生物炭

化学前沿论文
论文题目：生物炭的应用（综述）
课程名称：化学前沿
学院：化学与化工学院
学生姓名：**
学号：**********
指导老师：**
2015年7 月28 日
生物炭的应用（综述）
摘要
近年来，随着南美亚马逊流域考古发现黑土（black earths）及对其进行深入的研究，了解到生物炭不仅能改变土壤的pH、改变土壤的有机质及土壤的水分，还能改变不同农作物的形态特征，并且能提高全球粮食安全保障，它更能减缓全球气候变化。

本文将从生物炭的元素组成及其物理化学性质；生物炭的制备和对土壤理化性质的影响生，物炭对作物物态特征和养分吸收的影响等方面进行综述，以便人们对生物炭有更进一步的了解和重视，从而减少因对生物炭的生产及农用重视程度不够而造成资源的大量浪费。

并且用废弃生物质生产生物炭，实现可持续发展道路。

关键词：生物炭、物化特征、影响、展望。

Application of biological carbon (review)
Abstract
In recent years, with the South American Amazon River Basin earths black (black earths) and its in-depth study,To understand the biological carbon can not only change the soil pH, soil organic matter and soil moisture, it can also change the morphological characteristics of different crops, and can improve global food security, it can mitigate global climate change. The from the biological carbon elemental composition and physical and chemical properties; biological activated carbon prepared and on soil physical and chemical properties of effects, carbon on state characteristics of crops and nutrient absorption effect were reviewed, so that people of biochar has further understanding and recognition, thereby reducing the result of biochar production and agricultural utilization degree of attention is not enough to cause resources wasting. And the use of waste biomass production of biological carbon, to achieve sustainable development path.
Key words: biological carbon, physical and chemical characteristics, influence and Prospect.
引言
自从进入21 世纪以来，人们逐渐遭到“环境、能源危机、粮食”等各种因素的影响，并且情况越来越变得严重，因此，不同国家的政府、专家、学者等都在探索着各种能够解决这些危机的办法，但效果却不是很明显。

正在这个时候，生物炭以它特有的物化性质、并且具有丰富的资源来源和无限的应用前景而逐渐被人们所认识，并且以“黑色黄金”的美誉著称，它因此也成为了各研究领域的热点之一。

在农业环境领域方面，生物炭能对土壤与水体重金属污染、土壤环境的PH值、农药及化学品残留物等农业有机污染以及农田中温室气体的排放等不良环境都有着积极改良、修复或缓解的作用。

在农作物的生产领域方面，科学家们则从各种不同方面进行了有利的探究，并且表明生物炭所具有的特殊结构和物化性质对于土壤结构及其理化性质的改良以及促进微生物的生长和繁衍、并且在提高农作物产量和质量等方面都有着很重要的作用。

中国不仅是一个人口大国，更是一个农业大国。

农业资源严重不足，过度开发已导致生态失衡，环境污染恶化已成为了不争的事实。

因此，在农业生产中，必须要很清楚地认识到农业生态环境良性循环的重要性。

必须明白“土壤-作物-环境”是相互依存，不可分割的整体。

另外，任何资源和环境的提前“支出和消费”，都是对子孙后代的不负责任！所以，确保农业环境安全，对于实现农业可持续发展非常重要。

生物炭技术接合了“低碳、环保、可持续”等现代农业发展理念，在治理土壤污染、保护农业环境、维持生态系统平衡、促进农业环境良性循环和可持续发展等诸多方面，都将具有重要的作用和意义[1]。

1.生物炭概述
1.1生物炭的起源
生物炭的研究起源于人们对南美亚马逊流域一种叫―印第安黑土（Terra preta）土壤的发现和关注。

黑土是古人类通过刀耕火种的生活从而形成的一种独特的肥沃土壤，并且黑土到现在依旧是全世界最为肥沃的土壤之一。

通过人们不断的研究发现，这种黑土中含有着大量木炭，其木炭含量比与之相邻的非黑土土壤要多得多，由于印第安黑土中的木炭主要来源于自然火灾或人们炊事活动燃烧木柴的剩余物，因此这些土壤中传统意义上的黑炭（black carbon）则被认为是生物炭的最初形式[2]。

1.2生物炭的定义
生物炭(biochar)又被称为生物质炭,它在不同的研究阶段则有着不同的名称,其中包括稻壳炭、木炭、竹炭和棺行炭之类。

由于生物炭并没有固定的定义，因此从狭义上讲，它一般指的是生物质原料(比如木屑、农作物秸杆、动物的尸体和粪便、淤泥、树叶等等)在完全缺氧或部分缺氧的环境下,并且在一定温度条件（通常温度控制在700 °C以下为宜）通过热解产生的一种含炭元素的固态物质,。

而从广义上讲,生物炭则是一种黑炭,它与其他种类黑炭一样，就目前来说，学术界对此还没有形成公认的区分标准[3]。

2.生物炭的物理和化学性质
2.1生物炭的元素组成
生物炭中不仅碳含量很高，其氮、磷、钙、钾和镁的含量也比较丰富，并且这些养分元素也是供给植物生长所需的营养元素。

生物炭随着它的裂解温度的升高其各元素含量变化不一。

例如，生物炭中的氮和碳的含量因燃烧挥发而随裂解温度的升高而变得越来越少，但是钙、钾、镁、磷的含量却随着裂解温度的升高而变得越来越多。

2.2生物炭的比表面积及孔结构特征
生物炭比表面积的大小不仅受到原料种类影响，还受到其裂解温度的影响。

一般而言，生物炭的比表面积随着裂解温度升高而逐渐增大。

并且研究者还发现当生物炭的热解温度从150℃升高到500℃时，其比表面积则从12 m2·g-1增加到307 m2·g-1。

生物炭的孔隙的大小决定了生物炭表面积的大小。

按照生物炭孔径的大小可将其孔隙分为大孔隙(> 50 nm)、小孔隙(< 2 nm)和微孔隙(< 0.9 nm)三种类型。

大孔隙不仅对土壤的通气
性和保水能力都有着很大的影响，而且也能够为微生物提供重要栖息地和繁殖的场所；小孔隙则对生物炭转移和吸附固定分子都有重要的作用。

由于生物炭的多孔特性，因此施用生物炭后不仅能改善土壤通气状况，降低厌氧程度，从而抑制反硝化作用，影响土壤中的氮循环[4]。

而且对于有效磷含量很低的土壤，生物炭能够结合土壤中的Al3 +和Fe3 +，促使磷由闭蓄态转化为有效态[5]。

2.3生物炭的碱性
由于生物炭中有一定含量的碱性物质，因此一般为碱性。

其原因是因为植物通过吸收养分从而使体内含有一定量的镁、钙和钾等金属阳离子，而为保持植物体内电荷平衡，因此植物在生长发育过程中其体内会积累一定量的碱基，由于这些碱基通过高温热解后将会被浓缩，因而生物炭的碱性会随着裂解温度升高而逐渐变大[6]。

2.4生物炭的稳定性生物炭的稳定性受裂解温度、原料组成以及裂解持续时间等各种不同因素的影响，然而生物炭裂解温度和原料这两个因素对生物炭环境行为与效应的影响则是最为重要的。

Bruun等人对不同热解条件下小麦秸秆制备的生物炭进行培养实验，研究表明，随着热解温度升高生物炭中纤维素和半纤维素的含量渐渐变小，秸秆炭的矿化速率减小，并且两者之间形成线性正相关。

除此之外，Wu则使用水稻秸秆为生物炭原料，对不同炭化停留时间以及炭化温度对生物炭元素组成以及结构特征的影响都进行深入的分析，最后分析结果表明，炭化温度对水稻秸秆生物炭性质的影响比炭化时间对其影响要大；并且随温度的升高，生物炭的芳香化程度越来越大，稳定性越强[7]。

除此之外，Zimmerman还研究表明环境中生物炭的半衰期为622~4×10７a[8]。

3.生物炭的制备
以玉米秸秆作为原料，用蒸馏水将其清净后，在65℃温度条件下烘干。

再用粉碎机将秸秆粉碎后并放入不锈钢盒子中，在不同温度下(如300、400、500℃)的马弗炉中高温裂解1.5个小时，裂解后的样品通过20目筛，并装入棕色瓶中加以保存，并将制得的样品分别标记为M300、M400、M500。

然后通过对比在不同裂解温度条件下生物炭的形貌特征、孔结构特征和比表面积和理化性质进行分析，最后挑选出适用的生物炭。

并用1 mol.L-1盐酸洗除生物炭(M300、M400、M500)中的灰分，然后过滤，再用蒸馏水清洗干净，在70℃温度条件下烘干，为制得样品分别标记为H300、H400、H500[8]。

4.生物炭对土壤性质的影响
4.1生物炭对土壤理化性质的影响
4.1.1土壤 pH
土壤酸碱度的大小严重影响土壤肥力和植物生长，它是反映土壤特性的重要指标之一。

由于生物炭的灰分中富含盐基离子如钠、钾、镁以及钙等等，若将其作为土壤改良剂并且施用到土壤中后，则能够降低土壤氢离子及交换性铝离子水平，从而显著增加土壤的pH值。

由于高温热裂解的生物炭中具有较多的灰分，其酸性挥发物更少，pH值更高，所以在酸化土壤的改良中，高温生产的生物炭比低温生产的生物炭具有更好的效果。

4.1.2土壤有机碳
土壤有机碳由不同稳定性成分组成，可划分为活性和惰性有机碳库添加生物质炭既可影响到土壤惰性有机碳碳库，也可影响到活性有机碳碳库。

添加生物质炭可以显著增加土壤有机碳的半衰期[9]。

4.1.3土壤水分
有机质含量、质地以及结构对土壤保水能力有着很大的影响。

将生物炭使用到土壤中后能够改变土壤团聚程度以及孔隙度，从而改变土壤的保水能力，土壤比表面积的相对变化的大小决定了土壤保水能力的强弱[10]。

5.生物炭对农作物的作用
5.1生物炭对水稻根系形态特征的影响
实验研究表明，在水稻生长前期, 使用生物炭能够使根系下扎深度得到提高, 并能够促进根系纵向生长。

但随着生长期的改变, 生物炭则对根系的生长并无明显变化[11]。

5.2生物炭对玉米苗期株高的影响
张晗芝等人以玉米作为培养物来研究生物炭对苗期株高的影响。

在9月3日播种，9月7日出芽。

实验结果如下图1所示：9月16日，2.4、12、48 t·hm-2的施用生物炭的玉米株高比没有生物炭的低9.84%、2.85%、30.72%。

而且48 t·hm-2处理玉米株高明显低于0、2.4 和12 t·hm-2的株高：9月21日，2.4、12、48 t·hm-2的生物炭处理的株高比没有生物炭处理的要少8.56%、3.53%、24.43%。

48 t·hm-2处理和0、12 t·hm-2的处理有着明显的不同，但和 2.4 t·hm-2没有明显差异；9月26日和10月1日，2.4、12、48 t·hm-2的生物炭处理的株高比没有生物炭处理的分别要小10.67%和7.12%、6.20%
和4.97%、20.73%和14.63%。

在这2个时间点，48 t·hm-2的处理与0 t·hm-2的处理有着明显的变化，但和2.4、12 t·hm-2的处理则没有较大变化；在10月6日—11月1日这段时期，0、2.4、12、48 t·hm-2处理则无明显变化。

在整个实验期间，2.4、12、0 t·hm-2的处理间无明显变化[12]。

6、生物炭的展望
生物炭是一种具有多功能性的新型材料，它不仅可以作为能源，还可以用作还原物，也可以用作肥料缓释载体、二氧化碳封存剂和土壤改良剂而被用以农用。

生物炭用以农用，不仅能使土壤变得肥沃，而且还能够增强土壤环境的自我降解功能，并且使农作物的产量得到提高，生物炭的使用还能够提高肥料的利用效率。

此外，生物炭还有固碳作用，能够降低大气中的CO2浓度，它的这一特点将对全球气候变暖问题有着极大的减缓效果。

生物炭用以农用将会有着不可代替经济和社会效益[13]。

另外，由于我国不仅是一个人口大国，更是一个农业大国，所以，我国生物炭技术应该建立在以废弃资源循环利用的基础之上，以避免环境污染为基础，保障粮食安全为前提，从根本上解决资源的浪费问题，利用生物炭还田技术实现碳汇减排。

李飞跃等人研究发现，中国粮食作物秸秆如果焚烧处理，总碳排放量可以达到 4.77×107t/a，将这些秸秆全部转化为生物炭炭后可固碳0.96×108t/a。

[14]。

近年来，全世界有关生物炭方面的研究发展迅猛，并且生物炭对环境方面的作用也取得一些效果，然而，不管从微观角度还是从宏观层面来看，仍然存在许多问题需要我们去思考和解决。

对于宏观层面来说，在某些生物炭的研究关键问题上还有着一定争议。

例如，在温室气体排放方面，生物炭对全球气候变暖问题有着
极大的减缓效果还需要更多的实验研究来进行验证，除此之外，由于生态环境系统中的碳库形成具有“长期、平衡、稳定”的显著特点，而生物炭的高碳量、持续人为输入是否会打破生态的平衡从而影响整个生态系统，这个问题也需要我们去认真思考。

从微观角度而言，则有更多的问题需要我们去探索。

比如，生物炭能够吸附各种有机污染物及其重金属、那么它的吸附机制是什么，吸附点在什么位置，它的吸附是否具有稳定性，并且被吸附的有毒、有害物质随着时间的推移是否被固化而不会成为再次污染“源”等等。

虽然生物炭的长期普及化使用效果还需要不断的进行研究，其生态风险也需要进行长期、系统、全面的考证，但不管怎样，生物炭本身所拥有的特点已在农业及环境污染治理等方面都发挥着重大的作用。

科学合理的使用生物炭技术，是发挥生物炭巨大潜能和应用价值的客观要求[1]。

生物炭添加量、修复体系的覆土方式和覆土量、植被长期生长状况及自然条件下雨水淋溶过程对修复效果的影响等,都需要进一步研究[15]。

参考文献：
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8。