利用生物炭进行碳封存：全球趋势、知识缺口及未来发展方向

《ACS ES&T Water》：Carbon Sequestration with Biochar: Global Trends, Knowledge Gaps, and Future Directions

生物炭作为二氧化碳去除策略被IPCC纳入净零排放路径，但其碳持久性评估方法存在争议。本研究基于Web of Science 2009-2025年448篇文献的计量分析显示：中国（153篇）、美国（91篇）、澳大利亚（35篇）为研究主力，中国院科学（30篇）和韩国延世大学（Ahmad团队）贡献突出。Science of the Total Environment（33篇）和Chemosphere（3404次引文）为代表性期刊与高被引文献来源，Yong Sik Ok（4248次）居作者首位。研究揭示环境工程（11%）、土壤科学（11%）、能源技术（11%）为核心领域，但模型方法（如RothC）仍面临参数不确定性和跨学科整合挑战，需加强全球协作与多尺度验证。

　　近年来，全球对生物炭在碳封存和气候变化缓解中的作用表现出日益浓厚的兴趣。作为一项重要的负排放技术，生物炭被国际政府间气候变化专门委员会（IPCC）视为实现净零排放的关键策略之一。尽管如此，关于生物炭在土壤中碳的持久性估计仍然存在科学上的争议，这直接影响了温室气体清单、碳信用项目以及生命周期评估（LCA）的准确性。因此，系统地分析生物炭研究的科学产出，识别其研究趋势、知识空白以及国际合作网络，成为推动其作为有效气候缓解手段的关键。

生物炭是一种通过热化学转化生物质得到的高碳含量材料，因其高度稳定的结构特性，能够显著延缓植物固碳的分解速率，从而延长其在土壤中的碳滞留时间。除了碳封存功能外，生物炭还展现出多种协同效益，如提高作物产量、改善土壤水分保持能力和减少养分流失等。此外，生物炭还可作为可再生能源来源，与生物能源结合碳捕集与封存（BECCS）及其他碳封存策略协同作用，进一步增强其封存潜力。同时，生物炭的生产能够利用生物质残余物，有助于可持续废弃物管理。

然而，生物炭的特性受多种因素影响，包括原料种类、热解温度和停留时间等。这些变量决定了生物炭的关键物理化学性质，如孔隙度、pH值、表面积、碳含量和稳定性，这些性质又直接影响其在土壤中的碳封存效果。因此，为了准确评估生物炭的碳封存能力，需要更精确地理解其在土壤中的动态过程，包括分解、稳定化和跨土壤层的迁移。这些复杂过程受到土壤质地、温度、湿度以及管理实践的影响，导致预测生物炭行为和长期封存潜力存在较大的不确定性。这种不确定性使得生物炭建模成为一项具有挑战性的任务。

目前，生物炭研究方法呈现出方法论的多样性，特别是在建模土壤生物炭碳动态方面。主要分为两种类型：经验性衰减模型和生物地球化学数学模型。经验性模型通常基于实验数据的简化衰减函数进行校准，虽然易于应用，但缺乏对土壤过程的深入机制理解。相比之下，生物地球化学数学模型整合了物理、化学和生物机制，能够更准确地模拟生物炭在不同环境条件下的行为。然而，这类模型需要大量的参数校准，并且容易受到数据缺失和不确定性的影响，从而限制了其结果的可比性和全球生物炭持久性评估的可靠性。

鉴于这些挑战，对生物炭研究的科学景观进行系统分析变得尤为重要。文献计量学作为一种系统且定量的方法，能够揭示研究趋势、知识空白以及合作网络，从而为未来的研究方向提供指导。文献计量学已被成功应用于气候变迁、可持续发展科学和全球健康危机等研究领域，帮助研究人员综合大量信息并制定未来的研究议程。因此，本研究采用文献计量方法，对2009年至2025年间关于生物炭碳封存的全球研究进行了分析，旨在全面理解该领域的研究进展，并为推动生物炭作为有效的气候缓解策略提供依据。

本研究从Web of Science平台提取了相关数据，采用关键词“生物炭”、“碳封存”和“建模”进行搜索，最终获得了448篇相关文章。这些文章涵盖了多个方面，包括生物炭的特性、其在土壤中的碳封存机制、对土壤质量和环境影响的研究，以及生物炭在不同生态系统中的应用潜力。研究发现，中国在该领域的研究产出最多，拥有153篇文章，其次是美国（91篇）和澳大利亚（35篇）。此外，中国科学院在该领域表现尤为突出，发表了30篇文章，成为最具影响力的机构之一。研究还指出，Yong Sik Ok是该领域被引用最多的学者，共获得4,248次引用，显示出其在生物炭研究中的重要地位。

在期刊层面，Science of the Total Environment是发表生物炭相关文章最多的期刊，共有33篇，而Chemosphere则是被引用次数最多的期刊，达到了3,404次。这些期刊在生物炭研究中扮演着关键角色，其发表的文章涵盖了从土壤污染治理到生物炭碳封存潜力的广泛主题。此外，研究还指出，尽管中国在文章数量上占据主导地位，但其在平均引用率（AC因子）方面的表现相对较低，表明在研究质量和国际影响力方面仍有提升空间。

从研究趋势来看，生物炭相关研究在2009年至2011年初期相对较少，平均每年不足5篇文章。这一阶段主要是建立研究基础，探索生物炭作为碳封存策略的可行性。随后，从2012年到2019年，研究数量逐渐增加，平均每年约20篇。这一阶段的研究主要集中在生物炭的物理化学特性、土壤改良效益以及初步的碳稳定机制建模。然而，由于计算工具和数据的局限性，研究仍处于探索阶段。2020年以来，研究数量显著增长，平均每年达到58篇，其中2024年甚至接近80篇。这种指数级增长反映了全球在应对气候变化方面的紧迫性，以及建模技术的进步。

在研究主题方面，生物炭的应用和研究呈现出明显的多学科交叉特点。根据文献计量分析，生物炭研究主要集中在环境科学（37%）、土壤科学（11%）、环境工程（11%）、能源与燃料（11%）、绿色与可持续技术（7%）、化学工程（7%）、农学（5%）、生物技术与应用微生物学（4%）、生态学（3%）和水资源管理（3%）。这些研究主题表明，生物炭不仅在碳封存方面具有重要价值，还在土壤改良、污染物去除、农业可持续性和能源生产等多个领域展现出广阔的应用前景。

在关键词分析方面，研究发现“生物炭”、“碳封存”、“热解”、“稳定性”和“黑碳”是最常见的关键词。这些关键词反映了当前研究的主要关注点，即生物炭的物理化学特性、其在土壤中的长期封存能力以及对环境的影响。此外，随着研究的深入，出现了更多关于微生物群落、农业可持续性和机器学习等新兴主题的关键词。这些新兴主题的出现表明，生物炭研究正在向更复杂和综合的方向发展，涵盖了从基础科学到实际应用的多个层面。

在国际合作方面，研究发现生物炭研究主要集中在少数几个国家，尤其是中国和美国。这虽然反映了这些国家在该领域的研究能力和资源投入，但也可能导致知识和应用上的不均衡。因此，未来的研究需要加强国际合作，特别是在发展中国家和土壤退化严重的地区，以确保生物炭技术能够适应不同的环境和社会条件。

综上所述，生物炭作为一种碳封存策略，具有巨大的潜力，但其研究和应用仍面临诸多挑战。文献计量分析揭示了生物炭研究的快速发展，同时也指出了需要进一步研究的方向，包括提升建模技术、加强国际合作、以及促进多学科融合。通过这些努力，生物炭有望成为应对气候变化和实现碳中和目标的重要工具。