《AUSTRALIAN JOURNAL OF GRAPE AND WINE RESEARCH》：Biochar From Viticultural Residues: A Review of Physicochemical Properties and Applications
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葡萄栽培会产生大量有机残余物，其中许多仍未被充分或未实现增值利用。这些副产物包括葡萄籽、葡萄茎（梗）、葡萄藤干（树桩或木材）、葡萄皮（果壳），尤其是葡萄皮渣和修剪残余物，后者是用于生物炭生产的主要原料。尽管大量研究已确认原料类型和热解温度均会影响生物炭的理化性
葡萄栽培会产生大量有机残余物，其中许多仍未被充分或未实现增值利用。这些副产物包括葡萄籽、葡萄茎（梗）、葡萄藤干（树桩或木材）、葡萄皮（果壳），尤其是葡萄皮渣和修剪残余物，后者是用于生物炭生产的主要原料。尽管大量研究已确认原料类型和热解温度均会影响生物炭的理化性质，但现有综述通常仅在广泛背景下讨论生物炭性质与应用，未专门聚焦葡萄栽培副产物。本荟萃分析汇编了114项研究报道的316个生物炭样品数据，旨在综合关于葡萄栽培残余物衍生生物炭的当前知识。研究具体考察：（1）生物炭理化性质如何随原料类型和热解温度变化；（2）这些生物炭的潜在应用。结果表明，原料类型主要影响氮含量、燃烧相关参数和矿物组成；相反，热解温度主要影响pH、氢含量、挥发分、产率和稳定性——尤其是在较高温度（> 600°C）下。两个因素还显著影响比表面积（SSA）、碳和氧含量、固定碳和灰分含量。总体而言，葡萄栽培生物炭主要用作微量元素吸附剂和土壤改良剂，尽管新兴工业应用，尤其是种子衍生生物炭，正受到关注。本工作首次全面概述葡萄栽培副产物生物炭，支持其在面向脱碳和减缓气候变化的循环生物经济策略中更广泛采用。
1 引言
葡萄与葡萄酒产业产生大量葡萄园副产物，包括修剪残余、葡萄渣、籽、梗、酒泥、叶和藤干等，具有季节性集中和增值不足特征。传统燃烧或还田可能排放温室气体（GHG）并带来土壤酸化与病害风险；热解制生物炭可实现废弃物增值、碳封存和土壤回用，并有望修复葡萄园铜污染。本文旨在表征副产物多样性，评估原料类型与热解条件对生物炭性质的影响，并总结应用与限制。
2 材料与方法
2.1 数据收集与预处理
2.1.1 数据收集：通过SpringerLink、ScienceDirect和Google Scholar检索，纳入仅以葡萄园副产物为原料、采用热解且为原始未改性生物炭的同行评议文献，最终获得114篇文献和316个生物炭样品，记录原料、热解条件、理化参数和应用。
2.1.2 数据预处理：对“>”“<”、标准差、单位、区间和重复数据设定统一规则，保留原始表征并合并再表征数据；重算O/C、H/C、C/N原子比及高位热值（HHV）和低位热值（LHV），必要时重算氧、固定碳、离子和组分百分比。
2.2 数据处理与统计分析：采用Excel和R进行描述统计、相关矩阵、方差分析（ANOVA）/Tukey或Kruskal–Wallis检验、Pearson/Spearman相关和主成分分析（PCA）；缺失值用多重插补链式方程（MICE），剔除缺失过多样品；热解温度分为<400°C、400–600°C和>600°C。
3 结果与讨论——收集数据分析
3.1 文献计量数据统计分析
文献发表量由2011—2015年的13篇增至2016—2020年的48篇和2021—2025年的53篇；固定床或管式炉约占60%；原料以修剪残余（39.90%）和葡萄渣（33.80%）为主，叶源极少。副产物类型与用途显著相关，种子源偏工业应用，其他多用于农业或吸附；欧洲占37.30%，西班牙、意大利和法国较多。
3.2 原料表征
3.2.1 理化参数：修剪以纤维素为主，葡萄渣和籽木质素较高，籽木质素最高；渣可提取物约为其他生物质两倍。渣和籽碳、氢含量较高，修剪氧含量较高；渣和籽HHV>20 MJ·kg
?1，修剪<20 MJ·kg
?1。原料pH多为4–5，渣较修剪更酸；电导率（EC）多为100–2000 μS·cm
?1；渣灰分、钾（K）、磷（P）和铜（Cu）较高。
3.2.2 统计分析：原料碳、氢、氮正相关并与能量参数正相关，氧与碳、氢、氮负相关；挥发分（VM）与灰分和固定碳（FC）负相关。
3.2.3 原料到生物炭的Van Krevelen图：原料H/C为1.0–2.0、O/C为0.4–0.8，生物炭分别降至<0.6和<0.3；低温生物炭H/C为0.6–1.2、O/C为0.2–0.6，高温H/C<0.3、O/C<0.1。温度主导芳构化和脱氧，原料调节具体位置；高温生物炭土壤半衰期可达千年并有助于减少N
2O排放。
3.3 生物炭表征
3.3.1 元素分析：热解温度主控碳化，碳含量由<400°C的62.52±7.60%升至>600°C的77.64±9.56%，种子源最高，梗最低；氢随温度由4.99±0.91%降至1.44±0.59%；氮主要受原料影响，壳、籽和渣较高、木较低；氧受原料、温度和交互影响，梗最高并随温度下降。H/C和O/C随温度下降；C/N由原料决定，木和修剪较高、壳较低。HHV/LHV受原料控制，种子源最高，壳和渣较低，HHV随温度升高。种子源兼具高碳、低H/C和O/C及高HHV，渣源O/C较高、C/N较低。
3.3.2 离子含量与污染物水平：渣源生物炭富K，修剪源富Ca和Mg；Na和S多<0.30%，P多<0.8%。多数渣和修剪源潜在有毒元素低于欧洲生物炭证书（EBC）阈值，但偶有Cu和Zn超限；多环芳烃（PAHs）数据稀缺，个别样品超过或接近EBC限值。
3.3.3 工业分析与理化参数：pH由<400°C的8.20±1.92升至>600°C的10.25±0.66；EC变异大且不受因素显著影响；比表面积（SSA）由33.11±53.61升至115.94±167.14 m
2·g
?1，梗和修剪较高，修剪>600°C可达320±212 m
2·g
?1，原料×温度交互显著；产率由>50%降至<30%；FC由49.70±20.16%升至71.03±9.93%；VM随温度下降；灰分随温度升高，壳较高、种子和修剪较低；阳离子交换容量（CEC）和持水能力（WHC）数据有限，前者渣源较高且随温度下降，后者修剪源较高。
3.3.4 统计分析：原料碳与生物炭HHV/LHV正相关、与氧负相关；原料碳、氢、氮与生物炭氮正相关；木质素与碳、氢、氮、HHV/LHV和产率正相关；纤维素与氢和SSA正相关、与灰分负相关；可提取物与氢、氮、硫、产率和SSA负相关；原料灰分与FC负相关；原料N、P、K、Ca与生物炭对应元素正相关。PCA前两轴解释62.35%，PC1代表热解强度和碳化程度，PC2反映元素组成和结构差异；种子源位于PC1正端，梗、壳和渣偏负端，修剪和木居中。
4 结果与讨论——葡萄园副产物生物炭实际利用文献综述
4.1 吸附污染物和有价值化合物
4.1.1 生物炭吸附潜力：生物炭可吸附重金属、药物、农药、微囊藻毒素、多酚和P等，最大吸附容量（Q
max）受实验条件影响；升温通常通过提高孔隙度、芳香性和灰分增强吸附，重金属吸附容量常高于大分子有机物。
4.1.2 土壤重金属修复：修剪生物炭可降低Pb、Ni、Co和Cu生物有效性及Cd、Pb、Cu和Zn迁移因子；梗生物炭降低交换态Cu、Cr和As；与沸石联用增强Cd固定，并可负载鸟粪石回收P；渣生物炭用于工业废水中Zn和Ni处理。
4.1.3 金属胁迫下土壤修复、微生物活性与植物生长：降低金属有效性可提高微生物呼吸；渣生物炭促进葡萄砧木生长，经Bacillus velezensis S26修饰可缓解Cu胁迫并控制黑脚病；壳生物炭增加As移动性但限制根吸收；梗生物炭提高黑麦草产量。
4.1.4 有机污染物修复：木生物炭可去除阿莫西林和四环素；渣生物炭提高saflufenacil吸附并降低解吸；高温修剪生物炭对clomazone和cyhalofop去除可达100%，对metribuzin吸附优于水热炭和蚯蚓粪。
4.1.5 生物活性化合物与CO
2吸附：修剪生物炭对咖啡酸、没食子酸和橄榄苦苷有较高亲和力，可从洋葱皮和橄榄叶中回收生物活性物，并用于CO
2吸附。
4.1.6 生物炭改性提高吸附性能：KOH活化生物炭用于CO
2捕获，渣源活化后SSA可达2473 m
2·g
?1；Fe、空气或HNO
3处理提高As吸附；ZnCl
2活化对利福平吸附达476.2 mg·g
?1；磁性-黏土-生物炭复合物可去除Cr、Cd、Cu及药物。
4.2 工业应用：生物炭可作为催化剂或载体用于乙醇、5-羟甲基糠醛和甲酸产氢，也可固定脂肪酶；用于污染物降解和检测；作为填料或组分用于聚乳酸（PLA）、可降解包装、碳纤维、水凝胶、超级电容器和电池等。多数仍处实验室或中试，受规模化、标准化、性能和经济学限制。
4.3 能源生产：葡萄园副产物生物炭HHV为19.78–30.18 MJ·kg
?1，适合固体燃料；热解提高能量密度和稳定性；种子源可用于电弧炉供热；太阳能和微波热解已有探索，微波热解产率可>71%；渣源生物炭已由0.3 kg·h
?1放大至15 kg·h
?1，实验室与工业规模性质差异不大。
4.4 土壤改良与植物生长促进
4.4.1 土壤改良与植物生长：生物炭可作为P、K、Ca和Mg缓释源，部分替代化肥，并与堆肥制成有机肥；可提高保水、减轻盐胁迫、降低容重和产生石灰效应；接种Trichoderma可提高P、K有效性和微生物量。效果受原料、热解温度、施用量、土壤和植物种类影响。
4.4.2 潜在风险：PAHs和重金属：生物炭可能含PAHs及Cu、Zn、Pb等；PAHs具毒性和致癌性，可能降低跳虫生存和繁殖，Zn可致根毒；微量元素多低于法规限值，但大规模农用前需全面表征和生态毒理评估。
4.4.3 其他农业应用：生物炭可部分替代泥炭作为育苗基质和微生物接种载体，支持Rhizobium tropici、丛枝菌根真菌、生菜和葡萄苗生长；在动物饲料中显示对Lactobacillus的益生作用及对E. coli的抗菌作用。
4.4.4 闭环：生物炭可直接回用葡萄园，移动自持热解可降低碳足迹约18 g CO
2 eq/瓶葡萄酒；700°C渣生物炭在pH 5.5下Cu吸附容量为42 mg·g
?1，种子、渣和修剪源为39–134 mg·g
?1，并可改善Phaseolus vulgaris表现。
4.5 经济可行性与气候变化减缓：热解可避免露天燃烧排放，1吨修剪露天燃烧产生1600.1 kg CO
2 eq，生物炭制备可避免1595.1 kg CO
2 eq；葡萄渣精炼联产种子油、多酚和生物炭经济可行，可避免316 kg CO
2 eq/吨干渣并产生�6980 ha
?1收益；热解较燃烧更经济可持续，每吨渣产151 kg生物炭；年加工>1000吨葡萄时热解装置投资可忽略，<50吨更适合堆肥；效益受原料、规模、含水率、技术和管理影响。
5 结论
本文综合114项研究和316个生物炭样品，表明原料类型主要影响氮含量、燃烧参数和矿物组成，热解温度主要影响氢含量、pH、VM和产率，高温提高碳含量、稳定性和SSA；应用涵盖吸附、燃料、土壤改良及种子源工业材料。经济与环境效益支持循环生物经济，但原料—性质—应用框架受文献限制；未来需研究停留时间、热解气氛、生物油及更系统的原料表征。
