《Biomass and Bioenergy》：Optimizing stable biochar from guayule bagasse for prospective application in ex-situ arid soil amelioration
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本研究通过优化热解参数（温度、氮气流量、加热速率）制备了三种guayule秸秆生物炭，并分析其稳定性、固碳能力及土壤改良效果。中温生物炭（O/C=0.1，H/C=0.4，持留时间1151年）因高碳稳定性、适宜孔隙结构及较低能耗成为最佳选择，可有效改善干旱区土壤肥力及碳封存。
哈维斯·萨卡（Harvis Saka）|埃米莉·皮尔齐纳（Emilie Pierzina）|格雷戈里·奥格登（Gregory Ogden）|阿曼多·杜拉佐（Armando Durazo）|金伯利·奥格登（Kimberly Ogden）
美国亚利桑那大学，图森市，亚利桑那州
摘要
本研究优化了用瓜亚勒蔗渣（guayule bagasse）制成的生物炭，以改善干旱农田的土壤状况，重点关注其稳定性、碳封存能力和土壤健康。研究发现温度是主要影响因素：较高的热解温度虽然提高了生物炭的稳定性，但降低了其阳离子交换容量（CEC）。通过缓慢热解过程制备了三种优化后的生物炭：一种高温富碳生物炭（产率34%），一种中温生物炭（旨在平衡碳保留和结构发展，产率34%），以及一种低温高产生物炭（产率47%）。这些生物炭通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析及导数热重分析（TGA–DTG）和布鲁纳-埃梅特-泰勒（BET）表面面积分析进行了表征。在三种生物炭中，中温生物炭因其优异的氧碳比（O/C = 0.1）、氢碳比（H/C = 0.4）、比表面积（0.89 ± 0.09 m2/g）、孔隙体积（0.0017 cm3/g）和适宜的碳氮比（C/N = 10）而被选为最佳材料。此外，中温生物炭的生产所需能量显著较低。最佳热解条件为氮气流量40 mL/min、温度443°C、保温时间45分钟以及加热速率10°C/min，所得生物炭的碳含量为64–70%，固定碳含量为59±1%，平均滞留时间（MRT）为1151年，显示出极高的稳定性。低温高产生物炭也适用于酸性土壤，且具有较低的CEC和较差的土壤结构，从而扩展了其在不同农业生态系统中的应用范围。
引言
包括美国西南部在内的干旱和半干旱地区面临着土壤退化、水资源有限以及农业生产力下降等日益严峻的挑战[[1], [2], [3]]。这些地区的钙质土壤通常有机质含量低，养分保持能力差[4]。由于蒸发蒸腾加剧和极端温度等环境压力，可持续的土地管理变得至关重要[5]。土壤退化的一个后果是有机碳的不稳定性增加，这会降低土壤肥力、微生物活性以及其保持水分和养分的能力。干旱土地覆盖了地球表面的14%以上，并且由于气候变化和人为因素的影响而持续扩张，威胁着生态系统服务和碳封存潜力[6]。因此，保持土壤有机碳的稳定性对于减缓土地退化和实现碳中和至关重要[7,8]。
有机改良剂是改善土壤健康的一种公认策略[7]。为了确保生态相关性，本研究采用了适合干旱地区条件的本地化改良剂[2,8]。传统改良剂（如堆肥、粪肥和某些化肥）可能含有有害成分[9]，并且在干旱条件下会迅速分解，带来的效益有限[3,10]。相比之下，富含碳且化学性质稳定的材料（如生物炭），尤其是在与化肥联合使用时，能够长期改善土壤性质并实现碳储存[[11], [12], [13]]。生物炭因其能够增强土壤功能并长期稳定碳而受到重视[[14], [15], [16]]。
生物炭的特性（如表面积、孔结构、孔隙体积、阳离子交换容量（CEC）、持水能力以及对微生物群落的影响）取决于工艺参数（如温度变化速率、氮气流量、保温时间和最高热解温度）以及原料类型[[16], [17], [18]]。瓜亚勒蔗渣是一种新的生物炭来源[19,20]。瓜亚勒（Parthenium argentatum）是一种原产于北美洲干旱地区的多年生灌木，因其含有可加工成一次性手套或轮胎的天然橡胶而受到关注。该植物还含有树脂和大量蔗渣（约占植物生物量的80–85%），这些成分适合进行热化学转化[21]。利用这些副产品有助于提升瓜亚勒产品在低过敏性橡胶替代品和生物基化学品（萜烯、驱虫剂、粘合剂、生物聚合物、催化剂和吸附剂）中的经济价值，进一步凸显了天然原料在可持续材料中的作用[22]。
为了充分发挥瓜亚勒的潜力，需要优化热解参数，以最大化碳保留和生物炭的稳定性，并根据目标土壤调整其性质。先前的研究表明，温度、氮气流量和原料特性对生物炭质量有显著影响[[23], [24], [25], [26]]，但迄今为止尚未有针对瓜亚勒生物炭在干旱土壤中长期稳定性和碳封存能力的系统研究。
因此，本研究旨在利用Design-Expert（版本13.0）进行优化，开发出稳定的瓜亚勒蔗渣生物炭。我们分析了最佳瓜亚勒生物炭的物理化学性质，重点关注固定碳含量、氢碳比（H/C）和氧碳比（O/C）等稳定性指标，以及芳香性和平均滞留时间（MRT），以期为耐用的土壤改良剂和气候适应性提供依据。在此基础上，本研究进一步强调在受控温室条件下应用该生物炭时，需平衡长期碳稳定性和养分保持能力，以实现良好的物理化学性能并提升农业效益。
瓜亚勒（植物类型 - AZ2品种）
在亚利桑那州培育的AZ2瓜亚勒杂交品种具有高生物量产量、强健的幼苗活力以及适应干旱环境的能力[27,28]。这种植物对养分、农药和灌溉的需求较低，在典型条件下每年可产出22,000公斤/公顷[21]。本研究使用的AZ2品种种植于亚利桑那州埃洛伊（Eloy），两年后收获。收获后的植物在田间干燥并打包后送往现有的中试加工设施进行处理。
优化研究
为了探讨加热速率（℃/min）和氮气流量（mL/min）这两个操作参数与生物炭产量（重量%）和阳离子交换容量（cmol/kg）之间的关系，研究人员进行了初步研究。实验旨在最大化生物炭产量和阳离子交换容量，同时尽量减少合成气（重量%）和生物油（重量%）的产生。初步结果表明，最佳的热解条件为加热速率5℃/min。
结论
本研究评估了瓜亚勒蔗渣作为粘壤土改良剂在温室实验中的效果，以及通过稳定生物炭封存碳的能力。优化研究表明，高温生物炭的稳定性最高，其次是中温生物炭。
CRediT作者贡献声明
哈维斯·萨卡（Harvis Saka）：负责写作、审稿与编辑、可视化处理、软件应用、方法论设计、数据分析、概念构建。
埃米莉·皮尔齐纳（Emilie Pierzina）：负责可视化处理、软件应用和数据调查。
格雷戈里·奥格登（Gregory Ogden）：负责写作、审稿与编辑、数据管理。
金伯利·奥格登（Kimberly Ogden）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、项目统筹、方法论设计、数据调查及资金筹措。
手稿准备过程中使用的人工智能和AI辅助技术声明
在撰写过程中，作者使用了copilot工具来纠正语法和标点错误。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对最终发表的文章内容负全责。
资金支持
本研究得到了美国农业部自然资源保护服务的资助（奖项编号：NR233A750004G013）。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
作者感谢美国农业部和Bridgestone Americas公司的支持。
