综述：生物炭：地球的黑金——可持续农业革命

《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》：Biochar: the Earth’s black gold – a sustainable agricultural revolution

本综述系统阐述了生物炭（Biochar）作为热解生物质碳质副产物，在改良土壤理化性质（如孔隙度、持水量）、提升养分供应与微生物活性、促进作物增产及增强抗逆性（干旱、盐胁迫、病原侵染）等方面的多重效益；强调其功效受原料、热解参数（低温侧重养分补充，高温利于碳固存）与施用速率调控，需建立标准化生产与因地施用的安全框架。

　　

Abstract

生物炭（Biochar），一种通过生物质热解（pyrolysis）产生的碳质副产物，正以其变革可持续农业的巨大潜力引发全球关注。这篇综述详细探讨了生物炭对土壤物理化学和生物学特性、作物产量以及对环境胁迫耐受性的影响。生物炭能够改善土壤孔隙度、持水能力、养分供应和微生物活性，从而促进植物生长并提高产量。其性能很大程度上取决于原料质量、热解参数和施用速率，其中低温热解产生的生物炭更有利于养分补充，而高温热解产生的生物炭则更侧重于长期碳固存（carbon sequestration）。此外，生物炭还能降低重金属的生物有效性，并缓解由干旱、盐分和病原体攻击引起的植物胁迫。鉴于不同土壤中效果的差异性以及潜在的污染物风险，需要建立基于标准的生产工艺和针对具体地点的施用方案。本综述明确了生物炭的多样化优势，为其在多种农业系统中作为长期改良剂的安全高效应用绘制了蓝图。

生物炭的特性与制备

生物炭的特性并非一成不变，其核心取决于两大因素： feedstock quality（原料质量）与 pyrolysis parameters（热解参数）。原料来源广泛，包括木材、作物秸秆、有机废弃物等，其初始成分直接影响最终生物炭的元素组成。热解过程，即在缺氧或限氧条件下对生物质进行加热，其关键参数如温度、升温速率和滞留时间，共同决定了生物炭的比表面积、孔隙结构和化学稳定性。一般而言，较低热解温度（例如，400–500 °C）下生成的生物炭通常保留更多挥发性物质和养分，更易于直接为植物利用；而较高温度（>600 °C）下生成的生物炭则具有更高的芳香碳结构和稳定性，更有利于在土壤中长期存留，实现碳固存。

生物炭对土壤环境的改良作用

生物炭施入土壤后，能显著优化土壤的物理和化学环境。在物理方面，其多孔结构如同“微型水库”和“空气通道”，有效增加土壤孔隙度，enhances soil porosity，并大幅提升土壤的water holding capacity（持水能力），这在干旱和半干旱地区尤为重要。化学方面，生物炭自身含有一定量的营养元素（如K、Ca、Mg），并可因其高比表面积和阳离子交换量（CEC）吸附土壤中的养分，减少流失，从而改善nutrient supply（养分供应）。更重要的是，它能够通过表面吸附、沉淀等机制，immobilize heavy metals（固定重金属），降低其bioavailability（生物有效性），减轻对作物的毒害。

生物炭对土壤生物与作物健康的影响

改良后的土壤环境为微生物创造了更适宜的栖息地。生物炭的孔隙结构为微生物提供了庇护所，其表面可富集有机质，从而enhances microbial activity（增强微生物活性），促进有益微生物菌群的增殖，加速养分循环（如氮、磷的转化）。这种积极的生物效应与优化的土壤环境协同作用，直接促进了植物根系的发育和养分的吸收，进而提升crop yields（作物产量）。此外，生物炭还能诱导植物产生系统性抗性，增强其对abiotic stresses（非生物胁迫）如drought（干旱）、salinity（盐胁迫）以及biotic stresses（生物胁迫）如pathogen attack（病原体侵袭）的耐受性。

应用挑战与未来展望

尽管生物炭前景广阔，但其应用仍需谨慎。其效果存在variability（变异性），受到土壤类型、气候条件以及生物炭本身性质的共同影响。若原料或生产过程控制不当，可能存在引入contaminants（污染物）的风险。因此，推动standards-based production（基于标准的生产）和制定site-specific application protocols（因地施用的方案）至关重要，以确保其环境安全性与农艺有效性。未来的研究需进一步明确不同农业生态系统下的最佳应用策略，并深入揭示其作用机理，从而真正释放这颗“地球黑金”在推动可持续农业革命中的全部潜力。