《Plant Nano Biology》：Recent Trends in Nano Biochar: Production, Properties and Applications in Sustainable Agriculture and Environmental Remediation
编辑推荐：
纳米生物炭（Nano-biochar, NBC）通过增强土壤肥力、养分保持和微生物活性，改善植物对干旱、盐碱和重金属胁迫的耐受性，并在污染物吸附和环境修复方面展现出巨大潜力。其更高的比表面积和孔隙率改善了土壤-植物相互作用。然而，在大规模生产、成本控制和环境安
纳米生物炭（Nano-biochar, NBC）通过增强土壤肥力、养分保持和微生物活性，改善植物对干旱、盐碱和重金属胁迫的耐受性，并在污染物吸附和环境修复方面展现出巨大潜力。其更高的比表面积和孔隙率改善了土壤-植物相互作用。然而，在大规模生产、成本控制和环境安全性方面仍存在挑战。
纳米生物炭在可持续农业与环境修复中的研究进展综述
一、研究背景与意义
土壤作为全球可持续发展的基础，不仅支撑着粮食生产，为人类提供98.8%的热量来源，还在气候调节中发挥关键作用。然而，不可持续的耕作方式正通过养分流失、土壤侵蚀和生物多样性下降加速土壤退化。到2050年，全球人口预计将达到94至101亿，粮食消费量将增加35%至56%，给农业系统带来巨大压力。与此同时，全球每年产生超过1300亿吨农业废弃物，如何将这些废弃物转化为有价值的资源成为亟待解决的课题。
生物炭（Biochar, BC）作为一种将农业废弃物转化为增值土壤改良剂的可持续途径，因其碳含量丰富、多孔结构以及固碳减排潜力而受到广泛关注。研究表明，生物炭施用可使小麦产量提高28%，玉米产量增加1.17 Mg ha?1，土壤有机碳（SOC）增加27%至36.3%，土壤磷含量提高37%。然而，传统生物炭存在诸多局限性：高温制备可能释放污染物、降低功能基团数量、限制养分供应能力，且其效果受土壤类型影响，有时会造成养分失衡。
为克服这些限制，研究人员将生物炭工程化至纳米尺度，开发出纳米生物炭（Nano-biochar, NBC）。将生物炭颗粒缩小至纳米级别可显著增加其比表面积、表面反应活性、孔隙率和功能基团丰度，从而改善养分保持、污染物吸附、土壤-植物相互作用和胁迫耐受性。纳米生物炭作为新一代生物炭材料，在可持续农业和环境修复领域展现出更广泛的应用前景。
二、研究内容与主要结论
2.1 文献计量分析
研究人员按照PRISMA指南，在Scopus和Web of Science数据库中系统检索了2016至2026年间发表的纳米生物炭相关文献。初步识别735条记录，经筛选最终纳入157篇文章进行文献计量分析，其中93篇文章用于系统综述。分析结果显示，该领域研究呈现显著增长趋势：2019至2021年仅占发表总量的7.6%，而2023至2026年间占84.1%，年均增长率达64.79%。中国和印度是纳米生物炭研究的主要贡献国家，美国、澳大利亚、日本及部分欧洲国家也有重要贡献。
2.2 主题分析
通过主题图谱分析，研究人员识别出纳米生物炭研究的核心主题结构：纳米颗粒、土壤和生长构成成熟且联系紧密的驱动主题；纳米生物炭、生物炭、生物质、吸附和去除构成基础主题；碳管理、有机质、可持续农业、土壤修复和吸附构成专业主题；胶体迁移、零价铁和黑碳则属于新兴且相对欠发达的研究方向。主题演化分析表明，研究重点正从材料开发和污染物去除转向更具体的土壤和农业应用。
2.3 纳米生物炭的合成与生产
纳米生物炭的生产方法主要包括热解、球磨、超声处理、化学活化、水热碳化和烘焙处理。热解是在无氧条件下对生物质进行热分解，慢速热解温度范围为300至700°C，快速热解则维持在500至1000°C。球磨是一种自上而下的机械制备方法，通过高能碰撞将块状生物炭研磨至纳米尺度，可在60分钟内制备直径小至75纳米的颗粒。超声处理利用超声波产生的空化效应、微射流和冲击波破碎生物炭颗粒，可制备小于100纳米（低至42±6纳米）的颗粒。化学活化使用氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸和氯化锌等试剂增强生物炭的孔隙率和比表面积。水热碳化在180至300°C和高压条件下处理湿生物质。烘焙处理则在200至300°C的温和无氧条件下进行，具有较低能耗和较高固体产率的优势。
2.4 纳米生物炭的特性
纳米生物炭相较于传统生物炭展现出显著增强的理化特性。其颗粒尺寸通常小于100纳米，比表面积可达200至900 m2 g?1，约为传统生物炭的2至5倍。球磨处理可使玉米秸秆来源的生物炭体积平均粒径降低99%，比表面积增加196%。纳米生物炭表面富含羟基（-OH）、羧基（-COOH）、内酯基和芳香族基团等含氧官能团，通常带有净负表面电荷，阳离子交换量（CEC）可从119 cmol kg?1提高至231 cmol kg?1。在土壤改良方面，纳米生物炭可使土壤pH从6.33提高至6.93，土壤含水量从14.55%增加至17.55%，并显著促进微生物生物量碳（MBC）的增加。
三、研究结论
纳米生物炭作为新一代生物炭材料，通过纳米尺度工程化显著增强了传统生物炭的理化性能和功能表现。与传统生物炭相比，纳米生物炭具有更高的比表面积、更丰富的表面功能基团、更强的养分保持能力和污染物吸附能力，在可持续农业和环境修复领域展现出巨大应用潜力。然而，纳米生物炭的大规模生产和商业化应用仍面临多重挑战：低产率（8%至10%）、球磨过程能耗高且难以规模化、在土壤中迁移性高，以及对土壤微生物存在潜在的浓度依赖性毒性。研究人员指出，未来研究应重点关注纳米生物炭的规模化生产技术创新、田间应用标准制定、长期环境归趋评估和生态毒理学效应研究，以推动其从实验室研究向实际应用的转化。
