1引言

1.1生物炭的发展与应用

1.1.1生物炭简介

生物炭是一种将生物物质（作物秸秆、牲畜粪便、有机废弃物等）进行低温热解而获得的含碳量较高的黑色物质，其不包括化石燃料产物和其他地质成因的碳（WarnockDDetal.,2007,潘根兴等，2010）。通常认为，生物炭属于黑炭（blackchar）范畴的一种。根据生物质材料的来源，生物炭可以分为木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭、动物粪便炭等（张东升等，2006；CaoXDetal.,2010；GolldbergEDetal.,1985）。生物炭的组成元素主要为碳、氢、氧等，并以高度富含碳（70%-80%）为主要标志（LehmannJetal.,2006;林爱军等，2007）。从微观结构上看，生物炭是由紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成的，X射线表明其具有乱层结构（turbostraticstructure）（李瑞萍等，2009）。生物炭表面多孔性特征显著，因此具有较大的比表面积和较高的表面能。生物炭吸水、吸气能力强，带负电荷多，能形成电磁场，且具有高度的芳香化、物理的热稳定性和生物化学的抗分解性。

生物炭的分解较有机物质要缓慢得多，因此将其填埋于土壤中可以有效固定环境中的碳素，减少二氧化碳向大气中的排放，缓解温室效应，同时生物炭尚为一种良好的土壤改良剂，可以有效改良土壤的物理性质及化学性质，降低土壤污染物质的生物有效性从而降低其毒性，同时对土壤的生物性质也有一定的调节作用（张文玲等，2009；刘玉学等，2009；ShresthaGetal.,2010;RobertsKGetal.,2010）。因此近年来生物炭的生产和土壤应用已经引起了人们的广泛兴趣，尤其在温室效应日益成为人们关注焦点的今天，其已成为减少二氧化碳排放的有效措施之一。生物炭的生产是在限制氧气供应的情况下对生物物质进行低温热解而产生，尽管其燃烧过程中大部分氢和氧以及部分碳也会气化，但大量的碳仍得以残留并存在于聚合芳香环中（WarnockDDetal.,2007）。

在以山核桃为原料生产的生物炭中碳含量为88%,其中58%的碳存在于聚合的芳香环结构中，除碳素外有机物质中氮素也有残留，其在生物炭中含量约为0.4%，因此该生物炭的碳氮比（C:N）约为220:1（BusscherWJetal.,2010）。生物炭的组成性质一方面与生产生物炭的原料性质有关，另一方面也与生产过程中的燃烧温度有密切关系。原料自身的性质极大地影响到生物炭的物质组成、养分含量等，这可能与原料自身的的物质组成及养分的含量与存在状态不同有关。以禽粪为原料生产的生物炭中碳含量仅为40%，氮素的残留比例不到三分之一约为27%，而松树碎屑为原料产生物炭碳含量几乎为禽粪产生物炭的两倍达78%，氮素残留比例为禽粪产生物炭的3倍以上达89.6%（GaskinJWetal.,2008）。

松树碎屑生物炭碳氮残留较高的原因可能与碳氮存在于较稳定的木质素及纤维中有关，而禽粪中则多以简单有机态或无机态存在。除原材料的类型外，燃烧温度对生物炭的组成及性质也有较大影响。在较高温度下生产的生物炭具有更高的有效养分含量，更高的比表面和更多的微小孔隙数量，因而具有更好的物理吸附性能（GaskinJWetal.,2008;YuXYetal.,2010;ZhangHHetal.,2010）。但低温条件下生产的生物炭带有更多的负电荷，因而具有更高的阳离子代换量，从而对离子的物理化学吸附能力更强（张文玲等，2009）。作为燃料也是生物炭的重要用途之一，而将生物质转化为生物炭后其热值会发生明显的变化。

作为生物质的玉米秸热值为14.48MJkg-1，而其在300℃温度下完全炭化后,其热值变为21.3MJkg-1（朱金陵等，2010；夏祖璋等，1995）。经高温分解制成的甘蔗渣的最大热值为27.99MJkg-1，是其未处理前热值的2.04倍（LinTYetal.,2011）。部分生物炭的热值也要高于其他煤炭燃料的热值，如由咖啡渣制得的生物炭热值为31.9MJkg-1，松树锯末在500℃与600℃制得的生物炭的热值分别高达30.4MJkg-1和39.9MJkg-1，高于焦炭28.47MJkg-1的热值，也高于其他固体燃料，如烟煤的热值为29MJkg-1而褐煤的热值为20MJkg-1（TsaiWTeta.l,2011;AmutioMetal.,2011）。

1.1.2生物炭的应用

对生物物质进行低温缓慢裂解是一种高能效的生物能源生产技术，其可将有机物质中储存的部分化学能转变为热能或电能，同时将有机物质中的碳转化为稳定的生物炭。有机物质转化为生物炭进行土壤施用较有机物质完全燃烧或自然分解能大大降低二氧化碳向大气的排放，是一种固定环境中碳素的有效方法（GauntJLetal.,2008）。将有机物制成生物炭农用比单纯制造化石能源替代品更能减少CO2排放，降低幅度约为后者的2-5倍，其中约一半(41-64%)的贡献来自于生物炭对碳的直接固定，其他的贡献来自于生物炭制造过程中释放的能量降低了对化石能源的消耗，作为土壤改良剂施用提供的养分减少了肥料的消耗，减少了有机物质直接施入土壤而造成的CO2以外其他温室气体的排放等（GauntJLetal.,2008）。虽然生产生物炭并不能对有机物质进行完全燃烧，从而降低了有机物中能量的释放，降低幅度最高约30%左右，但其单位能量释放的碳远远高低于其他的生物质能利用技术，如用玉米生产乙醇的技术等。