文献综述
1 杉木凋落物制备生物质炭性质表征
1.1研究杉木凋落物制备生物质炭背景以及依据
人类活动下温室气体排放引起全球范围的温室效应和气温升高[1]，严重的威胁到了人类的生存环境，应对环境变化成为当前全球社会面临的挑战之一。如何减少温室气体的排放以及增加陆地生态系统的碳汇是当前研究的热点，因为森林土壤碳库作为全球碳循环的重要组成部分，它的微小变化都可能导致大气中的CO2浓度升高或者变低[2]。
所以此时就可以用到生物质炭技术。生物质炭技术，一方面可以实现土壤质地优化和养分条件的改良，另一方面，可以长久地将大气中的CO2封存在土壤中，实现生物质炭中的碳与外界碳循环的长期隔绝，故而起到了增汇减排的积极作用[3]。由于生物质炭制备原料来源广泛、制作成本低廉、固碳效应显著、土壤改良效果明显，这种减排方式逐渐成为了各国科学家关注的焦点[4-5]。
杉木( Cunninghamia lanceolata)是我国南方重要的速生用材树种，火烧清理林下植被和采伐剩余物是人工林经营初期的重要措施，但会引起空气污染、水土流失等严重问题[6]如果将林下植被凋落物和采伐剩余物制成生物炭，并将其返还土壤， 既可避免环境污染和水肥流失等问题，也有可能改善人工林土壤肥力，提髙人工林土壤的固碳潜力[7]，从另一方面来看生物质炭的高碳且稳定的特性在进入土壤后也可以提高人工林土壤的固碳潜力，提高杉木林的碳汇效应，然而，此前众多的研究表明，对于特定的土壤类型，其CO2的释放、土壤碳组分的迁移和转化以及碳库的稳定性，与生物质炭的物理化学特性密切相关(9.99.100]，目前对于杉木生物质炭添加后土壤的各种响应与生物质炭特性之间的关系仍不清楚。因此，在利用生物质炭进行大面积土壤改良的前期，系统的了解并掌握热解条件、制备原料和生物质炭特性之间的内在相关机制，是科学研究生物质炭对土壤性质、碳库变化和相关影响机制的先决条件。
1.2生物质炭的特性研究进展
生物质炭（biochar）是生物质在低氧或缺氧的条件下，高温热解形成的复函碳元素的固态物质[8-10]，是近年来土壤 学和环境科学领域的研究热点。目前国内外研究的热点主要有以下几个方面研究：Masek et al（2013）；Gomez et a（2014）； Murray et al（2015）不同来源材料、不同制备条件等因素对生物炭性质的影响；制备材料、高温热解条件等对生物炭的物理和化学性质影响显著[11-13]。王怀臣等（2012）生物质炭一般呈碱性，其pH值一般为5~12，且制备生物质炭的热解温度越高时，生物质炭的pH值越高[14]。Yuan（2011）生物质炭中含有的矿质元素形成的碳酸盐是生物质炭中碱性物质的主要存在形态，而生物质炭表面含有丰富的-COOH和-OH等含氧官能团，是生物质炭中碱性物质的另一种存在形态[15]。生物质炭表面丰富的含氧官能团形成了生物质炭良好的吸附特性、亲水或疏水的特点以及对酸碱的缓冲能力。另外，含氧活性基团使生物质炭表面带有负电荷，因而具有较高的阳离子交换能力（CEC）。
生物质炭有着非常复杂的孔隙结构，孔隙大小不一。生物质炭的比表面积通常由其孔隙率决定。在一定温度范围内，比表面积随热解温度的升高而增加。戴静和刘阳生（2013）正是因为生物质炭有着丰富的孔隙结构和丰富的表面官能团，才使得它具有一定的持水性;但热解温度越高，生物质炭的持水性越弱，这是由于热解温度越高，导致生物质炭表面的极性官能团越少，表面疏水性增强，因而不易保持土壤间隙水[16]。生物炭也是一种富碳固体材料，由生物质在氧限制环境中热解产生。Joseph（2010）它被添加到土壤中，以便固碳和维持或改善土壤功能[17]。VanPoucke（2018）生物炭已被证明是一种有效的吸附剂、沉淀剂和表面络合介质，用于土壤溶液中的金属阳离子[18]。Chen（2012）生产生物炭的热解温度对生物炭的结构和化学特性的影响比用于生产生物炭的生物质原料更大[19]。热解工艺条件可以通过改变原料的特性来影响生物炭的吸附能力。并且Jazini（2018）、Harvey（2011）[20-21]表明生物炭的表面电荷是由生物质的热解引起的。Melo等人（2013）[22]比较了在400、500、600和700°C下热解的甘蔗秸秆生物炭的吸附能力，发现温度较高的生物炭具有较高的金属吸附能力。因此可以发现生物质炭还促进了土壤中阳离子的交换有利于调节土壤中PH值的变化。
2国内外研究进展
目前，针对杉木凋落物制备生物质炭的相关性研究相对零散，主要涉及到了杉木生物质炭的一些基本特性，例如杉木凋落物及其生物质炭对土壤CO2排放、微生物和酶活性的影响：杉木生物质炭的增加对土壤CN矿化，N素的流转，微生物群落的变化，土壤养分固持等方面。根据孟李群（2014）[23]对采用限氧控温法热解产生的杉木人工林采伐剩余物(枝、叶、皮、根)的基本性质进行分析后发现，随热解温度的升高，不同杉木采伐剩余物组分制备产生的生物质炭的产率均降低而生物质炭中N、C、Fe、Ca和Mg含量则增加，且在同一热解温度下，杉木树枝生物质炭的C含量明显高于其他组分生物质炭。姚旭（2015）[24]发现，同热解条件下，杉木木屑生物质炭拥有比水稻秸秤生物质炭和竹子生物质炭更明显的微孔结构。且随着制备温度的上升，杉木生物质炭的表面官能团种类也在逐渐降低。而C含量随着热解温度的升高而增加，600℃的时候，杉木生物质炭的C含量最高，达到了85%。又根据雷海迪（2016）[25]的发现单独添加杉木树枝生物质炭或混合添加杉木凋落物和生物质炭到杉木人工林土壤通过一年的室内培养后发现，单独添加生物质炭在培养的1-14d促进了土壤有机碳的矿化，而在224-364d则产生抑制作用。同时，750℃生物质炭的累计降解量要显著低于550℃生物质炭和350℃生物质炭。单独添加杉木树枝生物质炭或混合添加杉木凋落和生物质炭到均显著改变了土壤微生物的群落结构。
尽管，前人已经对杉木生物质炭开展了部分的研究，但是，我们对其的了解仍然是非常有限的。一方面，树种的生长环境的局限性导致科学界对杉木生物质炭的关注程度有限，其次，杉木本身价格较高，制炭和研究的成本剧增也制约了研究的深入度。因此，当前对于杉木生物质炭的特性的系统性研究尚未开展，那么，杉木作为我国南方的特有树种，是否也会有一定的特性？特别是不同添加物处理对土壤微生物群落结构，CO2排放，土壤物理化学性质，土壤酶活性的影响。上述影响因子的研究主要都是从不同材料制成的生物质炭、不同增加比例、不同测定方法、不同测定时间等方面研究生物质炭对土壤的影响。而此次本研究将对于同一材料即杉木凋落物分别以杉木的树叶、树枝、树皮、树干、为原料，分别通过元素分析、傅里叶红外变换光谱（FTIR）、Boehm滴定法、电镜扫描等方法研究制备条件和杉木不同器官性质对生物质炭的化学组分、表面性质和结构特征的影响，研究并对比两种热解条件下不同杉木器官生物质炭之间的特性差异。研究结果将为后期生物质炭在杉木人工林中固碳减排和改良林地土壤环境的应用提供数据支持和理论依据。
3.生物质炭的稳定性
生物质炭的稳定性是影响其固碳减排和生产力增效的关键因素[26]。生物质炭的稳定性主要取决于生物质炭自身抗分解性。热解后的生物质炭稳定性显著高于原料[27]。从微观上看，生物质炭由烷基结构和芳香环通过紧密堆积、高度扭而形成核心结构赋予生物质炭自身更强的稳定性，可以长期储存在生态系统中不被矿化或分解[28]。Baldock和 Smernikl利用13℃核磁共振和傅里叶红外光谱扫描的方法在观察杉木生物质炭在热解过程中的结构变化后发现，随着热解温度的升高，杉木中的烷氧基的碳形式逐渐向芳香基及呋喃类含氧芳香基芳香转变，这一过程同时伴随着碳矿化速率的持续降低。因此，他们认为，热解产生的生物质炭本身的生物氧化速率及降解速率会非常慢且周转时间长，不易被微生物降解。Nguyen和 Lehmann[29]对比同--热解条件下产生的橡木生物质炭和玉米芯生物质炭在不同环境中的最大矿化率后发现，前者均显著低于后者。然而，由于生物质炭的芳香化程度不同，生物质炭自身的稳定性存在差异。
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