摘要：土壤作為大氣和水體污染的最終受體，在我國工礦業(yè)不斷發(fā)展及廢棄物排放量持續(xù)增加的背景下，農田土壤質量呈現逐步減退態(tài)勢，土壤污染問題日趨嚴峻。當前，我國農田土壤重金屬污染現象較為普遍，給生態(tài)環(huán)境和人體健康帶來了嚴重危害。農林廢棄物生物質作為一種經濟實惠且可持續(xù)的資源，將其轉換為生物炭成為一種新型功能材料而備受矚目。生物炭具備豐富的微孔結構、較大的比表面積和強大的吸附能力等獨特的理化性質，已在土壤改良、土壤修復、土壤固碳和緩解氣候變化等領域取得廣泛應用。著重探討了以農林廢棄物為基體的生物炭生產方法（包括慢速熱解、快速熱解、氣化、烘焙）、制備條件（如炭化溫度、時間、方法、原材料等）對生物炭理化性質（如比表面積、孔隙結構、陽離子交換量、產量等）的影響，并闡述了農林廢棄物生物炭在土壤修復、土壤改良和固碳等實際應用中的效果，最后對農林業(yè)生物炭的應用優(yōu)勢與潛在風險進行分析總結。

關鍵詞：生物炭；重金屬；農林廢棄物；土壤污染；理化性質

中圖分類號：X53；X71；X72""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）01-0001-08

土壤是人類生存的物質基礎，是承載整個生物循環(huán)的重要基石。但近幾十年來，采礦業(yè)、冶煉工業(yè)的無序發(fā)展、農用化學品的過度使用等人類活動導致土壤重金屬污染問題日趨嚴重，成為威脅生態(tài)環(huán)境、食品安全和公眾健康的嚴重問題之一^［1］。根據2014年國土資源部和環(huán)境保護部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公報》，82.8%的污染土壤受到重金屬元素（砷、鎘、銅、鉛、汞等）污染^［2］。因此，研究人員立足農產品種植安全，針對重金屬污染耕地開展了大量農產品安全生產和重金屬污染防控技術等方面的研究和應用推廣示范。目前，我國常用農田安全利用修復技術主要有土壤鈍化穩(wěn)定化技術、土壤調酸技術、水肥管理技術、低積累農作物品種等^［3］。其中，土壤鈍化穩(wěn)定化技術因其對土壤重金屬活性高效的鈍化效果已成為重金屬污染土壤修復的重要技術之一。土壤鈍化穩(wěn)定化技術是通過土壤鈍化產品吸附、絡合、螯合和沉淀等作用，改變土壤重金屬賦存形態(tài)從而降低土壤重金屬生物可利用態(tài)的含量，保障農產品的安全^［4-6］。可供選擇的鈍化劑修復材料種類繁多，有黏土礦物類（海泡石、沸石）、含磷酸鹽類（石灰、磷礦粉）等無機鈍化劑，或畜禽糞便、堆肥、農林業(yè)廢棄物等有機鈍化劑^［7-10］。鈍化效果與土壤中重金屬種類、污染程度以及所選擇的鈍化劑種類密切相關^［11］。

在全球范圍內，農林業(yè)每年產生大量秸稈廢棄物，這些廢棄物富含豐富的氮、磷、鉀和微量元素，可作為重要的可再生資源。在“低碳、減排、可持續(xù)”等綠色發(fā)展理念和土壤污染生態(tài)改良修復的環(huán)境要求下，越來越多學者利用農林廢棄物在限氧條件下熱解，使纖維素、半纖維素和木質素中的含碳物質逐步脫氨脫氧從而產生的一類具有表面官能團豐富、孔隙結構發(fā)達、比表面積大且吸附能力強的優(yōu)異材料^［12］。農林廢棄物制備的生物炭具有疏松多孔的結構，含有羧基、羥基等活性基團，使其能夠改變土壤性質，如pH值、陽離子交換容量（CEC）和土壤含水量等。此外，生物炭還能影響土壤微生物群落結構、功能，以及吸附和鈍化土壤活性重金屬的強大潛力^［13］。因此，通過利用農林業(yè)廢棄物制備生物炭，不僅有助于實現資源的可持續(xù)利用，而且對改善土壤質量和生態(tài)環(huán)境具有積極意義。本文針對不同農林廢棄物生物質類型轉化為生物炭的潛在來源，分析不同生產方式和制備條件對生物炭理化性質的影響，并闡述了農林廢棄物生物炭在土壤修復、土壤改良、土壤固碳和緩解氣候變化方面的實際應用研究，最后對農林生物炭的應用優(yōu)勢與潛在風險進行分析總結。

1"生物炭原料（農林廢棄物生物質）

農林廢棄物是指在農業(yè)和林業(yè)生產過程中產生的不再具有原使用價值的廢棄物，包括農作物殘余部分、畜禽糞便及林地枝葉和樹皮等?；趦r格低廉、環(huán)境友好作為生物炭原料被廣泛使用。全球三大谷物小麥、水稻和玉米，因其產生大量農業(yè)廢棄物，包括小麥殼、稻殼和秸稈等。這些農業(yè)廢棄物成為制備相應生物炭的主要原料^［14］。孟維山等將玉米秸稈在450～550 ℃熱解3 h制備獲得的生物炭產率為35%^［15］。Cui等在450 ℃熱解下制成小麥秸稈生物炭降低了環(huán)境中鎘的生物利用度^［16］。秸稈約有40%含碳量，因此被視為制備生物炭的理想原料^［17］。另一方面，林業(yè)廢棄物也是生物炭制備的關鍵原料。我國森林資源豐富，林業(yè)廢棄物資源化利用潛力巨大。Chen等的研究表明，利用竹子廢棄物制備生物炭具有優(yōu)異的性能^［18］。竹炭具備較高的熱值、孔隙結構和抗壓強度，具有廣泛的應用前景。作為一種環(huán)保型炭材，可替代煤炭、木炭等傳統(tǒng)炭材，降低碳排放，從而減緩全球氣候變化的進程。農林業(yè)廢棄物作為一種天然材料，具有很少的環(huán)境負面效應，因此將其作為制備生物炭的理想原料具有重要的意義，對生態(tài)可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護、資源利用等方面產生積極影響。制備農林廢棄物生物炭的原料和方法見表1。

2"生物炭生產技術

生物炭的生產方式主要為熱化學方法，如慢速熱解、快速熱解、氣化和烘焙等。不同的制備方法、炭化溫度、炭化時間和原材料種類均會對其比表面積、孔隙結構、陽離子交換量、產量等理化性質產生一定影響^［25］。

2.1"慢速熱解

慢速熱解是生物質在緩慢加熱速率（300～500 ℃）和較長停留時間（超過1 h）下進行的熱解過程，該溫度范圍被認為是生物炭形成的“最佳區(qū)域”^［26］。生物炭的質量和產量取決于其含碳量、比表面積、pH值和孔隙率。另外，基于熱解參數（溫度、時間、加熱速率）可以獲得更高含碳量的生物炭。含碳量作為生物炭質量的關鍵指標，指的是生物炭中固定碳的百分比或質量比例。高含碳量意味著生物炭具備更高的熱值和更好的燃燒特性，可用作土壤改良劑，改善土壤質量^［27］。如在溫度（400 ℃）和加熱速率（10 ℃/min）條件下，通過慢速熱解制備的香蕉假莖生物炭具有較高的含碳量、熱值和比表面積，含碳量可達到43.23%，從而表明生物炭的質量就越高^［28］。Mahdi等從在不同溫度（350～550 ℃）和加熱時間（1～3 h）下熱解得到的棗核生物炭中發(fā)現，生物炭的含碳量、灰分含量和pH值隨熱解溫度及加熱時間的增加而增加^［29］。在200～800 ℃溫度范圍內，生成的棉籽殼生物炭對酸性污染土壤（Pb、Cd、Cu、Ni）中的重金屬具有顯著的固定效果^［21］。在慢速熱解過程中，較高的熱解溫度能促使生物炭中的揮發(fā)性物質大量釋放，對于優(yōu)化生物炭質量具有重要作用，從而提升其含碳量。由此看出，含碳量與生物炭之間的關系更為密切。

除上述熱解參數外，生物質熱解的其他操作參數，包括生物質原料、顆粒大小及熱解氣氛，對生物炭質量和產量也有一定關聯(lián)。Tan等在有限氧氣裂解條件（CO2和N2）及不同熱解溫度（300、400、600、800 ℃）下，發(fā)現相較于傳統(tǒng)惰性氣氛（N2）和相同熱解溫度下制備的稻草生物炭，其形態(tài)結構、比表面積和孔徑方面表現更為優(yōu)異^［30］。此外，生物質原料是影響生物炭產量的另一重要因素。在熱解溫度500 ℃、停留時間60 min及加熱速率10 ℃/min條件下制備的樟子松生物炭產量約為30%^［31］。Colantoni等在熱解溫度400 ℃、停留時間60 min下，向日葵殼生物炭的產率約為40%^［32］。提摩西草在熱解溫度450 ℃下的產量約為43%^［33］。因此，生物質原料在慢速熱解過程中作為關鍵因素之一，對生物炭產量產生顯著影響。

2.2"快速熱解

快速熱解是在升溫速率gt;1 000 ℃/min、蒸汽停留時間0.5～2.0 s和熱解溫度400～600 ℃下進行的生物質熱解過程。在這個過程中，生物質中的可揮發(fā)性物質迅速加熱分解，產生氣體和液體產物，如生物油和合成氣，而生物炭作為該過程的副產物生成。鑒于生物質在該過程中停留時間較短，熱解蒸汽在高溫區(qū)的接觸時間減少，進而降低了積碳量。如在熱解溫度500 ℃下，當顆粒停留時間從0.45 s增至1.40 s時，木材生物炭的產率從77%降至75%^［34］。Chen等通過試驗觀察到，當熱解溫度400 ℃下，加熱速率從10 ℃/min提高到50 ℃/min，楊木生物炭的產率從34.83%降低到31.95%（重量百分比）^［35］。雖然較高的熱解溫度和較短的停留時間導致了生物炭產率下降，但生物炭中的含碳量有所增加^［36］。隨著熱解溫度從550 ℃升高至750 ℃，松木屑熱解生物炭的含碳量從70.68%增加到78.75%^［37］。

在快速熱解過程中，熱解溫度和加熱速率對生物炭的含碳量及比表面積存在一定影響。Chen 等隨著熱解溫度從400 ℃升高至600 ℃，楊木生物炭的含碳量從82.16%～82.35%增加到 88.56%～88.89%（重量百分比）^［35］。當熱解溫度從200 ℃升高至700 ℃時，油菜稈生物炭的比表面積從 1 m²/g 增加到45 m²/g^［38］。然而，Hassan等發(fā)現，通過高溫熱解會降低生物炭的比表面積和孔隙度，這可能是由于在高溫條件下，生物炭的多孔結構受到破壞或堵塞，生物炭表面快速解聚，從而導致比表面積減小^［39］。研究結果表明，在高升溫速率下制備的生物炭具有更高的碳含量和比表面積，這是因為隨著熱解溫度的升高導致了生物炭中顆粒融化程度的差異，從而提高了生物炭的多孔特性，增加表面粗糙度、孔隙度以及比表面積。

2.3"氣化

氣化是利用氧氣、空氣、蒸汽等氣化劑，在高溫條件（700～1 000 ℃）下將碳質材料分解為氣態(tài)產品，生物炭則是該過程中產量較少的副產品。在氣化過程中，生物炭的質量和含碳量是相互關聯(lián)的，而這些特性主要受到氣化參數的影響，如當量比（ER）、氣化溫度和升溫速率等^［40］。在生物質加熱過程中，其內部的揮發(fā)分逐漸釋放，從而形成剩余炭和灰渣，生物炭的產率相對較低。如付兵等通過氣化工藝制備的煙梗生物炭，揮發(fā)分的含量超過了60%，然而固定碳的含量僅約20%^［41］。Hu等的研究表明，隨升溫速率從2 g/min 提高至25 g/min，生物炭產率從26.09%下降到23.54%（重量百分比），這是由于在較高加熱速率下促進了揮發(fā)物的快速釋放^［42］。ER值被視為是影響氣化過程重要的參數。一般來說，ER的增加會導致氣化溫度的升高，從而影響生物炭的質量。Yao等報道，隨著ER值從0.1增加至0.6，生物炭的含碳量從88.17%降至71.16%^［43］。Muvhiiwa等也證實了當氧氣流速從0.15 kg/h增加至0.6 kg/h時，生物炭的含碳量在700 ℃時從89%降至80%，在900 ℃時從93%降至86%^［44］。由此看出，在氣化過程中，ER值與生物炭的產量和含碳量呈負相關。

2.4"烘焙

烘焙是生物質在無氧或缺氧條件下，在加熱溫度200～300 ℃、升溫速率lt;50 ℃/min和停留時間20～120 min下使用各種分解過程去除生物質中水分、O2和CO2的一種有效的熱化學處理方法^［45］。當揮發(fā)性成分從生物質中排出，有助于固體產物（生物炭）的合成。生物質主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，因此，研究人員針對這3個主要組分的烘焙進行了研究，以探影響烘焙生物炭產率的關鍵因素。如Wang等在玉米秸稈經烘焙技術轉化為生物炭的過程中，隨著溫度的升高和停留時間的延長，半纖維素和纖維素的含量呈現下降趨勢^［46］。Chen等的試驗結果證實，在三大組分中，半纖維素烘焙所得的生物炭產率最低^［47］。

烘焙溫度和停留時間對于生物炭質量影響更為顯著^［48］。如林業(yè)廢棄物在280 ℃下停留30 min，相較于在260 ℃或更低溫度停留120 min下，能夠獲得含碳量更高的生物炭^［49］。Simonic等在烘焙溫度220～400 ℃范圍下持續(xù)加溫，經30 min的預熱后，將混合廢木材置于恒定溫度下烘烤2 h，隨著溫度的升高，廢木材中的含碳量相應增加，由于烘焙過程導致碳的富集，氫含量因而降低^［50］。Kai等研究表明，在溫度200、225、250、275、300 ℃和持續(xù)時間10、30、50、70 min的條件下，稻草秸稈經過處理后，生物炭的固體收率從94.35%下降至70.49%，同時，含碳量逐步增加，氫氧含量相應減少，特別是在溫度超過250 ℃時，溫度對固體產率的影響更為顯著^［51］。由此可見，隨著烘焙溫度的升高，烘焙過程使得生物炭產品具有較高的含碳量，而氫含量相對較低。這一現象的原因在于，烘焙工藝能夠有效地去除生物質中的水分及含有大量氫和氧元素的輕質揮發(fā)分，從而提高剩余碳化殘渣中的含碳量^［52］。

3"農林廢棄物生物炭在土壤中的應用

3.1"土壤修復

生物炭對重金屬的修復主要體現在2個方面：首先，生物炭因其多孔隙結構和大比表面積的特點，能夠有效地吸附土壤中的重金屬離子。其次，生物炭中的有效成分（如羥基、羧基等）通過與重金屬離子發(fā)生離子交換、絡合、沉淀和靜電吸引等作用，進一步吸收或結合土壤中的重金屬，或將重金屬從無機態(tài)轉化為有機態(tài)^［53-55］。這些作用可以改變重金屬的遷移率和生物利用率，進而降低其在土壤中的毒性^［56］。劉麗媛等的研究結果表明，在添加1%和2%玉米秸稈生物炭的情況下，鎘鉛復合污染土壤中二乙烯三胺五乙酸（DTPA）提取態(tài)的Cd和Pb明顯低于對照組，同時，生物炭顯著降低了小白菜各部位對Cd和Pb的積累，相較于對照組分別降低27.53%～71.46%和31.00%～55.43%^［57］。Wang等利用稻草生物炭和核桃殼生物炭分別使毛竹根部的Cu吸收降低15%、35%、26%^［58］。Hamzenejad等通過添加不同比例的葡萄枝生物炭對重金屬污染土壤中Cd、Pb、Cu和Zn的固定和修復研究發(fā)現，在生物炭添加量為10%的情況下，土壤中可交換態(tài)含量減少23%～72%，碳酸鹽結合態(tài)含量減少51%～67%^［59］。在土壤遭受多種重金屬污染的環(huán)境下，生物炭的吸附效果因重金屬種類而有所不同。這是因為不同重金屬之間存在競爭吸附作用。Park等發(fā)現，胡椒莖生物炭在單種金屬中最大吸附容量順序為Pbgt;Crgt;Cdgt;Cugt;Zn，在多種重金屬吸附試驗中為Pbgt;Cugt;Crgt;Zngt;Cd，其中，Cd吸附能力顯著降低^［60］。

為了進一步提升修復效果，學者們對生物炭進行了改性研究，從而優(yōu)化修復效果。常用的改性方法主要是通過利用酸、堿、氧化劑等試劑來增加生物炭的比表面積和表面官能團，從而增強生物炭對污染物的固定能力。如HCl、HNO3、H2O2和H3PO4等已廣泛用于生物炭的改性。經H3PO4改性的生物炭表面積和孔隙體積增加，且磷酸鹽沉淀作用增加了生物炭對Pb的吸附能力^［61］。Cheng等發(fā)現與原始納米黑炭相比，HNO3改性后的納米黑炭對Ni有更大的吸附量，因此將改性后的納米黑炭應用到Ni污染土壤中增加了黑麥草的生物量，而且顯著降低了土壤中Ni的DTPA提取態(tài)含量^［62］。李曉暉等將磷酸化改性和鈣鹽復合制備的稻殼生物炭用于Cd污染土壤，增強了土壤中Cd的穩(wěn)定性，并降低了小白菜葉片中的Cd含量^［63］。Bashir等用2 mol/L KOH改性水稻秸稈生物炭，發(fā)現改性后生物炭對Cd的吸附量（41.9 mg/g）是原生物炭的3倍多^［64］。農林業(yè)廢棄物制備的生物炭在重金屬污染土壤中的修復應用研究詳見表2。

3.2"土壤改良

農田管理制度的疏漏使得CO2排放量上升， 同時加劇了土壤中有機化合物的分解。在土壤中加入生物炭不僅可調節(jié)pH值、保持土壤水分和養(yǎng)分，還可增強生物群功能及減少污染等方面來改善土壤。生物炭中的羧基、羥基和酚基等功能基團與土壤中的氫離子發(fā)生相互作用，使得氫離子濃度降低，進而提升土壤的pH值。此外，由于許多生物炭呈堿性，因此在改善酸性土壤方面具有顯著優(yōu)勢^［68］。Wei等研究發(fā)現，在酸性土壤中施加生物炭后，土壤中pH值提高了7.0%，進而降低了可利用Cd的含量（37.3%）^［69］。韓曉日等在玉米秸稈生物炭施炭量為3.0 t/hm²和6.0 t/hm²處理下，土壤容重分別降低5.60%和9.87%，總孔隙度提高約10.70%，pH值提升0.32^［70］。Xiao等添加1%的生物炭顯著促進了地上生物量的積累，同時三葉草處理后地上部分的Mg吸收量分別為39.32%、39.88%、88.27%、69.68%、51.96%^［71］。

生物炭生產過程結束后，生物質中的陽離子被固定在生物炭中，對土壤的CEC產生顯著影響^［72］。生物炭所含的負電荷官能團能夠將土壤的CEC從88.4 mmol/kg提高至211.3 mmol/kg^［73］。此外，作為土壤改良劑，生物炭能夠有效提高土壤有機碳含量，增幅可達16.5%～32.4%^［74］。生物炭在改善不肥沃土壤方面具有顯著效果，能夠促進作物生長并提高產量^［75］。Rodríguez等使用林業(yè)廢棄物（花楸）制備的生物炭，在施用量為25 t/hm²和50 t/hm²的情況下改善了土壤條件并促進臭椿樹苗的生長^［76］。Anto等在沙質黏土中施用稻殼生物炭使玉米產量增加了59%，進一步驗證了生物炭在土壤改良和農業(yè)生產中的積極作用^［77］。農林業(yè)廢棄物制備的生物炭在土壤改良中的應用研究詳見表3。

3.3"生物炭固碳

氣候變化已成為全球的關注焦點，對于如何降低大氣中CO2排放的關注度不斷提升。土壤有機碳的積累對增強土壤的碳匯能力具有舉足輕重的地位，而生物炭已被廣泛認為是一種高效穩(wěn)定的固碳方式^［78］。生物炭因其獨特的芳香結構，展現出高穩(wěn)定性及不易被微生物降解等特性，可在土壤中實現長期穩(wěn)定存儲^［79］。Kuzyakov等的研究表明，生物炭的平均滯留期約為2 000年，半衰期約為1 400年，在培養(yǎng)過程中，生物炭礦化降解產生的CO2量較低，在固碳減排方面產生積極作用^［80］。Yang等在2年田間試驗中，將玉米秸稈生物炭對沙壤土中的溫室氣體進行研究，發(fā)現第1個生長季生物炭的應用將CO2總排放量減少了18%～25%，第2個生長季降低了19%～41%^［81］。Yu等將枸杞枝條在熱解溫度530 ℃和保溫時間2 h下制成枸杞枝條生物炭，所得產率和固定碳含量分別為28.1%和77.8%，據評估青海省所修剪的枸杞枝條都用于制備生物炭，將能減少每年因燃燒產生的碳排放量6.856萬t^［82］。Spokas等研究發(fā)現，使用木屑生物炭改良土壤可以抑制微生物的分解活性，進而降低CO2排放量在2%～60%之間，N2O排放減少60%^［83］?？傮w而言，在N2O持續(xù)減少的情況下，向土壤中施加生物炭是一種有效的碳隔離策略，也是減少全球變暖氣體排放的有效途徑。農林業(yè)廢棄物制備的生物炭在固碳中的應用研究詳見表4。

4"農林業(yè)生物炭應用優(yōu)勢與潛在風險

農林廢棄物生物炭作為一種具有廣泛應用潛力的天然材料，在環(huán)境保護和農林業(yè)領域展現出顯著優(yōu)勢。（1）污染物吸附：生物炭的多孔結構提供了大量的吸附表面，能有效吸附和去除土壤中的有害物質。（2）土壤改良：生物炭的施用能夠改善土壤的物理和化學性質，增強土壤的保水能力、通氣性，并提高土壤肥力。此外，生物炭能促進植物生長，從而提升農林業(yè)的經濟效益。（3）碳封存：農林業(yè)生物質轉化為生物炭能將空氣中的碳固定在土壤中，實現碳封存。（4）減少溫室氣體排放：生物炭作為一種穩(wěn)定的材料，能在根際區(qū)域保持數年，進而降低生物質氣化過程中產生的溫室氣體排放。然而，生物炭的使用也存在一些潛在的風險和限制。（1）潛在環(huán)境影響：生物炭原料（農林廢棄物）本身可能含有重金屬，一旦進入土壤，這些污染物可能會被釋放出來，對土壤和地下水等環(huán)境造成不同程度的污染和損害。（2）土壤降解：生物炭的使用可能導致土壤退化，增加土壤對極端氣候的敏感性。（3）缺乏標準和規(guī)范：當前生物炭的應用尚未建立完善的標準和規(guī)范，導致其質量和效果存在不確定性。因此，為確保生物炭使用的可持續(xù)性和環(huán)境友好性，必須對其潛在風險和限制進行全面考量，并采取有效的管理和監(jiān)控措施。同時，還應進一步深化對生物炭與土壤、微生物轉化以及地球化學循環(huán)之間內在機制的研究，以更全面地了解生物炭的影響和應用。

5"結論與展望

將農林業(yè)廢棄生物質資源轉化為生物炭，不僅是一種創(chuàng)新的資源回收方式，更是對環(huán)境污染的長遠治理策略。這種轉化方式不僅環(huán)保，且成本低廉，具有很高的實用性和潛力，有望成為治理污染的可靠替代品。生物炭在改善土壤質量、提高農作物產量、降低土壤中的污染物以及固碳和減少溫室氣體排放等方面表現出了顯著的效果，為推動可持續(xù)發(fā)展提供了有力的支持。此外，將農林廢棄物進行資源化利用，不僅為我國的“雙碳”目標提供了理論和模型支持，同時也為生物質轉型發(fā)展在各種約束條件下的實施提供了廣闊的前景。

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