玉米秸秆相较于其衍生生物炭表现出更强的碳固存能力和更好的可操纵性

《Global and Planetary Change》：Corn straw exhibits stronger carbon sequestration and better manipuility than its derived biochars

　　

摘要

通过生物炭施用土壤进行固碳已引起广泛关注。然而，目前很少有研究评估生物炭制备及其土壤施用全过程中的固碳效果。本研究通过为期20周的土壤培养实验，对比了玉米秸秆及其衍生生物炭。系统表征了生物质和生物炭的碳损失及理化性质。结果表明，以1 g玉米秸秆为参照单位，生物质损失0.28 g碳，与热水解生物炭相当，而热解生物炭损失0.34 g。尽管热解可将碳富集于固体产物中，但这些碳中大部分仍为活性碳。此外，在制备过程中用Zn、Fe或K进行改性会加剧碳损失，导致总体碳损失显著增加。因此，在考虑生物炭生产所伴随的能量和设备投入时，玉米秸秆相较于其衍生生物炭表现出更高的固碳效能和更好的过程灵活性。这些发现呼吁重新审视生物炭的广泛使用是否真正有助于减碳。

引言

生物质从史前时代一直伴随人类至现代。随着减碳意识的不断增强，生物质的利用效率成为释放其全部经济和环境潜力的重要课题（Lebrun等人，2022）。生物质的主要转化技术包括生化路线、物理化学路线和热化学路线（Wang等人，2022；Yang等人，2024）。其中，热化学方法因其简便和快速加工而备受青睐，包括直接燃烧、气化和热解，这些过程均产生生物炭（Waqas等人，2018）。生物炭不仅可作为高效吸附剂，还能促进土壤固碳（Wang等人，2025）。

生物炭通过物理吸附、官能团结合、金属配位和碳酸化捕获CO₂（Li和Tasnady，2023）。它还能提高土壤碳含量和稳定性，从而减少CO₂排放。生物炭表面的官能团通过化学结合或吸附固定土壤中的有机碳（Gao等人，2018；Garau等人，2024；Soria等人，2020），并与金属离子进一步形成有机-矿物-生物炭复合物，增强固碳效果（Si等人，2024；Yan等人，2020）。此外，生物炭通过提供养分和物理保护促进微生物生长（Palansooriya等人，2019），从而增加微生物量并促进碳储存（Ahmad等人，2023）。其微孔还可强吸附小分子有机碳（Cai等人，2022；Chouli等人，2023）。

然而，生物质本身可直接增加土壤有机碳含量（Jiang等人，2025）。微生物分解生物质会释放胞外多糖等有机物质（Yan等人，2024），这些物质与土壤颗粒结合从而增强有机碳，即固碳。木质素是生物质的主要成分，具有相对难降解的结构，分解缓慢（Duarte等人，2024；Steponavi?ien?等人，2023）。其分解产物进一步与土壤矿物相互作用，形成稳定的有机-矿物复合物（Zhang等人，2024a）。综合碳吸收和释放两方面考虑，生物质施用平均增加净固碳量5890.7 kg CO₂-eq·hm^?2·100 d^?1（Li等人，2023）。基于上述对比，生物炭来源的碳在土壤施用过程中比生物质来源的碳更为稳定。然而，应认识到生物炭生产过程本身会排放CO₂并消耗能源，这可通过CO₂排放核算加以衡量（Cai等人，2023；Gao等人，2025）。

从生物炭土壤应用的角度来看，一些研究表明生物炭并非完全稳定，可能发生生物降解。例如，小麦和桉树嫩枝衍生的生物炭在施入土壤后三天内即被快速利用（Farrell等人，2013）。栎木衍生生物炭表现出快速初始分解阶段，随后缓慢下降（Jiang等人，2016）。生物炭中的活性碳水化合物组分在土壤中迅速矿化，从而削弱其固碳潜力（Bruun等人，2011）。此外，微生物对生物炭的利用程度受热解温度的强烈影响（Luo等人，2018）。这些观察提出了一个关键问题：在考虑整个生产和应用周期时，生物炭在固碳方面是否真正优于生物质本身？

为解决这一问题，本研究选择玉米秸秆作为主要研究对象。通过为期20周的土壤培养实验，对比了原始秸秆及其衍生生物炭。系统量化并比较了制备和培养过程中的碳损失。在整个培养期间，对生物质和生物炭进行了表征，并测定了土壤酶活性。这些综合研究使我们能够判断生物炭在土壤固碳方面是否优于生物质。

章节摘要

生物质与生物质衍生炭

本研究使用了三种生物质：玉米秸秆（CS）、柚子皮（PP）和松木锯末（PS）。所有样品均干燥并研磨至通过5 mm筛。热分解分析（图S1，支持信息）表明CS主要在300至450 °C之间分解。这些温度与文献中报道的典型热解条件良好吻合（Gao等人，2025；Waqas等人，2018），因此本研究据此选择这些条件。每种生物质分别在

碳含量随时间的变化

最初，CS在土壤中的碳含量为0.9516 g（图2A）。2周后急剧下降至0.4586 g，随后在第10周逐渐降至0.4028 g，最终在第16周后稳定在0.1111 g至0.2384 g之间。CS衍生的生物炭同样在前2周内表现出显著的碳损失：HC从0.9478 g降至0.4570 g（图2B），CS300从1.2780 g降至0.7533 g（图2C），CS450从1.3255 g降至0.7958 g（图2D）。在此后的18周内，

结论

本研究以玉米秸秆为原料合成热水解和热解生物炭。将原材料及其衍生生物炭应用于土壤培养进行固碳。尽管热解可将碳富集于生物炭基质中，但其中大部分碳仍可降解。综合考虑制备和培养过程中的碳损失，生物炭出乎意料地表现出比原始生物质更大的总碳损失。生物炭制备过程中的金属改性进一步增加了

作者贡献

Yin Shupei和Linmin Lao参与实验设计、数据获取与分析以及论文撰写。Xiaoying Zhuang参与数据综合与解释。Xiaoying Zhuang参与表征工作。Guangren Qian提供资源。Jia Zhang对论文进行关键修订。

CRediT作者贡献声明

Shupei Yin：撰写——初稿，调查。Linmin Lao：调查。Jiangping Zhong：数据整理，概念构思。Xiaoying Zhuang：方法论，调查。Guangren Qian：监督，资源。Jia Zhang：撰写——审阅与编辑，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明，不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本项目获得上海市2023年科技创新行动计划（23DZ1201400）资助。感谢上海大学仪器分析与研究中心在样品表征方面的帮助。

Yin Shupei|Linmin Lao|Jiangping Zhong|Xiaoying Zhuang|Guangren Qian|Jia Zhang

上海大学环境与化学工程学院，绿色城市采矿与产业生态中心，上海市南苑路381号，上海200444，中国