關環境空氣質量新標準下的《空氣理化檢驗》教學內容調整的建議歸納如下，也可為新一版的教材修訂工作提供一些建議：

1 需要引入空氣質量指數（AQI）的概念

2006版《空氣理化檢驗》教材中，第一章第二節中，提到一個重要概念：空氣污染指數（air pollution index， API），是表示空氣綜合質量狀況的指標，是將常規監測的集中空氣污染物濃度簡化成為但一定概念性指數值形式，并分級表征空氣污染程度和空氣質量狀況，適合于表示城市的短期空氣質量狀況和變化趨勢。并指出PM10、SO2、NO2、CO和O3為所選擇的評價因子，其中PM10、SO2、NO2為必測因子；我國空氣污染指數可分為五級（優、良好、輕度污染、較差和重度污染）。而2012年2月29日新頒布的《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行） 》（HJ633—2012）中，提出了新的定量描述空氣質量狀況的無量綱指數的指標：空氣質量指數（air quality index， AQI）。且AQI所選擇則的評價因子較多且AQ1分為六級（優、良、輕度污染、中度污染、重污染、嚴重污染）。因此在教學中，為適應新標準，教師需要對比講解 API 與 AQI，包括兩者的概念、范疇與區別，讓學生對我國日益嚴謹的空氣質量標準有深刻的認識。

2 澄清各類空氣顆粒物的概念

2006版 《空氣理化檢驗》教材中，編者羅列了多種空氣顆粒物的分類標準（第五章，第六節），然而不同分類標準中卻存在混淆不清的情況。如：在教材106頁，提到根據 ISO 和我國《環境空氣質量標準》，可吸入顆粒物和PM10的定義一致，即懸浮在空氣中，空氣當量直徑 ≤10%em 的顆粒物；在可吸入顆粒物（PM10）的測定這一節中，又提到測定的是空氣動力學當量直徑

2008年我國開始對《國家環境空氣質量標準》（GB 3095- 1996）及其修改單進行修訂，最終在《國家環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）中規定三項顆粒物術語：總懸浮顆粒物（TSP）指能懸浮在空氣中，空氣動力學當量直徑 ≤100微米的顆粒物；將可吸入顆粒物規定為顆粒物（粒徑小于等于10微米），英文名稱為particulate matter（PM10）；將細顆粒物（PM2.5）規定為顆粒物（粒徑小于等于2.5微米），英文名稱為particulate matter（PM2.5）。同時，規定 PM10指環境空氣中空氣動力學當量直徑≤10 微米的顆粒物，PM2.5指環境空氣中空氣動力學當量直徑≤2.5微米的顆粒物。因此筆者建議在實際教學中，可依照新的標準進行講解，以免學生混淆理解。

3 增加PM2.5概述及檢測技術

隨著我國經濟的快速發展，城市大氣污染日益嚴重，以PM2.5為特征的二次污染呈加劇態勢，由于PM2.5來源復雜，呈多污染源疊加的復合型污染特征，導致各地區空氣能見度降低，地面臭氧濃度升高，大氣氧化性增強，灰霾天頻率上升，集群現象又加劇了污染物在城市間的擴散，最終使大氣污染由傳統、單一的煤煙型污染向多種污染物共存、相互影響、相互交織的復合型大氣污染轉變，呈冬春灰霾、夏季臭氧、春夏灰霾和臭氧并存的污染格局。

在《國家環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）中，我國2012年制定了PM2.5的相關標準，指出相應的手工分析方法為重量法，自動分析方法為微量震蕩天平法，%[射線法。然而，我國對PM2.5 的PM2.5監測、控制工作尚處于起步階段，2006 版的教材中，有關PM2.5的內容也涉及很少。筆者在教學中發現，學生對PM2.5這一熱點問題非常重視，因此在教學中，應該增加有關PM2.5的內容，特別是補充PM2.5檢測技術的內容。

4 加強自動監測分析的內容

新標準中將各類污染的分析方法明確劃分為手工分析方法和自動分析方法兩類.并新增二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、一氧化碳、臭氧、PM10、PM2.5氮氧化物的自動分析方法，所應用的自動分析技術有：紫外熒光法、化學發光法、差分吸收管光譜分析法、氣體濾波相關紅外吸收法、非分散紅外吸收法、微量震蕩天平法、%[射線法。2006 版的教材中，針對自動檢測技術僅用較小的篇幅（第八章第六節：空氣質量自動檢測技術簡介）介紹了幾種空氣質量自動監測儀器的原理，并未對具體的檢測方法進行講解，因此，在實際教學中，應該加強自動監測分析的內容。

5 結語

此上僅就空氣理化檢驗課程的教學改革提出一些淺見。環境空氣日益惡化，相應的質量標準也日益收緊，檢測技術也日新月異，因此，針對空氣理化檢驗這門理論和實踐并重的專業課程，要取得好的教學效果，需要任課教師不僅精通該門課程涉及的教學內容，還需要在教學過程中不斷更新教學內容，培養出知識面寬、基礎扎實、操作技能強的能滿足社會要求的實用及創新型人才。

東莞市科技計劃項目：2011108102022，廣東醫學院教育教學研究課題 JY1243的資助

參考文獻

[1] 環境保護部.GB 3095-2012環境空氣質量標準[S].北京：中國環境科學出版社，2012.

[2] 呂昌銀.空氣理化檢驗[M].北京：人民衛生出版社，2006.

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關鍵詞：生物炭；蔬菜；重金屬污染；環境污染；食品安全

近年來，由于采礦冶煉、污水灌溉、塑料薄膜的大量使用、農藥和化肥的過量施用、汽車尾氣及生活垃圾的不斷排放，土壤和水體中的重金屬污染日益加劇。環境中的重金屬可以通過各種途徑進入作物和人體內并富集，使人產生頭暈、貧血、精神錯亂、代謝紊亂等癥狀，且重金屬有致癌作用，對人類的健康有極大威脅。目前，我國一些蔬菜、糧食種植區正遭受著重金屬污染的威脅，農產品重金屬超標事件屢見不鮮。研究如何凈化土壤和水體，減少重金屬元素在陸生和水生植物體內的累積愈來愈成為國內外的科研熱點。當前，國內外都在積極尋找有效的重金屬修復方法，如卓有成效的電動修復、植物修復、生物降解法等，但是各種措施也都有各自的局限性。

生物炭是生物質通過熱裂解的方法在缺氧或者低氧條件下制備的一種富含孔隙結構、含碳量高的碳化物質[1]，其性質優良，具有較好的農用效益和環境污染修復潛力，已有研究表明，生物炭能夠直接或者間接地降低土壤中重金屬的生物有效性，因此有關將生物炭應用于重金屬污染土壤的生態修復引起了廣泛的關注。制備生物炭的原料來源廣泛，農林業廢棄物如木材、秸稈、果殼及有機廢棄物等都可以作為原料[2，3]，同時，其具有碳封存的潛力，因而生物炭的應用可作為我國農林廢棄物資源化利用的有效途徑。全球已舉辦過多次有關生物炭的會議，并成立了許多生物炭協會、學會、相關企業與研究機構，其中最著名的機構是國際生物炭協會（International Biochar Initiative，IBI）?？傊?，作為一種新型環境功能材料，生物炭在作物安全生產方面正展現出廣泛的應用潛能。本文概括性地介紹了蔬菜重金屬污染的現狀和目前用于治理重金屬污染的各項措施，通過綜述生物炭的特性及其在重金屬污染治理上的研究應用進展，展望了生物炭在減少蔬菜重金屬污染、提高蔬菜產量、質量和安全性方面的應用潛力以及尚待解決的關鍵問題，為生物炭應用于蔬菜的安全生產提供有力的理論支持和實踐參考。

1 蔬菜重金屬污染現狀

重金屬在化學上是指密度大于4.5 g/cm3的約46種金屬元素。環境污染上所說的重金屬是指鉻（Cr）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）以及類金屬砷（As）等生物毒性顯著的金屬，即重金屬“五毒”。重金屬或其化合物造成的環境污染稱為重金屬污染。近年來，隨著工農業的快速發展，大量重金屬污染物通過各種途徑進入土壤、水體和大氣中，土壤和水體重金屬污染引起的蔬菜及其他農作物重金屬超標問題日益成為影響人類生活質量、威脅人類健康的環境和社會問題。研究結果表明，蔬菜重金屬污染主要是人為因素所致，重金屬可經由各種路徑進入人體內（圖1）。

隨著生活水平的提高，人們對無公害蔬菜、綠色食品的呼聲越來越高。為使蔬菜產業向著高產優質的方向發展，很多設施菜地、無土栽培技術、有機生態農業等已在全國各地蓬勃發展。其中，作為無公害蔬菜和綠色蔬菜的評價指標之一，重金屬含量在生產基地、生產過程和產品中都有嚴格的限定標準。無土栽培基質也較容易受到重金屬污染，如李靜等[4]發現煤渣是引起基質重金屬含量超標的主要因素，通過尋找理想的無土栽培基質來解決重金屬超標問題，也是無公害蔬菜生產的重要任務。

1.1 蔬菜重金屬污染為害及研究現狀

世界各國都存在不同程度的重金屬污染，如日本20世紀50年生的水俁?。ü廴荆?、骨痛?。ㄦk污染），防治重金屬環境污染已成為一個刻不容緩的世界性課題[5]。我國的重金屬污染問題較為嚴峻，國家環保部數據顯示，2009年重金屬污染事件致使4 035人血鉛超標、182人鎘超標，引發32起[6]，其中的典型案例有陜西寶雞市鳳翔縣長青鎮的血鉛超標事件、湖南瀏陽市湘和化工廠鎘污染事件等[7]。仲維科等[8]研究發現，按食品衛生標準，我國各主要大中城市郊區的蔬菜都存在一定的重金屬超標現象，其中Cd、Hg、Pb的污染尤為明顯。迄今為止，國內已對北京、上海、天津、貴陽、大同、蚌埠、成都、壽光、哈爾濱、福州、長沙等大中城市郊區菜園土壤及蔬菜中重金屬污染狀況進行過較為系統的調查研究。蔬菜農藥殘留和重金屬超標問題已成為我國發展蔬菜出口中的憂中之憂。隨著中國加入WTO，蔬菜出口面臨著巨大的綠色壁壘[9] 。

國內外眾多學者對蔬菜的重金屬污染問題進行了研究，其中對十多種陸生和水生蔬菜的鎘、銅、鋅、鉛、汞、鎳、鉻及砷等重金屬的為害進行了分析研究。土壤中的重金屬元素通過抑制植物細胞的分裂和伸長、刺激和抑制一些酶的活性、影響組織蛋白質合成、降低光合作用和呼吸作用、傷害細胞膜系統，從而影響農作物的生長和發育。王林等[10，11]先后研究了Cd、Pb及其復合污染對茄果類蔬菜辣椒和根莖類蔬菜蘿卜生理生化特性的影響，發現辣椒的生長發育、氮代謝、膜系統、根系和光合系統都受到一定的傷害，蘿卜的生理生化指標也受到明顯抑制，細胞膜透性顯著升高，并且Cd、Pb復合污染的毒害作用始終比單一污染強，說明Cd、Pb復合污染表現為協同作用。他們的研究結果與秦天才等[12]研究的Cd、Pb及其復合污染對葉菜類蔬菜小白菜的影響結果一致，小白菜除出現植株矮化、失綠和根系不發達等直接毒害表現外，還出現葉綠素含量降低、抗壞血酸分解、游離脯氨酸積累、硝酸還原酶活性受到抑制等現象。

1.2 陸生蔬菜地重金屬污染現狀

蔬菜是易受重金屬污染的作物之一，對重金屬的富集系數遠遠高于其他農作物，因此蔬菜重金屬污染問題更加突出。目前全國主要大中城市的菜地土壤和蔬菜重金屬污染的狀況已基本掌握[13]。土壤和蔬菜中重金屬污染以砷、鉻、鎘、汞、鉛、銅（Cu）、鎳（Ni）、鋅（Zn）等為主。一般對同一類蔬菜來說，Cu、Cd、Zn為高富集元素，Hg、As、Cr為中等富集元素，Ni、Pb為低富集元素[14]。其中，城市中的礦區周圍、污灌地和交通干線兩側農田的重金屬污染程度較嚴重，蔬菜中的重金屬含量超標更為嚴重。黃紹文等[15]研究發現，河北定州市北城區東關村城郊公路邊菜田土壤Cu、Zn、Pb 和Cd總量和韭菜可食部分Pb含量總體上均隨與公路距離的增加呈降低的趨勢。而且，不同的土壤類型，其有機質含量、孔隙度、酶活性、pH值、CEC值（Cation exchange capacity，陽離子交換量）等理化特性不同，直接影響重金屬在土壤中的遷移與固定，從而影響蔬菜對其的吸收與富集[16]。一般認為土壤膠體帶負電荷，而絕大多數金屬離子帶正電荷，所以土壤pH值越高，金屬離子被吸附的越多，進入蔬菜體內的越少。土壤中的腐殖質能提供大量的螯合基團，對很多重金屬元素有較強的固定作用，使進入蔬菜中的重金屬減少。因此，我們可以依據不同蔬菜對不同重金屬的富集差異以及不同的土壤條件選擇相應的蔬菜類別，合理布局種植地，也可以通過施用土壤改良劑、有機肥等改善土壤理化性質，降低重金屬離子的活性，從而減輕重金屬的污染。

1.3 水生蔬菜重金屬污染現狀

水生蔬菜通常是指生長在淡水中、產品可作蔬菜食用的維管束植物。我國是眾多水生蔬菜的發源地，栽培歷史悠久，主要包括蓮藕、茭白、荸薺、水芹、慈姑、莼菜、芡實、菱、水芋等[17]。作為我國的特產蔬菜，水生蔬菜已成為農業種植結構中的重要組成部分[18]，國內現有栽培面積有66.7萬hm2以上，主要集中在長江流域、珠江流域和黃河流域，我國水生蔬菜栽培面積和總產量均居世界前列。我國也是世界水生蔬菜的主要生產國和出口國，全國已有眾多特色鮮明的水生蔬菜基地[19，20]。

相對陸生蔬菜而言，水生植物不僅可以從根部攝入重金屬，而且因其維管組織、通氣組織發達，更容易從生長環境中吸收或轉移重金屬元素，并長久的富集于體內。國家食品標準規定了水生蔬菜產品重金屬最大限度As、Pb、Hg、Cd、Cr分別為0.5、0.2、0.01、0.05、0.5 mg/kg，和其他蔬菜作物相同[19]。水生蔬菜各器官對重金屬的吸收也受多種因素影響，如環境中重金屬濃度、重金屬的有效性、水體富營養化以及不同水生蔬菜對各重金屬元素特有的富集特性等[21]。如許曉光等[22]研究發現，隨著Cd、Pb濃度的增加，蓮藕各器官的重金屬累積量也相應增多，并且隨著生長期的延長，蓮藕各器官中Cd、Pb含量逐漸增加。但是，由于蔬菜、重金屬和土壤類型不同，生長環境條件、重金屬性質與含量不同以及重金屬的存在形態、復合污染等種種復雜因素，使得重金屬的為害呈現出復雜性，例如不同蔬菜對同種重金屬、同種蔬菜對不同重金屬以及同種蔬菜的不同器官中對重金屬的吸收和累積均存在著差異。李海華等[23]檢測了Cd在12種糧食和蔬菜作物不同器官的含量后發現，除了蘿卜，Cd在其他作物的根部中含量是最高的；不同種類重金屬在蓮藕各器官中的累積量也不同，如Cd含量為匍匐莖>荷葉>藕>荷梗，而Pb含量為匍匐莖>荷梗>藕>荷葉，這些研究為我們有效控制水生蔬菜重金屬污染提供了可靠的依據和科學指導。

2 土壤重金屬污染治理及其研究進展

目前，國內外治理土壤重金屬污染的主要措施包括工程措施、物理修復措施、化學修復措施、生物修復措施以及農業生態修復措施。

①工程措施 主要包括客土、換土、去表土、排土和深耕翻土等措施，其中排土、換土、去表土、客土被認為是4種治本的好方法。工程措施具有效果徹底、穩定等優點，但是工程量大、費用高，破壞原有土體結構，引起土壤肥力下降，并有遺留污土的問題。

②物理修復措施 主要有電動修復和電熱修復等。前者是在電場的各種電動力學效應下，使土壤中的重金屬離子和無機離子向電極區運輸、集聚，然后進行集中處理或分離[24]；后者是利用高頻電壓產生的電磁波和熱能對土壤進行加熱，使污染物從土壤顆粒內解吸并分離出來，從而達到修復的目的。此兩種方法都是原位修復技術，不攪動土層，并縮短修復時間，但是操作復雜，成本較高?，F在，一些發達國家還在污染嚴重地區試行玻璃化技術、挖土深埋包裝技術、固化技術等，但是限于成本高等原因，普及率不高。

③化學修復措施 目前常用的是施用改良劑（抑制劑、表面活性劑、重金屬拮抗劑等）、淋洗、固化、絡合提取等。施用改良劑主要通過對重金屬的吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用，來降低重金屬的生物有效性。淋洗法是用清水淋洗液或含有化學助劑的水溶液淋洗被污染的土壤。固化技術是將重金屬污染的土壤按一定比例與固化劑混合，經熟化后形成滲透性低的固體混合物。絡合提取是使試劑和土壤中的重金屬作用，形成可溶性重金屬離子或金屬-試劑絡合物，最后從提取液中回收重金屬并循環利用提取液?；瘜W修復是在土壤原位上進行的，簡單易行，但不是永久性修復，它只改變了重金屬在土壤中的存在形態，重金屬元素仍保留在土壤中，容易被再度活化，不適用于污染嚴重區[25]。

④生物修復技術 主要集中在植物和微生物兩方面。國內對植物修復研究較多，動物修復也有涉及，而國外在微生物修復方面研究較多。植物修復技術是近年來比較受關注的有效修復技術，根據其作用過程和機理又分為植物提取、植物揮發和植物穩定3種類型[26]。a.植物提取，即利用重金屬超累積植物從土壤中吸收重金屬污染物，隨后收割植物地上部分并進行集中處理，連續種植該植物以降低或去除土壤中的重金屬；b.植物揮發，其機理是利用植物根系吸收重金屬，將其轉化為氣態物質揮發到大氣中，以降低土壤重金屬污染；c.植物穩定，利用耐重金屬植物或超累積植物降低重金屬的活性，其機理主要是通過金屬在根部的積累、沉淀或利用根表吸收來加強土壤中重金屬的固化。

微生物修復技術的主要作用原理有5種類型。

a.通過微生物的各種代謝活動產生多種低分子有機酸直接或間接溶解重金屬或重金屬礦物；b.通過微生物氧化還原作用改變變價金屬的存在狀態；c.通過微生物胞外絡合、胞外沉淀以及胞內積累實現對重金屬的固定作用；d.微生物細胞壁具有活性，可以將重金屬螯合在細胞表面；e.微生物可改變根系微環境，提高植物對重金屬的吸收、揮發或固定效率，輔助植物修復技術發揮作用。

但生物修復受氣候和環境的影響大，能找到的理想重金屬富集植物比較少，并且這類植物的生長量一般較小，修復周期長，很難有實際應用價值[27]。

⑤農業生態修復 包括農藝修復和生態修復兩方面。前者主要指改變耕作制度、調整作物品種，通過種植不進入食物鏈的植物等措施來減輕土壤重金屬污染；后者主要是通過調節土壤水分、養分、pH值和氧化還原狀況等理化性質及氣溫、濕度等生態因子，對重金屬所處的環境進行調控。但是此修復方式易受土壤性質、水分條件、施肥狀況、栽培方式以及耕作模式等情況的影響，結果有很大的不確定性[25]。

國內現階段對土壤重金屬污染治理采用較多的措施是施用化學改良劑、生物修復、增施有機肥等。國外對改良、治理重金屬污染土壤較先進的方法主要有固定法、提取法、生物降解法、電化法、固化法、熱解吸法等。盡管這些方法都具有一定的改良效果，但都有局限性。土壤重金屬污染的治理依然任重而道遠，如何阻止蔬菜、糧食作物吸收的重金屬通過食物鏈富集到人體成為亟待解決的焦點問題。

3 生物炭的特性及其修復重金屬污染土壤的研究進展

3.1 生物炭及其特性

①生物炭（Biochar）定義 生物炭是生物質熱解的產物。由于生物炭的廣泛性、可再生性和成本低廉，加上生物炭本身的優良特性，使其在土壤改良和污染修復上體現出很大的優勢。國內外對生物炭的科學研究真正始于20世紀90年代中期[3]，目前對生物炭并沒有一個統一固定的概念，但是國內外文獻中生物炭的定義中包括生物質、缺氧條件（或不完全燃燒）、熱解、含碳豐富、芳香化、穩定固態、多孔性等諸多關鍵詞[28～35]，這些關鍵詞反映了生物炭的來源、制備條件和方式、結構特征。而國際生物炭倡導組織在定義中指定了其添加到土壤中在農業和環境中產生的有益功能，強調其生物質原料來源和在農業科學、環境科學中的應用，主要包括應用于土壤肥力改良、大氣碳庫增匯減排以及受污染環境修復。

②生物炭特性 a.孔隙結構發達，具有較大的比表面積和較高的表面能[36]。不同材料、不同裂解方式產生的生物炭的比表面積差別很大[37～39]，較高的熱解溫度有利于生物炭微孔結構的形成。張偉

明[40]通過比較花生殼、水稻秸稈、玉米芯以及玉米秸稈4種材質在炭化前后的結構，發現炭化后所形成的碳架結構保留了原有主體結構，但比原有結構更為清晰、明顯。原有生物炭的部分不穩定、易揮發的結構在熱解過程中逐漸消失或形成微小孔隙結構。陳寶梁等[41]用橘子皮在不同熱解溫度下制備得到生物炭，經過元素分析、BET-N2表面積、傅里葉變換紅外光譜法測試，對比生物炭的組成、結構，并結合其結構分析生物炭對有機污染物的作用。

b.表面官能團主要包括羧基、羰基、內酯、酚羥基、吡喃酮、酸酐等，并具有大量的表面負電荷以及高電荷密度[42]，構成了生物炭良好的吸附特性，能夠吸附水、土壤中的金屬離子及極性或非極性有機化合物。但是生物炭的表面官能團也會隨熱解溫度的變化而不同。陳再明等[43]研究發現，水稻秸稈的升溫裂解過程是有機組分富碳、去極性官能團的過程，隨著裂解溫度的升高，一些含氧官能團逐漸消失，這與其他生物質制備炭的過程一致[41，44]。

c.pH值較高。生物炭中主要含有C（含量可達38%～76%）、H、O、N 等元素，同時含有一定的礦質元素[45]，如Na、K、Mg、Ca等以氧化物或碳酸鹽的形式存在于灰分中，溶于水后呈堿性，加上其表面的有機官能團可吸收土壤中的氫離子，添加到土壤中可提高土壤的pH值，Yuan等[46]研究證明，生物炭能夠顯著地提高酸性土壤的pH值，增加土壤肥力，因而可用于酸性土壤的改良。但一般來說，生物炭的pH值取決于其制備的原料[45]，如灰分含量較高的畜禽糞便制成的生物炭比木炭或秸稈炭有更高的pH值。此外，裂解溫度越高，pH值也會越高[47]。

d.陽離子交換量（CEC值）較高。這與其表面積和羧基官能團有關[48]，當然與其生物質原料來源密不可分[49]。生物炭的CEC值高，容易吸附大量可交換態陽離子，提高土壤對養分離子Ca2+、K+、Mg2+和NH4+等的吸附能力，從而提升土壤的肥力，減少養分的淋失，提高營養元素的利用率。

e.化學性質穩定，不易被微生物降解[50]，抗氧化能力強。生物炭具有高度的芳香化結構，有很高的生物化學和熱穩定性[51]，可長期保存于環境和古沉積物中而不易被礦化。生物炭氧化分解緩慢，如Shindo[52]研究發現，經過280 d培養，添加草地放火形成的生物炭的土壤與沒有添加生物炭的土壤排放的CO2量相近，說明生物炭分解非常少。

3.2 生物炭降低重金屬的有效作用機制

生物炭降低重金屬的生物有效性，主要是通過降低植物體內重金屬的含量、促進植物的生長來體現。研究顯示，將生物炭添加到受重金屬污染的土壤中后，生物炭不僅可以直接吸附或固持土壤中的重金屬離子，從而降低土壤溶液中重金屬離子濃度，還可以通過影響土壤的pH值、CEC值、持水性能等理化性質來降低重金屬的移動性和有效性，減少其向植物體內的遷移，降低其對植物的毒性，從而減少對動物及周圍環境造成的影響。

生物炭具有很大的比表面積、表面能和結合重金屬離子的強烈傾向，因此能夠較好地去除溶液和鈍化土壤中的重金屬。安增莉等[53]將生物炭對土壤中重金屬的固持機理主要分為3種，①添加生物炭后，土壤的pH值升高，土壤中重金屬離子形成金屬氫氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽沉淀，或者增加了土壤表面活性位點[54]；②金屬離子與碳表面電荷產生靜電作用；③金屬離子與生物炭表面官能團形成特定的金屬配合物，這種反應對與特定配位體有很強親和力的重金屬離子在土壤中的固持非常重要[55，56]。周建斌等[57]試驗表明，棉稈炭能夠通過吸附或共沉淀作用來降低土壤中Cd的生物有效性，使在受污染土壤上生長的小白菜可食部分和根部Cd的積累量分別降低49.43%～68.29%和64.14%～77.66%，提高了蔬菜品質。Cao等[55]發現生物炭對Pb的吸附是一個雙Langmuir-Langmuir模型，84%～87%是通過鉛沉淀，6%～13%是表面吸附，添加未處理的糞便和200℃熱解產生的生物炭處理中，鉛主要以β-Pb9（PO4）6形式沉淀，而在350℃熱解產生的生物炭處理中則是以Pb3（CO3）2（OH）2形式存在，其中200℃熱解產生的生物炭，吸附效果最好，達到680 mmol/kg，是遵循簡單Langmuir吸附模型的一般活性炭的6倍。Wang等[58]發現竹炭對水溶液中Cd2+的吸附行為最適合Langmuir吸附模型，最大吸附力是12.8 mg/g；而劉創等[59]發現竹炭對溶液中鎘離子的吸附行為符合Freundlich吸附模型；陳再明等[60]研究了在不同熱解溫度下制備的水稻秸稈生物炭對Pb2+的吸附行為，符合準一級動力學方程，其等溫吸附曲線適合Langmuir方程。吳成等[61]還發現，玉米秸稈生物炭對重金屬離子的吸附與水化熱差異有關，金屬離子水化熱越大，水合金屬離子越難脫水，越不易與生物炭表面活性位點反應。

重金屬進入土壤后，通過溶解、沉淀、凝聚、絡合、吸附等各種反應形成不同的化學形態，并表現出不同的活性[62]。但是土壤化學性質（pH值、EH值、CEC值、元素組成等）、物理性質（結構、質地、黏粒含量、有機質含量等）和生物過程（細菌、真菌）及其交互作用都會影響重金屬在土壤中的形態和有效性。已有眾多研究顯示，將生物炭施加到土壤中可改善土壤的理化性質，提高土壤孔隙度、表面積、土壤離子交換能力[42]、pH值[63]，降低土壤容重，增強土壤團聚性、保水性和保肥性[64，65]，為土壤微生物生長與繁殖提供良好的環境，并增強微生物的活性[66～68]，減少土壤養分的淋失，促進養分的循環，并且可以增加土壤有機碳的含量[69] 。這些性質的改良都有利于促進土壤中有害物質的降解和失活，使土壤中的重金屬離子形態發生變化。

3.3 影響生物炭降低重金屬污染有效性的因素

①生物炭的原料和制備溫度 生物炭來源是決定其組成及性質的基礎，Shinogi等[70]證明動物生物質來源的生物炭比植物生物質來源的生物炭C/N比更低，灰分含量、陽離子交換量和電導率更高。Uchimiya等[71]還發現山核桃殼制備的酸性活性炭和生活垃圾制備的堿性生物炭在酸性土壤中對Cu2+的吸附好于在堿性土壤中。但是，關于生物炭熱解溫度對其特性的影響還存在爭議，如Cao等[72]認為與由糞肥制造的生物炭隨溫度變化的特點相似，比表面積、含碳量以及pH值都隨著溫度的升高而升高，吸附的Pb2+隨溫度的升高可達到100%。而吳成等[73]卻發現Pb2+或Cd2+吸附初始濃度相同時，熱解溫度為150～300℃的生物炭中極性基團含量增加，生物炭吸附Pb2+和Cd2+的量增大；熱解溫度為300～500℃的生物炭中極性基團含量減少，生物炭吸附Pb2+和Cd2+的量降低。目前，普遍認為熱解溫度升高，生物炭比表面積、灰分含量增大[72]，而在CEC值方面還存在爭議。

②生物炭本身的pH值、CEC值、有機質含量以及表面官能團的性質 通常情況下，土壤pH值、CEC值、有機質含量越高，越不利于重金屬向有效態轉化。由于生物炭本身具有較高的pH值、CEC值和有機質含量，故將其施加于土壤中可以提高土壤的pH值、CEC值和有機質含量[74]。Wang等[58]的試驗證明，pH值高（≥8）有利于Cd2+的吸附和去除。祖艷群等[75]進行大田調查也發現，提高土壤pH值有助于降低蔬菜中鎘的含量，并認為對于土壤重金屬鎘污染嚴重的地區，通過提高土壤pH值降低蔬菜中鎘含量是可行的。王鶴[76]通過試驗證明了生物炭不僅可以通過簡單吸附來降低有效態鉛含量，還可以通過提高土壤pH值和有機質含量來促進有效態鉛向其他形態轉化，從而降低土壤中鉛的生物有效性。Uchimiya等[56]用不同溫度生產的生物炭對水中和土壤中的Cd2+、Cu2+、Ni2+和Pb2+進行了研究，發現高溫熱解能夠使生物炭表面的脂肪族等基團消失并形成吸附能力強的表面官能團，同時隨著生物炭的pH值升高，其對重金屬離子的吸附和固定加強，也說明了生物炭對重金屬的吸附與生物炭的表面官能團和pH值有關。官能團可能與親和特定配位體的重金屬離子結合形成金屬配合物，有些親水性含氧官能團還能使生物炭吸附更多的水分子，形成水分子簇，可有利于重金屬離子向生物炭微孔擴散，從而降低重金屬離子在土壤中的富集；而土壤pH值的升高，促使重金屬離子形成碳酸鹽或磷酸鹽等而沉淀，或者增加土壤表面的某些活性位點，從而增加對重金屬離子的吸持。

③重金屬的形態與性質 重金屬的形態是指重金屬的價態、化合態、結合態和結構態4個方面，即某一重金屬元素在環境中以某種離子或分子存在的實際形式。重金屬形態是決定其生物有效性的基礎。重金屬的總量并不能真實評價其環境行為和生態效應，其在土壤中的形態、含量及其比例才是決定其對環境造成影響的關鍵因素。對于重金屬形態，目前比較常用的是歐洲共同體參考局（European Community Bureau of Reference，BCR）提出的標準，分為酸溶態（如可交換態和碳酸鹽結合態）、可還原態（如鐵錳氧化物結合態）、可氧化態（如有機物和硫化物結合態）和殘渣態4種，所用提取方法稱為BCR提取法。研究表明，酸溶態是植物最容易吸收的形態，可還原態是植物較易利用的形態，可氧化態是植物較難利用的形態，殘渣態是植物幾乎不能利用的形態。前兩者即為重金屬有效態，生物有效性高；后兩者為重金屬穩定態，遷移性和生物有效性低[77，78]。關于生物炭對重金屬生物有效性的影響，已有研究結果[79～82]認為，生物炭的施入對土壤中重金屬離子的形態和遷移行為有明顯作用，即生物有效性高的水溶態、交換態、碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態重金屬的濃度都顯著下降，而植物較難利用的有機結合態、殘渣態重金屬的濃度顯著上升，從而降低植株體內的重金屬含量。

④土壤類型 在生物炭―土壤―植物系統中，土壤的砂、黏、壤質類型不同，理化性質差異很大，對重金屬有效性和生物炭的作用發揮會產生不同影響。例如，Uchimiya等[71，83]研究生物炭修復土壤中Cu2+的吸附等溫線及陽離子的釋放時發現，在黏土和堿性土壤中，生物炭對Cu2+有顯著的吸附能力，在侵蝕土壤、酸性肥沃土壤中，生物炭對Cu2+的吸附能力很弱。Beesley等[84，85]在被As、Cd、Cu、Zn等污染的棕色土地區和含As、Cd、Cu、Pb和Zn較高的城市土中，添加450℃熱解硬木材產生的生物炭（生物炭體積比30%），發現在柱淋溶試驗中，Cd和Zn的量分別減少300倍和45倍。佟雪嬌等[86]用添加4種農作物秸稈制備的生物炭提高了紅壤對Cu2+的吸附量，有效降低了Cu2+在酸性紅壤中的活動性和生物有效性。黃超等[87]研究發現，施加生物炭到貧瘠的紅壤中能明顯降低土壤酸度，增加鹽基飽和度，提高土壤團聚體數量和田間持水量，降低土壤容重，明顯提高紅壤的速效氮、磷、鉀含量，增加土壤保肥能力，改善植物生長環境，并發現施用生物炭對肥力水平較低的紅壤改善作用更明顯。

4 生物炭對蔬菜產量的影響

國內已有學者系統綜述過施用生物炭對土壤的改良作用、作物效益[88]以及肥效作用[49]的研究進展。施用生物炭可改善土壤肥力和養分利用率，維持農田系統的高產、穩產。許多研究表明，生物炭對許多作物生長和產量有促進作用，其中，對增產效應方面主要研究的蔬菜有菜豆[89]、豇豆[90，91]、蘿卜[92，93]、菠菜[94]、白蘿卜[95]等。關于施用生物炭使作物增產的原因包括提高了土壤pH值，增加了有效磷、鉀、鎂和鈣含量，降低了重金屬元素的有效性；為養分的吸附和微生物群落的生存提供了較大空間；可以作為濾膜，吸附帶正電或負電的礦物離子；增加了土壤孔隙度和土壤持水性，改善了土壤物理性狀，促進植物和根系的生長；增加了土壤電導率、鹽基飽和度及可交換態養分離子等；促進了原生菌、真菌等的活性，從而促進了作物生長[96]。單施生物炭就能夠促進作物生長或增產，將生物炭與肥料混施，或復合后對作物生長及產量促進作用更顯著，因為將生物炭和肥料混施或復合施用，可以發揮兩者的互補或協同作用，生物炭可延長肥料養分的釋放期，減少養分損失[34]，反之肥料消除了生物炭養分不足的缺陷[97]。也有眾多學者研究過生物炭對糧食作物的增產作用，如Major[98]施加生物炭于哥倫比亞草原氧化土中，通過4 a的種植，發現玉米第2，3，4年分別增產28%、30%、140%。但是，還缺乏在不同土壤類型上種植不同作物的大田試驗來進一步驗證這些增產效果。

然而在需要人為添加營養的無土栽培中，情況有所不同。Graber等[99]添加不含營養成分的木質生物炭到椰纖維+凝灰巖的無土基質中，種植的番茄和辣椒生長量增加既不是因為直接或間接的植物營養成分含量的提高，也不是因為無土基質持水性增強，推測和驗證了2個可能機制，一是生物炭可引起微生物群體向有益植物生長的方向轉變；二是生物炭中的化合物引起毒物興奮效應，因而具有生物毒性的化學物質或者高濃度生物炭就會刺激生長并引起系統抗病性。Nichols等[100]證明了生物炭比其他水培基質性能更優越，并且能夠通過再次熱解進行殺菌，從而破壞潛在的致病菌。Elad等[101]也驗證了添加生物炭可以促使辣椒和番茄對灰霉病菌和白粉病菌產生系統抗性，并使辣椒具有抗螨性?？梢娚锾坎粌H可以通過影響土壤pH值、CEC值、鹽基飽和度、電導率、交換態氮和磷有效性，提高鉀、鈣、鈉、鎂等營養物質的利用率，從而提高作物產量[102]，而且可以運用到無土栽培中殺菌抗病，促進植物生長。目前市場上交易的生物炭多用于改良栽培基質和促進糧食作物增產，將其應用于蔬菜安全生產必然有廣泛的應用前景。

5 展望

種種研究表明，生物炭對重金屬污染土壤和水體的治理效果明顯，促進作物生長的潛力巨大，張偉明[40]系統研究了生物炭的理化性質（結構與形態、比表面積與孔徑特征、因素組成以及吸附性能等）及其對不同作物生長發育的作用、對土壤理化性質的影響以及炭肥互作對大豆生長發育和產量與品質的影響，初步探討了生物炭對重金屬污染農田修復的作用，再一次有力地證明了生物炭優良的理化性質對土壤系統的改良作用、對促進作物產量與品質的有利影響以及修復重金屬污染土壤的巨大潛力，并指出中國的生物炭應用技術已具備了一定基礎，且處于快速發展時期。但是將生物炭廣泛應用于蔬菜生產安全上，仍有幾個關鍵點需要解決。

①雖然已有研究認為生物炭能產生良好的農用和環境效益，但是對于生物炭的最優施用條件、最佳施用量及相關機理還沒有明確定論。比如，有些試驗在較低用量下即產生影響，有些則顯示高用量下才有效果，甚至還有些產生不良影響[87]，不同作物、不同地域、不同基質和不同管理條件等可能表現出不一樣的結果；生物炭對重金屬等污染物的作用是絡合、螯合、吸附、截留或沉淀等都尚不明確。

②生物炭對施入環境的有益作用已受到人們的廣泛關注，但是其對生態環境可能產生的負面效應還不十分明確，如生物炭在熱解過程中可能產生少量有毒物質，生產的高溫分解過程也會增加溫室氣體的排放等[103]。

③由于生物炭是直接施加到土壤和溶液中的，吸附或固持了污染物之后依然留在其中，不清楚污染物以后是否會被重新釋放出來而恢復生物毒性。成杰民[104]認為，除了研究吸附劑的氧化穩定性、吸附穩定性和釋放規律外，最安全的方法就是將吸附后的鈍化劑從土壤中徹底移除，但目前還沒有相應的措施。

④生物炭的老化或氧化分解問題。Uchimiya

等[105]認為，生物炭的老化主要表現在對環境污染物尤其是對天然有機物吸附的減少，及其自身的氧化分解作用。但由于生物炭穩定性高，氧化分解的速度緩慢（分解機理尚不明確，生物降解和非生物降解過程可能共存），在有限的試驗周期內還無法觀察到其氧化后的結果，對生物炭施用后的長期效應方面的研究亟待開展。

⑤目前國內關于生物炭方面的研究，還停留在實驗室和田間階段[103]，并沒有得到大規模的生產和應用，推廣和使用所需要的技術支持也還處于起步階段。降低生物炭的生產成本，也將關系到生物炭未來發展的應用潛力。

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