《Biomass and Bioenergy》：Study on the adsorption effect and mechanism of biochar from forest surface fuels on heavy metals
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•1. 利用森林燃料制造生物炭，从而减少野火和重金属污染。•2. 阔叶树生物炭对Pb(II)/Cd(II)的吸附能力更强（分别为81和39毫克/克）。•3. 电化学性质和比表面积决定了吸附效率。引言野火是当今世界上最具破坏性的自然灾害之一。随着这类灾害的规模、强度和频率不断增加，
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1. 利用森林燃料制造生物炭，从而减少野火和重金属污染。
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2. 阔叶树生物炭对Pb(II)/Cd(II)的吸附能力更强（分别为81和39毫克/克）。
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3. 电化学性质和比表面积决定了吸附效率。
引言
野火是当今世界上最具破坏性的自然灾害之一。随着这类灾害的规模、强度和频率不断增加，情况愈发严峻[1,2]。根据联合国环境规划署和全球资源信息数据库（GRID Arendal）的最新报告，到2030年全球极端野火数量预计将增加14%，到本世纪中叶增加30%，到2100年则增加50%[3]。2023年，加拿大的野火烧毁了1500万公顷的土地，创下了纪录[4,5]；野火不仅对人类生命和财产构成威胁，还会危害生态系统和生物多样性[[6], [7], [8]]。面对这一严峻挑战，通过计划性燃烧及其他方法科学管理地表燃料，降低森林冠层下的燃料负荷，进而降低火灾风险，已成为预防重大野火的关键科学手段之一。
森林地表燃料在森林火灾的引发和燃烧过程中起着核心作用。其过度积累是导致极端野火的主要原因。因此，管理森林地表燃料是一种国际公认的防火策略。然而，传统管理方法如机械清理和计划性燃烧存在成本高、危险性大、碳排放多以及生物质浪费等问题，这些都是亟需解决的技术难题。这些问题也阻碍了大规模防火措施的实施[9,10]。生物炭技术被视为解决森林燃料管理相关问题的潜在方案。该技术可将森林燃料转化为可用材料，降低野火风险，同时有助于实现碳中和并控制环境污染。
生物炭技术已被广泛用于高价值的环境废物回收与再利用。由富含木质素的原料如秸秆、树叶和树枝制成的生物炭具有优异的质量特性。已有大量研究探讨了不同类型生物炭的吸附能力及机制，并发表了相关研究成果。生物炭具有丰富的孔隙结构、大量的表面官能团以及较大的比表面积。通过吸附传质过程，生物炭能够将水溶液中的重金属转移到其表面，这些重金属会通过物理或化学作用固定在生物炭表面[11]。与其他去除方法（离子交换、超临界流体萃取、过滤、电渗析、沉淀、微生物系统以及电化学方法）相比，吸附操作简单，且对低浓度污染物的去除效率很高。这些特点使得吸附成为一种经济高效的重金属修复技术[12]。不过，目前尚无关于森林地表燃料吸附性能及机制的系统研究报道。这类燃料属于优质原材料，亟需进行加工处理。
技术的进步推动了新型分析方法的广泛应用，这些方法可用于预测生物炭的吸附能力并阐明其背后的机制。尽管机器学习已被广泛用于预测吸附条件对生物炭吸附性能的影响，但运用机器学习研究生物炭的物理化学性质对其吸附性能的影响的相关研究仍然较少，值得进一步探索[[13], [14], [15]]。随机森林算法是一种已被证明能有效预测生物炭吸附性能的机器学习模型[16]。SHAP算法对变量共线性更具抵抗力，有助于为机器学习模型生成更可靠且易于理解的结果[17]，王等人曾利用该技术预测生物炭的燃烧性[18]。此外，生物质成分复杂，这会导致所制生物炭的物理化学性质也存在差异。要研究生物炭性质与吸附能力之间的关系，以及前者对后者的影响，就需要更先进的分析方法。结构方程建模是一种复杂的统计技术，可用于研究变量之间的因果关系。它能够分析生物炭性质与吸附能力之间的因果关联。构建综合模型有助于量化各种物理化学性质对吸附能力的直接和间接影响路径，从而系统地揭示其复杂的作用机制[19]。
总之，利用森林地表燃料生产生物炭，并研究其吸附性能及机制，是一种可持续且创新的办法，它将低成本防火措施与污染控制相结合[20]。
本研究以北亚四种典型树种（Larix gmelinii、Pinus sylvestris var. mongolica、Quercus mongolica和Fraxinus mandshurica）下的地表燃料（新鲜落叶）作为研究对象。通过300至700摄氏度不等的温度（温度间隔为100摄氏度）进行热解得到的生物炭被用来解答以下科学问题：为获得理想的研究结果，需要考虑以下三点：（1）需利用等温吸附模型和动力学吸附模型来确定生物炭对Zn(II)、Pb(II)、Cd(II)和Cr(VI)离子的吸附效率；（2）需将吸附模型的结果与FT-IR和XPS分析结果相结合，以阐明这四种离子的吸附机制；（3）需将机器学习预测结果与结构方程建模相结合，以此确定生物炭的物理化学性质对其吸附重金属离子效率的影响路径。
本研究在可燃材料管理模型、生物炭原料选择以及统计方法方面均展现出创新性。研究认为，这些创新有助于提升森林的碳固存能力、经济价值及生态服务功能，进而推动碳中和战略的发展。
章节摘要
材料准备
研究材料取自东北亚地区常见的四种树木的新鲜落叶，这四种树木分别为：Larix gmelinii、Pinus sylvestris var. mongolica、Quercus mongolica和Fraxinus mandshurica。在经过一系列净化处理去除杂质后，原材料会经过自然风干，使其质量达到平衡状态，之后再进一步处理
生物炭的物理化学性质
如补充表2–4所示，生物炭的产率及其物理化学性质会受到制备温度和树种的影响。
随着制备温度的升高，生物炭的碳含量呈上升趋势，而其产率、氮含量、含氧官能团含量、H/C比值以及O/C比值则显著下降。H/C比值和O/C比值是反映生物炭芳香性和极性的两个重要指标；它们的
结论
本研究系统研究了东北亚四种典型森林地表燃料（Larix gmelinii、Pinus sylvestris var. mongolica、Quercus mongolica和Fraxinus mandshurica）在不同热解温度（300–700摄氏度）下制备的生物炭对Cd(II)、Pb(II)、Zn(II)和Cr(VI)的吸附性能，系统比较了这四种金属离子吸附能力的差异，并结合机器学习、SHAP算法以及PLS-SEM模型，量化了各种物理化学性质对吸附性能的直接和间接影响
CRediT作者贡献说明
张伟龙：数据整理、研究实施、方法设计、结果可视化、初稿撰写。王立轩：正式分析、研究实施、方法设计、初稿撰写。张瑞杰：研究实施、方法设计。叶东明：研究实施。张曼：结果可视化。赵凤军：资金筹集、资源协调。杨光：概念构思、资金筹集、方法设计、项目管理、资源协调、修改润色。
致谢
国家林业和草原局“三北防护林工程关键技术研究”专项项目（202401），中国国家自然科学基金”（32371881），中国林业科学研究院基础研究业务专项基金”（CAFYBB2024ZA004）。
Weilong Zhang|Lixuan Wang|Ruijie Zhang|Dongming Ye|Man Zhang|Fengjun Zhao|Guang Yang
