废弃生物质在限O₂热解条件下制备的生物炭,由于具有高度芳香化多孔结构,将其施入土壤后,不仅可以作为难降解的土壤碳库发挥碳封存作用,还可以改良土壤性质、提高土壤肥力、以及控制土壤污染。生物炭诸多良好的生态环境效应,都与其在土壤中的稳定性密切相关。本论文探讨了核桃壳生物炭在真实土壤中的稳定性及影响因素,发现土壤粘土矿物及金属离子与生物炭稳定性具有较好相关性,同时发现生物炭施入土壤后具有两种存在形态,即可溶态生物炭和不溶态生物炭;继而分别探讨了土壤矿物与可溶态生物炭、不溶态生物炭的界面结合机理,并从抗化学氧化、抗热氧化和抗微生物降解等方面考察了土壤矿物对这两种形态生物炭稳定性的影响;最后估算了土壤矿物分别作用于可溶态、不溶态生物炭对提高整体生物炭稳定性的贡献。主要研究结果如下:（1）对施入黑土、黄绵土,潮土、稻田土及红土中的生物炭CO₂累计释放曲线进行双指数模型拟合,并将拟合参数与土壤各性质指标做相关性分析。结果显示:在五种土壤中,红土对生物炭的稳定效果最好;生物炭施入其他四种土壤后,生物炭自身CO₂累计释放量约为其在红土中自身CO₂累计释放量的4-6倍。生物炭在土壤中的稳定性与土壤粘粒含量、土壤Fe含量负相关;与土壤pH值、土壤Ca含量正相关。此外,生物炭施入五种土壤后,土壤释放的总不稳定碳明显增多,表明生物炭中也存在一定量不稳定碳。同时,添加生物炭的土壤在模拟水旱轮作过程中,土壤水分的增多会引起CO₂的再次集中释放,添加生物炭的红土中,不稳定碳最大释放量是未添加生物炭处理的2.4倍,表明生物炭中的不稳定碳易受水分影响,表明其多以可溶态形式存在。干湿交替的土壤环境会导致生物炭颗粒中可溶态组分的批次释放,然而土壤矿物尤其CaCl₂能够降低生物炭周围溶液pH值,从而减少生物炭颗粒中可溶态生物炭的溶出。（2）由上节结论可知,生物炭在土壤中具有可溶态及不溶态两种存在形式,本节以CaCl₂、NaCl及NaCl+NaH₂PO₄为背景溶液,开展了高岭土、膨润土和针铁矿对可溶态生物炭的吸附实验,探讨了粘土矿物与可溶态生物炭的结合机理,并量化各机理在矿物质吸附可溶态生物炭中的贡献。结果显示,层状硅酸盐粘土矿物高岭土、膨润土可通过Ca²⁺架桥、配位体交换和范德华力3种机理吸附可溶态生物炭;且Ca²⁺架桥的贡献随着可溶态生物炭初始浓度的升高而降低,而范德华力的贡献随着可溶态生物炭初始浓度的升高而升高。具体来说,在较低可溶态生物炭初始浓度下(5-20 mg C L^-1),以Ca²⁺架桥与高岭土和膨润土结合的可溶态生物炭的分别总共被吸附可溶态生物炭的56-75%和97-100%,然而范德华力不到5%和0.4%;在较高可溶态生物炭初始浓度下(60-100 mg C L^-1),高岭土和膨润土的Ca²⁺架桥分别占10-25%和4-30%,而范德华力占70-84%和69-87%。非层状硅酸盐粘土矿物针铁矿对可溶态生物炭的吸附主要通过配位体交换和范德华力作用,但Ca²⁺对针铁矿吸附可溶态生物炭有抑制作用。（3）可溶态生物炭被粘土矿物吸附后,抗化学氧化性增强。具体来说,与高岭土的结合使可溶态生物炭的化学氧化碳损失率降低18.6-33.3%,且以3种结合机理吸附的可溶态生物炭抗化学氧化性排序为:Ca²⁺架桥≈配位体交换>范德华力;与膨润土的结合使可溶态生物炭化学氧化碳损失率降低29.1-33.6%,排序为:Ca²⁺架桥>配位体交换≈范德华力;与针铁矿的结合使可溶态生物炭化学氧化碳损失率降低23.1-37.0%,但Ca²⁺对针铁矿提高可溶态生物炭的抗化学氧化性具有抑制作用。对于抗热氧化性,被高岭土吸附的可溶态生物炭抗热氧化性排序为:Ca²⁺架桥≈范德华力>配位体交换;被膨润土吸附的可溶态生物炭抗热氧化性排序为:Ca²⁺架桥>配位体交换>范德华力。在针铁矿中,3种结合机理的抗热氧化性基本相同。对于抗微生物降解性,相比自由的可溶态生物炭,被高岭土、膨润土和针铁矿吸附的可溶态生物炭最大微生物降解率分别减少了47.9-85.3%、78.4-85.0%和72.7-78.8%,Ca²⁺强化了膨润土和针铁矿对可溶态生物炭的吸附保护作用,但弱化了高岭土对可溶态生物炭的吸附保护作用。（4）对不溶态生物炭,自由Fe³⁺和Al³⁺分别在其颗粒表面转化为Fe₈O₈（OH）₈Cl_1.35和AlCl₃·6H₂O晶体。BET-N₂结果显示,与新生土壤晶体结合后的生物炭平均孔径从23.4 nm减小到最低10.4 nm。用聚焦离子束切割生物炭颗粒,并通过扫描电镜观察发现,经过3个月的共培养,细小粘土矿物已经进入并堵塞于不溶态生物炭内部孔道中。能谱线扫显示,不溶态生物炭与土壤矿物质的交界面上,Fe与O的相对摩尔比例都显著升高,同时C的相对摩尔比例虽然下降但是依然维持在较高水平（>10%）,表明Fe-O-C有机矿物复合体的生成。此外,能谱面扫显示,Fe在不溶态生物炭内部的浓度是沿着不溶态生物炭与矿物质交界线向炭颗粒内部的方向呈现由高到低的分布,甚至在不溶态生物炭中心位置也有Fe的存在,表明Fe元素能够扩散到不溶态生物炭内部。与高岭土、CaCl₂的结合使不溶态生物炭与O₂反应的活化能分别提高了22.1%和16.3%,但高岭土和CaCl₂共同作用于不溶态生物炭时,对其活化能的提高有拮抗作用。（5）与土壤矿物的结合,使不溶态生物炭颗粒表面抗氧化性增强,表现为颗粒表面C-C/C=C/C-H相对摩尔比例从63.8%上升至72.5-81.8%,而C-O/C=O/COOH从36.3%下降至16.6-26.5%。但土壤粘土矿物和土壤金属离子共同作用于不溶态生物炭时具有拮抗作用,这与活化能的结果一致。相比空白处理,与土壤矿物质结合的不溶态生物炭化学氧化碳损失率降低了13.4-79.6%,抗热氧化指数R_50,bicohar从44.6%增加到最高49.6%,最大微生物降解率减少了7.4-51.6%,这表明与土壤矿物的结合提高了不溶态生物炭的抗化学氧化性、抗热氧化性和抗微生物降解性。（6）估算结果显示,在化学氧化条件下,与土壤矿物的结合使生物炭整体碳损失率降低43.0%,其中不溶态生物炭与可溶态生物炭碳损失率分别降低34.6%和8.4%;在微生物降解条件下,与土壤矿物的结合使生物炭整体碳损失率降低49.3%,其中不溶态生物炭与可溶态生物炭碳损失率分别降低48.3%和1.0%。土壤矿物对不溶态和可溶态生物炭的稳定作用分别主要是通过提高其抗微生物降解性和抗化学氧化性实现的。生物炭在土壤中能够稳定主要是因为来自周围环境的物化和生物作用减少了对生物炭的氧化降解可能性,即生物炭的稳定性具有生态属性。综上所述,施入土壤的生物炭具有可溶态与不溶态两种存在形式。土壤粘土矿物和土壤金属离子可通过范德华力、配位体交换、Ca²⁺架桥等多种机理吸附可溶态生物炭,同时通过为不溶态生物炭提供物理性包裹和堵塞、生成有机矿物复合体、提高与O₂反应活化能等方式,最终提高了整体生物炭在土壤中的稳定性。这意味着富含粘土矿物,或自由金属离子的土壤如红土等,可能会成为生物炭发挥其固碳增肥等诸多环境效应的良好归宿。