《Frontiers in Forests and Global Change》：Fostering the forest circular bioeconomy to combat climate change by producing biochar from conifer and broadleaf stands
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碳(C)和氮(N)在土壤中通过影响物理、化学和生物学性质发挥关键作用，从而决定土壤肥力与整体健康。生物炭是一种富含碳的材料，含其他元素，可通过改善土壤质量和养分有效性促进植物生长。然而，其总碳和总氮浓度因原料类型和热解条件等因素而异。本研究评估了树种、树木组分
碳(C)和氮(N)在土壤中通过影响物理、化学和生物学性质发挥关键作用，从而决定土壤肥力与整体健康。生物炭是一种富含碳的材料，含其他元素，可通过改善土壤质量和养分有效性促进植物生长。然而，其总碳和总氮浓度因原料类型和热解条件等因素而异。本研究评估了树种、树木组分和热解时间对生物炭总碳、总氮及碳氮比(C/N)的影响。生物炭由三种针叶树种（辐射松 Pinus radiata D. Don、欧洲赤松 Pinus sylvestris L.、海岸松 Pinus pinaster Aiton）和三种阔叶树种（白桦 Betula alba L.、夏栎 Quercus robur L.、板栗 Castanea sativa Mill.）制备。此外，从每种树种采集三个树木组分（枝条、凋落物、绿叶），在300?°C下热解30、60和120?min。结果表明，总体而言，针叶树种生产的生物炭比阔叶树种生物炭具有更高的总碳浓度和C/N比。相反，阔叶树种生物炭通常含更高总氮浓度。树木组分也显著影响生物炭组成。枝源生物炭总碳浓度最高，而绿叶源生物炭总氮浓度最高。此外，无论树种和树木组分如何，热解时间对总碳、总氮浓度和C/N比均有显著影响，但程度较小。这些发现凸显了树种、树木组分和热解时间对生物炭化学成分的影响，为利用森林残留物生产适合改善土壤性质和支撑可持续农业管理的生物炭提供了宝贵见解。
研究背景与立项依据
在全球气候中和与循环生物经济背景下，欧盟森林年产生大量木质残留物，其中仅约70%被妥善管理。将森林残留物转化为生物炭既可改进废弃物的管理，又可通过土壤碳(C)固存减缓气候变化，同时改善土壤肥力。已有研究多聚焦农业残留物或少数木本原料，并在较高热解温度（通常>400?°C）下开展；关于同一热解条件下树种、树木组分（枝条、凋落物、绿叶）与热解时间三者联合作用，尤其针对西班牙加利西亚主要森林树种的比较研究仍较缺乏。为此，研究人员以加利西亚西北代表性针叶与阔叶人工林为对象，在300?°C低温条件下系统评价上述三因素对生物炭总C、总N及C/N比的影响，以指导面向土壤改良与C固存的原料筛选。该论文发表于《Frontiers in Forests and Global Change》。
主要技术方法概括
研究人员于2021年9月在西班牙加利西亚西北部采集6种代表性树种（3针叶：Pinus radiata、Pinus sylvestris、Pinus pinaster；3阔叶：Betula alba、Quercus robur、Castanea sativa）的枝条、凋落物、绿叶三类组分，45?°C烘干至恒重。采用马弗炉陶瓷坩埚在限氧条件下以300?°C分别热解30、60、120?min，每组合3次重复。生物炭研磨均质后，使用LECO CNS-2000元素分析仪测定总C、总N，计算C/N比。统计采用SAS进行三因素因子方差分析(ANOVA)及LSD多重比较（α=0.05）。
研究结果
3.1 树种效应
针叶源生物炭总C与C/N比显著高于阔叶源，阔叶源总N更高，印证针叶原料木质素与蜡质含量更高。
3.2 热解时间效应
在30、60、120?min间，针叶源总C与C/N仍高于阔叶源；总N在两类间无显著差异；热解时间本身对总C、总N、C/N的主效应在大多数组中不显著。
3.3 碳：树种与热解时间交互
枝源生物炭总C为63.6%–73.0%，凋落物源59.0%–68.8%，绿叶源61.7%–71.2%。针叶种（尤其P. pinaster）在各组分均高于阔叶种（Q. robur、C. sativa最低）。热解时间仅对Q. robur凋落物源有影响（30?min高于120?min）。
3.4 氮：树种与热解时间交互
枝源总N 0.89%–2.11%，凋落物源1.8%–4.3%，绿叶源2.0%–3.6%。P. sylvestris在多数处理中N较高，阔叶白桦绿叶30?min最高；热解时间仅显著改变P. radiata枝源（120?min降低）与P. pinaster凋落物源（60?min升高）。
3.5 C/N比：树种与热解时间交互
枝源C/N 32.47–68.57，凋落物源16.02–37.39，绿叶源18.64–35.70。P. radiata枝源C/N最高；热解时间仅显著改变枝源中P. radiata（120?min升）与P. pinaster（30?min高于120?min）。
讨论总结
生物炭质量由原料化学构成主导。针叶种高C源于高木质素与蜡质，形成芳香化稳定结构，利于长期C固存与土壤物理改良；阔叶种高N利于养分供给但矿化较快。组分上枝条木质化程度高、绿叶N化合物（如精氨酸）丰富。300?°C低温下延长驻留时间对多数样品元素组成改变有限，说明短期低温热解即可获得性质稳定的生物炭，且能节约能耗。研究者指出，实际施用需依目标（C固存宜高C/N，供氮宜低C/N）调配原料，必要时配施富N肥料。
结论部分翻译
生物炭的C、N水平及C/N比受树种与树木组分等多因素影响，热解时间影响较小。针叶源生物炭比阔叶源具有更高C与更低N，可能源于针叶种更高木质素含量。这些差异凸显原料选择对获取目标属性生物炭的重要性。优化原料选择对生产适于土壤改良或C固存减缓气候变化的生物炭至关重要。因此应考虑适当原料混合以依应用需求平衡C/N比。进一步研究应在田间条件下从生产力和土壤C固存角度评估不同树种、组分及热解时间生物炭对土壤特性的长期效应。
