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(jī)廢棄物經(jīng)過低溫?zé)崃呀饧夹g(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(gè)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(jī)質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的表征與有機(jī)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(duì)于農(nóng)業(yè)生命的系統(tǒng)健康及綠色農(nóng)業(yè)的巨大價(jià)值，也進(jìn)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(jià)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(jì)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(shí)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(jī)質(zhì)的肥沃土壤，當(dāng)?shù)厝朔Q這種土壤為“Terra Preta”。最初，科學(xué)家認(rèn)為這種土壤屬于暗色黏性土(彼時(shí)的“暗色黏性土”即后來的“變性土”，是國際土壤學(xué)的熱點(diǎn))。但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該土壤具有深厚的、富含穩(wěn)定有機(jī)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(dāng)?shù)赝林用耖L期以來的一種“火耕”(Slash and Burn)習(xí)慣有關(guān)，即每開墾一處新地后就會(huì)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(jī)質(zhì)，且有機(jī)質(zhì)與土壤礦物結(jié)合形成穩(wěn)定團(tuán)聚體并長期保存在土壤中，從根本上改善了強(qiáng)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(jìn)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)質(zhì)在土壤中的更新周期長達(dá)數(shù)百至千年，低于農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(dá)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(dòng)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?zé)崃呀夤に嚿a(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(kuò)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(jī)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(jī)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?yàn)閬碓炊际巧镔|(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(jī)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(gè)介于環(huán)境工程、環(huán)境管理、土壤管理、氣候變化應(yīng)對(duì)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(xiàn)，Stephen Joseph 博士獲得 2017年澳大利亞國家榮譽(yù)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(jī)構(gòu)的涌現(xiàn)再一次推動(dòng)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(huì)(InternationalBio Initiative，IBI)。成立伊始，國際生物質(zhì)炭協(xié)會(huì)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(dòng)動(dòng)議。國際生物質(zhì)炭協(xié)會(huì)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(huì)，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(dòng)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(dòng)全歐生物質(zhì)炭計(jì)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(yùn)行數(shù)月的自動(dòng)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(dòng)
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(yàn)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(jī)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(píng)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(duì)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(tuán)聚體穩(wěn)定性，提高土壤水容量，促進(jìn)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(shí)，生物質(zhì)炭還能夠快速提高土壤有機(jī)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(dāng)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(jī)質(zhì)碳庫，還大幅度改善了土壤的物理性質(zhì)，促進(jìn)了生物生長和活性，提升了肥力且降低了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，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(dòng)
2015年，科學(xué)家和社會(huì)活動(dòng)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(jī)制，鼓勵(lì)發(fā)展廢棄物生物質(zhì)炭促進(jìn)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(shí)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(dòng)了生物質(zhì)炭與全球土壤可持續(xù)管理(示范)項(xiàng)目，資助在亞洲、非洲和南美洲等地區(qū)的6個(gè)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(shí)踐。亞洲開發(fā)銀行也設(shè)立種子項(xiàng)目支持在尼泊爾等亞洲欠發(fā)達(dá)國家山區(qū)的農(nóng)民進(jìn)行農(nóng)業(yè)廢棄物炭化和生物質(zhì)炭土壤改良項(xiàng)目，幫助保持和提升土壤肥力，增進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。這些項(xiàng)目也帶動(dòng)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(yàn)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(huì)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(dá)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(jì)劃，一些金融機(jī)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(xiàng)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(jìn)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(jī)質(zhì)庫不斷損耗而肥力消減，同時(shí)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(gè)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(duì)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(jī)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(yùn)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(chǔ)運(yùn)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(dá)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(gè)巨大產(chǎn)業(yè)集群，將成為農(nóng)業(yè)源實(shí)體經(jīng)濟(jì)的新增長點(diǎn)，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(jī)遇。這個(gè)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(gè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)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(shí)，設(shè)備、產(chǎn)品和模式的系列化、區(qū)域化、標(biāo)準(zhǔn)化，需求生物質(zhì)科技與工程提供全鏈?zhǔn)疆a(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(jì)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(duì)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(jī)理認(rèn)識(shí)一直是近10 年國際土壤學(xué)界的研究熱點(diǎn)。以往國際上的基礎(chǔ)研究偏重于對(duì)土壤原有有機(jī)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(yàn)已經(jīng)證明了生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤有機(jī)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(rèn)識(shí)不足。其關(guān)鍵問題在于對(duì)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(yàn)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(jī)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(shí)踐出發(fā)，以有機(jī)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(jìn)農(nóng)業(yè)固碳減排，以促進(jìn)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(jìn)，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(shí)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(qiáng)對(duì)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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