生物炭的性質(zhì)、功能與應(yīng)用

生物炭的性質(zhì)、功能與應(yīng)用

自20世紀(jì)末以來(lái)，“生物碳”一詞已出現(xiàn)。特別是近年來(lái),在氣候變化、環(huán)境污染、能源短缺、糧食危機(jī)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等宏觀背景下,生物炭的潛在應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用空間被進(jìn)一步拓展,相關(guān)領(lǐng)域的理論研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)也已由涓涓細(xì)流匯聚成澎湃浪潮,正在朝著理論更深入、技術(shù)更完善、目標(biāo)多元化的方向發(fā)展。雖然生物炭固有的理化性質(zhì)決定了其應(yīng)用領(lǐng)域眾多,但在中國(guó)乃至全球多數(shù)發(fā)展中國(guó)家,保障糧食安全,適應(yīng)低碳、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展需求,仍是生物炭應(yīng)用研究的首要著力點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)縱深領(lǐng)域,圍繞生物炭在土壤、作物、環(huán)境系統(tǒng)中的作用與其機(jī)理等問(wèn)題,各國(guó)研究者進(jìn)行了諸多探索,初步證實(shí)了生物炭在改善土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量、治理環(huán)境污染以及增加“農(nóng)業(yè)碳匯”、減少溫室氣體排放等方面具有的重要作用,特別是筆者提出“通過(guò)生物炭技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物炭化還田改土”新理念以后,極大地促進(jìn)了生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)。但是,也有一些研究報(bào)道顯示,生物炭改土增產(chǎn)作用不顯著、不明確,甚至有負(fù)面效應(yīng)。國(guó)際上,更有社會(huì)團(tuán)體發(fā)表聯(lián)合宣言:《生物炭,人類、土地和生態(tài)系統(tǒng)的新威脅》,因擔(dān)心生物炭技術(shù)大發(fā)展以后,有可能誘發(fā)伐木毀林導(dǎo)致生態(tài)災(zāi)難,因而反對(duì)發(fā)展生物炭技術(shù)的報(bào)道。雖然中國(guó)的生物炭技術(shù)是建立在農(nóng)林廢棄物資源化綜合利用基礎(chǔ)之上,不會(huì)出現(xiàn)毀林取炭等與開(kāi)發(fā)生物炭技術(shù)初衷背道而馳的問(wèn)題,但也確有必要對(duì)生物炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用的利弊進(jìn)行盡可能辯證、全面的評(píng)價(jià),因?yàn)樯锾康姆€(wěn)定性決定了筆者在實(shí)施該技術(shù)的過(guò)程中必須持謹(jǐn)慎態(tài)度。本文在簡(jiǎn)要回顧國(guó)內(nèi)外生物炭研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)評(píng)述生物炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用特別是農(nóng)林廢棄物炭化還田對(duì)土壤、作物及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響,結(jié)合對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求分析,就生物炭技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討,以期為開(kāi)展適合中國(guó)國(guó)情的生物炭研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)、明確產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向提供參考。1生物炭的概念與組成生物炭(Biochar)是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物,最早用來(lái)描述一種由高粱制備的、用于有害氣體吸附的活性炭。近年來(lái),隨著糧食安全、環(huán)境安全和固碳減排需求的不斷發(fā)展,生物炭的內(nèi)涵逐漸與土壤管理、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和碳封存等相聯(lián)系。2009年Lehmann在其所著的《BiocharforEnvironmentalManagement:ScienceandTechnology》一書中,將生物炭特指為以改良土壤性狀為目的人為施入的炭化有機(jī)物。同年,《Nature》發(fā)表的“TheBrightProspectofBiochar”新聞評(píng)論和2010年發(fā)表的“SustainableBiochartoMitigateGlobalClimateChange”通訊以及2011年《中國(guó)工程科學(xué)》發(fā)表的“生物炭應(yīng)用技術(shù)研究”等文獻(xiàn),進(jìn)一步明確了生物炭在糧食安全、環(huán)境安全、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及固碳減排中的作用。生物炭主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳組成,一般含有60%以上的C元素。含有的其它元素主要有H、O、N、S等。生物炭的元素組成與制炭過(guò)程中的炭化溫度密切相關(guān),具體表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi),隨炭化溫度的升高,碳含量增加,氫和氧含量降低,灰分含量亦有所增加。生物炭的可溶性極低,溶沸點(diǎn)極高,具有高度羧酸酯化、芳香化結(jié)構(gòu)和脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)。羧基、酚羥基、羥基、脂族雙鍵以及芳香化等典型結(jié)構(gòu)特征,使生物炭具備了極強(qiáng)的吸附能力和抗氧化能力。在制炭過(guò)程中,原生物質(zhì)的細(xì)微孔隙結(jié)構(gòu)(圖1)被完好地保留在生物炭中,使其具有較大的比表面積。含碳率高、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、理化性質(zhì)穩(wěn)定是生物炭固有的特點(diǎn),也是生物炭能夠還田改土、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)碳封存的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。2生物碳研究2.1生物炭的降解生物炭固有的結(jié)構(gòu)特征與理化特性,使其施入土壤后對(duì)土壤容重、含水量、孔隙度、陽(yáng)離子交換量、養(yǎng)分含量等產(chǎn)生一定影響,從而直接或間接地影響土壤微生態(tài)環(huán)境。研究表明,在長(zhǎng)期、復(fù)雜的土壤環(huán)境或地質(zhì)變遷的作用下,施入土壤中的生物炭可能會(huì)發(fā)生一定程度的物理遷移或某種途徑的分解或降解,并在土壤垂直方向上進(jìn)行重新分配,但不會(huì)發(fā)生明顯的化學(xué)變化。即便在適宜條件下,微生物會(huì)使生物炭表面發(fā)生一定程度的分解,但分解速度緩慢,而且會(huì)因此形成一個(gè)保護(hù)殼,使表面以下的絕大部分生物炭維持穩(wěn)定的O/C比,從而繼續(xù)保持其穩(wěn)定性。隨著時(shí)間推移,生物炭最終有可能被礦化,但到目前為止,還沒(méi)有能夠精確測(cè)定生物炭在土壤及環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)周期的方法,也還沒(méi)有直接證據(jù)可以證明生物炭的降解途徑和機(jī)制?？梢哉J(rèn)為,生物炭在土壤中的穩(wěn)定性很強(qiáng),周轉(zhuǎn)過(guò)程可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年或更久,還田后不會(huì)因其自身分解而對(duì)土壤產(chǎn)生潛在危害。這為生物炭還田后,能持續(xù)發(fā)揮改土增產(chǎn)作用和固碳減排作用奠定了基礎(chǔ)。2.1.1生積極性影響已有研究結(jié)果表明,生物炭施入土壤后,可使土壤容重降低9%,總孔隙率由45.7%提高到50.6%。這種多微孔結(jié)構(gòu)也使其對(duì)土壤持水能力產(chǎn)生影響,如提高土壤含水量及降水的滲入量等,尤其是提高土壤中可供作物利用的有效水分含量,對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生積極影響。生物炭的吸濕能力比其它土壤有機(jī)質(zhì)高1—2個(gè)數(shù)量級(jí),富含生物炭的土壤比無(wú)生物炭的土壤田間持水量高18%。一般認(rèn)為,生物炭對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)、土壤緊實(shí)度等性狀的改良以及對(duì)土壤水分的影響與生物炭本身所具有的多孔結(jié)構(gòu)和吸附能力有關(guān)。生物炭的持水性能與土壤質(zhì)地有關(guān),亦受生物炭自身結(jié)構(gòu)與吸濕能力的制約。筆者曾用破碎白漿層摻混生物炭的方法改良黑龍江地區(qū)的白漿土,發(fā)現(xiàn)施用量為10t·hm-2時(shí),經(jīng)過(guò)一個(gè)大豆生長(zhǎng)季就可有效降低土壤容重和比重,顯著提高土壤持水量,并通過(guò)土壤三相比的改善將白漿土塑性調(diào)整到理想狀態(tài)。但施用量超過(guò)30t·hm-2時(shí),白漿層反而過(guò)于松散,耕性下降(相關(guān)結(jié)果另文發(fā)表)?？梢?jiàn),從改良土壤物理結(jié)構(gòu)角度來(lái)看,生物炭還田改土效果顯著,但適宜的施用量需要根據(jù)具體的土壤類型來(lái)決定。2.1.2生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響生物炭不僅對(duì)土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生積極作用,也間接地對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子,進(jìn)入土壤以后會(huì)有一定程度的釋放,交換土壤中的H+和Al3+,從而降低其濃度,提高鹽基飽和度并調(diào)節(jié)土壤pH值。生物炭提高土壤pH的作用隨施用量的增加而提高。已有研究結(jié)果表明,生物炭配合肥料施用于南方典型老成土后,土壤pH提高了0.1—0.46。同時(shí),生物炭本身含有豐富的官能團(tuán),施入土壤后土壤電荷總量增加,陽(yáng)離子交換量(CEC)提高了20%,最高可比無(wú)生物炭土壤增加1.9倍,且隨施炭量的增加而提高,但作用程度與土壤類型、制炭原材料以及制炭技術(shù)等有關(guān)。生物炭的表面氧化能力及其表面陽(yáng)離子吸附能力可能是提高土壤陽(yáng)離子交換量的主要原因。雖然生物炭本身可供作物直接吸收的養(yǎng)分含量很少,但在土壤等各種生物或非生物因素的交互作用下,也會(huì)緩慢釋放一些營(yíng)養(yǎng)元素,補(bǔ)充土壤養(yǎng)分來(lái)源供植物吸收利用。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和電荷密度,使其對(duì)土壤水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸持能力增強(qiáng),從而間接提高了土壤有效養(yǎng)分的含量和生產(chǎn)性能。大量研究證明,生物炭施入土壤后對(duì)提高土壤肥力和肥料利用率有重要作用,當(dāng)施用20t·hm-2以上的生物炭時(shí),大約可減少10%的化肥用量。這是由于生物炭對(duì)銨離子有很強(qiáng)的吸附能力,因而降低了土壤中氮素的揮發(fā),減少了養(yǎng)分流失,從而提高了土壤肥力。生物炭對(duì)磷酸根離子也具有很強(qiáng)的吸附能力?？傮w看來(lái),生物炭吸持養(yǎng)分離子、持肥緩釋的作用已經(jīng)得到大量試驗(yàn)證明?？梢哉J(rèn)為,盡管生物炭對(duì)不同種類的離子吸附能力存在差異,但當(dāng)土壤中存在一定數(shù)量的生物炭時(shí),有助于土壤肥力的提高。2.1.3生物炭對(duì)土壤微生物的影響生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的各種影響直接或間接地影響到土壤微生物的活動(dòng),土壤微生物的消長(zhǎng)又是土壤理化反應(yīng)的重要“催化劑”,二者相輔相成,相互作用。已有研究結(jié)果表明,亞馬遜黑土與西部原始森林土壤的細(xì)菌群落較為相似,但多樣性卻提高了25%,固氮菌的數(shù)量和固氮能力也在生物炭的作用下得到了明顯提升。據(jù)報(bào)道,不同用量的生物炭使豌豆根系的固氮量由對(duì)照的50%提高到72%,并使作物根部真菌的繁殖能力增強(qiáng),當(dāng)生物炭用量達(dá)到30%時(shí),菌根菌侵染量顯著提高。在一定范圍內(nèi),隨著生物炭施用量的增加,土壤微生物的數(shù)量和活性都顯著提高。學(xué)界普遍認(rèn)為,生物炭均勻、密布的孔隙在土壤中得以保留并形成了大量微孔,為微生物的棲息與繁殖提供了良好的“庇護(hù)所”,使它們免受侵襲和失水干燥等不利影響,同時(shí)也減少了微生物之間的生存競(jìng)爭(zhēng)。生物炭在微小的孔隙內(nèi)吸附和儲(chǔ)存不同種類和組分的物質(zhì),則為微生物群落提供了充足的養(yǎng)分來(lái)源。2.2生物炭與肥料的作用關(guān)于生物炭施入土壤后對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響,由于生態(tài)條件、氣候條件以及土壤類型等區(qū)域差別,國(guó)內(nèi)外有不同報(bào)道,但總體上以正向效應(yīng)居多。早在19世紀(jì),亞馬遜河流域古老的印第安人就在一種特殊的黑土“TerraPreta”上種植農(nóng)作物以提高產(chǎn)量。經(jīng)研究證實(shí),這種黑色土壤富含穩(wěn)定的生物炭,是導(dǎo)致土壤肥沃和作物增產(chǎn)的主要原因。隨著人們對(duì)生物炭認(rèn)識(shí)和研究的不斷深入,生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用也逐漸受到重視,并已在水稻、玉米、高梁、小麥、大豆、花生、豇豆、蘿卜、菠菜等作物上取得了較好的效果。如Lehmann等模仿亞馬遜流域高產(chǎn)“TerraPreta”土壤,將生物炭分別以68和135t·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)混入試驗(yàn)土壤中,發(fā)現(xiàn)水稻和豇豆的生物量分別提高了17%和43%。Uzoma等將生物炭應(yīng)用于沙質(zhì)土壤生產(chǎn)玉米,結(jié)果是當(dāng)生物炭施用量達(dá)到15t·hm-2和20t·hm-2時(shí),產(chǎn)量分別提高了150%和98%。國(guó)內(nèi)的研究也表明,生物炭能夠促進(jìn)玉米苗期生長(zhǎng),株高和莖粗分別比對(duì)照增加了4.31—13.13cm和0.04—0.18cm。Iswaran等以0.5t·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)向土壤中添加生物炭,發(fā)現(xiàn)每盆大豆增產(chǎn)10.4g。在酸性土壤中以10t·hm-2的標(biāo)準(zhǔn)施用生物炭,土壤中交換性鋁的毒害作用減小,小麥株高提高了30%—40%。在南美洲熱帶地區(qū),施用生物炭使豇豆產(chǎn)量提高了28%。Chan等發(fā)現(xiàn),先施氮后施炭可使蘿卜產(chǎn)量增加120%。生物炭對(duì)作物生物量和產(chǎn)量的促進(jìn)作用還隨時(shí)間的延長(zhǎng)而表現(xiàn)出一定的累加效應(yīng)。Major等對(duì)玉米和大豆輪作土壤進(jìn)行多年的生物炭處理試驗(yàn)結(jié)果表明,施用20t·hm-2生物炭的土壤,第1年玉米產(chǎn)量并未提高,但在隨后的3年中,產(chǎn)量逐年遞增,分別比對(duì)照提高了28%、30%和140%。在巴西亞馬遜河流域的田間試驗(yàn)也表明,以11t·hm-2標(biāo)準(zhǔn)在土壤中施入生物炭,經(jīng)過(guò)2年4個(gè)生長(zhǎng)季后,水稻和高梁的產(chǎn)量累積增加了75%。除了與土壤相互作用外,生物炭與肥料的互作研究也同樣獲得了積極反饋。在澳大利亞施氮100t·hm-2條件下,以50和100t·hm-2標(biāo)準(zhǔn)施用生物炭,蘿卜產(chǎn)量分別提高了95%和120%。生物炭與肥料配合施用還能夠增加玉米和花生的產(chǎn)量。在中國(guó),研究者將生物炭與化肥混合,發(fā)明了專用炭基肥料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,炭基花生專用肥有利于花生葉片功能期的延長(zhǎng),飽果率增加14.2%、百仁重增加10.1%,產(chǎn)量增加13.5%。炭基玉米專用肥有效地提高了穗粒數(shù)與粒重,產(chǎn)量提高7.6%—11.6%。炭基大豆專用肥使分枝數(shù)增加16.4%,單株二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)分別增加16.4%、27.9%,單株粒數(shù)增加12.1%,百粒重增加4.7%,產(chǎn)量增加7.2%。Lehmann等在總結(jié)全球各地開(kāi)展的相關(guān)研究時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)生物炭施用量(按純碳計(jì)算)在50t·hm-2以下時(shí),對(duì)作物產(chǎn)量的作用基本都是正向的。在大多數(shù)研究中,生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響都表現(xiàn)出正的效應(yīng),但也有一些負(fù)效應(yīng)的報(bào)道。Kishimoto等的研究結(jié)果顯示,當(dāng)土壤中施入5t·hm-2和15t·hm-2生物炭時(shí),大豆的產(chǎn)量分別下降了37%和71%。生物炭施入量過(guò)大也會(huì)降低玉米等對(duì)pH敏感的作物的產(chǎn)量。張晗芝等發(fā)現(xiàn),生物炭對(duì)玉米苗期的生長(zhǎng)有顯著地抑制作用。鄧萬(wàn)剛等的研究則表明,當(dāng)炭/土比為0.1%、0.5%和1.0%時(shí),在一定程度上降低了種植在花崗巖磚紅壤上的王草第2次刈割產(chǎn)草量和柱花草第1次刈割產(chǎn)草量,同時(shí)品質(zhì)也有所下降。生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量影響的效應(yīng)表現(xiàn)不一,但總體來(lái)說(shuō)是正向效應(yīng)大于負(fù)向效應(yīng)。產(chǎn)生正向效應(yīng)的原因主要來(lái)自以下幾個(gè)方面:(1)生物炭具有豐富的多微孔結(jié)構(gòu),比表面積較大。在施入土壤后,有利于微生物的生存繁衍,增加土壤中有益菌群數(shù)量,增強(qiáng)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能,為作物根系提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。(2)施用生物炭有助于改善土壤理化性狀,如pH、容重、孔隙度、持水性等,特別是有利于提高土壤有效養(yǎng)分含量,這些條件的改變對(duì)于促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用。(3)生物炭本身含有一定數(shù)量的對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素,可增加土壤中可交換性陽(yáng)離子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等的數(shù)量,在一定程度上減少活性鋁等有毒元素的影響,為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的元素供應(yīng)源。(4)生物炭與其它肥料配合使用時(shí),可減少肥料養(yǎng)分淋失,提高利用效率,促進(jìn)增產(chǎn)。也有研究報(bào)道,施用生物炭后產(chǎn)量增加不顯著甚至有負(fù)影響。產(chǎn)生負(fù)向效應(yīng)的原因可能來(lái)自于以下幾個(gè)方面:(1)生物炭呈堿性(表),當(dāng)施用量過(guò)大時(shí),某些對(duì)pH敏感的作物極易表現(xiàn)出平產(chǎn)或減產(chǎn)。(2)生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量影響的差異性與土壤類型有關(guān),Jeffery等的研究結(jié)果表明,在酸性土壤、中性土壤、粗質(zhì)地與中等質(zhì)地土壤中施用生物炭,增產(chǎn)幅度分別為14%、13%、10%和13%。換言之,生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響決定于生物炭自身的性質(zhì),也決定于特定土壤的理化性質(zhì)和作物生物學(xué)屬性等諸多方面,復(fù)雜的交互作用及其過(guò)程也會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果不盡一致。因此,生物炭應(yīng)用于作物生產(chǎn),應(yīng)該因地、因作物、因具體條件而異。盡管到目前為止尚無(wú)法確定通用的最佳施炭量范圍,但大量的研究結(jié)果已經(jīng)明,生物炭的改土增產(chǎn)作用已是不爭(zhēng)的事實(shí),只要應(yīng)用適當(dāng),其正向效應(yīng)是完全可以利用的。3生物碳和國(guó)家食品安全、環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展3.1秸稈炭化還田自1949年新中國(guó)成立以來(lái),中國(guó)糧食生產(chǎn)取得了舉世矚目的成就,用世界9%的耕地,養(yǎng)活了世界22%的人口,為世界和平與發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。尤其是近年來(lái),隨著惠農(nóng)政策和保障措施的不斷加強(qiáng)以及行業(yè)科技的不斷進(jìn)步,中國(guó)糧食生產(chǎn)總量已經(jīng)連續(xù)多年超過(guò)5億噸。但在這連年豐收的背后,是高強(qiáng)度的掠奪式生產(chǎn)和長(zhǎng)期的巨量化肥投入。由此導(dǎo)致土壤板結(jié)退化、中低產(chǎn)田大量產(chǎn)生、水體污染進(jìn)一步加劇等一系列生態(tài)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。隨著人口數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng),中國(guó)糧食安全壓力將進(jìn)一步加大。放眼未來(lái),在氣候變化日趨劇烈,資源約束逐步增強(qiáng)的情況下,如何在有限的耕地上持續(xù)、穩(wěn)定地生產(chǎn)出更多、更安全的糧食,是未來(lái)將面臨的更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。另一方面,中國(guó)年產(chǎn)農(nóng)林業(yè)廢棄物約14億t,僅玉米、水稻、小麥等大宗作物的秸稈量就達(dá)到6.5億t。隨著糧食生產(chǎn)總量的增加,這一數(shù)字還將進(jìn)一步提高。將這些生物質(zhì)還田,無(wú)疑是增加土壤輸入、遏制土壤退化、改善耕地質(zhì)量的有效措施。但是,由于中國(guó)現(xiàn)行的土地家庭聯(lián)產(chǎn)承包管理體制將生產(chǎn)單元分割的過(guò)小,限制了大型秸稈還田機(jī)械的使用。迥異的氣候條件也使秸稈還田的適用范圍受到限制。致使目前中國(guó)的秸稈還田量還不到20%,而被燒掉或廢棄的量卻超過(guò)了50%。寶貴的資源沒(méi)有得到有效地利用,卻變成了嚴(yán)重的污染源頭。焚燒秸稈排放出大量的溫室氣體和煙塵,導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降、誘發(fā)城市陰霾、航班起降受阻等一系列問(wèn)題。以生物炭技術(shù)為核心的秸稈炭化還田是銜接農(nóng)業(yè)循環(huán)鏈條首尾兩端、實(shí)現(xiàn)廢棄生物質(zhì)資源化高效利用的重要途徑。雖然有研究表明,生物炭還田有可能產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng),刺激肥沃土壤中有機(jī)質(zhì)的分解,但對(duì)于中國(guó)占總耕地總面積70%的中低產(chǎn)田而言,尤其是對(duì)于那些因理化性質(zhì)惡化導(dǎo)致的障礙性土壤而言,廢棄生物質(zhì)炭化還田應(yīng)該是一個(gè)值得引起高度重視的發(fā)展方向。因此,針對(duì)自然區(qū)劃、耕作制度和不同土壤類型,進(jìn)一步深入開(kāi)展生物質(zhì)炭化還田改土技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā),對(duì)于提升中低產(chǎn)田的生產(chǎn)潛力,確保國(guó)家糧食安全,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,都將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。3.2生物炭還田低碳、循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主題。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),全球氣候變暖、災(zāi)害性氣候頻繁發(fā)生、荒漠化進(jìn)程加速等已成為威脅人類生存和可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)峻問(wèn)題。中國(guó)政府明確提出,到2020年,單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放要比2005年降低40%—45%。作為一項(xiàng)規(guī)模宏大的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè)固有的碳匯能力得到了越來(lái)越多的重視。發(fā)展能源作物、以生物能源替代化石能源以實(shí)現(xiàn)減排是當(dāng)前的熱門研究領(lǐng)域之一。但面對(duì)稀缺的耕地資源和巨大的糧食安全壓力,尋找一種更符合中國(guó)國(guó)情的農(nóng)業(yè)減排技術(shù),發(fā)展低碳農(nóng)業(yè),已越來(lái)越迫切,也越來(lái)越現(xiàn)實(shí)。研究表明,生物炭具有很大的固碳潛力與空間,可能是唯一的以輸入穩(wěn)定性碳源而改變環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳庫(kù)自然平衡,提高土壤碳庫(kù)容量的技術(shù)方式。Lehmann在2007年《Nature》上發(fā)表文章指出,如果將植物轉(zhuǎn)化為生物炭,可以大大降低空氣中的二氧化碳含量。生物炭除本身可作為一種重要的“碳匯”形式外,施入土壤后亦可減少N2O等溫室氣體的排放。譬如,以20g·kg-1的標(biāo)準(zhǔn)向牧草地和大豆土壤中添加生物炭,N2O排放量可分別降低80%和50%,CH4的釋放過(guò)程則受到明顯抑制。目前,生物炭的減排機(jī)制尚不清楚,但其減排效果已經(jīng)得到認(rèn)可,相應(yīng)的計(jì)量方法學(xué)也將很快產(chǎn)生,從而為生物炭減排量的計(jì)算奠定良好的基礎(chǔ),也為生物質(zhì)炭化還田打上了“低碳”的時(shí)代特點(diǎn)。生物炭來(lái)源于農(nóng)業(yè),如果再將其廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè),就可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)。因此,循環(huán)應(yīng)是生物炭應(yīng)用的著眼點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)范疇,秸稈還田或“過(guò)腹還田”應(yīng)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)廢棄物利用的主要方式之一,在中國(guó)華北、華中、華南等地區(qū)都有較大面積的推廣應(yīng)用。但受低溫冷涼氣候的影響,該技術(shù)在北方特別是東北地區(qū),還面臨許多技術(shù)問(wèn)題,比如還田秸稈當(dāng)年難以腐爛,影響第二年出苗率;土傳病害增加,不利于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn);一家一戶的小型化生產(chǎn)方式,不利于大機(jī)械的使用等。因此,在難以進(jìn)行秸稈還田的地區(qū),示范推廣生物炭還田技術(shù),符合因地制宜的原則,是科學(xué)、合理、可行的做法。秸稈發(fā)電、固化、氣化、液化是農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能源化利用的主要形式,雖然可以大量消耗秸稈,在一定程度上緩解秸稈焚燒壓力,實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的資源化利用,但其集中生產(chǎn)模式難以降低廢棄物收集、儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的運(yùn)輸成本,亦即相關(guān)企業(yè)難以脫離政府補(bǔ)貼而獨(dú)立發(fā)展。更重要的是,這種能源化利用方式僅僅從資源利用角度考慮問(wèn)題,忽視了對(duì)產(chǎn)出這些資源的耕地的保護(hù),是一種“竭澤而漁、吃干榨凈”的掠奪式做法,在一定程度上破壞了耕地可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),也無(wú)法實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定的物質(zhì)循環(huán)。生物炭還田技術(shù)與上述利用方式不同,它結(jié)合了廢棄物資源化、循環(huán)、可持續(xù)理念,在消化利用農(nóng)業(yè)廢棄物的同時(shí),將生物炭再次返還給土壤,形成“取之于田,用之于田”的良性循環(huán)模式,因此可效地解決農(nóng)林廢棄物資源化利用、物質(zhì)循環(huán)和耕地可持續(xù)發(fā)展等一系列問(wèn)題。狹義上說(shuō),生物炭的改土增產(chǎn)作用具有穩(wěn)定性和持續(xù)性。廣義上說(shuō),秸稈炭化還田則是保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的重要途徑。2008年中國(guó)中、低產(chǎn)田面積已達(dá)到0.8億hm2,占耕地總面積的65%以上,2009年進(jìn)一步上升到耕地總面積的70%。特別是由于氣候變化和掠奪式的過(guò)度開(kāi)發(fā)利用,過(guò)去的良田沃土已經(jīng)開(kāi)始退化,有機(jī)質(zhì)含量降低,酸化、板結(jié)、黏重現(xiàn)象嚴(yán)重,地力明顯下降,已成為制約和影響糧食生產(chǎn)發(fā)展的“瓶頸”。另外,由于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,農(nóng)田污染面積不斷擴(kuò)大,成為影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“隱憂”。以重金屬污染農(nóng)田為例,近20年中國(guó)重金屬污染農(nóng)田面積增加了14.6%,已近0.2億hm2,占總耕地面積的1/6。生物炭應(yīng)用于農(nóng)田,不僅可以吸持養(yǎng)分、減少養(yǎng)分流失、緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化,亦可應(yīng)用于受重金屬、有機(jī)污染物等污染的土壤或水體,通過(guò)吸附、鈍化、固持等作用方式降低污染物的生物有效性,對(duì)于糧食安全、食品質(zhì)量安全保障能力的提升具有重要意義。4生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本原則生物炭概念的提出源于對(duì)亞馬遜流域先民無(wú)意間留下的“Terrapreta”(亞馬遜黑土)所具有的增產(chǎn)作用的觀察。它一經(jīng)出現(xiàn),便引起全世界的廣泛關(guān)注。如前所述,作為一項(xiàng)來(lái)源于實(shí)踐的技術(shù),生物炭的改土增產(chǎn)作用已被國(guó)內(nèi)外大量研究所證實(shí)。有理由相信,以秸稈炭化還田為核心的生物炭技術(shù),未來(lái)必將得到普遍認(rèn)可和迅速發(fā)展,生物炭產(chǎn)業(yè)也將應(yīng)運(yùn)而生,并成為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。事實(shí)上,中國(guó)的生物炭研究與產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)已經(jīng)走過(guò)了近十年的發(fā)展歷程,一些勇于探索的研究者和先鋒企業(yè)已積累了一定的研究成果、產(chǎn)品和經(jīng)驗(yàn)。盡管這些成果、產(chǎn)品和經(jīng)驗(yàn)還不十分豐富,但已初步描繪出中國(guó)生物炭研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的廣闊前景。無(wú)論從糧食安全、環(huán)境安全,還是從可持續(xù)發(fā)展角度來(lái)看,生物炭研究與產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)都與國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略極為契合?！秶?guó)家糧食安全中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要(2008—2020年)》指出,嚴(yán)格控制面源污染,保護(hù)和改善糧食產(chǎn)地環(huán)境,通過(guò)農(nóng)業(yè)資源高效利用等方面的新突破著力提高糧食單產(chǎn)水平。國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)的《“十二五”秸稈綜合利用實(shí)施方案》中也指出,農(nóng)業(yè)是秸稈綜合利用的優(yōu)先發(fā)展方向。生物炭技術(shù)正是以農(nóng)林業(yè)和環(huán)境為核心,全面服務(wù)于糧食安全、環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè),應(yīng)該在國(guó)家的大力支持和引導(dǎo)下健康、快速的發(fā)展。值得指出的是,在中國(guó)研究與開(kāi)發(fā)生物炭產(chǎn)業(yè),應(yīng)該遵循以下幾項(xiàng)原則:一是發(fā)展生物炭產(chǎn)業(yè)必須堅(jiān)持以農(nóng)林廢棄物循環(huán)利用為出發(fā)點(diǎn)。自生物炭技術(shù)提出時(shí)開(kāi)始,國(guó)際上就不乏反對(duì)的聲音。國(guó)際生物炭倡導(dǎo)組織向聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)提交的“發(fā)展廢棄物生物質(zhì)碳轉(zhuǎn)化與生物炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用”的提案至今沒(méi)有下文就是最好的例子。究其原因,大多是擔(dān)心在生物炭產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)化過(guò)程中,有可能出現(xiàn)伐木取炭導(dǎo)致毀林而破壞生態(tài)等不合理開(kāi)發(fā)方式。這是一個(gè)市場(chǎng)、政策層面的問(wèn)題,歸根到底是生物炭的來(lái)源問(wèn)題,良好的頂層設(shè)計(jì)將有利于其妥善解決。因此,生物炭技術(shù)必須堅(jiān)持以農(nóng)林廢棄物綜合利用為出發(fā)點(diǎn),這不但是維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定平衡的需要,也是生物炭這一概念的本質(zhì)屬性。二是生物炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)以克服土壤障礙和中低產(chǎn)田改造為主要方向。中國(guó)存在大量的障礙型土壤和中低產(chǎn)田,以遼寧省為例,鹽堿土總面積20—27萬(wàn)hm2,風(fēng)沙土13.3萬(wàn)hm2,酸性、微酸性耕地面積102萬(wàn)hm2,耕型澇洼地30萬(wàn)hm2。由各種因素造成的中地產(chǎn)田面積占遼寧省耕地總面積的48%以上。2009年,遼寧省玉米總產(chǎn)量為963.1萬(wàn)t,播種面積為196.41萬(wàn)hm2,平均單產(chǎn)水平僅為4903.5kg·hm-2。而美國(guó)玉米平均單產(chǎn)水平早在20世紀(jì)90年代就已超過(guò)7425kg·hm-2。