综述：改性生物炭生产技术进展与土壤应用：一项批判性综述

这篇综述系统梳理了改性生物炭（Modified Biochar, MB）在土壤应用中的最新进展，重点探讨了物理、化学及微生物活化技术对生物炭性质（如比表面积SSA、阳离子交换容量CEC）的优化机制，及其在土壤修复（重金属/有机污染物吸附）、碳封存（CO2/N2O减排）和土壤健康提升（养分缓释、微生物群落调控）中的协同效应，为可持续土壤管理提供了理论框架与技术路径。

　　

改性生物炭生产技术进展与土壤应用

1. 引言

生物炭（Biochar）是一种通过热解（Pyrolysis）生物质（如作物残渣、动物粪便）在限氧条件下生成的富碳材料，其历史可追溯至2500年前。现代改性生物炭通过物理（蒸汽活化）、化学（酸/碱处理）或微生物手段优化，显著提升了孔隙度、表面官能团（如羧基、酚羟基）和稳定性，使其在土壤修复与农业可持续发展中展现出独特潜力。

2. 改性技术分类

化学活化：

• 酸碱氧化：硫酸处理使生物炭比表面积（SSA）提升250倍，NaOH改性增加石墨化碳含量至2885 m² g^?1。
• 功能材料涂层：石墨烯氧化物（GO）涂层通过π-π相互作用高效吸附Cd²⁺和Pb²⁺；纳米零价铁（nZVI）生物炭对Cr⁶⁺的固定率达100%。

物理活化：
CO₂或蒸汽活化在700–1100℃下生成微孔结构，使玉米芯生物炭微孔面积从0.2增至80.5 m² g^?1，显著提升气体吸附能力。

微生物活化：
铁锰铈氧化物改性生物炭促进Xanthomonadaceae等菌群增殖，间接调控碳氮循环。

3. 土壤修复应用

重金属固定：
羟基磷灰石改性生物炭通过Ca₅(PO₄)₃OH溶解缓释PO₄^3?，降低土壤Cd有效性34–47%；磁性生物炭（Fe₃O₄@BC）通过Fe–O键固定As，稻米产量提升25%。

有机污染物降解：
氧化改性稻秆生物炭对四环素的吸附量超越原始生物炭3倍，归因于疏水性与官能团协同作用。

4. 土壤健康与碳封存

养分调控：
MgO改性生物炭在盐碱土中提高磷有效性；酸改性（柠檬酸）生物炭在石灰性土壤中促进植物有效磷释放。

温室气体减排：
MgCl₂改性生物炭通过孔隙吸附NH₄⁺/NO₃^?，减少N₂O排放22–33%；疏水性生物炭在填埋场覆盖土中抑制CH₄生成。

5. 挑战与展望

当前改性生物炭面临规模化生产成本高（如石墨烯涂层）、长期稳定性数据不足等问题。未来需开发低成本活化剂（如废弃生物质衍生酸），并建立土壤-生物炭-作物系统的精准匹配模型。