Biochar | 过去20年对生物炭研究的科学计量学分析
2019-06-11
作者：Ping Wu, Syed Tahir Ata Ul Karim, Bhupinder Pal Singh, Hailong Wang, Tongliang Wu, Cun Liu, Guodong Fang, Dongmei Zhou, Yujun Wang, Wenfu Chen
来源：Biochar 创刊号
论文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-019-00002-9
近年来，“生物炭（biochar）”一词越来越多地出现在科学期刊以及媒体报道中。Biochar 是bio-charcoal 的缩写，于2007年澳大利亚第一届国际生物炭会议上取得统一命名。关于生物炭的定义很多，目前公认的和标准化的定义是由国际生物炭组织（International Biochar Initiative, IBI）提出的，即生物炭是植物或废弃的原料通过热裂解而产生的固体材料(IBI 2012)。生物炭由于其特殊的性质，越来越广泛地应用于农业和环境领域。发现生物炭能够将碳固定在土壤中，从而缓解全球气候变化。同年，Chan 等发现生物炭施入土壤中可以提高N 肥利用率和土壤质量。
此后，研究者又发现生物质热解是一种高效生产生物能源的方法。随着人类社会的发展，越来越多的有机和无机污染物排放到环境中。有研究发现，生物炭能够有效地去除水体和土壤中的有毒金属和有机污染物，减少它们的生物可利用性。随着对生物炭的深入了解，研究者开展了不同功能化生物炭改性技术来提高生物炭的环境功能，促进环境可持续发展。
虽然大量的文献报道了生物炭在农业和环境领域的功能，但是长期施入生物炭后其独特的性质会改变，进而影响生物炭的功能。更重要的是，研究者还发现，生物炭对生态系统具有潜在风险，在生物炭大规模应用于农业和环境之前，必须考虑它对健康和安全的影响。生物炭特殊的结构与性质，极大地影响了生物炭在农业和环境方面的作用、功能和应用。
因此，需要运用科学计量学分析生物炭在生产和应用方面的研究进展和当前的研究前沿，预测生物炭未来的环境行为和发展趋势，建立与其他学科之间的联系，为研究者更好的发挥生物炭的优势提供理论支撑。
1 近二十年来（1998-2018）生物炭研究的发展历程
采用陈超美博士开发的CiteSpace 软件，基于文献计量学方法分析了近20年来生物炭研究的发展历程。截止到2018年9月16日，从Web of science 核心合集搜索关键词为“biochar”的文献共有7631篇，其中第一篇关于生物炭的论文发表于1998年。图1是关于生物炭研究每年发表的文章数量和累计发表数量。从图中可以看出，从2010年开始，关于生物炭的论文发表的数量急剧上升，这充分说明生物炭的相关研究成为环境领域的热点。
关键词能反映每一篇论文的研究内容和创新点，分析关键词可以揭示该研究领域的发展脉络。将关于生物炭的文献全部导入到CiteSpace 软件中，利用CiteSpace 软件对文献中与生物炭相关的关键词进行检索。在这个过程中，将具有相同含义的关键词，如“contamination”和“pollution”，“Pb”和“lead”，“Cu”和“copper”等合并成一个词。根据生物炭的文献发表情况，我们将关键词的网络图分析划分为三个阶段：1998-2010年、2011-2015年、2016-2018年。
图2总结出1998-2018年关于生物炭的研究方向和发展趋势，表1是1998-2018年期间不同时期与生物炭相关的前20个关键词，图3、4和5分别是1998-2010、2011-2015和2016-2018年期间关于生物炭研究的关键词网络图。从表1和图3、4和5中可以看出，关键词和研究节点数量随时间不断增加，各节点之间的交叉融合也随之增强，这些研究结果都表明，关于生物炭的研究随时间不断发展并呈现多元化趋势。
2 生物炭研究的发展和趋势（1998-2010）
1998-2010年期间共有194篇关于生物炭的论文发表，关键词的网络图也比较简单（图3）。从图中可以看出，一些节点的外圈有紫色的圆环，表明这个节点有很高的中介中心性。“Biochar”，“Black carbon”和“Charcoal”是这个网络中最重要的三个节点，也是这个阶段主要的研究内容。“Biochar”和“Charcoal”都属于“Black carbon”，在2010年以前，研究者对各种碳材料有了一个简单的区分并且对生物炭有了初步的了解。关键词“Soil”出现的频率在“Biochar”，“Black carbon”和“Charcoal”之后，说明研究者开始关注生物炭施入土壤中土壤环境的变化。
Zimmerman 研究发现，生物炭难以通过非生物过程氧化，在土壤中的矿化率很低。因此，将生物质转化为生物炭并将其应用于土壤中被视为一种长期固炭的方法。
有研究表明，生物炭改良土壤可减少土壤中CO2、CH4、N2O等温室气体的排放，对改善全球气候有很大的贡献。此外，植物生长实验结果表明，在铁铝土中施入纸浆生物炭能够改善土壤质量，促进植物生长，并降低铝（Al）的生物可利用性。
关键词“sorption”出现的频率很高，这是由于在1998-2010年期间，土壤污染问题很严重，学者们开始研究生物炭对水体和土壤的修复作用。
Chen 等认为，随着生物炭裂解温度的升高，生物炭对疏水性有机污染物（hydrophobic organic compounds,HOCs）的去除从分配作用为主转变为吸附作用为主，其研究结果为有机污染物的去除提供了新的研究思路。土壤中添加5%的木屑生物炭也能够增加土壤对阿特拉津和乙酰胺的吸附，这是土壤有机质增加的结果。牛粪生物炭中富含碳酸盐和磷酸盐矿物，可通过形成Pb9(PO4)6 和Pb3(CO3)2(OH)2 矿物有效的固定土壤和水体中的Pb。
此外，添加生物炭还能提高土壤pH，这也是促进Pb 固定的另一个因素。总体来说，在1998-2010年期间，学者们对生物炭有了基本的了解，初步的研究结果表明，生物炭具有固炭、缓解气候变化、改良土壤质量、增加作物产量、修复重金属和有机化合物污染的作用。但是，这些研究只涉及几种类型的生物炭、土壤和污染物，潜在的作用机制还未解释清楚。
3 生物炭研究的发展和趋势（2011-2015）
2010年以来，关于生物炭的文献大量增加，其中2011-2015年期间共发表2521篇关于生物炭的论文。与1998-2010年相比，生物炭的研究呈现出明显的多样化和发展趋势，关键词、节点和交叉线都有明显地增加。
根据关键词的可视化和统计分析，2011-2015年期间生物炭研究主要分为五个区域：生物炭生产、生物炭和全球气候变化、土壤质量和植物生长、有机污染物去除、重金属固定。
3.1 生物炭生产
2011-2015年期间，发表的文章详细介绍了生物炭生产的细节和生物炭的性质。生物炭生产技术主要为热处理，其中包括慢速和快速热解，气化，烘焙和水热炭化。其中，慢速热解条件与自然产生黑炭的燃烧过程相似，更有利于高效生产生物炭。
一般认为，通过热裂解产生的生物炭性质主要受生物质原料和热解温度的影响。一方面，生物炭的碱性、pH、灰分含量、比表面积和芳香性随着生物炭裂解温度升高而增加，而生物炭产量、阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）、表面官能团含量和极性随着热处理温度升高而降低。另一方面，原料的性质对生物质组分的热解过程和生物炭性质也有重要影响。作物秸秆生物炭的产量和含碳量均高于竹炭和木材生物炭。以木质素含量较高的生物质为原料生产的生物炭，由于木质素的热分解作用相对较低，生物炭通常具有较高的产量和含碳量。由于畜禽粪便和固体废弃物制备的生物炭灰分含量高，与农作物秸秆和木材生物质相比，畜禽粪便和固体废弃物生产的生物炭一般具有较高的产量。
将废弃生物质转化为生物炭的用途之一是通过热解生产生物燃料（例如生物燃气或者生物甲醇）和生物能源储存材料（例如超级电容器、锂离子电池和燃料电池。生物燃料和生物能源储存材料的生产同样受到原料和热处理过程（热处理温度，加热速度，反应时间）的影响。
该期间有很多的文献报道了生物炭对生物体的毒性。生物质炭化过程可产生污染物，主要包括多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）和重金属。这些污染物的组成和浓度受原料和热处理过程的影响极大。中等温度（350-550°C）制备的生物炭中溶剂萃取的PAHs 的浓度最大，当热解温度升高时（>600°C）生物炭中PAHs 的浓度降低。此外，PAHs 的浓度随着热解时间的增加也降低。快速热解和气化生产的生物炭中总PAHs 的浓度比慢速热解产生的生物炭高。
同时，学者们也研究了生物炭中PAHs 的生物可利用性。Hale 等利用分配系数计算了生物炭中PAHs 的生物可利用性，结果表明，生物炭中PAHs 的生物可利用性浓度非常低，可以忽略不计。Freddo 等的研究结果也表明，生物炭中的PAHs 对生物体造成的风险很低。
生物炭中重金属的风险，主要来源于含高浓度重金属的污泥、畜禽粪便等原料。污泥或畜禽粪便转化为生物炭后，重金属(Pb,Cd,Zn,Cu,Ni,Mo 和Cr)含量显著增加，甚至超过一些安全标准。尽管生物炭中重金属含量高，但大部分重金属是以可还原形态、可交换形态和残渣态存在，重金属的生物可利用性低。
此外，生物质中重金属的生物可利用性和生态毒性在生物质转化为生物炭后显著降低，这是因为生物中可交换态重金属转化为相对稳定的形态。然而，在含有畜禽粪便生物炭的悬液中，种子发芽受到明显的抑制，这可能由生物炭中亲水性可生物降解物质（如挥发性脂肪酸，含N有机化合物）所导致，该研究为生物炭的植物毒性研究提供了新的思路。
Liao 等发现，生物质热解过程中产生了大量的持久性自由基（persistent free radicals, PFRs），能够抑制植物生长，这为研究生物炭应用的潜在环境风险提供了一个新角度。
3.2 生物炭和全球气候变化
1998-2010年期间，生物炭研究集中在生物炭在土壤固碳和温室气体减排方面的作用。2011-2015年期间，该方面研究不断增加，表明研究者的研究兴趣在不断增加。期间，研究者从C、N 循环的角度全面分析了生物炭在缓解全球气候变化方面的贡献。研究内容覆盖不同种类的土壤和生物炭，有利于探究规律，解释生物炭对缓解全球气候变化的作用。
随着研究时间维度的增加，探索生物炭改良对土壤C、N循环的影响更能反映实际情况。1998-2010年的研究表明，由于生物炭性质稳定，不易降解，可在土壤中长期稳定存在的性质，废弃生物质转化为生物炭可以有效固炭。因此，生物炭的稳定性对缓解温室气体排放具有重要意义。
2011-2015年发表的文献全面、详细地介绍了生物炭在土壤中的稳定性。一般来说，热处理温度越高，反应时间越长，生物质的木质素含量越高，产生的生物炭稳定性越高。Li 等的研究表明，矿物（高岭土、方解石、磷酸二氢钙）的添加增强了生物炭的稳定性，为制备具有高固炭能力和稳定性的生物炭提供了新的思路。
Anderson 等从微生物群落变化角度，系统解释了温室气体N2O 排放减少的机制，他们的研究指出，生物炭施入土壤中，参与硝化作用的微生物量减少，而参与反硝化作用的微生物量增加。
Cornelissen 等研究发现，生物炭对N2O 的吸附是N2O 排放量减少的另一种机制。Karhu 等也指出，生物炭添加到土壤中可以增加土壤对温室气体CH4 的吸收。Van Zwieten等利用15N 同位素分馏技术证明土壤中N2O 排放量减少是因为生物炭的施入增加了N2O 还原酶(nosZ)的活性。总体来说，生物炭改良土壤中温室气体（CO2，CH4，N2O）的释放是非生物机制和生物机制共同介导的，这些介导机制与生物炭和土壤性质有关。
3.3 土壤质量和植物生长
2011-2015年期间，关于生物炭改良后土壤质量和植物生长的研究以田间实验为主，全面阐释了不同农业土壤、生物炭和生物炭施入量对土壤质量和植物生长的影响。生物炭改良土壤能够降低土壤密度和抗张力强度，提高土壤质量。生物炭施入能提高土壤pH、土壤有机碳含量、土壤持水能力和阳离子交换量，从而减轻土壤退化，抑制土壤酸化，提高土壤的养分利用率。生物炭能够截留N、P、K 等营养元素，促进反硝化作用，同时，自身也可释放一些无机离子（如N、P、K、Ca、Mg、Si），提高土壤肥力，促进植物生长。
Yao 等利用具有高效吸附P的功能生物炭，将吸附P 的生物炭作为一种有效的缓释磷肥在土壤中循环利用，为制备释放特定营养物质的功能生物炭提供了一种持续、环境友好型新方法。
但是，Rajkovich 等发现生物炭对植物生长具有负面影响，在土壤中添加7%的固体废物生物炭后，玉米的生长受到抑制。同样，在土壤中添加4.5%的橡树生物炭也抑制了小麦的生长。抑制作用的原因可能是土壤中生物炭施入量过高，导致土壤中营养物质的生物可利用性低或生物炭释放了过多的碱（土）金属和植物毒性物质。
3.4 有机污染物的去除
基于Chen 等提出的分配和吸附理论，越来越多的研究致力于生物炭对有机污染物的去除及其潜在机制。研究者将吸附作用力分为：π-π 相互作用，H 键，孔隙填充和疏水作用。在吸附过程中，分配作用和H 键的贡献随着热解温度升高而降低，而π-π 相互作用、孔隙填充和疏水作用的贡献随着热解温度升高而增加。Sun 等发现，在200-600°C裂解制得的生物炭中，400°C制备的生物炭对达草灭和氟啶酮的吸附量最大。但是，有研究发现700°C制备的生物炭对三氯乙烯的吸附量高于300°C制备的生物炭。
Lian 等的研究发现，生物炭对1,3-二硝基苯和2,4-二氯苯酚的吸附量随着裂解温度升高而增加，而生物炭对1,3-二氯苯的吸附量随着热解温度升高而呈直线下降。不同温度生物炭对HOCs 吸附的差异源于HOCs 性质的不同。一般而言，生物炭对极性化合物，如1,3-二硝基苯、2,4-二氯苯酚的去除主要是吸附作用（π-π 相互作用、孔隙填充），对非极性化合物，如1,3-二氯苯的去除主要是分配作用。
离子型有机化合物（Ionizable organic compounds, IOCs）由于其在环境中的广泛应用和对水生生物的潜在毒性，已有大量的研究发现生物炭对IOCs 的吸附，吸附机制主要为静电吸附、表面沉淀、H键、π-π 相互作用。生物炭对IOCs 的吸附主要受溶液pH 影响，当溶液pH 小于生物炭的等电点，由于静电排斥和吸附作用（H键，π-π相互作用）的贡献不同，生物炭对IOCs 的吸附随着溶液pH的增加而增加或变化很小。当溶液pH 大于生物炭的等电点，由于静电排斥作用，生物炭对IOCs 的吸附量随着溶液pH 的增加而显著降低。
除分配和吸附外，降解也是一种去除有机污染物的方法。与吸附作用相比，降解可以完全去除环境中的有机污染物。Oh 等提出，固体废物或畜禽粪便生物炭中具有高含量的氧化还原活性金属（如Fe、Cu、Mn），可以促进硝基除草剂的降解。
中国科学院南京土壤研究所周东美团队的研究发现，生物炭中丰富的PFRs 可以通过活化过硫酸盐/过氧化氢来降解有机污染物，其研究为有机污染物的降解提供了新的视角。
3.5重金属的固定
生物炭吸附固定重金属和类金属的研究也受到广泛的关注，与1998-2010年的研究结果相比，吸附固定机制更完善。生物炭对几种常见的重金属（Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Hg）的吸附机制包括：(i)静电吸附；(ii)阳离子交换；(iii)重金属与生物炭表面含氧官能团的络合作用；(iv)与生物炭表面阴离子(SiO32-,PO43-,OH-,CO32-)矿物的沉淀作用。
尽管重金属在各种生物炭上的吸附效率和吸附机理被广泛研究，但由于生物炭的多样性，生物炭性质与重金属吸附之间的作用机理仍未完全解析。例如，研究发现，在400°C裂解条件下，花生、大豆、油菜生物炭对Cu 的吸附主要是通过与含氧官能团的络合和静电吸附作用。
Lu 等发现，550°C污泥生物炭对Pb 的吸附主要是与含氧官能团的络合作用和与矿物阴离子的沉淀作用。Zhang 等指出，450°C水葫芦生物炭对Cd 的吸附主要是通过与含氧官能团的络合和阳离子交换作用。然而，也有学者发现阳离子交换作用是农业废弃物生物炭吸附Pb 和Cd 的主要机制。
尽管生物炭对重金属的固定机制存在显著差异，但从2011-2015年发表的文章中可以总结出一些有用信息：(i)阳离子交换和表面络合作用是低温制备的生物炭对重金属吸附的主要机制，但随着热解温度的升高，由于静电作用和表面沉淀作用的增强，阳离子交换作用的贡献可以被忽略；(ii)与生物炭上阴离子矿物的沉淀作用是重金属固定的主要作用，特别是城市污泥和畜禽粪便等富含矿物的生物炭。
除了金属阳离子，生物炭对金属阴离子（As,Cr）去除的研究也取得了重大进展。有研究发现，污泥生物炭中Fe2O3 含量高，而As 可通过内圈络合的方式吸附到金属氧化物矿物上，所以污泥生物炭能够有效的去除As(V)。
基于以上的研究背景，高斌团队通过制备铁氧化物负载的功能生物炭来去除As，他们的研究结果表明，铁氧化物负载的生物炭显著的提高了As(V)的吸附。锰/铝/钙氧化物负载的生物炭吸附As(V)的研究也有同样结果。
1998-2010年期间，研究发现Cr(VI)在黑炭上的吸附过程主要分为两步：首先Cr(VI)吸附到黑炭上，随后Cr(VI)被生物炭上含氧官能团还原为Cr(III)，Cr(III)再通过表面络合和沉淀的形式吸附到黑炭上。基于上述研究，发现Cr(VI)在多种生物炭上的吸附和在黑炭上的吸附机制一致。
同样，有研究发现，膨润土和α-Fe2O3 纳米材料负载的功能生物炭能够在广泛的pH 范围内显著提高Cr(VI)的去除效果，能够解决在低pH 下生物炭对Cr(VI)的去除效果差的问题。
4 生物炭研究的发展和趋势（2016-2018）
与2011-2015年相比，生物炭研究的关键词网络图更加复杂，研究节点数量更多，各研究节点之间的交叉线也更多（图5）。2016-2018年期间，发表了4916篇关于生物炭的文章，文章数量远高于2011-2015年，前20个关键词和2011-2015年基本相似，说明关于生物炭的研究热点基本没变。
根据可视化分析和统计分析，2016-2018年生物炭研究主要分为六个领域：生物炭生产、生物炭和全球气候变化、土壤质量和植物生长、有机污染物去除、重金属固定、生物炭和堆肥。值得注意的是，“生物炭和堆肥”成为新的热门话题，越来越受到人们的关注。
4.1 生物炭生产
从图5可以看出，节点“Bio-oil”外缘被紫色大环包围，表明生物油研究是近年来的热门话题。2016-2018年间有大量的文献报道了将生物质废弃物通过热处理技术转化为生物油，这是一种可持续、环境友好的生物能源生产方法。
此外，先进的反应器（例如微波反应器，固定床反应器，鼓泡流化床反应器等）或技术（太阳能热解技术，热催化重整技术等）越来越多的用于生物油的制备。研究者对生物油的性质也有了详细的了解。
Ghidotti 等采用超高分辨率质谱新技术（傅立叶变换离子回旋共振质谱仪，FT-ICR-MS）研究生物油的化学组成，提高了对热处理过程中产生的生物油的认识。
有关生物炭的潜在风险依然是研究热点，研究由生物炭对动植物的危害转向生物炭对土壤酶活性和微生物群落结构的研究。酶活性和微生物群落结构变化被认为是敏感、有效的生物指标，是评价土壤生物炭改良存在潜在风险的重要指标。
尽管上述研究表明生物炭改良在农业和环境方面有诸多好处，但是评估生物炭对生态环境和人类健康的潜在风险仍是至关重要的。
4.2 生物炭和全球气候变化
鉴于生物炭在土壤中性质相对稳定，不易降解的特性，制备具有高稳定性的生物炭可以有效的固炭。近年来，越来越多的研究致力于提高生物炭的稳定性，这些方法包括：（I）将生物质和矿物共同炭化，制备富含矿物的生物炭；（II）土壤矿物与生物炭混合老化，生物炭表面矿物含量增加。这些功能生物炭将会提高生物炭的稳定性和固炭能力，有效的缓解全球气候变化。
同时，越来越多的研究致力于微生物参与的生物炭改良土壤中N2O/CH4 的释放。由生物炭诱导的N2O 还原菌的产生和发展有可能降低土壤中N2O 的排放。
Wang 等发现，生物炭改良可以降低反硝化细菌的丰度，从而降低土壤中N2O 的排放，同时，增加铁还原细菌的丰度，促进CH4 的排放。
但是，也有研究表明，生物炭的施入能够降低水稻土中CH4 的释放，这是因为产甲烷菌活性降低，甲烷氧化菌活性增加，这些研究的差异可能是土壤和生物炭性质差异所导致。因此，生物炭对不同土壤中微生物群落结构变化和温室气体排放的影响的研究有待进一步深化。
4.3 土壤质量和植物生长
近年来，关于生物炭的施入提高砂壤土质量的研究受到广泛关注，研究表明，生物炭能够有效的提高砂壤土的水土保持能力，减少土壤中N 肥的流失。此外，2016-2018年的文献多为研究长期施用生物炭对土壤性质和植物生长的影响，长期的田间实验为评价生物炭的农用价值提供了重要、可靠的数据。
4.4 有机污染物的去除
除2011-2015年期间提出吸附和分配机制外，研究者提出路易斯酸碱相互作用也能促进生物炭对有机污染物的吸附。改性生物炭被广泛应用且对有机污染物的吸附能力远远高于原始生物炭。更重要的是，生物炭对有机污染物的降解越来越引起人们的重视，越来越多的研究发现，生物炭中丰富的PFRs 能够直接降解或活化或硫酸盐/过氧化氢间接降解有机污染物。
同样，改性生物炭也能有效降解有机污染物，其中，最常见的改性方法是铁氧化物或纳米零价铁负载生物炭，通过活化过氧化氢在不同的芬顿氧化条件下降解多种有机污染物。
4.5 重金属的固定
2016-2018年期间，运用传统方法研究生物炭对重金属吸附固定的文献都是基于前面研究，且该方面的文献数量呈降低趋势，研究热点从单一重金属的吸附转向多种重金属之间的竞争吸附，有机污染物和重金属的共吸附。
此外，有大量文献报道了活化或改性生物炭对重金属的高效去除效率。在常见的重金属中，关于Cd 的研究最多，可以从图5中Cd节点外缘相对较大的圆环看出，从2014年全国土壤污染状况调查公报发现，Cd 污染问题最为严峻。关于改性生物炭对重金属的去除依然是研究热点，只是改性方法较2011-2015年更多。
同样，由于改性生物炭对As,Cr 的吸附量非常高，改性生物炭对于金属阴离子（As,Cr）去除的研究越来越受到人们的关注。对于As，最常见的改性方法是铁/锰氧化物和纳米零价铁负载的生物炭，改性生物炭高效去除As的机理包括增加了As(V)吸附位点和阴离子交换量，H键作用增强。同样，最常见的去除Cr(VI)的改性方法是铁/锰氧化物和纳米零价铁负载的生物炭，高效去除Cr(VI)的原因可能是生物炭对Cr(VI)的吸附和还原增加了。
4.6 生物炭和堆肥
从图5可以看出，“Biochar and composting”成为一个新的热门话题。堆肥是将有机废弃物转化为相对稳定的类腐殖质的一种广泛而有效的方法，堆肥产物可作为土壤改良剂或有机肥。然而，堆肥也存在一些弊端，比如N 肥损失、温室气体排放、毒性，因此，堆肥质量有待提高。
近年来，生物炭在有机废物堆肥中的应用引起了人们特别的关注，因为生物炭能够加快有机质降解和腐殖化，提高微生物多样性，减少N肥损失，减少温室气体排放，减少重金属的生物可利用性。因此，生物炭能够提高堆肥价值，提高堆肥的农业和环境效益。其中，最常见的堆肥原料是畜禽粪便（图5）。
总结
论文从科学计量学角度全面分析了近二十年来（1998-2018）生物炭研究的发展趋势，从关键词的网络图可以看出，2010年以来，生物炭的研究呈现出明显的多样化发展趋势。2011-2015年期间生物炭研究主要分为五个区域：生物炭生产、生物炭和全球气候变化、土壤质量和植物生长、有机污染物去除、重金属固定。2016-2018年期间，除这五个主要研究热点外，“生物炭与堆肥”问题也受到越来越多的关注，表明生物炭在有机固体废弃物堆肥中的应用是当前的研究热点。
除此之外，功能生物炭广泛用于环境修复治理方面，并且取得了重大进展。但功能生物炭的研究仍处于初级阶段，对功能生物炭生产和应用的潜在风险和费用的考虑较少，有待进一步研究。虽然生物炭添加能够提高堆肥质量，但堆肥通常含有很多有毒物质，在大规模施用生物炭处理后的堆肥前，需要长期评估堆肥的环境风险。目前关于生物炭的农业和环境效益的研究很多，但是关于生物炭潜在风险的研究仍然欠缺，主要是由于生物炭的结构复杂，生物炭的强碱性、亲水性生物可降解物质、持久性自由基等都会对土壤动植物产生危害，很难具体区分某种物质的危害，后续应加大生物炭生态风险研究。
