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编辑推荐

适读人群 ：本书可供高等院校和科研院所从事生物质炭环境行为和环境效应研究和教学的师生和研究人员阅读使用，也可供对有机生物质固体废弃物资源化高值利用感兴趣的其他读者阅读参考。
《生物质炭土壤环境效应》可供从事土壤学、环境科学、农学、地球化学等相关领域研究的科技工作者、研究生及所有对生物质炭感兴趣的读者参考。

内容简介

《生物质炭土壤环境效应》以浙江大学环境保护研究所的研究成果为基础，结合国内外最新研究进展，从多个角度对生物质炭土壤环境效应进行了详细的论述。全书共9章，分别介绍了生物质炭特性、生物质炭固碳效应、生物质炭对土壤温室气体排放的影响、生物质炭对土壤碳循环的影响、生物质炭对土壤氮循环的影响、生物质炭与土壤质量、生物质炭与土壤氮磷流失控制、生物质炭与土壤污染防治及生物质炭的潜在环境风险。本书有助于关注全球气候变化和环境质量问题的读者了解生物质炭在土壤生态系统中的环境效应及生物质炭在缓解全球气候变化方面的重要作用。

作者简介

吴伟祥：浙江大学环境与资源学院教授、博导。浙江省杰出青年基金项目获得者。2007年入选国家教育部新世纪优秀人才支持计划。从事应用和环境生物学的教学和科研工作。近五年，先后主持承担了国家 “水体污染控制与治理” 科技重大专项项目子课题、国家863计划项目、国家自然科学基金项目、浙江省杰出青年基金项目以及浙江省科技计划重点重大项目10余项；在固体废弃物污染控制与资源化技术研究方面获浙江省科技进步一等奖1项（排名第一），作为骨干成员获国家科技进步二等奖1项；发表SCI收录研究论文30余篇，授权发明专利5项，参编著作2部。

目录

前言
第一章生物质炭特性1
引言1
1.1生物质炭的定义2
1.2生物质炭的理化特性3
1.2.1生物质炭的物理特性3
1.2.2生物质炭的化学特性7
1.2.3生物质炭的微观结构特性16
1.3生物质炭特性的影响因素27
1.3.1制备原料对生物质炭特性的影响27
1.3.2制备工艺类型对生物质炭特性的影响30
1.3.3制备工艺参数对生物质炭特性的影响31
1.4总结与展望35
参考文献37
第二章生物质炭固碳效应42
引言42
2.1土壤生态系统生物质炭固碳潜力42
2.1.1土壤生态系统的碳捕捉与封存42
2.1.2生物质炭的固碳潜力44
2.2土壤生物质炭稳定性机制46
2.2.1内在结构的稳定性46
2.2.2空间阻隔46
2.2.3有机碳与矿物质表面相互作用48
2.3生物质炭非生物氧化特性与生物氧化特性49
2.3.1生物质炭的非生物氧化特性49
2.3.2生物质炭的生物氧化特性51
2.4影响生物质炭稳定性的因素54
2.4.1生物质炭的特性55
2.4.2土壤特性57
2.4.3生物学因素63
2.4.4环境条件66
2.5生物质炭固碳效应的预测与评价70
2.5.1生物质炭稳定性评价指标71
2.5.2土壤生物质炭的定量方法73
2.5.3生物质炭固碳效应的预测模型78
2.6总结与展望81
参考文献83
第三章生物质炭与土壤温室气体排放90
引言90
3.1全球气候变化与生物质炭91
3.1.1全球气候变化91
3.1.2土壤生态系统温室气体排放对全球气候变化的响应和反馈96
3.1.3生物质炭固碳减排特性可为减缓全球气候变化做出的重要贡献98
3.2生物质炭对土壤温室气体排放效应的影响100
3.2.1整合分析(meta�瞐nalysis)方法100
3.2.2生物质炭特性对土壤温室气体排放的影响103
3.2.3土壤特性129
3.2.4人为因素134
3.3总结与展望143
参考文献145
第四章生物质炭与土壤碳循环151
引言151
4.1生物质炭对土壤有机质的贡献机制152
4.1.1土壤有机质的组成及其影响因素152
4.1.2生物质炭对土壤有机质的直接贡献153
4.1.3生物质炭迁移转化对土壤有机质的影响157
4.1.4生物质炭改变土壤理化性质对土壤有机质的影响157
4.1.5生物质炭对土壤腐殖质的影响159
4.2生物质炭对土壤生物固碳作用的影响机制166
4.2.1生物质炭对植物固碳作用的影响166
4.2.2生物质炭对土壤微生物固碳作用的影响168
4.2.3生物质炭对土壤动物的影响173
4.3生物质炭对土壤有机质矿化作用的影响及其机制173
4.3.1生物质炭对土壤有机质矿化作用的影响173
4.3.2生物质炭对土壤有机质矿化作用的影响机制174
4.4生物质炭对土壤甲烷排放的影响及其机制180
4.4.1生物质炭对土壤甲烷排放的影响180
4.4.2生物质炭对土壤产甲烷的影响183
4.4.3生物质炭对土壤甲烷氧化作用的影响188
4.4.4生物质炭对土壤甲烷传输的影响191
4.5总结与展望193
参考文献195
第五章生物质炭与土壤氮循环205
引言205
5.1生物质炭对土壤固氮作用的影响机制205
5.1.1土壤固氮作用的影响因素205
5.1.2生物质炭对土壤固氮作用的影响207
5.1.3生物质炭对土壤固氮微生物的影响208
5.2生物质炭对土壤硝化作用的影响机制213
5.2.1生物质炭对土壤氨氧化作用的影响机制213
5.2.2生物质炭对土壤亚硝酸氧化作用的影响机制222
5.3生物质炭对土壤反硝化作用的影响机制225
5.3.1土壤反硝化作用的影响因素225
5.3.2生物质炭对土壤反硝化作用的影响227
5.3.3生物质炭对土壤反硝化微生物的影响228
5.4生物质炭对土壤N2O减排效应的影响机制233
5.4.1生物质炭对土壤N2O排放量的影响233
5.4.2生物质炭对土壤N2O减排效应的作用机制233
5.5总结与展望239
参考文献240
第六章生物质炭与土壤质量246
引言246
6.1生物质炭对土壤物理特性的影响247
6.1.1土壤物理特性与土壤质量247
6.1.2生物质炭对土壤容重的影响247
6.1.3生物质炭对土壤孔隙度和通气性的影响247
6.1.4生物质炭输入对土壤水分的影响248
6.1.5生物质炭输入对土壤电磁物理特性的影响249
6.1.6生物质炭输入对土壤颜色和温度的影响250
6.1.7生物质炭输入对土壤团聚体的影响251
6.2生物质炭对土壤化学特性的影响252
6.2.1土壤化学特性与土壤质量252
6.2.2生物质炭对土壤酸碱性的影响252
6.2.3生物质炭对土壤阳离子交换量的影响253
6.2.4生物质炭对土壤养分元素的影响256
6.2.5生物质炭输入对土壤有机质的影响264
6.3生物质炭对土壤生物学特性的影响269
6.3.1土壤生物学特性与土壤质量269
6.3.2生物质炭输入对土壤微生物的影响270
6.3.3生物质炭输入对土壤动物的影响277
6.4生物质炭对作物生长发育的影响279
6.4.1生物质炭输入对作物养分吸收的影响279
6.4.2生物质炭输入对作物生长发育的影响280
6.4.3生物质炭添加对作物产量的影响282
6.5总结与展望287
参考文献289
第七章生物质炭与土壤氮磷流失控制298
引言298
7.1生物质炭对土壤养分的吸附作用299
7.1.1生物质炭对土壤吸附性能的影响299
7.1.2生物质炭吸附特性对土壤养分的影响299
7.2生物质炭对土壤氮磷物质转化的影响302
7.2.1生物质炭的养分含量303
7.2.2生物质炭对土壤氮元素转化的影响306
7.2.3生物质炭对土壤磷素转化的影响308
7.3生物质炭对土壤氮磷养分淋溶的影响316
7.3.1影响土壤养分淋溶的一般因素316
7.3.2生物质炭影响土壤氮磷淋溶的内在因素318
7.3.3生物质炭影响土壤氮磷淋溶的外在因素320
7.3.4生物质炭对土壤氮磷淋溶的潜在影响机制327
7.4炭基缓释肥与土壤氮磷流失控制328

7.4.1炭基缓释肥的制备及缓释效果329
7.4.2炭基缓释肥对作物产量的促进作用332
7.4.3炭基缓释肥对土壤养分流失的控制作用334
7.4.4炭基缓释肥的效益335
7.5总结与展望338
参考文献340
第八章生物质炭与土壤污染防治349
引言349
8.1生物质炭对土壤有机污染物的影响350
8.1.1土壤有机污染物污染现状350
8.1.2生物质炭对土壤吸附固定有机污染物的影响351
8.1.3老化过程对生物质炭吸附固定土壤有机污染物的影响356
8.1.4生物质炭增强土壤对有机污染物的降解作用358
8.1.5生物质炭对土壤有机污染物的吸附降解机制359
8.2生物质炭对土壤中残留农药的影响361
8.2.1土壤残留农药现状361
8.2.2生物质炭对土壤残留农药环境归趋的影响362
8.2.3生物质炭对土壤残留农药归趋的影响因素367
8.2.4生物质炭对土壤中残留农药生物有效性的影响370
8.3生物质炭对土壤重金属的影响372
8.3.1土壤重金属污染现状372
8.3.2生物质炭对土壤中重金属化学形态的影响372
8.3.3生物质炭对土壤中重金属迁移性的影响376
8.3.4生物质炭对土壤中重金属生物有效性的影响384
8.3.5生物质炭对土壤重金属生物有效性影响的作用机制390
8.4总结与展望392
参考文献393
第九章生物质炭的潜在环境风险404
引言404
9.1生物质炭制备过程的潜在环境风险404
9.1.1生物质炭制备工艺类型及其潜在风险405
9.1.2生物质炭制备过程污染物的潜在环境风险406
9.2生物质炭施用过程的潜在环境风险419
9.2.1生物质炭施用对大气环境的影响419
9.2.2生物质炭输入对土壤环境质量的潜在负面影响426
9.2.3生物质炭对水体环境的潜在风险444
9.3生物质炭经济性分析——以水稻秸秆生物质炭为例445
9.4总结与展望450
参考文献452

精彩书摘

第一章生物质炭特性
引言
生物质是指具有生命的生物体利用大气、水、土壤等提供的各种元素通过光合作用等合成途径产生的各种有机体，即一切有生命的生物体生命活动过程产生的有机物质。从狭义上讲，生物质可以指生物质废弃物，主要包括农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。生物质废弃物分布广泛且可再生，一直以来都是潜在的能源和资源。随着人类社会文明的发展，现代化农林畜牧业、农林产品与畜牧加工业及相关工业领域和日常生活都会产生大量的生物质废弃物。我国18亿亩1亩≈667 m2耕地上种植的各类农作物，年产秸秆总量约7亿t，其中水稻、小麦和玉米等大宗农作物秸秆在5亿t左右；我国年肉猪出栏量为6.61亿头，高速发展的集约化规模化畜牧业也产生大量的畜禽有机生物质废弃物。这些低端甚至废弃的生物质材料，处理不当往往导致严重的环境污染问题。
生物质炭(biomass.derived black carbon或biochar)是生物质在缺氧条件下通过热化学转化得到的固态产物(IBI，2013)。2006年以来许多学者相继在Nature、Science等世界著名科学杂志上发表文章，强调生物质炭能够切实锁定和降低大气CO2，生物质炭化还田可能成为人类应对全球气候变化的一条重要途径，呼吁加强对生物质炭人为输入的土壤环境行为和环境效应进行研究(Marris，2006；Lehmann，2007a；Woolf et al.，2010；Sohi，2012)。至今，已有大量研究表明，生物质炭施入土壤生态系统后，不仅可以达到增强土壤固碳作用的目的，还可以改善土壤结构及理化性状，具有提高土壤质量和肥力、提升作物产量的作用。生物质炭应用于能源领域，可成为替代燃煤、石油、天然气等化石能源的清洁环保能源。进一步特殊加工形成生物质炭产品还可应用于退化耕地、退化草原、退化果园及新垦土地等障碍用地的生态修复与重建，以及污水处理、水质净化、面源污染和废弃物处理等诸多领域。随着生物质炭研究的不断深入，其在全球碳生物地球化学循环、气候变化和环境保护中的重要作用日趋体现。2013年4月18日，全球领先的专业信息提供商汤森路透(Thomson Reuters)旗下的知识产权与科技事业部发布《2013年研究前沿：自然科学与社会科学的100个学科领域》报告，将“生物质炭施用技术及其效应”(biochar amendment techniques and effects)列入十大领先研究领域中的100大重要研究前沿之一。因此，炭化生物质的资源化利用不仅成为低端有机生物质及其相关废弃物高值化利用的新技术途径，也成为土壤学、农学、地学、环境科学、生态学和大气科学研究与应用的一个重大热点(Lehmann et al.，2011；Sohi，2012)。
物质与材料的特性决定它们的功能，生物质炭也不例外。生物质炭的特殊功能取决于其自身特殊的物理、化学和微观结构特性。较高的孔隙结构和巨大的比表面积决定了生物质炭具有良好的吸附性能，对养分物质和有机、无机化合物具有较强的固持能力；元素组成和养分特性则决定了生物质炭具有改良土壤、提升地力的作用；芳香化结构决定了生物质炭的稳定性及其固碳减排效应；而表面活性官能团的特性则会影响生物质炭与土壤之间的相互作用，并由此影响土壤生源要素的生物地球化学循环作用。因此，生物质炭特性的研究对生物质炭的推广应用和衍生产品的开发具有举足轻重的地位。
本章主要对生物质炭的定义和生物质炭的物理、化学与微观结构学特征及其分析方法进行概述。在此基础上，重点探讨制备原料、制备工艺和制备条件等因素对生物质炭特性的影响，并对未来生物质炭特性研究趋势进行展望，以期为生物质炭特性的深入研究和生物质炭产品的大规模应用提供理论依据。
1.1生物质炭的定义
生物质炭(biomass.derived black carbon或biochar)是生物质在缺氧条件下通过热化学转化得到的固态产物(IBI，2013)。生物质炭是一个既新鲜又古老的名词。木炭作为一种典型的生物质炭类型在我国具有悠久的历史。我国作为生产和烧制木炭最早的国家之一，早在商周时期就有木炭的使用记载，且在之后漫长的历史岁月中，木炭起到了极其重要的作用，是我国从农耕文明进入青铜文明，进而步入铁器文明的见证。唐朝白居易的《卖炭翁》流传千古，正是反映我国古代使用生物质炭的盛况。最早木炭等生物质炭的应用主要与铜等金属冶炼相关，或者单纯作为取暖和供热用，很少与土壤环境联系在一起。而对生物质炭在土壤环境中的应用报道最初见于对南美亚马孙流域黑土Terra Preta的研究中。20世纪60年代荷兰土壤学家Wim Sombroek在巴西亚马孙流域进行土壤考察时，发现该地区有一种富含黑色物质的土壤，其有机质和氮、磷、钙、锌、锰等植物营养元素含量极其丰富，该类土壤被称为Terra Preta，意思为印第安人的黑土壤(Moss，1967)。研究表明，该类黑色物质就是生物质炭，它已在土壤中保存1000多年，在维持土壤生产能力和肥力中一直发挥着重要作用。
由于生物质炭的相关研究起步较晚，初期缺乏国际上统一的名称和标准，不同研究者对生物质炭的称呼不尽相同，如生物质炭、焦炭(char)、木炭(charcoal)、黑炭(black carbon)、生物炭、生物碳和生物质焦等。随着对生物质炭的广泛关注，越来越多的研究者试图规范统一对生物质炭的定义。国际生物质炭协会(International Biochar Initiative，IBI)对生物质炭的定义作了如下表述：生物质炭(biochar)是生物质在缺氧条件下通过热化学转化得到的固态产物，它可以单独或者作为添加剂使用，能够改良土壤、提高资源利用效率、改善或者避免特定的环境污染，以及作为温室气体减排的有效手段(IBI，2013)。这一概念更侧重于在用途上区分生物质炭与其他炭化产物。生物质炭的制备方法与工业生产中木炭的制备方法相似，但因应用目的不同，生物质炭制备温度多为300~700℃，主要用于土壤生态系统中，以实现土壤改良、碳固持为目的的一类热解产物，是一个较新的概念，在最近几年有较快发展。而木炭的制备方式和使用更为宽泛，在金属冶炼、绘画、水处理、化工行业早已广泛应用。
对于涉及生物质炭的其他术语，也有其专属的含义。黑炭包含的范围最为广泛，包括一切经不完全燃烧或高温分解产生的固态残留物。这类物质碳含量高、化学组成复杂且以芳香化结构为主。黑炭的来源主要有3种：一是生物质的不完全燃烧，二是煤、石油、天然气等化石燃料的不完全燃烧，三是岩石中石墨炭的自然风化。黑炭的形成主要通过燃烧直接产生固态产物，同时挥发分的凝聚也会形成高度石墨化组分。焦炭与木炭通常可以通用，但通常焦炭的炭化程度不及木炭，文献中研究野外生态系统中火灾所产生的固态产物较常采用焦炭的称呼。
生物质炭的土壤环境效应越来越受到关注。目前，人们已对生物质炭在土壤生态系统的固碳效应、生物质炭对温室气体的减排效应、生物质炭对土壤碳循环的影响、生物质炭对土壤氮循环的影响、生物质炭对土壤的改良效应、生物质炭对土壤氮磷元素流失控制、生物质炭对土壤污染的防治及生物质炭的潜在环境风险进行了细致的研究，相关内容将在后续章节逐一展开论述。上述生物质炭的诸多功能归根结底取决于生物质炭的特性。因此本章重点介绍生物质炭的物理、化学及微观结构等特性，并对其影响因素进行分析论述。
1.2生物质炭的理化特性
1.2.1生物质炭的物理特性生物质炭的物理特性相对较为直观，主要包括孔隙结构与比表面积、机械强度、堆积密度等。生物质炭的土壤环境效应与其物理特性密切相关。矿物和有机质组成的差异构成了某种土壤独特的物理结构特性。生物质炭作为一种外源物质，其多孔性和颗粒结构对土壤物理结构特性有直接影响，土壤物理结构的改变还会影响土壤的化学和生物学特性，这些影响最终都会累积作用于植物的生长。因此，了解生物质炭的物理特性至关重要。
1. 孔隙结构与比表面积
根据国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)的定义，孔径小于2 nm的称为微孔，孔径大于50 nm的称为大孔，孔径为2~50 nm的称为介孔，也称中孔。生物质炭是一类孔隙发达的材料，孔径随原料和制备条件的不同呈现明显差异(图1.1)。如图1.2所示，

前言/序言

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