生物炭讓土壤不再貧瘠

張章

150多年來(lái)，美國(guó)布魯克林造船廠建造的船舶幫助停止了與非洲的奴隸交易、鋪設(shè)了首條海底電纜和推動(dòng)了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束?，F(xiàn)在，這個(gè)位于紐約城的工廠充滿了藝術(shù)家、建筑師、手工藝品制造者和有機(jī)蔬菜種植者。在一個(gè)小雨綿綿的秋日，Ben Flanner在一個(gè)6000平方米的屋頂農(nóng)場(chǎng)，管理著一片紅色和綠色的生菜海。

這些植物下方的土壤看上去很普通，F(xiàn)lanner抓起一小把，仔細(xì)審視。棕色土塊中間有小小的黑色顆粒，這是兩年前混入土壤的木炭碎片的殘留物。Flanner認(rèn)為，這些富含碳的物質(zhì)——生物炭，有助于作物茁壯成長(zhǎng)，甚至可能增加產(chǎn)量，他希望在未來(lái)幾年能得到傲人的成績(jī)。

在過(guò)去幾年，整個(gè)美國(guó)出售這種持久土壤添加物的人越來(lái)越多，一些估算數(shù)據(jù)顯示，自2008年以來(lái)，年銷售額增至3倍。為Flanner的農(nóng)場(chǎng)提供原料的一家賓夕法尼亞州生物炭公司既批發(fā)銷售，也面向個(gè)人消費(fèi)者，銷售點(diǎn)也包括亞馬遜和全食超市。實(shí)際上，瑞典和中國(guó)等許多國(guó)家在農(nóng)業(yè)和城市綠化領(lǐng)域也在廣泛使用生物炭。

支持者認(rèn)識(shí)到了這種土壤增強(qiáng)因子的巨大潛力，生物炭是在低氧環(huán)境中加熱生物材料（外皮等農(nóng)業(yè)廢棄物）制備而成，可以作為生物燃料的副產(chǎn)品進(jìn)行制造，因此許多公司希望同時(shí)發(fā)展這兩種產(chǎn)品，以迎合更加綠色的能源形式的需求。

而且，科學(xué)家也開(kāi)始對(duì)生物炭感興趣，他們迅速展開(kāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試其潛力。他們尤其感興趣的是生物炭顆粒的化學(xué)和物理特性如何影響水流過(guò)土壤，移除污染物、改變微生物群落和減少溫室氣體排放。他們希望生物炭能幫助全世界的農(nóng)民，尤其是那些生活在非洲和其他發(fā)展中國(guó)家的人，克服貧瘠土壤帶來(lái)的難題。

紐約州康奈爾大學(xué)農(nóng)業(yè)和土壤科學(xué)家Johannes Lehmann表示，不同類型的生物炭“有著獨(dú)一無(wú)二的潛能，可以減緩影響作物產(chǎn)量的土壤健康最大限制條件，例如高度風(fēng)化和沙質(zhì)土壤”。

但生物炭仍然存在許多問(wèn)題。在許多研究中，這種物質(zhì)實(shí)際上會(huì)減少產(chǎn)量。另外，部分困難集中在生物炭能以不同的溫度和速度利用所有生物質(zhì)制成，因此，在整個(gè)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生各種變量和結(jié)果。

古老源頭

盡管直到目前才吸引了農(nóng)民的注意，但生物炭有著古老的淵源。數(shù)十萬(wàn)年前，亞馬遜流域的居民就已經(jīng)通過(guò)加熱有機(jī)物制造肥沃的土壤——亞馬遜黑土。但當(dāng)歐洲國(guó)家開(kāi)始入侵南美洲時(shí)，這種實(shí)踐活動(dòng)開(kāi)始被遺棄，而且其他地區(qū)很少有農(nóng)民常規(guī)使用生物炭。

大約10年前，科學(xué)家首先對(duì)這種物質(zhì)產(chǎn)生濃厚的興趣，隨著對(duì)全球變暖擔(dān)憂的加劇，作為將大量碳封存到地下的一種方法，一些人開(kāi)始兜售生物炭。但隨著這種用途的淡出，土壤學(xué)家現(xiàn)在開(kāi)始探索將生物炭用于農(nóng)業(yè)和消除污染。

其中一個(gè)特殊關(guān)注點(diǎn)是，生物炭如何影響水在土壤中的流動(dòng)?？屏_拉多大學(xué)生物地球化學(xué)家Rebecca Barnes及其同事將生物炭添加到不同物質(zhì)中，測(cè)試了產(chǎn)生的結(jié)果。在沙子中，水能夠非?？焖俚嘏懦?，生物炭能平均減緩水分流動(dòng)92%。在保水功能好的富含黏土的土壤里，生物炭能加速水分流動(dòng)超過(guò)300%。研究人員表示，生物炭會(huì)改變水在孔隙空間（土壤顆粒間的空隙）內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

“黏土更多為扁平的顆粒，而沙土顆粒更加圓滑，但生物炭是沒(méi)有定型的，因此，不止在生物炭?jī)?nèi)會(huì)產(chǎn)生奇妙的路徑，在孔隙空間中也會(huì)產(chǎn)生特殊通路。”Barnes說(shuō)。她和同事指出，這些復(fù)雜的通路會(huì)幫助降低沙土的排水能力，并提高水流過(guò)黏土的速度。

Barnes表示，這非常有意義，因?yàn)榧幢沭ね聊軌虮Ａ舸罅克?，這些水分也很難通過(guò)土壤顆粒到達(dá)植物根系。許多研究顯示，與普通土壤和添加了混合肥料的土壤相比，植物在添加了生物炭的土壤中生長(zhǎng)地更好。

研究人員還梳理了生物炭如何影響土壤中的微生物活性。例如，細(xì)菌通常能形成一個(gè)群落，許多病原菌只有當(dāng)有足夠數(shù)量克服宿主的免疫反應(yīng)時(shí)，才會(huì)攻擊植物根系。得克薩斯州萊斯大學(xué)地球生物化學(xué)家Caroline Masiello及其合作者發(fā)現(xiàn)，生物炭能通過(guò)捆綁信號(hào)分子抑制這種情況。

“它們會(huì)認(rèn)為自己是孤立的，因?yàn)槲覀儼选娫捑€切斷了?！盡asiello說(shuō)。她表示，進(jìn)一步研究有可能調(diào)整生物炭的這種功能，以降低植物感染。

污染“斗士”

生物炭可能開(kāi)始于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但研究人員目前正在尋找其他應(yīng)用。生物炭能夠束縛土壤中的重金屬，以避免它們進(jìn)入植物和水源。這也引起了美國(guó)環(huán)境保護(hù)局等機(jī)構(gòu)的關(guān)注。在科羅拉多州阿斯彭附近的希望礦山，人們?cè)?010年向土壤中添加了生物炭，以中和數(shù)十年來(lái)礦渣產(chǎn)生的影響，并增加斜坡的保水量，從而減少污水溢流的數(shù)量。阿斯彭環(huán)境中心研究顯示，它還有助于促進(jìn)貧瘠山坡上的作物生長(zhǎng)。

生物炭還在清理污水方面顯示出希望，或許可以充當(dāng)活性炭的廉價(jià)替代品，后者通常被用于污水處理廠和被有毒化學(xué)物質(zhì)污染的地區(qū)。密西西比州立大學(xué)退休化學(xué)家Charles Pittman表示，生物炭有相對(duì)較大的表面積，在水中甚至能延展更多，這就為污染物束縛提供了更多空間。他提到，那些缺乏全面水處理系統(tǒng)的國(guó)家或尤其能從這種污染修復(fù)方法中獲益。它還有助于幫助移除傳統(tǒng)水處理系統(tǒng)難以消除的抗生素和化學(xué)廢物。

科學(xué)家甚至開(kāi)發(fā)利用生物炭用于處理石油和天然氣鉆井液體以及作為印刷增色劑和油漆產(chǎn)品成分的潛能。“還有其他的市場(chǎng)沒(méi)有完全被開(kāi)發(fā)出來(lái)。”農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所土壤學(xué)家Kurt Spokas說(shuō)。

但專家警告稱，目前尚不清楚這種處理技術(shù)是否經(jīng)濟(jì)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域尤為如此。土壤貧瘠和貧困通常相伴而生。在展示了肯尼亞作物增產(chǎn)后，加州大學(xué)伯克利分校的Andrew Crane-Droesch考察了生物炭在相同社區(qū)的經(jīng)濟(jì)可行性?！伴_(kāi)出大致價(jià)格后，我們發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有人愿意購(gòu)買生物炭?！彼f(shuō)。

生物炭的價(jià)格變化范圍十分廣泛，但在美國(guó)，一些產(chǎn)品售價(jià)每千克3美元，能與某些肥料相媲美，并高過(guò)許多混合肥料的價(jià)格。就大范圍而言，只有當(dāng)生物燃料制品有用武之地時(shí)，生物炭產(chǎn)品才具有經(jīng)濟(jì)意義。

但如果需求不斷上漲，人們可能會(huì)質(zhì)疑生物炭生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境影響。一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)是原料的選擇。中國(guó)傾向于使用農(nóng)業(yè)廢棄物，而美國(guó)一些研究人員甚至力推動(dòng)物雜肥，但這些都不是大規(guī)模生產(chǎn)生物炭的最有效方法。而且使用木材將刺激森林砍伐和妨礙土地使用?！坝幸粋€(gè)非常重要的問(wèn)題：原料的可持續(xù)性是什么？”英國(guó)牛津大學(xué)印度可持續(xù)發(fā)展中心研究主任Alfred Gathorne-Hardy說(shuō)。

迅速發(fā)展的行業(yè)

“生物炭原料可持性是什么？”的討論可能會(huì)隨著消費(fèi)者的興趣增長(zhǎng)，這在世界各地正緩慢地發(fā)生。瑞典斯德哥爾摩林木規(guī)劃和保護(hù)的一位負(fù)責(zé)人表示，自2009年以來(lái)，這座城市一直在使用生物炭推動(dòng)當(dāng)?shù)刂脖坏纳L(zhǎng)，他相信這促進(jìn)了該市最健康樹(shù)木的生長(zhǎng)。2014年9月，紐約彭博慈善基金會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)斯德哥爾摩100萬(wàn)歐元啟動(dòng)一項(xiàng)城市項(xiàng)目，將住宅花園廢棄物，甚至食物殘?jiān)拖滤牢畚镛D(zhuǎn)化為生物炭。

回到布魯克林區(qū)，F(xiàn)lanner繼續(xù)照顧著自己的作物。萵苣和胡蘿卜在雨中站立著，他穿著黃色雨衣小心地走在田間。他認(rèn)為，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，生物炭將對(duì)土壤有好處，因?yàn)樗鼈冇兄诒３譅I(yíng)養(yǎng)鹽和水分。“這些都非常重要，尤其是在綠色屋頂這樣排水良好的土壤中。這些通常很快就會(huì)失去?！彼f(shuō)。

但在將更多這種黑色顆粒添加到他的農(nóng)場(chǎng)中之前，他還需要在未來(lái)幾年觀察作物對(duì)其的反應(yīng)情況。就像研究生物炭的科學(xué)家一樣，他渴望了解這種物質(zhì)將實(shí)現(xiàn)光明的許諾，還是像其他許多可能的材料那樣最終黯然失色。