生物碳是生物质在低温限氧条件下裂解制得的一种多孔富碳产物。生物碳具有特殊的结构和优良的物理、化学、生物性质,可以用于土壤改良,如增加土壤有机质含量、增强持水性、缓解酸化、增强通气性等;也可作为吸附剂,用于降低土壤中有机污染物和重金属的有效浓度和生物可利用性,阻控污染物在土壤-植物系统的迁移转化,达到修复目标。有关生物碳的固碳潜力引起了极大关注,土壤中生物碳本身的稳定性及其影响因素相关研究仍处于起步阶段,因此,深入研究生物碳的结构特性、稳定性及影响因素,对全方位评估其土壤固碳潜力具有重要理论价值和实践意义。本文以水稻秸秆为典型生物质代表,制备了不同炭化温度的生物碳,采用元素分析、傅里叶红外(FTIR)、比表面积(BET)、电镜扫描及能谱(SEM-EDX)、X-射线衍射(XRD)等手段,表征了水稻秸秆生物碳的有机-无机组成、结构特征和表面微形貌;采用热解氧化法、重铬酸钾氧化法、过氧化氢氧化法,研究生物碳的稳定性及其与结构之间的关系,探讨了生物碳制备温度和粒径大小、氧化剂强度和反应时间等影响因素;利用透射电镜、球差校正扫描透射电子显微分析(STEM)、同步辐射近边X射线吸收精细分析(STXM-NEXAFS)等手段,表征氧化前后生物碳的微观结构和元素分布,阐明了生物碳稳定性与分子结构的耦合机制,并从纳米尺度上分析生物碳的空间结构,建立了生物碳稳定性的稳定机制模型,探明了生物碳中硅和碳的耦合机制。研究结果为土壤固碳提供了理论基础和技术支撑。论文的主要结论和创新点如下:(1)发现生物质中存在的硅质对生物碳结构和微形貌有着重要影响。生物碳的芳香碳聚合程度随着炭化温度升高而逐渐增大,低温(≤300℃)的生物碳,碳主要以无定型态形式存在,而钾主要由K2O和KCl的混合物组成,硅则是由含氢元素较多的无定型硅胶组成,三者之间形成相对较为松散的组织结构。300-500℃范围内,硅在钾催化作用下发生熔解现象,与混合型芳香碳和无定型碳形成低比表面积、结构致密的Si&C复合体。继续升高温度到达700℃,逐渐形成高聚合度的、大尺寸的芳香碳以及结晶度逐渐增加的无定型硅,导致碳和硅晶体从Si&C复合体中分别独立出来,导致Si&C复合体彻底解体。(2)系统阐述了生物碳的稳定性不仅决定于芳香碳的聚合程度,更决定于聚合芳香碳的完整度和Si&C保护机制。生物碳的热稳定性分析结果表明,生物碳中的灰分对碳质稳定性有着显著的影响,硅保护状态下,500℃生物碳表现出显著的热稳定性,主要归功于硅的保护作用机制,而去硅处理使得碳组分得以暴露,直接加速了生物碳的降解,降低了热稳定性,其稳定性主要是聚合芳香碳结构决定的。重铬酸钾氧化结果表明,生物碳的稳定性不仅受到温度所决定,还决定于硅的保护机制,而去硅后的生物碳表现出的稳定性主要由聚合芳香碳的完整性所决定。过氧化氢氧化进一步证实了生物碳的多碳库组成,碳&硅复合结构的高抗氧化性复合结构的高抗氧化性主要是由受到硅的保护所致。(3)揭示了生物碳的纳米-分子生物碳结构及其稳定机制。采用球差校正电镜等技术分析了生物碳(500℃水稻秸秆生物碳)的纳米尺度碳硅构效关系,借助NEXAFS等手段的分析结果提出了其分子结构模型,并揭示了Si&C复合结构的分子结构决定了生物碳的长期稳定性。同时该结构在不同尺度上表现不一,发现颗粒大小对于生物碳的稳定性有着重要影响,且生物碳的颗粒大小与其稳定性有着密切的耦合联系。