一种新型的生物炭

作者： 王冰玉，冯彦房*

导读： 水热炭（hydrochar）作为一种新型的生物炭，在农业和环境应用中显示出一定的优势，具有良好应用前景。 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所面源污染团队 在水热炭的农业环境应用及效应方面开展了系列研究工作。水热炭作为土壤添加剂施用后，其环境功能可能会发生改变，其性质的变化对土壤施用的影响不容忽视。考虑到水热炭和传统的高温热解生物炭（pyrochar）的理化性质有显著差异，而自然老化对水热炭性质的影响仍然不明确。因此，本研究以麦秸为原料，分别在220℃和260℃条件下制备水热炭并还田，在稻麦轮作体系中进行了为期16个月的自然老化试验，并定期采样探究水热炭的表面特征和可溶性有机成分在这个过程中的变化规律和趋势。本研究将有助于从农业生态系统和环境角度更好地理解水热炭作为土壤添加剂使用的潜力。以上相关结果发表在 Environmental Pollution 上。

水热炭的稳定性是施加进入土壤后需关注的问题，然而目前还缺少关于水热炭自然老化的相关研究。稻麦轮作体系是一种关键的农业生产系统，可作为农业生态系统的典型代表；此外，稻麦轮作也可以模拟干湿条件，有利于水热炭的自然老化过程。本研究将麦秸水热炭（标记为WHC220和WHC260）应用于稻麦轮作系统，通过对自然老化后第4个月和16个月的水热炭进行采样表征（分析分别标记为WHC220-A4 /A16和WHC260-A4 /A16），探究了自然老化过程对水热炭表面特征及其可溶性有机成分理化性质的影响。

研究表明，在16个月的老化过程中，由于可溶性有机质的淋滤以及与矿物和微生物等的相互作用，使得老化后的水热炭的亲水性/极性指数明显下降，孔隙度、灰分和稳定性显著增加。此外，老化后的水热炭具有较少的C-OH，较多的C=O和较高的芳香度(C-C/C=C)。

表1 原始和老化水热炭的元素组成和原子比

图3 原始和老化水热炭中水提液样品的Van Krevelen图。(a) WHC220 原始水热炭；(b) WHC220-A4老化水热炭；(c) WHC220-A16 老化水热炭；(d) WHC260 原始水热炭；(e) WHC260-A4老化水热炭；(f) WHC2260-A16 老化水热炭；(g) 七组成分的V-K区域分布图；(h) 不同水提液样品中7类有机组分的相对丰度。

图4 原始和老化水热炭中水提液样品中不同化合物（CHO、CHON1和CHON2）的Van Krevelen图。(a) WHC220 原始水热炭；(b) WHC220-A4老化水热炭；(c) WHC220-A16 老化水热炭；(d) WHC260 原始水热炭；(e) WHC260-A4老化水热炭；(f) WHC2260-A16 老化水热炭。  

本研究工作指出了水热炭的理化性质和可溶性有机成分的分子变化规律，对于预测水热炭作为土壤添加剂在农业生态系统的长期效应十分重要。从环境的角度看，水热炭理化性质的变化将进一步影响溶解有机物的释放或对污染物的固定。因此，研究水热炭理化性质变化的结果对其农业生态系统和环境应用具有重要意义。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749120367269