生物炭屬于黑炭的一種類型，是由生物質在完全或部分缺氧的狀態下裂解產生一類含碳量較高的高度芳香化固態物質[1].生物炭具有高度芳香化結構[2],這使其具有高的生物化學和熱穩定性，因此，施進土壤后難以發生化學變化和被土壤微生物利用?，F有研究表明，生物炭在環境中非常穩定，但其在環境中的存在時間卻從幾十年到上百萬年不等。在自然環境中生物炭作為森林火災的殘留物在土壤生態系統中存在時間超過10 000a[3].同樣，在亞馬遜地區被稱為Terra Preta的土壤中含有大量的生物炭，碳同位素測定表明土壤中的這些生物炭距 今500~7 000a[4].此外，Zimmerman[5]研究表明環境中生物炭的半衰期 為622~4×107a.Singh等[6]將桉樹葉、桉樹木、造紙污泥、家禽糞便及牛糞400℃和550℃下制得的生物炭，在實驗室中進行長達5a的實驗，其研究結果表明生物炭中碳的平均停留時間（MRT）為90~1 600a,該結果明顯低于Zimmerman的研究。

生物炭穩定時間的差異使其提供環境效益（土壤有機碳庫穩定、持留土壤養分、修復污染土壤、控制溫室氣體的排放等）的持續時間具有不確定性，從而無法對生物炭在環境中的有效應用提供準確的理論指導。

生物炭作為一種技術在土壤中的應用能提供多種環境效益[7],而其穩定性是其環境效益得以長期持續的基礎。因此，了解影響生物炭在環境中穩定的因素及明確生物炭穩定時間的評估方法，對生物炭的應用具有深遠的意義。本研究闡明影響生物炭穩定性的因素，對比分析生物炭穩定時間的評價方法優缺，為生物炭在環境中的有效應用提供理論支撐。

1生物炭穩定性概念

生物炭的穩定性是指生物炭在土壤生態環境中抵抗生物和非生物降解的能力，不僅由生物炭的理化性質所決定的，也是自然因素和人為因素共同作用的結果。它取決于生物炭基本特性及其與土壤環境間的相互作用。生物炭穩定性的基礎：1）生物炭高度炭化且芳香環和烷基機構緊密堆積，這種化學穩定機制能有效固定碳素[8];2）生物炭中含有豐富的碳水化合物、長鏈烯烴等有機大分子與土壤中的礦物形成有機-無機復合體（即團聚體），通過團聚體的保護作用降低土壤微生物對其的降解，從而維持穩定[9].

生物炭在環境中的降解包括生物（微生中不用的組分在降解過程的穩定性有差異，降物降解和碳有氧呼吸）和非生物（化學氧化、光化學氧化、無機裂解等）降解作用。生物炭在土壤生態環境中的礦化過程分為兩個部分，前期主要是易分解的脂肪族碳，而后期主要為相對難降解的芳香族碳，且該過程相當復雜，不僅受土壤里微生物的影響，也受其他環境因子和生物炭自身的理化性質的影響。

目前，已有的研究對生物穩定性的研究關注很多，如：生物和非生物氧化過程及半衰期或敏感性調查等[10].本研究主要關注生物炭半衰期或平均停留時間的預測。

2生物炭多源性及其穩定性的多樣性

常見的生物質炭包括木炭、秸稈炭、竹炭、稻殼炭等[11],也有用動物糞便、沉積物、污泥等生產生物炭。生物炭組成元素為碳、氫、氧，其中碳含量最高，Ghani等[12]研究指出生物質炭中含碳（82.3±0.5%~97.3±2.0%）、氫（1.10±0.1%~3.2±0.1%%）、氧（0.50±0.4%~14.0±0.7%）；其次是灰分（包括氮、磷、鉀、鈣、鎂等）。生物炭的元素組成由最終炭化溫度決定，隨著最終炭化溫度的升高，碳含量增加，氧、氫含量降低，灰分含量增加，其中灰分元素組成主要取決于生物炭的物料來源[13].生物炭可視為纖維素、呋喃、吡喃以及脫水糖、羧酸及其衍生物、苯酚、烷烴及烯烴衍生物等成分，其中烷烴和芳香化結構是生物炭最主要結構[14-15].由于生物炭具有多芳香環結構，使其表現出高度的化學和微生物惰性，進入土壤后能在環境中存在上千年甚至上萬年。

從微觀結構看，生物炭多由緊密堆積、高度扭曲的芳香環片層組成，X射線表明其具有亂層結構[15].生物炭具有巨大的表面積[12],孔隙度發達，且具有大量的表面負電荷及高電荷密度的特性，能吸附水、土壤或沉積物中無機離子（Cu2+、Pb2+、Zn2+、Pg2+和PO3-4等）及極性和非極化合物[16-18].

受原料組成、裂解溫度和裂解持續時間等影響，生物炭的化學性質和物理結構表現出非常廣泛的多樣性[19],進而使其在環境中具有不同的穩定性。生物炭裂解溫度和原料是影響生物炭環境行為與效應最為重要的兩個因素。

Bruun等[20]對不同熱解條件下小麥秸稈制備的生物炭進行培養實驗，研究表明，隨著熱解溫度升高生物炭中纖維素和半纖維素含量逐漸降低，秸稈炭的礦化速率減小，兩者之間成線性正相關關系。

Cheng等[21]研究發現，生物炭主要由芳香基碳和氧-芳香基碳構成，且經過4個月培養后生物和非生物氧化作用對其結構沒有顯著性的影響，表明了生物炭中的芳香化碳的穩定性。此外，除生物質炭所含的芳香化碳，烷基碳和礦物質含量可能影響其穩定性。

Hilscher等[22]以黑麥草和松針為原料，炭化溫度為350℃制備生物炭研究其初始階段礦化速率，結果發現：黑麥草炭礦化速率是松針炭的5~6倍，但兩者的芳香化碳含量基本相同。表明生物炭中芳香化碳含量不是影響其礦化速率的唯一因素，其他組分對其礦化速率的影響可能更為重要。

Wu等[23]利用水稻秸稈為原料，分析了不同炭化溫度和炭化停留時間對生物炭結構及化學組成的影響，其結果表明，與炭化時間相比，炭化溫度對水稻秸稈生物炭性質的影響較大；且芳香化程度隨溫度升高呈上升趨勢。周桂玉等[24]對不同原料在450℃下制備的生物炭進行芳香化程度和熱穩定性分析，與秸稈炭相比，松枝炭的芳香化程度和熱穩定性高。羅煜等[25]研究表明低溫生物質炭含有比較高的水溶性成分，而高溫生物質炭具有比較高的pH值、C/N比、芳香化結構、持水量和比表面積。這些研究均表明溫度和原料對生物炭理化性質的穩定性有著重要影響。

現有研究表明生物炭的存在時間受眾多因素的綜合影響。生物炭的多源性以及研究生物炭穩定性的實驗方法和計算模型均影響生物炭在環境中的存在時間（見表1）。炭化溫度越高，炭化時間越長，獲得生物炭組分中不易分解的碳含量越高，生物炭的壽命越長。同樣培養時間為12個月的條件下，Zimmerman研究表明生物炭的礦化速率范圍為0.3%~2.71%[5],這與Fang等[26]的研究（生物炭礦化速率范圍為0.4%~3%）結果類似，但前者利用一級動力學模型計算出的生物炭半衰期為102~107a遠高于后者利用雙指數模型計算出生物炭的MRT為44~610a.這表明，我們有必要進一步明確如何在長期的生物炭在土壤中的礦化數據來的基礎上，利用不同的模型評估生物炭的穩定性及其在土壤中的平均停留時間。培養時間和生物炭損失量的測定方法影響生物炭穩定性的評估。利用化學法結合元素測定儀測定土壤中黑炭含量以計算生物炭的t1/2為15.4~21.1a[27]遠低于利用同位素標記法評估生物炭的t1/2為1 400a[28],這可能與化學法無法將黑炭從土壤中完全分離有關。此外，有研究表明長的培養時間能更加真實的評價生物炭穩定性并且能更好的了解生物炭在礦化土壤中的穩定過程[26].

3環境條件對生物炭穩定性的影響

當生物炭輸入土壤后，在土壤中發生復雜的反應降解。因此，生物炭在土壤中的穩定性受多重因素的影響，除生物炭特性，其存在的土壤特性及氣候條件也影響其穩定性[30].在淹水、非淹水以及兩者相互交換條件下生物炭的穩定性不一樣，如，玉米芯制備的生物炭在非淹水條件下的礦化速率和氧化速率均高于淹水及淹水與非淹水相互交化條件下，與非淹水和淹水-非淹水條件相比，淹水條件下生物炭的O/C比值沒有顯著增加，而CEC則增加顯著[31].章明奎等[27]的研究也證實這點，且與非淹水和淹水-非淹水條件相比，淹水條件下生物炭的O/C比值沒有顯著增加，而CEC則增加顯著，這可能與淹水及淹水與非淹水環境中土壤的通透性和微生物的活性較非淹水環境中低有關且環境中生物炭的物理結構較其化學性質相對穩定。