基于可持续发展目标6的黄河流域城市水资源可持续性的时空模式

《ACS ES&T Water》：Spatiotemporal Patterns of Urban Water Sustainability in the Yellow River Basin Based on SDG 6

　　本研究通过文献计量学方法系统分析了2009-2025年间全球关于生物炭作为碳封存策略的研究进展。发现中国、美国、澳大利亚是主要研究国家，中国科研机构产出显著；Science of the Total Environment和Environmental Science & Technology为最具影响力的期刊。研究指出生物炭在长期碳封存、土壤改良及污染吸附方面潜力巨大，但存在模型方法不一致、数据不足等问题，需加强跨学科合作与国际合作以推动实际应用。

　　### 生物炭与土壤碳封存的科学研究现状及未来展望

近年来，随着全球气候变化问题的加剧，生物炭（Biochar）作为一种碳封存（Carbon Sequestration）手段受到越来越多的关注。生物炭是通过热化学转化（如热解）将生物质转化为富含碳的材料，其独特的物理化学特性使其在土壤碳封存中展现出巨大潜力。生物炭的结构稳定，能够有效减少土壤中碳的分解速率，从而增加碳在土壤中的停留时间，减少温室气体排放。这一特性使其成为全球净零排放路径中的重要组成部分。然而，关于生物炭碳封存能力的评估仍存在科学争议，尤其是在如何准确预测其在土壤中的持久性方面。这些评估对于温室气体排放清单、碳信用项目以及生命周期评估（LCA）至关重要，因此对生物炭碳封存研究的系统性分析显得尤为必要。

#### 科学研究的发展趋势

通过对2009年至2025年间发表在Web of Science平台上的文献进行文献计量分析，研究团队获得了448篇与生物炭、碳封存和建模相关的文章。这一数据集涵盖了全球范围内的研究动态，揭示了生物炭研究的发展趋势。根据研究结果，生物炭相关的学术产出呈现出持续增长的态势，尤其是在2020年之后，研究数量显著增加，平均每年发表58篇论文，2024年更是达到近80篇。这种增长不仅反映了全球对碳封存技术的重视，也表明了生物炭作为碳封存策略的科学探索正在逐步深入。

在这一领域中，Science of the Total Environment和Chemosphere等期刊成为研究的集中地，其中Science of the Total Environment发表了33篇文章，Chemosphere则获得了3,404次引用，显示出其在生物炭研究中的重要地位。中国、美国和澳大利亚是生物炭研究的三大主要贡献国，分别发表了153、91和35篇文章。中国科学院（Chinese Academy of Sciences）在该领域中尤为突出，共发表30篇文章。此外，Yong Sik Ok博士成为该领域中被引用最多的学者，其研究被引用了4,248次，显示出其在生物炭碳封存研究中的影响力。

#### 研究主题与科学合作网络

文献计量分析还揭示了生物炭研究的学科分布情况。环境科学（Environmental Sciences）是该领域研究的主要方向，占所有相关研究的37%。其次是土壤科学（Soil Science）、环境工程（Environmental Engineering）、能源与燃料（Energy and Fuels）以及绿色可持续技术（Green and Sustainable Technology）。这些学科的交叉融合表明，生物炭研究具有高度的跨学科特征，涉及环境、农业、生态和能源等多个领域。

此外，研究还通过关键词共现分析（Keyword Co-occurrence Analysis）和共引分析（Co-citation Analysis）揭示了研究主题的演变趋势。早期研究主要集中在生物炭的制备过程、物理化学特性以及其在水和土壤中的应用。然而，随着研究的深入，学者们逐渐关注生物炭的长期稳定性、微生物群落变化以及其在农业和环境治理中的实际应用。这种趋势表明，生物炭研究正逐步从基础理论向应用实践转化，以满足全球应对气候变化的实际需求。

#### 生物炭的碳封存机制

生物炭的碳封存能力主要源于其高度稳定的分子结构，这种结构使其能够长期存在于土壤中，从而减少碳的释放。通过热解过程，生物质中的碳被转化为芳香碳结构，这些结构对微生物分解具有较强的抵抗力。此外，生物炭的多孔结构和高比表面积能够通过物理和化学机制稳定土壤中的有机碳。例如，生物炭可以通过物理保护（如形成稳定的土壤团聚体）和化学稳定（如与矿物质结合）来减少碳的分解速率。这些机制不仅有助于碳封存，还能提高土壤肥力、改善水分保持能力，并增强生态系统的韧性。

生物炭的碳封存效率还受到多种因素的影响，包括生物质种类、热解温度以及应用方式。例如，木质生物质由于其高木质素含量，通常能生成更稳定的生物炭，而较高的热解温度则有助于形成更耐久的芳香碳结构。此外，生物炭在土壤中的应用方式（如直接混入土壤或作为土壤改良剂）也会影响其碳封存效果。这些因素的复杂性使得对生物炭碳封存潜力的预测成为一项挑战。

#### 生物炭在水处理中的应用

除了碳封存，生物炭在水处理中的应用也日益受到重视。生物炭的多孔结构和高比表面积使其成为一种高效的吸附剂，能够去除水中的有机污染物、重金属和新兴微污染物。例如，生物炭可以通过离子交换、络合反应和沉淀作用去除铅、镉、铬和砷等重金属。此外，其表面的功能基团（如羧基和羟基）能够通过π-π相互作用和疏水作用吸附有机污染物，如染料、农药和药物残留。这些特性使得生物炭在废水处理、工业废水净化和地下水修复等领域展现出广阔的应用前景。

生物炭在水处理中的应用不仅有助于改善水质，还能够减少温室气体排放。其稳定结构可以长期储存碳，从而降低大气中的二氧化碳浓度。此外，生物炭的使用还促进了循环经济的发展，使农业和城市废弃物得以有效利用。然而，为了充分发挥生物炭的潜力，还需要进一步优化其生产参数，确保其在不同环境中的安全性和有效性。

#### 研究挑战与未来发展方向

尽管生物炭研究取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。首先，研究方法尚未完全标准化，尤其是在生命周期评估（LCA）和碳封存建模方面。其次，生物炭的制备和应用条件存在较大差异，这影响了其物理化学性质，进而对碳封存效果产生不确定性。此外，目前的建模框架在预测生物炭在不同土壤和气候条件下的行为方面仍存在局限性。

为了解决这些问题，未来的研究需要更加注重跨学科合作，整合环境建模、社会经济分析和政策制定等多个领域。同时，还需要加强国际间的合作，特别是在发展中国家和生态退化地区，以确保生物炭技术能够被广泛应用于不同地理和生态背景下。此外，政策制定者应推动生物炭在国家气候行动计划、碳市场和农业政策中的应用，以促进其在实际中的推广和实施。

#### 文献计量分析的意义

文献计量分析作为一种系统性的研究方法，能够有效揭示生物炭研究的演变趋势、知识空白和合作网络。通过这种分析，研究人员可以更好地理解生物炭在不同领域的应用潜力，并为未来的科研方向提供指导。例如，研究显示，生物炭在土壤碳封存、水处理和农业可持续发展中的重要性，这些领域应成为未来研究的重点。

此外，文献计量分析还能够识别出该领域的关键研究者和机构，从而为学术合作和资源共享提供依据。例如，Yong Sik Ok博士和Mahtab Ahmad博士在生物炭研究中占据重要地位，他们的工作不仅在学术界产生了广泛影响，还推动了该领域的进一步发展。同时，中国科学院和浙江大学等机构在生物炭研究中表现出较强的科研实力，这些机构的持续投入对于推动该领域的发展具有重要意义。

#### 结论

综上所述，生物炭作为一种碳封存策略，具有广阔的前景和重要的科学价值。然而，其在实际应用中的潜力仍需进一步研究和验证。文献计量分析揭示了生物炭研究的快速发展趋势，也指出了当前研究中存在的挑战和不足。为了充分发挥生物炭的潜力，未来的研究应更加注重跨学科合作，推动国际间的知识共享和资源整合。同时，政策制定者应加强生物炭在碳封存和可持续发展中的应用，以实现全球范围内的气候缓解目标。通过这些努力，生物炭有望成为应对气候变化和环境挑战的重要工具。