生物质炭(Biochar)的表面性能主要由制备的热解条件及生物质原料种类决定。生物质炭的表面性能在其与土壤活性矿物之间的相互作用中发挥着重要作用。土壤可移动胶体组分可以形成管束状的非晶型纳米矿物,通过贮存大分子芳香环有机质,显著降低土壤有机质的活性和生物可利用性,是土壤有机质稳定和累积的主要机制之一。土壤中可溶性生物质炭(Biochar C)以芳香环结构的碳为主要形式,可溶性生物质炭与土壤活性矿物之间的相互作用机制对生物质炭的稳定和土壤有机质提升具有重要意义。本论文利用红外光谱、13CNMR固体核磁共振等技术,研究了不同裂解条件下的生物质炭的理化性质及表面结构特征,结合二维相关光谱分析技术,探讨了生物质炭表面官能团特征与其理化性质的关系；利用酸式草酸和焦磷酸钠提取方法,研究了长期定位试验站中施用生物质炭对土壤非晶型铝铁矿物含量的影响,探讨土壤有机质含量与非晶型活性矿物的关系；利用高分辨率透射电镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)分析和同步辐射近边吸收X射线精细结构(NEXAFS)等技术,研究了长期定位试验中施用生物质炭对土壤活性矿物的影响,以及土壤胶体中可溶性生物质炭的官能团特征,探讨施用生物质炭对土壤活性矿物和可溶性生物质炭的影响及稳定机制,从而为农业管理措施优化提供理论依据和技术支撑。主要研究结果如下：1、生物质炭的pH、电导率(EC)主要取决于生物质原料和制备条件(温度、时间、升温速率等)。生物质炭的pH、电导率与生物质炭官能团特征高度相关,H/C和O/C比值可以用来确定生物炭的芳香性和芳构化程度。红外光谱(FTIR)结果表明各种生物质炭官能团数量虽有一定差异,但均以芳环骨架为主,原料分子结构中的甲基(-CH3)、亚甲基(-CH2)和醚键(C-O-C)消失。13C NMR 光谱结合二维相关光谱分析(2D-13CNMR)进一步表明,生物质原料炭化成生物质炭的过程是由脱烷基、脱羟基／脱氢和芳构化的过程组成的,主要包括脂肪族O-烷基碳(HCOH)和异构O-C-O的裂解,以及稠环芳香结构和芳香性C-O官能团的产生。2、长期定位试验结果表明,连续5年施用生物质炭使浙江嘉兴试验站的土壤pH值提高了0.19个单位,而碱性的河北曲周土壤的pH值并未表现出显著的提高效果；同时,曲周及嘉兴两个试验站的土壤电导率EC均得到显著提高。不同氮素条件下,无论是否添加氮肥,生物质炭的施用均显著提高了土壤有机质、全碳、全氮含量以及C/N(P<0.05)。3、长期定位试验结果表明,连续施用5年生物质炭的土壤有机质含量比其他培肥方式(N0、N180)显著增加,非晶型铁铝活性矿物含量也高于其他培肥方式(N0、N180)；同时,非晶型铁铝活性矿物与土壤有机质含量有显著的正线性关系(R2>0.67,P<0.05)。4、连续施用5年生物质炭(BCN0、BCN180. BCNEK)的土壤可移动胶体中矿物以非晶型居多,元素主要为Si、O、Al；无生物质炭添加的土壤(N180、NPK)可移动胶体中矿物以晶型为主,元素主要为Fe,也有少量的Al、Si。5, C 1s NEXAFS同步辐射分析结果表明,不同施肥的土壤可移动胶体中有机碳均主要存在以下6个明显的吸收峰：283 eV-286.1 eV(芳香C的1s→π*跃迁),286-287.5eV(酚基C),287.6-288.3 eV(脂肪族C的1s→3p/a*跃迁),288.4-289.1 eV(羧基C的1s→π*跃迁),289.2-289.8 eV(烷氧基C的Is→π*跃迁)和289.9-291.2 eV(羰基C C=O和碳酸盐类C)。其中,BCN0和BCN180的脂肪烃类C相对百分含量分别为20.25%和16.45%,脂肪C/芳香C比率分别为4.85和4.04,明显高于其他施肥处理,表明施用生物质炭提高了土壤可移动胶体中脂肪族C的含量。此外,施用氮肥致使土壤有机碳中脂肪C/芳香C比率、烷氧C和羰基C的含量下降,但增加了羧基碳COO的含量。6、对土壤胶体表面测得的Cls XPS结合能谱采用拟合与分峰,通过比对标准图谱数据库,得到土壤胶体表面主要有以下4种形态的碳官能团：AAromatic C、C-C(H)、C-O和O-C=O。施用生物质炭,可以显著改变土壤胶体表面C、Al、Si等元素的存在形式及含量。其中,对土壤胶体表面有机碳官能团中芳香形式的碳含量影响最大。单施化肥的土壤胶体表面的硅铝元素主要为晶型Al和晶型Si；而施用生物质炭则增加了土壤胶体表面非晶型硅铝含量。综合分析Cls XPS结果与C 1s NEXAFS同步辐射结果得出,在长期的碳贮存中,土壤活性矿物通过贮存芳香C实现对可溶性生物质炭(Biochar C)的稳定,进而提高土壤碳库,增强土壤碳库稳定性。