生物質炭特性及其對土壤性質的影響與作用機制

陳斐杰，夏會娟，劉福德，孔維靜*，盧少勇

1.中國環境科學研究院

2.天津理工大學環境科學與安全工程學院

生物質炭（biochar）是由農林廢物、畜禽糞便和部分城市垃圾等生物質原料在限氧或無氧條件下經高溫裂解生成的富碳固體物質[1-3]，具有碳含量高、比表面積大、孔隙度高、吸附能力強等特點[4-6]，可為退化土壤的修復和改良提供條件。因此，生物質炭被廣泛用作土壤調理劑，其在酸化、鹽堿化和污染土壤等退化土壤改良與修復中的應用受到關注[7-10]。近年來，圍繞生物質炭制備工藝、改性工藝、聯合施用及生物質炭作用機理等方面的研究受到重視，生物質炭在廢物處理、材料制備、環境和農業等領域得以廣泛應用[5,11]。生物質炭對退化土壤的應用效果因土壤和生物質炭類型而異，全面了解生物質炭對土壤性質的影響機制，對因地制宜實現土壤高效修復意義重大。但關于生物質炭對土壤性質影響的綜述多不區分土壤和生物質炭類型，忽略了其影響效果和機制多變性。因此，筆者總結了生物質炭的特性及其對土壤性質的影響，結合土壤和生物質炭類型，從物理、化學和微生物3 方面分類闡述生物質炭對土壤性質的影響機制，提出了其應用于土壤改良時存在的問題，并對未來的研究進行了展望。

1 生物質炭的特性

生物質炭多以植物纖維廢物（如竹、稻稈、玉米秸稈、花生殼等）為原料制備，其主要組分為灰分、固定碳和揮發分，主要組成元素包括碳、氫、氧、氮等，碳含量為23.6%～88.0%，灰分中含磷、鉀、鈣、硫、鎂等營養元素[12]。

生物質炭的理化性質因原料類型和熱解條件的不同而存在差異，且具有一定的變化規律[13]。與動物源生物質炭相比，植物源生物質炭具有較低的灰分含量、較高的碳含量、較大的比表面積和孔隙度以及較強的堿性[13]。熱解條件，尤其是熱解溫度，對生物質炭的性質具有顯著的影響。一般而言，隨熱解溫度升高，生物質炭的灰分和固定碳含量增加，揮發分含量降低，比表面積和孔隙度增加，堿性增強，總基團和酸性基團含量降低[14-18]。

1.1 灰分、揮發分、固定碳含量

生物質炭的灰分、揮發分和固定碳含量主要受原料類型和熱解條件影響[2,19]。Enders 等[20]對木本植物、草本植物、畜禽糞便、污泥和廚余垃圾等94 種原料制成的生物質炭基本性質的研究顯示，生物質炭的灰分含量為0.4%～88.2%，揮發分含量為13.2%～70.0%，固定碳含量為0～77.4%。原料類型是灰分含量的決定因素，表現為畜禽糞便＞草本植物＞木本植物[4]，而生物質炭的碳含量為木本植物＞草本植物＞畜禽糞便[21]。與熱解時間相比，熱解溫度對生物質炭性質的影響更為顯著。隨熱解溫度升高，生物質炭灰分和固定碳含量漸增，而揮發分含量降低（圖1）。

圖1 水稻秸稈生物質炭灰分、揮發分和固定碳含量隨熱解溫度的變化[22-23]Fig.1 Changes in ash,volatile and fixed carbon contents of rice strawbiochar with pyrolysis temperature

1.2 比表面積和孔隙度

生物質材料尤其植物纖維材料本身具備了一定的孔隙結構，這些結構隨纖維素、半纖維素、木質素等有機成分在熱解中擴大，并伴隨更多微孔形成，使生物質炭形成了低密度多孔結構（圖2）[19,24]。生物質炭比表面積大小差異主要歸因于其孔隙度，一般按孔徑大小將孔隙分為小（微）孔（＜2 nm）、中（介）孔（2～5 nm）和大孔（＞5 nm）[19,25]。生物質炭施于土壤中時，大孔結構主要影響土壤的通氣性和保水能力，以及微生物生境形成，而小孔結構主要影響土壤中礦質養分及污染物的吸附和轉移，且比表面積常與小孔含量正相關。不同原料、不同熱解條件下制備的生物質炭比表面積差異較大，變化范圍為0.1～520 m2/g，且殼類＞糞污＞秸稈＞木質＞污泥生物質炭[2]。

圖2 500 ℃蘆葦生物質炭掃描電鏡[19,24]Fig.2 Scanning electron microscopeimages of Phragmites australis biochar at 500 ℃

影響生物質炭比表面積和孔隙度的因素除原料類型外，還包括熱解溫度和時間，尤其是熱解溫度[22,26-27]。通常，生物質炭的比表面積和孔隙度隨熱解溫度升高而漸增[14]，但當熱解溫度過高時，孔隙結構會被破壞而引起比表面積和孔隙度下降[28]。在熱解溫度低于500 ℃（100～400 ℃）時，生物質炭的比表面積和總孔容較低，平均孔徑較大[29]；而當熱解溫度升至500～700 ℃，生物質炭比表面積和總孔容隨溫度升高呈直線增加趨勢，平均孔徑劇降（圖3）。因此，400～500 ℃可能是生物質炭熱解過程的臨界溫度范圍，具體閾值因材料而異。

圖3 生物質炭比表面積和孔隙度隨熱解溫度的變化[29-30]Fig.3 Changes in specific surface area and porosity of biochar with pyrolysis temperature

1.3 酸堿度

不同原料和熱解條件下制備的生物質炭的酸堿度有別。常見生物質炭pH 為5～12，大多數生物質炭呈堿性，這由其所含碳酸鹽和堿基陽離子決定[31]。堿性生物質炭可降低酸化土壤中的交換性氫離子或鋁離子含量，改良酸化土壤。通常生物質炭的堿性會隨熱解溫度升高而增強（表1），這是由于熱解過程中碳酸鹽和結晶碳酸鹽的不斷積累所致[32-33]。在相同制備條件下，不同類型原料制備的生物質炭pH呈秸稈＞污泥＞糞便＞木質生物質炭的變化規律[2,19]。

表1 不同生物質炭pHTable 1 pH values of different biochar

1.4 表面官能團

生物質炭表面具有豐富的含氧官能團，羧基、羰基、酚羥基等極性官能團使其吸附性能良好[22,34]。生物質炭官能團的種類和數量是決定其理化性質的重要因素[1,28]。同一熱解條件下，不同類型原料制備的生物質炭官能團含量差異較小（表2）；隨熱解溫度升高，生物質炭的總基團和酸性基團含量漸減，而堿性基團含量增加，但變幅均較小（圖4）。生物質原料在500 ℃熱解3 h 制備的生物質炭官能團含量明顯高于其他熱解條件（表2），可見熱解時間比溫度對生物質炭官能團的影響更大。

圖4 生物質炭官能團含量隨熱解溫度的變化[33]Fig.4 Changes in functional group contents of biochar with pyrolysis temperature

表2 不同類型生物質炭的官能團含量Table 2 Functional group amounts of different types of biochar

2 生物質炭添加對土壤性質的影響

不同類型生物質炭對土壤的影響各異，總體上，生物質炭對土壤的影響主要包括改善土壤結構、提高土壤肥力、調節土壤酸堿度、修復污染土壤、增強生物活性和調節養分轉化等[36]，可概括為對土壤物理結構、化學性質、微生物和污染物4 方面的影響。

2.1 對土壤物理結構的影響

基于其疏松多孔結構，生物質炭主要通過改變土壤孔隙結構、水分特征和團聚體結構影響土壤物理結構，進而影響土壤的水、氣、熱條件和結構穩定性。

生物質炭的疏松多孔結構可有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度，從而增加土壤對小分子物質的吸附和保持[5,37-38]。另外，生物質炭的多孔結構通過存儲氧氣和水分提高土壤通氣性和持水性，使其與外部環境構成良好的物質交換與流通[6,39]。增加生物質炭的施用量對增加土壤含水量、田間持水量和毛管孔隙度具有顯著促進作用[21,40]。

此外，生物質炭施加與土壤各級團聚體分布有顯著相關關系，且在一定范圍內，團聚體穩定性隨生物質炭添加量的增加而增強[41]。良好土壤團聚體結構能為土壤提供穩定的水土交換條件，為微生物提供有利生存環境，減少有機碳損失，提高水土保持能力，增強土壤生產能力[42]。

2.2 對土壤化學性質的影響

生物質炭添加對土壤化學性質的影響方式主要包括：1）通過養分直接輸入或固持保肥改變土壤養分狀況；2）通過土壤和生物質炭的酸堿差及生物質炭的高陽離子交換量，改善土壤酸堿狀態及緩沖保肥能力[43-44]。

生物質炭多呈堿性，添加后會顯著升高酸性土壤的pH[32,45]，但其對堿性土壤pH 的升高效應并不明顯[46]，甚至造成pH 下降[47]。生物質炭對土壤pH的影響與土壤和生物質炭自身酸堿性及生物質炭添加量有關，當生物質炭與受體土壤的酸堿度相差越大，添加量越大，對土壤pH 的改變越明顯[38,48-49]。

生物質炭常具較高陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC），施加后可提高土壤CEC，增強土壤緩沖和保肥能力，增幅受生物質炭和土壤的本底CEC 影響。生物質炭施加顯著提高酸性土壤的CEC，但對堿性土壤CEC 的提高作用不明顯[50]。

生物質炭中的高碳組分會為土壤輸入大量有機碳，以及一定量的鉀、鈣、鈉、鎂、硅等營養元素，對營養缺乏的貧瘠土壤的改良效果十分顯著[51]。高度芳香化及疏水性的脂肪族、氧化態碳等有機碳成分使生物質炭具有較強穩定性[11]，能在土壤中存留較長時間，在外部結構氧化后，內部結構仍可在土壤中穩定長達幾百年[52]。相較于有機質中的碳，生物質炭中的碳不易被氧化，施加后可增加土壤中穩定性碳含量，減少碳向大氣的釋放，因此生物質炭具促進土壤碳截獲、增加碳匯和緩解溫室效應的作用[8,53-54]。

生物質炭具有高度穩定性并對土壤中的營養元素有較強吸附性能，能固持養分，減少淋溶和揮發，提高利用效率，發揮“緩釋肥”的功效。生物質炭能有效增加土壤對氮的吸收和保持能力，調節硝化和反硝化過程，減少土壤中氮流失，增加有效氮含量[55-56]。堿性生物質炭通過吸附磷改善磷流失嚴重的土壤[51]。尹俊慧等[57]通過生物炭混施的土柱模擬試驗發現，pH 的提高能有效抑制土壤中磷的淋失，且可通過不同類型生物質炭混施提高抑制率。

2.3 對土壤微生物及酶活性的影響

生物質炭為土壤微生物生長提供豐富的碳源、適宜環境和更多生存空間，對微生物物種組成、群落結構及群落功能等產生影響。土壤微生物參與或承擔了土壤中氧化、硝化、氨化、固氮、硫化等生化反應過程，尤其是土壤養分的吸收、轉化和循環[58]。生物質炭的施加直接或間接影響土壤微生物活動：1）生物質炭可為土壤微生物生長繁殖提供適宜的水、氣、熱等環境條件，增強微生物附著，降低淋洗，且可提高部分微生物活性，增強有益微生物生長和代謝能力，間接增強土壤肥力[59]。土壤微生物數量和種類的增加改善了土壤中菌落的組成和多樣性，進一步改善土壤微生態[60]。2）生物質炭中的高碳成分及鉀、鈣、鈉、磷等成分為微生物提供額外碳源和其他必要元素，促進土壤中各類參與養分循環的功能微生物生長繁殖[59,61]，有助于改善土壤養分狀態。

施加生物質炭可影響土壤中微生物組成及其酶活性，減少土壤中養分流失，促進氮、磷等向有效態轉化，利于植物吸收[62-63]。Irfan 等[64]研究表明，以甘蔗渣為原料的生物質炭除了增加土壤中的微生物碳、氮含量外，脲酶和脫氫酶活性也顯著提高，促進了土壤中尿素分解成氨和脫氫反應進行。尚藝婕等[65]使用秸稈生物質炭以0、2.5%、5%的3 種不同質量比添加到鎘污染土壤中，發現生物質炭的添加顯著增強了土壤中碳循環酶、脲酶、磷酸酶、氧化還原酶的活性；在外加鎘時，生物質炭添加量為2.5%比添加量為0 和5%時的土壤綜合酶指數分別高出16.26%及28.57%；但是各類酶的敏感度存在差異，在鎘污染土壤中對生物質炭的施加最敏感的是熒光素二乙酸酯水解酶（FDA 水解酶）及蛋白酶，而對生物質炭添加量反應最顯著的為磷酸酶。

2.4 對土壤中污染物的影響

除了改善土壤的酸堿平衡和水肥狀態外，生物質炭還可用于受農藥、多環芳烴(PAHs)等有機污染物及氮、磷、重金屬等無機污染物污染土壤的修復[9,13,66]。生物質炭對土壤中污染物的影響方式主要包括吸附和轉化2 種途徑，通過降解或轉化形式降低污染物有效態含量或抑制污染物轉移和擴散[13,67-68]。生物質炭疏松的多孔結構和大量含氧、含氮、含硫官能團使土壤CEC 大大增強，利于吸附土壤中多種污染物并固定在生物質炭內部，減少污染物淋洗，抑制污染物在土壤中的轉移，降低污染物的化學活性和生理毒性[69-70]。同時，生物質炭能促進土壤中重金屬離子生成可沉淀的鹽，降低土壤中有效態重金屬含量，抑制重金屬從土壤進入植物體，進而在環境中擴散、轉移和富集[9]，降低污染物對環境的危害。

3 生物質炭對土壤性質的影響機制

生物質炭加入土壤后，通過物理（圖5）、化學（圖6）和生物機制（圖7）影響土壤結構和功能。

圖5 生物質炭對土壤性質的物理作用機制Fig.5 Physical effect mechanism of biochar on soil properties

圖6 生物質炭對土壤性質的化學作用機制[66]Fig.6 Chemical effect mechanism of biochar on soil properties

圖7 生物質炭對土壤性質的生物作用機制Fig.7 Biological effect mechanism of biochar on soil properties

3.1 物理機制

3.1.1填充擴容

土壤孔隙度低是物理結構不良的土壤的通病之一，常會導致土壤通氣性、排水性能及養分釋放和移動能力變弱。生物質炭疏松多孔結構使其容重明顯低于土壤，且能在孔隙中留存大量空氣和水分，因此生物質炭能顯著增加土壤水氣容量[25]。多孔結構生物質炭使土壤容積增加，土質疏松，水氣供給和生長空間充足，更利于植物尤其根系的生長發育和穩固。此外，土壤孔隙度增加利于降水時土壤鹽分的淋溶，降低含鹽量，改良鹽堿土[7]。

3.1.2物理吸附

生物質炭比表面積較大，且表面分布有大量負電荷，通過靜電作用吸引土壤中含正電荷的無機金屬離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+等），非金屬離子（等），有機污染物（有機農藥、PAHs 等）。生物質炭與呈正電性的有機物之間的靜電吸附作用力會隨生物質炭氧化程度的增加而增強。由于有機污染物莠去津在酸性環境中發生質子化作用，導致生物質炭對莠去津的吸附作用增強[71]。

3.1.3孔隙截留

生物質原料尤其是植物原料中含較多的氫、氧元素，在原料熱解炭化中，氫、氧元素脫去使殘留碳元素炭化，形成孔結構[26-27]。另外，生物質材料原有結構消失和脫水裂解反應導致水分和揮發分逸出，形成多孔碳架結構[14]。除了空氣和水分，生物質炭不同孔徑孔隙結構還可攔截和固持土壤中的污染物，降低土壤污染風險。當小于孔徑的成分擴散或在其他外力作用下進入微孔內部，就會被鎖定在生物質炭內[13,33]，結合離子交換等其他作用機制產生不可逆的吸附固定，有機污染物被長期穩定于土壤中，大大降低其生物有效性。

3.1.4膠結凝聚

土壤顆粒主要通過有機質和礦物質的凝聚膠結作用形成土壤團聚體，而生物質炭具有吸附養分和腐殖質的功能，能為團聚體形成提供必要的有機膠結物質[72]，且吸附聚集礦質顆粒也利于形成維持生物質炭穩定性的團聚體。

凝聚作用是土粒通過反荷離子等作用而緊固的過程。帶負電荷的土壤膠粒相互排斥呈溶膠狀態，但在異性電子Ca2+、Fe3+等陽離子作用下，膠粒相互靠近凝聚而形成復粒，是形成團聚體的基礎[73]。生物質炭表面附著的大量負電荷及孔隙中附著的微生物、菌絲體等對土粒的纏繞都為團聚體成型提供了團聚作用力。

3.2 化學機制

3.2.1化學吸附

生物質炭表面含豐富的羧基、酚羥基、羰基等官能團，官能團間形成的氫鍵、π—π 鍵、離子偶極鍵等化學鍵或強烈的分子間相互作用力，使生物質炭具有較強化學吸附性能。如堿性條件下磺胺甲嘧啶（sulfamerazine,SMT）會發生去質子化，而后通過與生物質炭表面的羧酸鹽官能團形成氫鍵發生化學吸附[74]。當生物質炭經酸化處理后，羥基、羧基等酸性的含氧官能團與極性有機物之間的離子鍵作用力隨之增強。Zhu 等[34]對木質生物質炭加氫和再氧化技術處理的試驗證明，高度芳香性的生物質炭與萘、菲、芘等苯環有機物之間通過π—π 電子供受體（π—π EDA）作用力實現化學吸附。此外，生物質炭中豐富的碳酸鹽和有機官能團，在酸性土壤中，會與H+發生締合反應[32]，降低土壤中H+濃度，減輕土壤酸化[75]。

3.2.2離子交換

生物質炭中堿性物質的主要成分是碳酸鹽和有機陰離子。酸性土壤中的活性酸H+、Al3+和CO2等易與這些堿性物質反應生成碳酸氫鹽，而后與酸進一步反應生成CO2，在反應中產生的Na+、K+、Ca2+、Mg2+等鹽基陽離子與土壤中的H+和交換性Al3+發生交換，降低其含量，從而提高土壤pH[10]。另外，生物質炭具有較高CEC，Na+、K+、Ca2+、Mg2+等堿基陽離子為土壤中帶正電荷的重金屬離子和銨離子提供交換位點，土壤對金屬陽離子的交換作用與生物質炭的陽離子交換量呈正相關[68]。

3.2.3配位絡合

生物質炭的羧基、羥基等負電荷有機官能團會與重金屬離子發生配位絡合反應，生成金屬絡合物[68]。殷西婷[67]通過分析松木生物質炭吸附土壤中砷污染物后官能團吸收峰的變化，發現對As(V)吸附起主要作用的是生物質炭表面的羥基和改性生物質炭負載的鐵氧化物介導的配位反應。Chen等[3]研究發現，荷花生物質炭表面的酸性官能團與鎘離子生成絡合物，進而去除水中的鎘。Dong 等[76]的研究也發現，稻稈生物質炭對Ni(II)吸附作用機制主要是表面離子交換和內部絡合作用。

3.2.4共沉淀

生物質炭的礦物組分會與土壤中的重金屬發生共沉淀作用。如磷在一定條件下會與生物質炭中的Mg2+、Ca2+、Zn2+和Pb2+發生共沉淀，生成難溶的化合物，如CaHPO4·2H2O、Zn3(PO4)2·4H2O、Pb5(PO4)(OH)3等[66,77-78]。生物質炭對Pb2+的吸附過程中，其礦物鹽成分在酸性環境中會溶解，并釋放出Cl-、OH-、、和等陰離子，與土壤中的Pb2+發生共沉淀[79]。此外，Cd2+、Zn2+、Pb2+、Hg2+等重金屬離子也易與生物質炭發生共沉淀，從土壤的液相中轉移至生物質炭固相中[77]。

3.3 生物機制

3.3.1微生物酶介導

土壤中物質和能量的吸收、轉化和利用主要通過微生物介導的系列生物化學反應完成。土壤酶是由動植物活體和微生物分泌或殘體分解而來，參與土壤中各種生化反應，如土壤腐殖質組分的合成與分解，有機物、動植物和微生物殘體的水解與轉化以及土壤中氧化還原反應[80]。土壤酶活性反映了土壤中生化反應的活躍程度及土壤質量和養分循環狀態[81]。

生物質炭可顯著影響土壤中參與碳、氮、磷等養分循環的多種酶和微生物活性。張功臣等[82]研究表明，生物質炭添加顯著提高了土壤中的脲酶和過氧化氫酶活性，前者的酶促反應影響了土壤有機態氮向有效態氮轉化，后者影響過氧化氫分解，降低生物毒性，促進微生物代謝活動，進而增加了土壤中速效養分含量，提高土壤肥力。賀超卉等[83]研究發現，在褐土中施加生物質炭可增強還原氧化亞氮的細菌活性，促進完全反硝化。鄭慧芬等[62]研究發現，施用生物質炭增加了土壤pH，提高了堿性磷酸酶和溶磷細菌活性，抑制了酸性磷酸酶活性，進而促進土壤中磷素的轉換和利用，使土壤中有機碳、總氮、總磷、有效磷等含量顯著提高。一方面，因生物質炭具保水保熱功能[36,84]，能為生化反應提供更有利的水熱條件；孔隙中的空氣為好氧反應提供了充足的氧氣，一定程度上抑制了厭氧反應的進行。另一方面，生物質炭對反應底物的吸附便于酶結合，利于酶促反應進行，提高了酶活性[65]。

此外，生物質炭通過改變土壤pH 影響酶和微生物的活性，如王涵等[31]在黃土土壤中按0、1%、3%和5%的比例施加300 和600 ℃下制得的油菜秸稈生物質炭，發現生物炭脲酶、過氧化氧酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、脫氫酶、多酚氧化酶和蛋白酶的活性受土壤pH 影響較明顯，呈酸化抑制、堿化激活規律。然而，如果生物質原料含過量重金屬，重金屬會富集在熱解制備的生物質炭中，引起土壤PAHs 含量增加[85]。當施加的生物質炭中引入過多的重金屬或PAHs 等物質時，反而會對土壤中的酶和微生物產生一定毒害，抑制養分循環[61]。

3.3.2微生物群落結構作用

碳含量高、孔隙豐富的生物質炭為微生物生長發育和繁殖提供了充足空間，減少了生存競爭壓力，增加了微生物多樣性。大量研究表明，添加生物質炭會影響土壤中微生物數量、種類和群落結構，驅動養分（如碳、氮、磷等）循環，更利于作物對土壤養分的吸收利用[12,58]。

添加的生物質炭通過改變土壤氨氧化類細菌群落結構影響氮循環。如在酸性土壤中，施加堿性水稻秸稈生物質炭后，土壤中氨氧化細菌（ammoniaoxidizing bacteria,AOB）豐度顯著增加，氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）生長受抑制[63]。氨氧化類細菌是硝化反應中氨氧化環節（NH3到）的重要執行者，氨氧化作用是硝化反應的限速環節，其進程決定了硝化程度乃至整個氮循環[86]。生物質炭對氨氧化細菌和氨氧化古菌的影響，促進了硝化反應中將銨氧化為亞硝酸鹽的環節（亞硝化作用），直接或間接促進了土壤中氮循環。Xu等[87]研究表明，生物質炭添加影響土壤中支撐碳和氮循環的微生物的相對豐度，可調節土壤氮循環，減少了N2O 排放。

同樣，添加的生物質炭通過改變土壤微生物群落的結構影響碳、磷循環。Anderson 等[88]研究表明，生物質炭可促進溶磷細菌生長，利于土壤中難溶性磷向可溶性磷轉化，增加土壤中可利用磷含量；通過增加能作用于難降解碳化合物的細菌種群數量調節土壤碳通量，如熱單孢菌科、鞘氨醇單孢菌科、酸熱菌科、地衣菌科、鏈孢素囊科和纖維單胞菌科的微生物的增加能促進多種碳化合物分解為土壤微生物的碳源；生物質炭對孢子囊內科和桿菌科微生物生長的促進影響無機磷的生物利用度。因此，改變土壤中不同功能微生物的數量和群落結構是生物質炭影響土壤碳、氮、磷循環的重要作用機制之一。

4 存在問題與展望

生物質炭作為極具潛力的土壤改良物質，具有功能性強、原料廉價易得、污染風險相對低、持續時間長等優點，目前主要通過改善土壤結構、提高土壤肥力、增強土壤生物活性等途徑實現土壤改良和修復[89-90]。如今關于生物質炭的研究已取得了一定成果，但將生物質炭廣泛用于土壤改良和修復尚存在較多未解決的問題。

（1）目前對生物質炭的試驗多基于室內模擬，大規模尤其是長時間田間試驗開展較少，數據欠缺。生物質炭制備工藝和原料來源會影響其性質，但其具體影響機制不明，欠缺通過精準控制制備條件來獲取特定性質的生物質炭的工藝。

（2）單一生物質炭難以有效針對特定土壤問題快速起效，需配合其他措施如有機肥料共施等。不同類型、比例、用量的生物質炭組合配施及生物質炭改性使用尚未形成完整的系統理論，缺乏生物質炭應用的相關參考標準。很多試驗中生物質炭對土壤的作用效果有別，甚至相反。此外，因高溫熱解制備工藝導致生物質炭的表面和孔隙中附著一定的PAHs[91]、二噁英或呋喃等有害物質。但因目前提取和檢測尚無統一的標準化方法，且制備工藝條件和原料來源對生物質炭成分影響較大，很難準確評估生物質炭潛在的環境風險程度，這是阻礙生物質炭推廣應用的關鍵問題。

（3）尚需進一步探究生物質炭對土壤微生物活性的影響機理及其對土壤理化性質的回饋聯用，從而為生物質炭應用于土壤改良提供科學依據。

（4）相較于常用土壤改良材料，如石灰石、粉煤灰、畜禽糞便和秸稈等，生物質炭的生產需要相對復雜的工藝，因而其價格略高；生物質炭作為一種惰性碳源，應用于土壤改良時，效能的發揮需要相對較長的時間。但生物質炭熱裂解過程中產生的油、氣以及液體產物可作為能源或資源被廣泛利用，如發電、取暖以及用作植物生長調節劑等，這也彌補了生物質炭產品價格高的不足。同時，與常用土壤改良材料相比，生物質炭的效果具有長效性，且能發揮降碳的作用。

因此，未來應廣泛開展大規模生物質炭長期田間應用試驗，進一步闡述生物質炭對土壤改良的作用機制，推進生物質炭開發應用深度與廣度，促進生物質炭在土壤改良和污染修復領域的應用。