热解温度对玉米秸秆生物炭稳定性的影响

李刘军 赵保卫 刘辉

关键词：热解温度;玉米秸秆;生物炭;化学氧化稳定性

生物炭是有机物原料在完全或者部分缺氧条件下，经过高温热解（通常<700 ℃）产生的一类富碳、高度芳香化和高稳定性的富碳颗粒[1]。生物炭较生物质和土壤中的有机质组分更加稳定[2-3]，其矿化速率较慢。此外，生物炭也可以通过有机-矿物的相互作用加速微团聚体的形成，从而使土壤中的碳更加稳定和积累[4]。研究表明，生物炭在减少温室气体的排放和缓解温室效应方面具有巨大的应用潜力[2，5-6]。但也有研究表明，生物炭中的一些碳原子是不稳定的[7]，可以通过生物和非生物过程发生矿化作用（转化为CO2）[8-10]。因此，确定生物炭的长期稳定性对客观评价生物炭的固碳潜力非常重要。

对于确定的生物质原料，其热解温度决定生物炭的结构和性质，直接影响着生物炭的稳定性。目前，生物炭稳定性探究主要以元素分析、红外光谱和热重分析等生物炭自身物理性质作为评价依据[11-12]。大量研究表明，随着生物炭热解温度的升高，生物炭的H/C和O/C之比降低，以及羟基、羧基和羰基等含氧官能团含量减少，表明生物炭的芳香性增强，稳定性增加[13-14]。但这些对生物炭稳定性研究只是从生物炭自身结构出发，并未考虑土壤环境因素对其降解的影响，因而具有很大的局限性。LEHMANN等研究指出，生物炭在土壤中的稳定性在很大程度上取决于其抗化学氧化能力，即通过对生物炭化学氧化分析可以快速、简单地评估生物炭在土壤中的稳定性[2]。此外，李飞跃等研究也表明，对生物炭进行稳定性评价时，化学氧化结果与结构分析存在差异[15]。因此，对生物炭稳定性应该从生物炭自身物理性质及抗氧化能力等多个角度分析评价。

基于此，本试验选取我国普遍存在的玉米秸秆作为生物质原料，在不同热解温度（300、500、700 ℃）下制备生物炭，采用元素分析、红外光谱分析、热重分析和化学氧化法分别表征和测定不同热解温度下生物炭的结构、性质和稳定性。通过多角度评价生物炭稳定性，为玉米秸秆生物炭在固碳减排方面的应用提供基础数据和理论指导。……