试验用生物质炭由浙江金锅锅炉有限公司提供. 以山核桃蒲壳、玉米秸秆和易腐垃圾为原料，山核桃蒲壳来自地方农林废弃物处理点、易腐垃圾采自地方易腐垃圾处理中心（该处理中心的易腐垃圾主要来源于农贸市场的生鲜垃圾约60%，餐厨垃圾40%，以植物性垃圾为主）. 其中用于制炭的易腐垃圾含水率为20%以下，是由新鲜易腐垃圾经过混合、破碎、干化处理后得到的垃圾混合物. 所用易腐垃圾原料的EC值为（5.23±0.21） mS·cm⁻¹，磷含量为0.70%±0.06%，钾含量为2.52%±0.161%. 本研究分别在350、500、650 ℃条件下，限氧热裂解（炭化炉体内部不与空气接触，热解炭化过程中，没有氧气参与热解过程，压力为常压）制备山核桃蒲壳炭（WSB）、玉米秸秆炭（MB）和易腐垃圾炭（PWB）. 每种原料每个温度条件下热解炭化，重复3次，抽取每次部分样品用于理化特性分析.

采用元素分析仪（vario EL，德国）测定生物质炭的C、H、N元素含量. O含量通过灰分法^[21]间接测定，并计算H/C、O/C、（O+N）/C、C/N的原子比. O含量的计算：

生物质炭样品与KBr以质量比1:100混合压片，采用傅里叶红外光谱仪（Nicolet iS50，美国）对生物质炭进行红外光谱分析，观察生物质炭的官能团情况.

采用电镜能谱一体机（Phenom Prox，荷兰）观测生物质炭表面形貌和形态以及测定生物质炭表面元素. 电镜选择×3000放大倍数，EDS能谱选择面扫，选择清晰完整的样品部位，拍照保存并分析.

生物质炭样品与去离子水按1:20（W:V）混合，180 r·min⁻¹振荡1 h，采用多参数测试仪（S470-USP/EP Mettler，瑞士）测pH和EC值^[21]，滤液采用火焰光度计（Shewood，英国）测生物质炭水溶性Na⁺、K⁺浓度.

元素组成分析、pH值与EC值等理化特性数据均为3份重复制备的生物质炭样品的平均值，红外光谱数据采用OMNIC处理，数据采用SPSS26.0进行数据统计分析和显著性检验.

山核桃蒲壳炭（WSB）和玉米秸秆炭（MB）的元素含量大小为C>O>H>N，而易腐垃圾炭（PWB）的元素含量大小为C>O>N>H（表1）. 热解过程中的炭化温度被认为是生物质炭稳定性的一个指标^[4]，随着炭化温度的升高，WSB和MB的C含量上升，H、O元素含量下降，这和前人研究结果一致^[22]. 然而，不同炭化温度制备的PWB的元素含量变化不显著. 不同炭化温度下，PWB的C含量显著低于WSB和MB，平均值为后二者的65.4%和68.8%，N含量则以WSB最低，PWB的C/N比值最低，平均为19.54. 随着炭化温度的升高，WSB和MB的C含量分别从47.68%、46.81%提高到59.41%、53.01%，分别提高了24.6%、13.2%；不同炭化温度下，PWB的C含量在34.13%—35.17%范围间波动，差异性不显著. H/C、O/C和（O+N）/C原子比作为重要指标可以用来表征生物质炭芳香性、亲水性、极性以及生物质炭结构.WSB和MB的O/C、H/C、（O+N）/C的原子比随炭化温度的升高而降低，H/C比值分别下降了58.7%和34.7%，PWB的O/C、（O+N）/C出现了一定波动，未表现出显著性差异，仅H/C显著下降了18.0%. 三类生物质炭的H/C下降，说明生物质炭的芳香性增强，结构更稳定. WSB和MB的O/C、（O+N）/C随温度的升高而下降，说明高温使得生物质炭亲水性和极性减弱.

以往研究偏重于炭化温度和植物基原料对生物质炭理化特性的影响，而对高灰分或来自生活固废的混合原料的生物质炭的理化特性变化规律研究较少. 姚红宇等^[23]研究棉秆生物质炭发现，随炭化温度的上升，pH和EC值上升，CEC、有机碳含量、N呈下降趋势. 朱启林等^[9]研究禾本科植物生物质炭发现，随炭化温度的上升，pH、灰分和C含量升高，水稻秸秆炭C/N下降. 王煌平等^[18]研究畜禽粪便生物质炭发现，随炭化温度的上升，灰分、C/N呈上升趋势，C、N呈下降趋势，P、K和养分呈上升趋势；由于易腐垃圾是由菜叶、骨头、果壳、米饭等多种类型的有机废弃物混合而成，不同材料类型对炭化温度的响应不一. 王琬丽等^[24]对餐厨垃圾沼渣热解特性研究发现，灰分质量分数的高低对热解过程有明显的影响. 赵金凤等^[25]研究表明，灰分含量高的生物质炭化学稳定性更强. 本研究结果也表明PWB灰分含量接近50%，其他元素占比较小，最终对温度的综合响应总体表现为不敏感，稳定性强.

红外光谱分析结果表明，不同炭化温度和原料制备的生物质炭，其表面官能团因多种因素而存在差异（图1）. 3种原料的生物质炭主要特征吸收峰出现在3393—3428 cm⁻¹、2922—2926 cm⁻¹、1388—1590 cm⁻¹、1038—1096 cm⁻¹、873 cm⁻¹. 其中，3393—3428 cm⁻¹为酚羟基和醇羟基拉伸振动峰^[26]，2922—2926 cm⁻¹为脂肪族C—H的拉伸振动峰^[27]，1388—1590 cm⁻¹出现苯环或芳香烃C=C、C—C伸缩振动峰^[28]，1038—1096 cm⁻¹为纤维素中的C—O—C吸收峰^[29]，873 cm⁻¹为Si—O—Si的拉伸振动峰^[30]. 在3393—3428 cm⁻¹处WSB和MB吸收峰强度随着炭化温度的升高而明显减弱，说明由氢键缔合的羟基逐渐断裂，酸性含氧官能团酚羟基减少，而PWB变化不明显，说明炭化温度的升高对PWB表面官能团的影响较小，这与元素含量变化得出的结论相吻合. 在2922—2926 cm⁻¹处，生物质炭的伸缩振动强度均随炭化温度的升高而下降. 在350 ℃时，3种生物质炭振动强度已较弱，在500 ℃以上时，该伸缩振动峰消失，生物质炭的烷基基团丢失，说明炭化温度的升高，生物质炭的芳香化结构逐渐增强^[31]. 在1388—1590 cm⁻¹处，不同生物质炭峰值明显，表明生物质炭具有高度芳香化结构. 在1038—1096 cm⁻¹处，WSB和MB随着炭化温度的升高，振动强度逐渐减小，说明炭化温度升高，纤维素和半纤维素损失，芳香族化合物相对保留下来，而PWB无明显变化. 在873 cm⁻¹处，随炭化温度升高吸收峰增强，说明三类生物质炭Si-O-Si官能团富集，且PWB此处的峰更为明显.

扫描电镜和EDS能谱（图2）分析结果表明，WSB有较完整平滑的表面结构，K、Ca含量较高，Si、Na含量较少，随炭化温度的升高，表面崎岖程度增加，出现不平整的表面结构. MB有丰富的孔隙结构，Na、Si含量高于WSB，随炭化温度的升高，内部出现了一系列孔道，其孔道的形成与纤维素和木质素的分解有关. PWB原料成分复杂，具有最高的Si、Na含量，表面结构与表1元素组成随炭化温度变化较小，表明热稳定性较好. EDS分析结果表明，PWB有更多的Si含量，印证了其含有更多的Si—O—Si官能团.

结果表明（图3a），本研究的生物质炭pH值均为碱性，500 ℃与650 ℃的生物质炭pH值显著高于350 ℃. 随着炭化温度的上升，三类生物质炭的pH呈上升趋势，这与以往研究结果一致^[32]. 炭化温度是生物质炭理化特性和结构变化的重要影响因素，炭化温度的升高会导致生物质炭的一些酸性官能团在炭化过程中分离，pH上升，化学键重新排列并生产新的表面官能团等，从而改变生物质炭的性能^[28]. 当炭化温度为350 ℃时，不同原料生物质炭间的pH值差异较大，依次为PWB>MB>WSB，其中WSB的pH值仅为7.72±0.03；不同原料生物质炭的H、O含量大小依次为WSB>MB>PWB. 当炭化温度由350 ℃升高到500 ℃时，pH值变化幅度大，WSB的pH值提升幅度最大，这与姚红宇^[23]的研究结论一致. 随炭化温度的升高，生物质炭的H、O含量呈下降趋势. 500 ℃以上时，生物质炭pH值趋于稳定，都达10.0以上，其中WSB和PWB的pH最高能达到10.47，MB的pH最高达到10.14. 升温过程中，纤维素和木质素快速分解，支链和侧链断裂，O以H₂O和CO₂的形式排出^[33]，并且有机质和挥发性物质的逐渐减少，导致硅酸盐等不可挥发性物质的占比增大，进而使得灰分相对含量上升^[34]. 灰分含量的快速上升，导致WSB的pH值快速上升.

EC值是表征生物质炭可溶性盐浓度的一个综合性指标^[35]，EC值取决于原料和炭化温度，与自身灰分中的碱金属盐和碱土金属阳离子相关^[36]. 3种生物质原料中（图3b），MB的EC值最高，WSB与PWB相接近. 植物基生物质炭的EC值通常低于畜禽粪便炭^[37]. 随着炭化温度的上升，WSB与PWB的EC值呈上升趋势. 而本试验的MB呈下降趋势，但在同炭化温度下，EC值的大小依次为MB>WSB>PWB. 其中，MB350的EC值最高，为5.82 mS·cm⁻¹，WSB350的EC 值最低，为2.35 mS·cm⁻¹.

3种原料生物质炭中（图3），PWB中的水溶性Na⁺浓度最高，波动范围为183.1—202.8 mg·kg⁻¹，其次为MB、WSB. PWB水溶性K⁺浓度范围为653.7—848.5 mg·kg⁻¹，低于MB和WSB.随着炭化温度的升高，WSB和PWB的水溶性K⁺、Na⁺浓度在500 ℃以上有大幅提高，而MB以500 ℃最高. 水溶性K⁺含量与EC值在不同原料和炭化温度间的变化趋势相近.

相关性分析表明（表2），灰分与C含量、C/N比值、水溶性K⁺含量呈极显著负相关，与N含量、水溶性Na⁺、pH值呈极显著正相关；pH与O含量、(O+N)/C、O/C、H/C呈极显著负相关；EC与(O+N)/C、O/C呈极显著负相关，与水溶性K⁺含量呈极显著正相关；主成分分析（PCA）结果表明（图4），灰分含量、水溶性Na⁺含量和C/N比值是区分3种原料来源生物质炭的重要因子，3种原料来源生物质炭的灰分含量依次为PWB>MB>WSB. 而（O+N）/C、O/C、H/C、EC值是区分不同炭化温度制备的生物质炭的重要因子，同时也发现WSB在不同炭化温度下差异最大，MB次之，PWB最小.

本研究结果表明，灰分是影响生物质炭理化特性的重要因子，也是影响其对炭化温度响应的关键因子. 灰分越高，生物质炭元素含量变化对温度的响应越不敏感. 在3种炭化温度下，PWB的C含量变化不显著，与其高灰分对生物质炭稳定性的保护作用有关. 从表1中可知，在较低温度时，灰分含量大的生物质炭H/C越小，说明在低温时，灰分含量高的生物质炭具有更强的稳定性. 在高温时，灰分越低的生物质炭有更低的H/C，低灰分生物质炭H/C的变化幅度高于高灰分生物质炭，说明高温可以使生物质炭更稳定，灰分对生物质炭其他元素有一定的保护作用^[24-25,32]. Mcbeath等^[38]研究表明，灰分富含矿物质，对有机组分提供了较强的保护作用，可提高生物质炭的芳香性，进而提高其热稳定性和化学稳定性. 不同于传统的纯植物基生物质炭，本研究中的易腐垃圾灰分含量高，并含有相当比例的硅氧化物和硅酸盐等矿物成分，可以为土壤提供更为丰富的矿质养分. 因此，灰分含量高是导致不同炭化温度下PWB的C含量相对稳定，且其pH值偏高.

近年来，易腐垃圾的有效减量化处理、资源化利用备受关注. 2020年实施新修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，生活垃圾分类制度写进法律，从源头进行筛分处理，提高了易腐垃圾的资源化利用率. 易腐垃圾预处理技术和流程主要包括破袋、筛分、分选、破碎、生物干化或加热干化等，对于油脂丰富的餐厨垃圾，还需进行油水分离处理^[39-40]. 经预处理后的易腐垃圾通常进行焚烧发电、填埋处理以及厌氧发酵但都存在二次污染或能耗大的问题^[41]. 近期，地方提倡易腐垃圾通过厌氧或好氧发酵技术制备易腐垃圾有机肥，但还存在减量化慢、堆放占地、有一定盐分和有害微生物风险等问题，亟待更高效的处理技术和资源化利用方式. 易腐垃圾是有机易腐的生物质原料，可以热解炭化制备成生物质炭. 施庆文^[42]的调查研究表明，7种易腐垃圾处理技术中，热解炭化的处理成本最低，同时，热解产生的热解气可燃烧利用，热解炭化产生的生物质炭可应用于农业、环保领域^[43]. 本研究制备的易腐垃圾炭碳含量均大于30%，EC值甚至低于玉米秸秆炭，盐分未超标，适合于农业应用. 总之，易腐垃圾炭具有富碳多孔隙特性，与纯植物制备的生物质炭相比，其灰分和氮含量偏高，适用于改善土壤酸化和板结问题、绿化植物和农作物的栽培，尤其适合对土壤有机质有高要求的植物生长.

（1）因原料与炭化温度的不同，本研究的生物质炭理化特性存在较大差异，与纯植物基原料相比，易腐垃圾生产的生物质炭存在灰分、N含量高的特点. 矿质元素充分，性能相对稳定，比较适宜耕地施用.

（2）灰分是影响生物质理化特性的关键因子. 生物质炭的灰分大小为易腐垃圾炭>玉米秸秆炭>山核桃蒲壳炭，灰分越高，生物质炭pH与EC值越大，碳含量越低，受炭化温度的影响越小.