南美洲古老農(nóng)業(yè)文明孕育的暗色肥沃土壤引發(fā)了全球生物質(zhì)炭研究熱潮。將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機廢棄物經(jīng)過低溫熱裂解技術(shù)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭并施用于農(nóng)田土壤中，是一種新的土壤可持續(xù)管理途徑，且服務(wù)于生物質(zhì)廢棄物治理與生態(tài)農(nóng)業(yè)。我國生物質(zhì)炭工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)及炭基肥制備與施用技術(shù)已經(jīng)形成，土壤增碳與農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、減肥、增效潛力顯著。大規(guī)模生物質(zhì)炭工業(yè)化生產(chǎn)的推廣催生了一個新興的科技領(lǐng)域——生物質(zhì)科技與工程。該科技服務(wù)于中國巨大的生物質(zhì)廢棄物治理和土壤改良、化肥減量及綠色農(nóng)業(yè)等需求，這一學(xué)科領(lǐng)域尚待系統(tǒng)整合和提升。

文章提出，研究生物質(zhì)炭的有機質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的表征與有機質(zhì)-礦物-微生物相互作用的基礎(chǔ)研究是未來土壤可持續(xù)管理中的重要研究方向。這些問題將揭示生物質(zhì)炭對于農(nóng)業(yè)生命的系統(tǒng)健康及綠色農(nóng)業(yè)的巨大價值，也進一步彰顯了土壤學(xué)服務(wù)于中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)管理與生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)融合的巨大價值。

                                                                                                                       來源:《中國科學(xué)院院刊》  

1 生物質(zhì)炭與土壤管理的緣起：自然與傳統(tǒng)

20 世紀末期，歐美科學(xué)家在巴西等地研究人類古老農(nóng)業(yè)文明時發(fā)現(xiàn)，在亞馬遜腹地的一些高地存在著一種暗色、富含有機質(zhì)的肥沃土壤，當?shù)厝朔Q這種土壤為“Terra Preta”。最初，科學(xué)家認為這種土壤屬于暗色黏性土(彼時的“暗色黏性土”即后來的“變性土”，是國際土壤學(xué)的熱點)。但進一步研究發(fā)現(xiàn)，該土壤具有深厚的、富含穩(wěn)定有機質(zhì)的暗色層，其 pH 值、陽離子交換量(CEC)以及鈣(Ca)和鎂(Mg)含量又區(qū)別于老成土。這種肥沃土壤引起了國際土壤學(xué)界的極大興趣。Terra Preta 的形成與當?shù)赝林用耖L期以來的一種“火耕”(Slash and Burn)習慣有關(guān)，即每開墾一處新地后就會將砍伐的林木就地挖坑、掩埋悶燒，并將燒制的炭施入土壤中。長期燒炭入土的耕作方式形成了厚厚的炭化土壤層，該炭化土壤層的存在是其維持高生產(chǎn)力的根本原因。這種土壤的主要特征是富含豐富的有機質(zhì)，且有機質(zhì)與土壤礦物結(jié)合形成穩(wěn)定團聚體并長期保存在土壤中，從根本上改善了強酸性貧瘠老成土的肥力水平。這是最早的生物質(zhì)炭改善土壤、增進肥力的土壤學(xué)研究。隨后美國康奈爾大學(xué) Johannes Lehmann 博士分別于2007 和2016年撰文，呼吁人類利用炭化技術(shù)來改善土壤，以增加土壤有機質(zhì)、減緩氣候變化和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。該技術(shù)的核心內(nèi)容是將陸地生態(tài)中的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)炭(bio)后再歸還到土壤中。2008年以后，許多研究陸續(xù)證實生物質(zhì)炭可顯著改善土壤肥力水平，且生物質(zhì)炭化生成的有機質(zhì)在土壤中的更新周期長達數(shù)百至千年，低于農(nóng)業(yè)土壤有機質(zhì)數(shù)倍。因此，與減緩全球氣候變化相呼應(yīng)，利用生物質(zhì)炭增加土壤有機質(zhì)碳庫作為減緩氣候變化的農(nóng)業(yè)途徑引起了科學(xué)界廣泛關(guān)注，全球生物質(zhì)炭固碳增匯的潛力不斷刷新。

2 廢棄物炭化與生物質(zhì)炭生產(chǎn)：生物質(zhì)科技與工程的萌生

繼在南美洲亞馬遜河流域發(fā)現(xiàn) Terra Preta 之后，科學(xué)家在歐洲、澳大利亞等地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了類似 TerraPreta 的暗色肥沃土壤?？茖W(xué)家們深信，人類能夠通過向土壤中添加炭化的有機質(zhì)來維持和提升土壤肥力。在南美洲和亞洲一些國家的山區(qū)，至今還保留著原始的土坑制炭還田的傳統(tǒng)。在一些發(fā)達國家，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生很大轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的勞動密集型土坑制炭的方法并不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求，而快速的、工業(yè)化的生物質(zhì)炭制備工藝成為滿足大規(guī)模生物質(zhì)炭還田的技術(shù)需求。最初，許多國家參考木炭的制備工藝，利用低溫熱裂解工藝生產(chǎn)生物質(zhì)炭，炭化的原料和方式隨即成為炭化技術(shù)和工程發(fā)展的重要方面。生產(chǎn)生物質(zhì)炭的原料從最初的林木廢棄物擴展到農(nóng)作物秸稈，又到農(nóng)業(yè)加工過程中產(chǎn)生的稻殼、椰殼，再到城市污水處理過程中產(chǎn)生的污泥，最后到生活垃圾和餐廚廢棄物。炭化工藝從最初的土坑、土窯到連續(xù)式工業(yè)窯，從立式炭化爐到臥式回轉(zhuǎn)窯，從炭化機單體到全程控制的炭化系統(tǒng)。炭化技術(shù)的發(fā)展，一方面從有機質(zhì)來源角度處理了生物質(zhì)源廢棄物，屬于環(huán)境工程領(lǐng)域;另一方面，生產(chǎn)制備的生物質(zhì)炭用于農(nóng)業(yè)土壤施用，可以改善土壤、增加土壤固碳，服務(wù)于減緩氣候變化。因為來源都是生物質(zhì)廢棄物，工藝核心都是限氧熱裂解，產(chǎn)物核心是黑色固體炭質(zhì)有機物(圖 1)，這樣的物質(zhì)被概稱為生物質(zhì)炭。目前，生物質(zhì)炭化技術(shù)已經(jīng)形成一個介于環(huán)境工程、環(huán)境管理、土壤管理、氣候變化應(yīng)對的跨學(xué)科領(lǐng)域的生物質(zhì)炭科技與工程。

生物質(zhì)炭科技源于歐美，在西方國家得到了廣泛的關(guān)注和普及。澳大利亞新南威爾士州的 Stephen Joseph 博士，最早系統(tǒng)地總結(jié)生物質(zhì)炭的制備工藝與技術(shù)，并率先在美國注冊了生物質(zhì)炭公司，在一些場合他被稱為“世界生物質(zhì)炭科技之父”。鑒于其在全球推廣生物質(zhì)炭工程方面作出的貢獻，Stephen Joseph 博士獲得 2017年澳大利亞國家榮譽勛章(The Order of Australia)。2009 年，Stephen Joseph 與 Johannes Lehmann 合著的《生物質(zhì)炭科技與環(huán)境管理》(Bio Science andTechnology for Environment Management)一書出版。這本書被人稱為“生物質(zhì)炭圣經(jīng)”，并于2015年再版。

生物炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究的興起和一些生物質(zhì)炭機構(gòu)的涌現(xiàn)再一次推動了生物質(zhì)炭科技的發(fā)展。2008年，由 Stephen Joseph 與 Johannes Lehmann 等人發(fā)起，并在美國注冊成立了國際生物質(zhì)炭協(xié)會(InternationalBio Initiative，IBI)。成立伊始，國際生物質(zhì)炭協(xié)會就通過聯(lián)合國防治沙漠化公約組織(UNCCD)和聯(lián)合國控制氣候變化框架公約組織(UNFCCC)向聯(lián)合國提交了生物質(zhì)炭固沙和固碳減排的全球行動動議。國際生物質(zhì)炭協(xié)會成立后，美國本國的生物質(zhì)炭科技交流網(wǎng)絡(luò)(USBI)也相繼注冊成立(其理事長還是IBI董事局現(xiàn)任主席)。在美國，有些州也成立了自己的生物質(zhì)炭協(xié)會，而賓夕法尼亞州和科羅拉多州還相繼注冊成立了生物質(zhì)炭系統(tǒng)工程公司(BioEngineering System)和生態(tài)生物質(zhì)炭公司(Ecoengineering)。美國這兩家公司圍繞林木和污泥廢棄物炭化開發(fā)出大規(guī)模的固定的炭化系統(tǒng)和可移動的炭化系統(tǒng)，在2010年前后居于全球領(lǐng)先。其產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于園藝生產(chǎn)中。歐盟于2011年啟動全歐生物質(zhì)炭計劃，從科學(xué)問題、技術(shù)分析和應(yīng)用前景方面開展泛歐國家的交流和合作。英國愛丁堡大學(xué)在2010年已經(jīng)開發(fā)出可以連續(xù)運行數(shù)月的自動控制連續(xù)炭化系統(tǒng)中試生產(chǎn)線，但至今沒有產(chǎn)業(yè)化的工程設(shè)備面世。然而，歐盟國家的生物質(zhì)炭科技主要停留在基礎(chǔ)和前期預(yù)備性研究中，有些國家(如英國)尚未通過法案允許生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)土壤中商業(yè)化應(yīng)用。

3 生物質(zhì)炭與土壤可持續(xù)管理：效應(yīng)與行動

3.1 生物質(zhì)炭效應(yīng)

隨著生物質(zhì)炭化技術(shù)和工程的發(fā)展，人為控制條件下將廢棄物轉(zhuǎn)化生成的生物質(zhì)炭被廣泛用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境試驗研究。研究內(nèi)容包括，利用生物質(zhì)改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量，降低溫室氣體排放，鈍化土壤中的重金屬，以及吸附水體和土壤中的有機污染物等。十年間積累了大量的觀測數(shù)據(jù)，使得利用整合分析方法評估生物質(zhì)炭的土壤-生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)成為可能。盡管生物質(zhì)炭的性質(zhì)和效應(yīng)隨生物質(zhì)來源及炭化條件存在差異，但其對許多土壤生物地球化學(xué)過程的影響是顯著的。這些影響包括改善土壤結(jié)構(gòu)(圖2)，提高團聚體穩(wěn)定性，提高土壤水容量，促進微生物生長，并最終提高土壤的生產(chǎn)力(10%)。在提高作物產(chǎn)量的同時，生物質(zhì)炭還能夠快速提高土壤有機碳含量，降低N2O排放量和污染土壤重金屬生物有效性。土壤改良與提質(zhì)效應(yīng)，特別是固碳減排仍然是當前的突出需求。廢棄物炭化不但處理了秸稈等廢棄物，避免了直接焚燒或堆埋分解的排放，增加了土壤有機質(zhì)碳庫，還大幅度改善了土壤的物理性質(zhì)，促進了生物生長和活性，提升了肥力且降低了環(huán)境污染風險，是土壤可持續(xù)管理的重要途徑。

3.2 全球生物質(zhì)炭與土壤可持續(xù)管理全球行動

2015年，科學(xué)家和社會活動家在Nature撰文呼吁全球農(nóng)業(yè)引入生物質(zhì)炭土壤改良提升機制，鼓勵發(fā)展廢棄物生物質(zhì)炭促進土壤固碳和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高。近年來科學(xué)家們也將生物質(zhì)炭施加土壤的實踐列入減緩氣候變化的可行技術(shù)途徑。聯(lián)合國全球環(huán)境基金(GEF)于2015 啟動了生物質(zhì)炭與全球土壤可持續(xù)管理(示范)項目，資助在亞洲、非洲和南美洲等地區(qū)的6個國家開展農(nóng)民參與的生物質(zhì)炭土壤改良與肥力提升實踐。亞洲開發(fā)銀行也設(shè)立種子項目支持在尼泊爾等亞洲欠發(fā)達國家山區(qū)的農(nóng)民進行農(nóng)業(yè)廢棄物炭化和生物質(zhì)炭土壤改良項目，幫助保持和提升土壤肥力，增進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。這些項目也帶動了非洲一些國家發(fā)展生物質(zhì)炭科技和農(nóng)業(yè)應(yīng)用的熱情，法國 Pro-Natura 等一些國際組織將生物質(zhì)炭改良土壤和施肥作為脫貧的主要解決方案，還建立了生物質(zhì)炭試驗示范和培訓(xùn)基地，并成立了泛非洲生物質(zhì)炭研究中心和生物質(zhì)炭協(xié)會以推廣其生物質(zhì)炭科技與應(yīng)用。生物質(zhì)炭通過土壤改良與肥力提升而幫助欠發(fā)達地區(qū)土壤保持和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效已經(jīng)被廣泛接受，越來越受到國際基金組織的關(guān)注。作為扶貧減困助農(nóng)富農(nóng)的小計劃，一些金融機構(gòu)也越來越樂于支持這樣的環(huán)保、自然和農(nóng)業(yè)多贏項目。全球土壤可持續(xù)管理的生物質(zhì)炭應(yīng)用助推了生物質(zhì)炭科技及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 中國生物質(zhì)炭科技：現(xiàn)狀與需求

4.1 廢棄物治理與農(nóng)業(yè)的雙重壓力

隨著我國城鎮(zhèn)化推進和工業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)村種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)日益分離，農(nóng)民耕地管理投入日益弱化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物脫離了生物質(zhì)的自然循環(huán)過程，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)庫不斷損耗而肥力消減，同時大量生物質(zhì)廢棄物成為農(nóng)業(yè)環(huán)境的污染源和溫室氣體的排放源。我國農(nóng)業(yè)面臨耕地土壤酸化、板結(jié)、失墑，以及化肥、農(nóng)藥大量使用等問題，農(nóng)藥和抗生素殘留流失于環(huán)境。秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物未得到有效利用，大量直接焚燒加劇了大氣污染。在國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略框架下，土壤的可持續(xù)管理與廢棄物資源化循環(huán)成為相輔相成的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的出路。因此，中國比世界上任何一個國家都需要這種既能處置廢棄物資源又能培肥土壤的生物質(zhì)炭科技與工程。

4.2 從廢棄物治理走向生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)

對生物質(zhì)炭的深入研究催生了生物質(zhì)廢棄物炭化與生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用的有機結(jié)合，初步形成了以熱裂解為基礎(chǔ)的生物質(zhì)工程與產(chǎn)業(yè)。2017年4月，農(nóng)業(yè)部將秸稈炭化還田列為全國秸稈資源化綜合利用的十大模式之一。2017年8月，秸稈工業(yè)化生產(chǎn)與炭基肥生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)通過鑒定，被環(huán)保企業(yè)作為產(chǎn)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化而商業(yè)化推廣。2017年11月底，國家能源局和環(huán)保部發(fā)布通知，明確支持生物質(zhì)炭化和炭基肥生產(chǎn)作為煤電生物質(zhì)能源耦合聯(lián)產(chǎn)的新模式。秸稈年處理量1.5萬噸，生物質(zhì)炭年產(chǎn)5000 噸，生物質(zhì)炭基肥年產(chǎn)2萬噸的生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)投入運行并快速商業(yè)化推廣(圖 3)。這一套生產(chǎn)系統(tǒng)與多種形式的秸稈收儲運系統(tǒng)結(jié)合后可以形成秸稈年處理量1000萬噸，生產(chǎn)生物質(zhì)炭 350萬噸，炭基肥1200多萬噸的新型生物質(zhì)炭基產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)值將達到300—400億元。這一套集廢棄物處理、能源利用與肥料生產(chǎn)為一體的系統(tǒng)形成了一個巨大產(chǎn)業(yè)集群，將成為農(nóng)業(yè)源實體經(jīng)濟的新增長點，也提出了科技、工程、管理和金融融合服務(wù)的新需求。

4.3 生物質(zhì)科技與工程學(xué)科發(fā)展支撐土壤提升及綠色農(nóng)業(yè)

生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)業(yè)一方面服務(wù)于土壤肥力提升和生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，另一方面為我國生物質(zhì)炭科技與工程提供了極好的發(fā)展機遇。這個學(xué)科涉及土壤改良、污染治理、肥料創(chuàng)新和新能源開發(fā)等多個生產(chǎn)和經(jīng)濟領(lǐng)域。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來說，生物質(zhì)科技與工程將服務(wù)于從原料、產(chǎn)品、規(guī)模和模式優(yōu)化熱裂解系統(tǒng)及產(chǎn)品創(chuàng)新。同時，設(shè)備、產(chǎn)品和模式的系列化、區(qū)域化、標準化，需求生物質(zhì)科技與工程提供全鏈式產(chǎn)業(yè)支持與服務(wù)。生物質(zhì)科技和工程業(yè)也展現(xiàn)了土壤改良及可持續(xù)管理的廣闊發(fā)展空間。不同成因低產(chǎn)土壤改良、生產(chǎn)力恢復(fù)與提升的普適性生物質(zhì)炭產(chǎn)品及施用技術(shù)，不同農(nóng)區(qū)作物或生產(chǎn)模式的土壤改良-作物施肥雙效炭基肥設(shè)計與新施肥模式，重金屬污染農(nóng)田治理、鹽堿土改良與快速利用、礦山廢棄土地的快速恢復(fù)與肥力重構(gòu)等都是針對生物質(zhì)炭可持續(xù)土壤改良與管理的服務(wù)需求和技術(shù)發(fā)展方向。

4.4 生物質(zhì)炭土壤可持續(xù)改良的基礎(chǔ)研究工作亟待發(fā)展

生物質(zhì)炭的土壤過程及其生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)的整合研究與機理認識一直是近10 年國際土壤學(xué)界的研究熱點。以往國際上的基礎(chǔ)研究偏重于對土壤原有有機碳穩(wěn)定與否的考量，例如曾經(jīng)十分紛繁的激發(fā)效應(yīng)與土壤碳更新加快的爭議。越來越多的田間試驗已經(jīng)證明了生物質(zhì)炭促進了土壤有機質(zhì)的保持和降低非CO2溫室氣體排放的巨大作用。相反，生物質(zhì)炭在農(nóng)田增碳、促氮、鈍化、增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的多效應(yīng)偶聯(lián)特征及其調(diào)節(jié)，其持效性及其影響因素都認識不足。其關(guān)鍵問題在于對生物質(zhì)炭-土壤-植物-生物的相互作用的深入剖析。田間試驗中經(jīng)常觀察到植物健康與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而生物質(zhì)炭如何賦予了土壤-植物系統(tǒng)的抗性(System Acquainted Resistance，SAR，或稱“系統(tǒng)穩(wěn)定性”)，其形成機制和不同土壤-植物系統(tǒng)的表現(xiàn)特征，已成為生物質(zhì)炭土壤可持續(xù)管理和生態(tài)農(nóng)業(yè)的前沿科學(xué)問題。

5 結(jié)語

從生物質(zhì)炭改良土壤提升肥力的農(nóng)業(yè)文明實踐出發(fā)，以有機廢棄物炭化還田為核心的生物質(zhì)科技與工程性學(xué)科領(lǐng)域已經(jīng)顯現(xiàn)光明前景。這一新領(lǐng)域不僅解決農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物處置問題，而且直接服務(wù)于快速提升土壤肥力、促進農(nóng)業(yè)固碳減排，以促進土壤可持續(xù)管理。隨著我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的快速推進，工程技術(shù)和基礎(chǔ)研究的融合發(fā)展勢在必行。以生物質(zhì)炭熱裂解為核心的生物質(zhì)科技與工程將成為新的學(xué)科領(lǐng)域，同時也需要整合已有的科學(xué)技術(shù)和資金投入。建議著力加強對生物質(zhì)炭-土壤-植物-生物相互作用的基礎(chǔ)研究，解決生物質(zhì)炭生態(tài)農(nóng)業(yè)的系統(tǒng)健康和可持續(xù)性的前沿科學(xué)問題。

來源：固廢觀察

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