文献综述
- 选题来源及背景意义
我国杨树人工林面积居世界首位，以杨树人工林为代表的速生丰产用材林在我国的发展极为迅速，为我国的木材加工产业提供了大量的原材料，对缓解我国的木材危机、改善生态环境等方面起着巨大的作用。随着木材加工利用的大力发展，其加工采伐剩余物，如锯屑、边角料等的产量也与日俱增，但是对加工剩余物的利用率偏低，通常将剩余物当作垃圾处理，造成了严重的资源浪费，并形成了潜在的环境污染。因此，对加工采伐剩余物进行有效的资源化利用是目前亟需解决的问题。
目前将加工采伐剩余物制作成生物炭用于育苗生产或土壤改良被认为是一种经济有效的农林废弃物资源化利用新途径，其独特的理化特性可以有效改善土壤的孔隙特征和土壤的透水透气性，并提高土壤的养分蓄持能力和养分的生物有效性，被认为是一种较好的土壤改良剂和育苗基质配料。目前针对生物炭在林农业上应用的大量研究表明，生物炭的土壤改良效果与生物炭自身的性能有关，而其性能的发挥主要受生物炭的制备原料和热解温度的影响。
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国内外研究综述
- 林业剩余物的利用现状
林业剩余物是指林业生产和加工过程中产生的剩余物，包括林木采伐和造材剩余物、木材加工剩余物、竹材采伐和加工剩余物、森林抚育与间伐剩余物、城市园林绿化废弃物、经济林修剪废弃物、废弃木质材料共七大类。经测算，2014年我国林木采伐和造材剩余物为5201.72万吨，木材加工剩余物为2259.34万吨，森林抚育与间伐剩余物为8336.83万吨，竹材采伐和加工剩余物为6005.87万吨吨，城市园林绿化废弃物为2427.21万吨，经济林修剪废弃物为14174万吨，废弃木质材料为7000万吨。林业剩余物的利用途径主要分为原料化利用、能源化利用、肥料化利用、饲料化利用和综合利用(段新芳等，2017)。
目前，我国对林业剩余物综合利用存在的问题有：(1)森林抚育和间伐剩余物、竹材采伐与加工剩余物、园林绿化废弃物、废弃木质材料等原料收集难度大，回收体系不健全；(2)全社会对森林抚育采伐与间伐剩余物、园林绿化废弃物利用认识不足，资源化利用起步艰难；(3)林业剩余物资源综合利用新技术推广力度不足，技术水平有待提高；(4)林业剩余物资源综合利用产业标准体系不健全，市场监管和技术监督力度不足；(5)林业剩余物资源综合利用产业示范工程较少；(6)林业剩余物资源综合利用产业转型升级形势严峻(段新芳等，2017)。
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- 生物炭的定义及理化特性
生物炭是有机物料在有限供氧和相对低温(lt;700℃)条件下经过热裂解形成的一种稳定的富含碳素的固态物质(Antal et al., 2003)，主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，一般含有60%以上的C元素，含有的其它元素主要有H、O、N、S等(Buseck, 1986)。生物炭的可溶性极低，溶沸点极高，具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构(Joseph et al., 2003;Kramer et al., 2004)。羧基、酚羟基、羟基、脂族双键以及芳香化等典型结构特征(Titirici et al., 2004)使生物炭具备了极强的吸附能力和抗氧化能力。在制炭过程中，原生物质的细微孔隙结构被完好地保留在生物炭中，使其具有较大的比表面积。含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大和理化性质稳定是生物炭固有的特点，也是生物炭能够还田改土、提高农作物产量、实现碳封存的重要结构基础(陈温福等，2013)。
生物炭的元素组成与制炭过程中的温度密切相关，随热解温度的升高，碳含量增加，氢和氧含量降低，灰分含量亦有所增加(Schmidt et al., 2000)。温度对生物炭性质的影响主要表现为：(1)原料性质和热解温度对生物炭孔隙结构的发展和产率有着重要的影响；(2)高温制备的生物炭，由于减少了可挥发性有机炭，提高了炭的芳香度，而残留于碳结构上的官能团属于一种更为稳定的结构形式，这种变化有助于增强生物炭的化学稳定性；(3)适当的高温处理有助于增大生物炭表面孔隙结构及有效表面吸附位点数量(林珈羽等，2006)。
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- 生物炭对基质理化特性的影响
生物炭可以改善土壤容重。王丹丹等(2013)在研究生物炭对宁南山区土壤容重的影响时发现，土壤容重随着生物炭添加量的增加而降低，生物炭添加比例越大，土壤容重降低幅度越大。孟李群的研究也发现，杉木皮生物炭处理对1～3代杉木人工林土壤容重影响最明显，容重分别比未施炭处理降低12.5%、19.08%和19.67%(孟李群，2014)。
生物炭影响土壤水分条件。有研究表明，生物炭总体上能显著增加质地较粘的土壤入渗能力，降低风沙土(质地较粗)的入渗能力(齐瑞鹏等，2014)。也有研究发现，生物炭能够提高黄土区土壤持水性，有利于黄土高原旱地作物的生长，这可能与生物炭增加土壤有机质含量、改善土壤团粒结构与颗粒大小等结构特征有关(肖茜等，2015)。
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