Biochar | 過去20年對生物炭研究的科學(xué)計量學(xué)分析
2019-06-11
作者：Ping Wu, Syed Tahir Ata Ul Karim, Bhupinder Pal Singh, Hailong Wang, Tongliang Wu, Cun Liu, Guodong Fang, Dongmei Zhou, Yujun Wang, Wenfu Chen
來源：Biochar 創(chuàng)刊號
論文鏈接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-019-00002-9
近年來，“生物炭（biochar）”一詞越來越多地出現(xiàn)在科學(xué)期刊以及媒體報道中。Biochar 是bio-charcoal 的縮寫，于2007年澳大利亞第一屆國際生物炭會議上取得統(tǒng)一命名。關(guān)于生物炭的定義很多，目前公認(rèn)的和標(biāo)準(zhǔn)化的定義是由國際生物炭組織（International Biochar Initiative, IBI）提出的，即生物炭是植物或廢棄的原料通過熱裂解而產(chǎn)生的固體材料(IBI 2012)。生物炭由于其特殊的性質(zhì)，越來越廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)生物炭能夠?qū)⑻脊潭ㄔ谕寥乐?，從而緩解全球氣候變化。同年，Chan 等發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤中可以提高N 肥利用率和土壤質(zhì)量。
此后，研究者又發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)熱解是一種高效生產(chǎn)生物能源的方法。隨著人類社會的發(fā)展，越來越多的有機和無機污染物排放到環(huán)境中。有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠有效地去除水體和土壤中的有毒金屬和有機污染物，減少它們的生物可利用性。隨著對生物炭的深入了解，研究者開展了不同功能化生物炭改性技術(shù)來提高生物炭的環(huán)境功能，促進環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。
雖然大量的文獻(xiàn)報道了生物炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的功能，但是長期施入生物炭后其獨特的性質(zhì)會改變，進而影響生物炭的功能。更重要的是，研究者還發(fā)現(xiàn)，生物炭對生態(tài)系統(tǒng)具有潛在風(fēng)險，在生物炭大規(guī)模應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境之前，必須考慮它對健康和安全的影響。生物炭特殊的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，極大地影響了生物炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面的作用、功能和應(yīng)用。
因此，需要運用科學(xué)計量學(xué)分析生物炭在生產(chǎn)和應(yīng)用方面的研究進展和當(dāng)前的研究前沿，預(yù)測生物炭未來的環(huán)境行為和發(fā)展趨勢，建立與其他學(xué)科之間的聯(lián)系，為研究者更好的發(fā)揮生物炭的優(yōu)勢提供理論支撐。
1 近二十年來（1998-2018）生物炭研究的發(fā)展歷程
采用陳超美博士開發(fā)的CiteSpace 軟件，基于文獻(xiàn)計量學(xué)方法分析了近20年來生物炭研究的發(fā)展歷程。截止到2018年9月16日，從Web of science 核心合集搜索關(guān)鍵詞為“biochar”的文獻(xiàn)共有7631篇，其中第一篇關(guān)于生物炭的論文發(fā)表于1998年。圖1是關(guān)于生物炭研究每年發(fā)表的文章數(shù)量和累計發(fā)表數(shù)量。從圖中可以看出，從2010年開始，關(guān)于生物炭的論文發(fā)表的數(shù)量急劇上升，這充分說明生物炭的相關(guān)研究成為環(huán)境領(lǐng)域的熱點。
關(guān)鍵詞能反映每一篇論文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點，分析關(guān)鍵詞可以揭示該研究領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)。將關(guān)于生物炭的文獻(xiàn)全部導(dǎo)入到CiteSpace 軟件中，利用CiteSpace 軟件對文獻(xiàn)中與生物炭相關(guān)的關(guān)鍵詞進行檢索。在這個過程中，將具有相同含義的關(guān)鍵詞，如“contamination”和“pollution”，“Pb”和“lead”，“Cu”和“copper”等合并成一個詞。根據(jù)生物炭的文獻(xiàn)發(fā)表情況，我們將關(guān)鍵詞的網(wǎng)絡(luò)圖分析劃分為三個階段：1998-2010年、2011-2015年、2016-2018年。
圖2總結(jié)出1998-2018年關(guān)于生物炭的研究方向和發(fā)展趨勢，表1是1998-2018年期間不同時期與生物炭相關(guān)的前20個關(guān)鍵詞，圖3、4和5分別是1998-2010、2011-2015和2016-2018年期間關(guān)于生物炭研究的關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)圖。從表1和圖3、4和5中可以看出，關(guān)鍵詞和研究節(jié)點數(shù)量隨時間不斷增加，各節(jié)點之間的交叉融合也隨之增強，這些研究結(jié)果都表明，關(guān)于生物炭的研究隨時間不斷發(fā)展并呈現(xiàn)多元化趨勢。
2 生物炭研究的發(fā)展和趨勢（1998-2010）
1998-2010年期間共有194篇關(guān)于生物炭的論文發(fā)表，關(guān)鍵詞的網(wǎng)絡(luò)圖也比較簡單（圖3）。從圖中可以看出，一些節(jié)點的外圈有紫色的圓環(huán)，表明這個節(jié)點有很高的中介中心性。“Biochar”，“Black carbon”和“Charcoal”是這個網(wǎng)絡(luò)中最重要的三個節(jié)點，也是這個階段主要的研究內(nèi)容。“Biochar”和“Charcoal”都屬于“Black carbon”，在2010年以前，研究者對各種碳材料有了一個簡單的區(qū)分并且對生物炭有了初步的了解。關(guān)鍵詞“Soil”出現(xiàn)的頻率在“Biochar”，“Black carbon”和“Charcoal”之后，說明研究者開始關(guān)注生物炭施入土壤中土壤環(huán)境的變化。
Zimmerman 研究發(fā)現(xiàn)，生物炭難以通過非生物過程氧化，在土壤中的礦化率很低。因此，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭并將其應(yīng)用于土壤中被視為一種長期固炭的方法。
有研究表明，生物炭改良土壤可減少土壤中CO2、CH4、N2O等溫室氣體的排放，對改善全球氣候有很大的貢獻(xiàn)。此外，植物生長實驗結(jié)果表明，在鐵鋁土中施入紙漿生物炭能夠改善土壤質(zhì)量，促進植物生長，并降低鋁（Al）的生物可利用性。
關(guān)鍵詞“sorption”出現(xiàn)的頻率很高，這是由于在1998-2010年期間，土壤污染問題很嚴(yán)重，學(xué)者們開始研究生物炭對水體和土壤的修復(fù)作用。
Chen 等認(rèn)為，隨著生物炭裂解溫度的升高，生物炭對疏水性有機污染物（hydrophobic organic compounds,HOCs）的去除從分配作用為主轉(zhuǎn)變?yōu)槲阶饔脼橹鳎溲芯拷Y(jié)果為有機污染物的去除提供了新的研究思路。土壤中添加5%的木屑生物炭也能夠增加土壤對阿特拉津和乙酰胺的吸附，這是土壤有機質(zhì)增加的結(jié)果。牛糞生物炭中富含碳酸鹽和磷酸鹽礦物，可通過形成Pb9(PO4)6 和Pb3(CO3)2(OH)2 礦物有效的固定土壤和水體中的Pb。
此外，添加生物炭還能提高土壤pH，這也是促進Pb 固定的另一個因素?？傮w來說，在1998-2010年期間，學(xué)者們對生物炭有了基本的了解，初步的研究結(jié)果表明，生物炭具有固炭、緩解氣候變化、改良土壤質(zhì)量、增加作物產(chǎn)量、修復(fù)重金屬和有機化合物污染的作用。但是，這些研究只涉及幾種類型的生物炭、土壤和污染物，潛在的作用機制還未解釋清楚。
3 生物炭研究的發(fā)展和趨勢（2011-2015）
2010年以來，關(guān)于生物炭的文獻(xiàn)大量增加，其中2011-2015年期間共發(fā)表2521篇關(guān)于生物炭的論文。與1998-2010年相比，生物炭的研究呈現(xiàn)出明顯的多樣化和發(fā)展趨勢，關(guān)鍵詞、節(jié)點和交叉線都有明顯地增加。
根據(jù)關(guān)鍵詞的可視化和統(tǒng)計分析，2011-2015年期間生物炭研究主要分為五個區(qū)域：生物炭生產(chǎn)、生物炭和全球氣候變化、土壤質(zhì)量和植物生長、有機污染物去除、重金屬固定。
3.1 生物炭生產(chǎn)
2011-2015年期間，發(fā)表的文章詳細(xì)介紹了生物炭生產(chǎn)的細(xì)節(jié)和生物炭的性質(zhì)。生物炭生產(chǎn)技術(shù)主要為熱處理，其中包括慢速和快速熱解，氣化，烘焙和水熱炭化。其中，慢速熱解條件與自然產(chǎn)生黑炭的燃燒過程相似，更有利于高效生產(chǎn)生物炭。
一般認(rèn)為，通過熱裂解產(chǎn)生的生物炭性質(zhì)主要受生物質(zhì)原料和熱解溫度的影響。一方面，生物炭的堿性、pH、灰分含量、比表面積和芳香性隨著生物炭裂解溫度升高而增加，而生物炭產(chǎn)量、陽離子交換量（cation exchange capacity, CEC）、表面官能團含量和極性隨著熱處理溫度升高而降低。另一方面，原料的性質(zhì)對生物質(zhì)組分的熱解過程和生物炭性質(zhì)也有重要影響。作物秸稈生物炭的產(chǎn)量和含碳量均高于竹炭和木材生物炭。以木質(zhì)素含量較高的生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的生物炭，由于木質(zhì)素的熱分解作用相對較低，生物炭通常具有較高的產(chǎn)量和含碳量。由于畜禽糞便和固體廢棄物制備的生物炭灰分含量高，與農(nóng)作物秸稈和木材生物質(zhì)相比，畜禽糞便和固體廢棄物生產(chǎn)的生物炭一般具有較高的產(chǎn)量。
將廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭的用途之一是通過熱解生產(chǎn)生物燃料（例如生物燃?xì)饣蛘呱锛状迹┖蜕锬茉磧Υ娌牧希ɡ绯夒娙萜?、鋰離子電池和燃料電池。生物燃料和生物能源儲存材料的生產(chǎn)同樣受到原料和熱處理過程（熱處理溫度，加熱速度，反應(yīng)時間）的影響。
該期間有很多的文獻(xiàn)報道了生物炭對生物體的毒性。生物質(zhì)炭化過程可產(chǎn)生污染物，主要包括多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）和重金屬。這些污染物的組成和濃度受原料和熱處理過程的影響極大。中等溫度（350-550°C）制備的生物炭中溶劑萃取的PAHs 的濃度最大，當(dāng)熱解溫度升高時（>600°C）生物炭中PAHs 的濃度降低。此外，PAHs 的濃度隨著熱解時間的增加也降低?？焖贌峤夂蜌饣a(chǎn)的生物炭中總PAHs 的濃度比慢速熱解產(chǎn)生的生物炭高。
同時，學(xué)者們也研究了生物炭中PAHs 的生物可利用性。Hale 等利用分配系數(shù)計算了生物炭中PAHs 的生物可利用性，結(jié)果表明，生物炭中PAHs 的生物可利用性濃度非常低，可以忽略不計。Freddo 等的研究結(jié)果也表明，生物炭中的PAHs 對生物體造成的風(fēng)險很低。
生物炭中重金屬的風(fēng)險，主要來源于含高濃度重金屬的污泥、畜禽糞便等原料。污泥或畜禽糞便轉(zhuǎn)化為生物炭后，重金屬(Pb,Cd,Zn,Cu,Ni,Mo 和Cr)含量顯著增加，甚至超過一些安全標(biāo)準(zhǔn)。盡管生物炭中重金屬含量高，但大部分重金屬是以可還原形態(tài)、可交換形態(tài)和殘渣態(tài)存在，重金屬的生物可利用性低。
此外，生物質(zhì)中重金屬的生物可利用性和生態(tài)毒性在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭后顯著降低，這是因為生物中可交換態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的形態(tài)。然而，在含有畜禽糞便生物炭的懸液中，種子發(fā)芽受到明顯的抑制，這可能由生物炭中親水性可生物降解物質(zhì)（如揮發(fā)性脂肪酸，含N有機化合物）所導(dǎo)致，該研究為生物炭的植物毒性研究提供了新的思路。
Liao 等發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)熱解過程中產(chǎn)生了大量的持久性自由基（persistent free radicals, PFRs），能夠抑制植物生長，這為研究生物炭應(yīng)用的潛在環(huán)境風(fēng)險提供了一個新角度。
3.2 生物炭和全球氣候變化
1998-2010年期間，生物炭研究集中在生物炭在土壤固碳和溫室氣體減排方面的作用。2011-2015年期間，該方面研究不斷增加，表明研究者的研究興趣在不斷增加。期間，研究者從C、N 循環(huán)的角度全面分析了生物炭在緩解全球氣候變化方面的貢獻(xiàn)。研究內(nèi)容覆蓋不同種類的土壤和生物炭，有利于探究規(guī)律，解釋生物炭對緩解全球氣候變化的作用。
隨著研究時間維度的增加，探索生物炭改良對土壤C、N循環(huán)的影響更能反映實際情況。1998-2010年的研究表明，由于生物炭性質(zhì)穩(wěn)定，不易降解，可在土壤中長期穩(wěn)定存在的性質(zhì)，廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭可以有效固炭。因此，生物炭的穩(wěn)定性對緩解溫室氣體排放具有重要意義。
2011-2015年發(fā)表的文獻(xiàn)全面、詳細(xì)地介紹了生物炭在土壤中的穩(wěn)定性。一般來說，熱處理溫度越高，反應(yīng)時間越長，生物質(zhì)的木質(zhì)素含量越高，產(chǎn)生的生物炭穩(wěn)定性越高。Li 等的研究表明，礦物（高嶺土、方解石、磷酸二氫鈣）的添加增強了生物炭的穩(wěn)定性，為制備具有高固炭能力和穩(wěn)定性的生物炭提供了新的思路。
Anderson 等從微生物群落變化角度，系統(tǒng)解釋了溫室氣體N2O 排放減少的機制，他們的研究指出，生物炭施入土壤中，參與硝化作用的微生物量減少，而參與反硝化作用的微生物量增加。
Cornelissen 等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對N2O 的吸附是N2O 排放量減少的另一種機制。Karhu 等也指出，生物炭添加到土壤中可以增加土壤對溫室氣體CH4 的吸收。Van Zwieten等利用15N 同位素分餾技術(shù)證明土壤中N2O 排放量減少是因為生物炭的施入增加了N2O 還原酶(nosZ)的活性?？傮w來說，生物炭改良土壤中溫室氣體（CO2，CH4，N2O）的釋放是非生物機制和生物機制共同介導(dǎo)的，這些介導(dǎo)機制與生物炭和土壤性質(zhì)有關(guān)。
3.3 土壤質(zhì)量和植物生長
2011-2015年期間，關(guān)于生物炭改良后土壤質(zhì)量和植物生長的研究以田間實驗為主，全面闡釋了不同農(nóng)業(yè)土壤、生物炭和生物炭施入量對土壤質(zhì)量和植物生長的影響。生物炭改良土壤能夠降低土壤密度和抗張力強度，提高土壤質(zhì)量。生物炭施入能提高土壤pH、土壤有機碳含量、土壤持水能力和陽離子交換量，從而減輕土壤退化，抑制土壤酸化，提高土壤的養(yǎng)分利用率。生物炭能夠截留N、P、K 等營養(yǎng)元素，促進反硝化作用，同時，自身也可釋放一些無機離子（如N、P、K、Ca、Mg、Si），提高土壤肥力，促進植物生長。
Yao 等利用具有高效吸附P的功能生物炭，將吸附P 的生物炭作為一種有效的緩釋磷肥在土壤中循環(huán)利用，為制備釋放特定營養(yǎng)物質(zhì)的功能生物炭提供了一種持續(xù)、環(huán)境友好型新方法。
但是，Rajkovich 等發(fā)現(xiàn)生物炭對植物生長具有負(fù)面影響，在土壤中添加7%的固體廢物生物炭后，玉米的生長受到抑制。同樣，在土壤中添加4.5%的橡樹生物炭也抑制了小麥的生長。抑制作用的原因可能是土壤中生物炭施入量過高，導(dǎo)致土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的生物可利用性低或生物炭釋放了過多的堿（土）金屬和植物毒性物質(zhì)。
3.4 有機污染物的去除
基于Chen 等提出的分配和吸附理論，越來越多的研究致力于生物炭對有機污染物的去除及其潛在機制。研究者將吸附作用力分為：π-π 相互作用，H 鍵，孔隙填充和疏水作用。在吸附過程中，分配作用和H 鍵的貢獻(xiàn)隨著熱解溫度升高而降低，而π-π 相互作用、孔隙填充和疏水作用的貢獻(xiàn)隨著熱解溫度升高而增加。Sun 等發(fā)現(xiàn)，在200-600°C裂解制得的生物炭中，400°C制備的生物炭對達(dá)草滅和氟啶酮的吸附量最大。但是，有研究發(fā)現(xiàn)700°C制備的生物炭對三氯乙烯的吸附量高于300°C制備的生物炭。
Lian 等的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對1,3-二硝基苯和2,4-二氯苯酚的吸附量隨著裂解溫度升高而增加，而生物炭對1,3-二氯苯的吸附量隨著熱解溫度升高而呈直線下降。不同溫度生物炭對HOCs 吸附的差異源于HOCs 性質(zhì)的不同。一般而言，生物炭對極性化合物，如1,3-二硝基苯、2,4-二氯苯酚的去除主要是吸附作用（π-π 相互作用、孔隙填充），對非極性化合物，如1,3-二氯苯的去除主要是分配作用。
離子型有機化合物（Ionizable organic compounds, IOCs）由于其在環(huán)境中的廣泛應(yīng)用和對水生生物的潛在毒性，已有大量的研究發(fā)現(xiàn)生物炭對IOCs 的吸附，吸附機制主要為靜電吸附、表面沉淀、H鍵、π-π 相互作用。生物炭對IOCs 的吸附主要受溶液pH 影響，當(dāng)溶液pH 小于生物炭的等電點，由于靜電排斥和吸附作用（H鍵，π-π相互作用）的貢獻(xiàn)不同，生物炭對IOCs 的吸附隨著溶液pH的增加而增加或變化很小。當(dāng)溶液pH 大于生物炭的等電點，由于靜電排斥作用，生物炭對IOCs 的吸附量隨著溶液pH 的增加而顯著降低。
除分配和吸附外，降解也是一種去除有機污染物的方法。與吸附作用相比，降解可以完全去除環(huán)境中的有機污染物。Oh 等提出，固體廢物或畜禽糞便生物炭中具有高含量的氧化還原活性金屬（如Fe、Cu、Mn），可以促進硝基除草劑的降解。
中國科學(xué)院南京土壤研究所周東美團隊的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭中豐富的PFRs 可以通過活化過硫酸鹽/過氧化氫來降解有機污染物，其研究為有機污染物的降解提供了新的視角。
3.5重金屬的固定
生物炭吸附固定重金屬和類金屬的研究也受到廣泛的關(guān)注，與1998-2010年的研究結(jié)果相比，吸附固定機制更完善。生物炭對幾種常見的重金屬（Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Hg）的吸附機制包括：(i)靜電吸附；(ii)陽離子交換；(iii)重金屬與生物炭表面含氧官能團的絡(luò)合作用；(iv)與生物炭表面陰離子(SiO32-,PO43-,OH-,CO32-)礦物的沉淀作用。
盡管重金屬在各種生物炭上的吸附效率和吸附機理被廣泛研究，但由于生物炭的多樣性，生物炭性質(zhì)與重金屬吸附之間的作用機理仍未完全解析。例如，研究發(fā)現(xiàn)，在400°C裂解條件下，花生、大豆、油菜生物炭對Cu 的吸附主要是通過與含氧官能團的絡(luò)合和靜電吸附作用。
Lu 等發(fā)現(xiàn)，550°C污泥生物炭對Pb 的吸附主要是與含氧官能團的絡(luò)合作用和與礦物陰離子的沉淀作用。Zhang 等指出，450°C水葫蘆生物炭對Cd 的吸附主要是通過與含氧官能團的絡(luò)合和陽離子交換作用。然而，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)陽離子交換作用是農(nóng)業(yè)廢棄物生物炭吸附Pb 和Cd 的主要機制。
盡管生物炭對重金屬的固定機制存在顯著差異，但從2011-2015年發(fā)表的文章中可以總結(jié)出一些有用信息：(i)陽離子交換和表面絡(luò)合作用是低溫制備的生物炭對重金屬吸附的主要機制，但隨著熱解溫度的升高，由于靜電作用和表面沉淀作用的增強，陽離子交換作用的貢獻(xiàn)可以被忽略；(ii)與生物炭上陰離子礦物的沉淀作用是重金屬固定的主要作用，特別是城市污泥和畜禽糞便等富含礦物的生物炭。
除了金屬陽離子，生物炭對金屬陰離子（As,Cr）去除的研究也取得了重大進展。有研究發(fā)現(xiàn)，污泥生物炭中Fe2O3 含量高，而As 可通過內(nèi)圈絡(luò)合的方式吸附到金屬氧化物礦物上，所以污泥生物炭能夠有效的去除As(V)。
基于以上的研究背景，高斌團隊通過制備鐵氧化物負(fù)載的功能生物炭來去除As，他們的研究結(jié)果表明，鐵氧化物負(fù)載的生物炭顯著的提高了As(V)的吸附。錳/鋁/鈣氧化物負(fù)載的生物炭吸附As(V)的研究也有同樣結(jié)果。
1998-2010年期間，研究發(fā)現(xiàn)Cr(VI)在黑炭上的吸附過程主要分為兩步：首先Cr(VI)吸附到黑炭上，隨后Cr(VI)被生物炭上含氧官能團還原為Cr(III)，Cr(III)再通過表面絡(luò)合和沉淀的形式吸附到黑炭上?；谏鲜鲅芯浚l(fā)現(xiàn)Cr(VI)在多種生物炭上的吸附和在黑炭上的吸附機制一致。
同樣，有研究發(fā)現(xiàn)，膨潤土和α-Fe2O3 納米材料負(fù)載的功能生物炭能夠在廣泛的pH 范圍內(nèi)顯著提高Cr(VI)的去除效果，能夠解決在低pH 下生物炭對Cr(VI)的去除效果差的問題。
4 生物炭研究的發(fā)展和趨勢（2016-2018）
與2011-2015年相比，生物炭研究的關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)圖更加復(fù)雜，研究節(jié)點數(shù)量更多，各研究節(jié)點之間的交叉線也更多（圖5）。2016-2018年期間，發(fā)表了4916篇關(guān)于生物炭的文章，文章數(shù)量遠(yuǎn)高于2011-2015年，前20個關(guān)鍵詞和2011-2015年基本相似，說明關(guān)于生物炭的研究熱點基本沒變。
根據(jù)可視化分析和統(tǒng)計分析，2016-2018年生物炭研究主要分為六個領(lǐng)域：生物炭生產(chǎn)、生物炭和全球氣候變化、土壤質(zhì)量和植物生長、有機污染物去除、重金屬固定、生物炭和堆肥。值得注意的是，“生物炭和堆肥”成為新的熱門話題，越來越受到人們的關(guān)注。
4.1 生物炭生產(chǎn)
從圖5可以看出，節(jié)點“Bio-oil”外緣被紫色大環(huán)包圍，表明生物油研究是近年來的熱門話題。2016-2018年間有大量的文獻(xiàn)報道了將生物質(zhì)廢棄物通過熱處理技術(shù)轉(zhuǎn)化為生物油，這是一種可持續(xù)、環(huán)境友好的生物能源生產(chǎn)方法。
此外，先進的反應(yīng)器（例如微波反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器，鼓泡流化床反應(yīng)器等）或技術(shù)（太陽能熱解技術(shù)，熱催化重整技術(shù)等）越來越多的用于生物油的制備。研究者對生物油的性質(zhì)也有了詳細(xì)的了解。
Ghidotti 等采用超高分辨率質(zhì)譜新技術(shù)（傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀，F(xiàn)T-ICR-MS）研究生物油的化學(xué)組成，提高了對熱處理過程中產(chǎn)生的生物油的認(rèn)識。
有關(guān)生物炭的潛在風(fēng)險依然是研究熱點，研究由生物炭對動植物的危害轉(zhuǎn)向生物炭對土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的研究。酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)變化被認(rèn)為是敏感、有效的生物指標(biāo)，是評價土壤生物炭改良存在潛在風(fēng)險的重要指標(biāo)。
盡管上述研究表明生物炭改良在農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面有諸多好處，但是評估生物炭對生態(tài)環(huán)境和人類健康的潛在風(fēng)險仍是至關(guān)重要的。
4.2 生物炭和全球氣候變化
鑒于生物炭在土壤中性質(zhì)相對穩(wěn)定，不易降解的特性，制備具有高穩(wěn)定性的生物炭可以有效的固炭。近年來，越來越多的研究致力于提高生物炭的穩(wěn)定性，這些方法包括：（I）將生物質(zhì)和礦物共同炭化，制備富含礦物的生物炭；（II）土壤礦物與生物炭混合老化，生物炭表面礦物含量增加。這些功能生物炭將會提高生物炭的穩(wěn)定性和固炭能力，有效的緩解全球氣候變化。
同時，越來越多的研究致力于微生物參與的生物炭改良土壤中N2O/CH4 的釋放。由生物炭誘導(dǎo)的N2O 還原菌的產(chǎn)生和發(fā)展有可能降低土壤中N2O 的排放。
Wang 等發(fā)現(xiàn)，生物炭改良可以降低反硝化細(xì)菌的豐度，從而降低土壤中N2O 的排放，同時，增加鐵還原細(xì)菌的豐度，促進CH4 的排放。
但是，也有研究表明，生物炭的施入能夠降低水稻土中CH4 的釋放，這是因為產(chǎn)甲烷菌活性降低，甲烷氧化菌活性增加，這些研究的差異可能是土壤和生物炭性質(zhì)差異所導(dǎo)致。因此，生物炭對不同土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)變化和溫室氣體排放的影響的研究有待進一步深化。
4.3 土壤質(zhì)量和植物生長
近年來，關(guān)于生物炭的施入提高砂壤土質(zhì)量的研究受到廣泛關(guān)注，研究表明，生物炭能夠有效的提高砂壤土的水土保持能力，減少土壤中N 肥的流失。此外，2016-2018年的文獻(xiàn)多為研究長期施用生物炭對土壤性質(zhì)和植物生長的影響，長期的田間實驗為評價生物炭的農(nóng)用價值提供了重要、可靠的數(shù)據(jù)。
4.4 有機污染物的去除
除2011-2015年期間提出吸附和分配機制外，研究者提出路易斯酸堿相互作用也能促進生物炭對有機污染物的吸附。改性生物炭被廣泛應(yīng)用且對有機污染物的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始生物炭。更重要的是，生物炭對有機污染物的降解越來越引起人們的重視，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭中豐富的PFRs 能夠直接降解或活化或硫酸鹽/過氧化氫間接降解有機污染物。
同樣，改性生物炭也能有效降解有機污染物，其中，最常見的改性方法是鐵氧化物或納米零價鐵負(fù)載生物炭，通過活化過氧化氫在不同的芬頓氧化條件下降解多種有機污染物。
4.5 重金屬的固定
2016-2018年期間，運用傳統(tǒng)方法研究生物炭對重金屬吸附固定的文獻(xiàn)都是基于前面研究，且該方面的文獻(xiàn)數(shù)量呈降低趨勢，研究熱點從單一重金屬的吸附轉(zhuǎn)向多種重金屬之間的競爭吸附，有機污染物和重金屬的共吸附。
此外，有大量文獻(xiàn)報道了活化或改性生物炭對重金屬的高效去除效率。在常見的重金屬中，關(guān)于Cd 的研究最多，可以從圖5中Cd節(jié)點外緣相對較大的圓環(huán)看出，從2014年全國土壤污染狀況調(diào)查公報發(fā)現(xiàn)，Cd 污染問題最為嚴(yán)峻。關(guān)于改性生物炭對重金屬的去除依然是研究熱點，只是改性方法較2011-2015年更多。
同樣，由于改性生物炭對As,Cr 的吸附量非常高，改性生物炭對于金屬陰離子（As,Cr）去除的研究越來越受到人們的關(guān)注。對于As，最常見的改性方法是鐵/錳氧化物和納米零價鐵負(fù)載的生物炭，改性生物炭高效去除As的機理包括增加了As(V)吸附位點和陰離子交換量，H鍵作用增強。同樣，最常見的去除Cr(VI)的改性方法是鐵/錳氧化物和納米零價鐵負(fù)載的生物炭，高效去除Cr(VI)的原因可能是生物炭對Cr(VI)的吸附和還原增加了。
4.6 生物炭和堆肥
從圖5可以看出，“Biochar and composting”成為一個新的熱門話題。堆肥是將有機廢棄物轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的類腐殖質(zhì)的一種廣泛而有效的方法，堆肥產(chǎn)物可作為土壤改良劑或有機肥。然而，堆肥也存在一些弊端，比如N 肥損失、溫室氣體排放、毒性，因此，堆肥質(zhì)量有待提高。
近年來，生物炭在有機廢物堆肥中的應(yīng)用引起了人們特別的關(guān)注，因為生物炭能夠加快有機質(zhì)降解和腐殖化，提高微生物多樣性，減少N肥損失，減少溫室氣體排放，減少重金屬的生物可利用性。因此，生物炭能夠提高堆肥價值，提高堆肥的農(nóng)業(yè)和環(huán)境效益。其中，最常見的堆肥原料是畜禽糞便（圖5）。
總結(jié)
論文從科學(xué)計量學(xué)角度全面分析了近二十年來（1998-2018）生物炭研究的發(fā)展趨勢，從關(guān)鍵詞的網(wǎng)絡(luò)圖可以看出，2010年以來，生物炭的研究呈現(xiàn)出明顯的多樣化發(fā)展趨勢。2011-2015年期間生物炭研究主要分為五個區(qū)域：生物炭生產(chǎn)、生物炭和全球氣候變化、土壤質(zhì)量和植物生長、有機污染物去除、重金屬固定。2016-2018年期間，除這五個主要研究熱點外，“生物炭與堆肥”問題也受到越來越多的關(guān)注，表明生物炭在有機固體廢棄物堆肥中的應(yīng)用是當(dāng)前的研究熱點。
除此之外，功能生物炭廣泛用于環(huán)境修復(fù)治理方面，并且取得了重大進展。但功能生物炭的研究仍處于初級階段，對功能生物炭生產(chǎn)和應(yīng)用的潛在風(fēng)險和費用的考慮較少，有待進一步研究。雖然生物炭添加能夠提高堆肥質(zhì)量，但堆肥通常含有很多有毒物質(zhì)，在大規(guī)模施用生物炭處理后的堆肥前，需要長期評估堆肥的環(huán)境風(fēng)險。目前關(guān)于生物炭的農(nóng)業(yè)和環(huán)境效益的研究很多，但是關(guān)于生物炭潛在風(fēng)險的研究仍然欠缺，主要是由于生物炭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生物炭的強堿性、親水性生物可降解物質(zhì)、持久性自由基等都會對土壤動植物產(chǎn)生危害，很難具體區(qū)分某種物質(zhì)的危害，后續(xù)應(yīng)加大生物炭生態(tài)風(fēng)險研究。
