促進(jìn)生物炭工業(yè)生產(chǎn)與土地利用 推動(dòng)21世紀(jì)農(nóng)業(yè)“黑色革命”

毛建華+趙伯居

摘 ? ?要：生物炭是由生物質(zhì)廢棄物在缺氧及低氧條件下經(jīng)熱裂解產(chǎn)生的一類難熔的、穩(wěn)定的、高度芳香化的富含碳元素的固態(tài)物質(zhì)。本文論述了生物炭的特性，重點(diǎn)闡述了生物炭對(duì)污染土壤、酸性土壤、鹽堿土壤等障礙性土壤改良修復(fù)的作用機(jī)理，并提出促進(jìn)生物炭工業(yè)化生產(chǎn)和土地利用，是達(dá)到廢棄物資源化利用，固碳節(jié)能減排，應(yīng)對(duì)全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)生態(tài)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最佳途徑。

關(guān)鍵詞：生物炭;土地利用;障礙性土壤改良

中圖分類號(hào)：S141 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.01.001

Facilitating Industrialized Production and Utilization of Biochar， and Promoting 21th Agricultural Revolution： Roles of Biochar in Land Improvement and Restoration

MAO Jianhua1， ZHAO Boju2

（1.Tianjin Institute of Agricultural Resources and Environment，Tianjin 300192，China;2.Hebei Ao-jie New Energy Limited Company， Qing County， Hebei 062650，China）

Abstract： Bochar is a kind of high-melting， stable and highly-aromatized solid substance with high content of carbon，which produced from biologic waste after thermal cracking in a low or deficient oxygen conditions. This paper described the features of biochar， and particularly gave dissertation to the function mechanism of biochar in improvement of polluted soil， acid soil and alkali soil， at the same time brought forward that facilitating industrialized production and utilization in land improvement of biochar was the most preferred way to utilize waste resources， and to save energy and reduce carbon dioxide emission， ?and to cope with the global warming and finally actualize sustainable development of economy and agriculture.

Key words： biochar;utilization in land improvement;improvement of constraint land

1 生物炭的定義與性質(zhì)

2007年在澳大利亞召開的第一屆國(guó)際生物炭會(huì)議上，對(duì)生物炭做出如下定義：生物炭（也稱生物質(zhì)炭、生物質(zhì)焦），指生物質(zhì)固廢（林木采伐剩余物、木材加工廢棄物、作物秸稈、畜禽糞便等）在無(wú)氧或低氧的密閉環(huán)境、溫度<700 ℃條件下，經(jīng)熱裂解而產(chǎn)生的富含碳的產(chǎn)物。

生物炭的碳含量一般在40%～75%。生物炭的碳含量因生物質(zhì)種類和來(lái)源不同而有較大差別。生物炭的碳含量一般是木本植物>草本植物>作物秸稈>畜禽糞便。生物炭的礦質(zhì)養(yǎng)分（灰分）則是畜禽糞便>作物秸稈>草本植物>木本植物。

碳（C）是植物必需的17種營(yíng)養(yǎng)的首位元素，是構(gòu)成碳水化合物（C、H、O）的主要成分。C在植物組織中的含量（干物質(zhì)量）高達(dá)45%。生物炭含有植物必需的大、中、微量營(yíng)養(yǎng)元素，除C的含量較高外，N、P、K、Ca、Mg的含量也較高。由于熱裂解過程中一些營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)被濃縮和富集，故生物炭中P、K、Ca、Mg等元素的含量要高于其制備物料（母體）中的含量。

碳酸鹽是生物炭中堿性物質(zhì)的主要存在形態(tài)，故生物炭的pH值呈堿性。生物炭的pH值、灰分含量和生物穩(wěn)定性，隨熱裂解溫度的升高而提高。

生物炭是含C的聚合物，其表面含有豐富的羥基（-COH）、羧基（-COOH）、羰基（=CO）等含氧官能團(tuán)，賦予生物炭較強(qiáng)的吸附能力和較高的土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）。

隨著生物炭表面在土壤中的氧化和含氧官能團(tuán)的增多，生物炭的親水性逐漸增強(qiáng)，這也使土壤吸水能力提高，并可有效減少土壤水分蒸發(fā)。有研究表明，土壤田間持水量隨生物炭施入量的增加而提高。

生物炭富含碳，可以提高土壤有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量;生物炭還含有一定數(shù)量的礦質(zhì)養(yǎng)分。有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分含量的提高，可以培肥土壤提高地力。生物炭的多孔性和多孔結(jié)構(gòu)使土壤孔隙度增加，容重減小，土壤質(zhì)地和耕性改善。生物炭有增加和穩(wěn)定土壤團(tuán)聚體的作用，進(jìn)而對(duì)土壤物理性狀產(chǎn)生一系列積極作用。生物炭呈黑色，可以增深土壤顏色，增強(qiáng)土壤吸熱能力，提高土壤溫度。生物炭為微生物提供良好棲息環(huán)境，可以改善微生物的結(jié)構(gòu)、功能與多樣性。

生物炭的多孔性、巨大比表面積和較大的陽(yáng)離子交換量（CEC），以及pH值堿性、不易被微生物分解等諸多性狀，使其具有吸附肥料養(yǎng)分，延緩養(yǎng)分釋放，降低養(yǎng)分淋失，提高肥料利用率的功能，以及提高土壤吸水、蓄水和釋放水的功能。

2 生物炭對(duì)障礙性土壤改良與修復(fù)的作用機(jī)理

障礙性土壤包括重金屬污染和有機(jī)污染土壤、酸性和酸化土壤以及鹽漬化土壤。

2.1 生物炭對(duì)污染土壤的修復(fù)功能

生物炭的巨大比表面積（200～400 m2·g-1）和多孔結(jié)構(gòu)，以及表面富含的含氧官能團(tuán)與芳香族化合物的結(jié)構(gòu)特性，決定了生物炭可以通過靜電作用、離子交換作用、擴(kuò)散作用來(lái)吸附有毒物質(zhì)。

2.1.1 生物炭對(duì)有機(jī)污染土壤的修復(fù)功能 生物炭可以吸附有機(jī)污染物并降低其在土壤中的化學(xué)活性與生物毒性。生物炭對(duì)殺蟲劑的吸附能力是土壤的2 000倍。即使土壤中只施加了0.05%的生物炭，也能有效降低有機(jī)污染物的化學(xué)活性和毒性。這是因?yàn)樯锾康亩嗫捉Y(jié)構(gòu)對(duì)污染物起到固定作用;巨大比表面成為污染物的載體;生物炭還能增強(qiáng)土壤微生物的活性和微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解能力。

2.1.2 生物炭對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)功能 重金屬污染土壤修復(fù)的3個(gè)要素是：土壤pH值、堿性、土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高和土壤中重金屬形態(tài)的變化。

生物炭通過提高土壤pH值以降低重金屬離子在土壤中的移動(dòng)性并起到固定作用。生物炭可以提高土壤有機(jī)碳含量，從而提高土壤C/N比和土壤有機(jī)質(zhì)含量。生物炭表面富含的官能團(tuán)對(duì)重金屬元素有較強(qiáng)的富集和配位能力，對(duì)重金屬離子在土壤中的遷移性和固定作用起到重要作用。

生物炭表面和腐殖質(zhì)中的含氧官能團(tuán)能使土壤中的重金屬形態(tài)由交換態(tài)和溶液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}結(jié)合態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，從而起到固化（沉淀）或鈍化作用，以減弱或消除重金屬的化學(xué)活性及對(duì)植物的危害性。

2.2 生物炭對(duì)酸性和酸化土壤的改良作用

酸性土壤是低pH值土壤的總稱，包括紅壤、棕壤、赤紅壤等。酸化土壤是指近年來(lái)一些果園和保護(hù)地的中性和弱堿性土壤，由于其特定的小氣候與連年過量施用N素化肥而引起的土壤pH值逐年下降而造成的土壤酸性障礙。

酸性和酸化土壤的主要障礙因子是H+、A13+、Mn2+的毒害作用，以及由于土壤低pH值使多種微生物的活性受到影響。

生物炭的pH值堿性可以提高酸性土壤和酸化土壤的pH值，尤其是含Ca2+的生物炭。Ca2+可以代換并降低土壤中的H+、A13+和Mn2+，因此，生物炭是比生石灰更有效的土壤酸性中和劑，它既能中和酸性土壤的活性酸，也能中和酸性土壤的潛在酸。

2.3 生物炭對(duì)鹽漬化土壤的改良作用

鹽漬土是受土體中鹽堿成分作用的，包括各種鹽土和堿土以及不同程度鹽化和堿化的各種類型土壤的統(tǒng)稱，也稱鹽堿土。

2.3.1 對(duì)鹽土和鹽化土壤的改良作用 鹽土和鹽化土壤是可溶性鹽在土體中的累積。隨可溶性鹽濃度的增加形成含鹽量輕、中、重不同程度的鹽化土和鹽土。

施生物炭后，土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量提高，土壤有機(jī)物中的各種有機(jī)酸與鈣、鎂、鈉等陽(yáng)離子螯合（絡(luò)合）可形成有機(jī)鹽并產(chǎn)生沉淀?？扇苄詿o(wú)機(jī)鹽轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性有機(jī)鹽，以及有機(jī)鹽的沉淀，使土壤可溶性鹽的濃度降低，從而降低土壤的全鹽含量。

施生物炭（以CaCO3等碳酸鹽為主），也可以使NaCl、Na2CO3等對(duì)作物危害性較強(qiáng)的鈉鹽轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCO3、Ca（HCO3）2和Na2SO4、CaSO4等危害程度較弱的鹽類，從而減輕了對(duì)作物的鹽危害。

2.3.2 對(duì)堿土和堿化土的改良作用 土壤堿化是由于土壤膠體表面吸附了相當(dāng)數(shù)量的代換性鈉離子而導(dǎo)致了土壤理化性質(zhì)的惡化。土壤堿化過程是指鈉離子進(jìn)入土壤吸收性復(fù)合體代換出鈣離子以及代換性鈉離子逐漸累積的過程。

生物炭能顯著提高堿土和堿化土壤的有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量及陽(yáng)離子代換量，尤以鈣、鎂碳酸鹽為主要成分的生物炭，其改良效果更佳，這是由于代換性Ca2+和Mg2+能代換出土壤膠體表面吸附的代換性Na+，使堿土和堿化土壤的理化性質(zhì)得到改良，土壤鈉堿危害得到減弱或消除。

生物炭在提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)，還因其代換性鈣與代換性鎂離子濃度的增加，而使土壤鈉堿危害的各項(xiàng)指標(biāo)值（ESP、RSC、SDR等）均顯著降低。這也充分表明，生物炭對(duì)堿土和堿化土壤具有極佳的綜合改良作用。

3 促進(jìn)生物炭的工業(yè)化生產(chǎn)和土地利用

3.1 生物炭的穩(wěn)定性和固碳減排作用

生物炭由單環(huán)和多環(huán)芳香族化合物組成，這種化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了生物炭比其來(lái)源的母體炭具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性和生物學(xué)穩(wěn)定性，以及具有更強(qiáng)的抵抗微生物分解的能力。在某些條件下，生物炭可以在土壤中穩(wěn)定存在上千年，可以長(zhǎng)期把碳（C）固存在土壤之中。

生物炭的碳損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有機(jī)肥料。有機(jī)肥料施入土壤且在免耕條件下，一般經(jīng)過5～10年，其有機(jī)質(zhì)含量所剩已不足20%，而且這20%的有機(jī)質(zhì)中僅有極少量的有機(jī)質(zhì)被轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。土壤中的腐殖質(zhì)含量很難得到提高。據(jù)英國(guó)洛桑試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位研究，施廄肥150多年的土壤，有機(jī)碳（C）的含量?jī)H提高了一倍。

自然界碳循環(huán)的基本過程是：大氣中的二氧化碳被植物吸收，然后通過生物過程、地質(zhì)過程及人類活動(dòng)，又以二氧化碳的形式返回大氣之中。高等植物把C、H、O合成碳水化合物，人類利用熱裂解技術(shù)把生物質(zhì)固廢轉(zhuǎn)化為生物炭，并把碳回歸和固定于土壤之中。有研究估算，生物炭每年減排溫室氣體的數(shù)量已達(dá)到目前人類溫室氣體排放總量的12%。

生物炭的工業(yè)化生產(chǎn)與生物炭的土地利用，是降低二氧化碳排放和使全球氣候問題得到綜合解決的最佳途徑。

3.2 “奧潔”生物炭的工業(yè)化生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量

目前，全球僅有少數(shù)企業(yè)以生產(chǎn)生物炭為主導(dǎo)產(chǎn)品。河北奧潔新能源有限公司是目前國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的、以地溝油和酸化油以及生物制藥廠和味精廠的廢渣作為原料，通過自主研發(fā)的催化裂解與催化蒸餾耦合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能源（生物柴油、生物汽油）和生物質(zhì)炭的有機(jī)新能源生產(chǎn)的環(huán)保企業(yè)。

“奧潔”生物炭是以食品級(jí)玉米淀粉制取阿維菌素和味精之后的廢渣為原料，在添加堿性催化劑和絕氧、溫度600 ℃條件下進(jìn)行干餾（熱裂解）后的產(chǎn)物，這就保證了其產(chǎn)品—“奧潔”生物炭的優(yōu)質(zhì)、環(huán)保和安全性。

河北澳潔新能源有限公司已建成日產(chǎn)5 t的生物炭生產(chǎn)裝備，已具備了生物炭工業(yè)化生產(chǎn)能力?！皧W潔”生物炭的產(chǎn)品與原料（阿維菌素廢渣）的有機(jī)質(zhì)含量和總養(yǎng)分含量均高于國(guó)家有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)（NY 525—2012），而重金屬含量和衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)則遠(yuǎn)低于有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)的限值，如表1所示。

3.3 生物炭土地利用的必要性、可行性和安全性

生物炭土地利用將對(duì)我國(guó)中低產(chǎn)田的培肥與地力提升，以及各類障礙性土壤的改良與修復(fù)做出重大貢獻(xiàn)。

生物炭有培肥土壤和提高作物產(chǎn)量的作用，一些地區(qū)和一些作物單施生物炭就能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增加產(chǎn)量，特別是在生物炭與有機(jī)肥料或化肥配合施用下效果更佳。

我國(guó)1.2億hm2耕地中有各類障礙性土壤0.7億hm2（其中酸性土壤0.253億hm2，鹽堿土壤0.347億hm2，重金屬污染土壤0.1億hm2），占耕地總面積的58.3%。生物炭具有改良酸性土壤和鹽堿土壤以及修復(fù)重金屬污染與農(nóng)藥等有機(jī)物污染土壤的多重功能，這對(duì)于提高我國(guó)耕地質(zhì)量，保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有重大戰(zhàn)略意義。

生物炭土地利用的安全性可以得到充分保證，首先這是因?yàn)樯锾渴巧镔|(zhì)固廢在無(wú)氧密閉環(huán)境，600～700 ℃高溫條件下裂解后的產(chǎn)物，其病原微生物與蛔蟲卵等都被徹底滅活。二是生物炭及其母體碳均不含重金屬，不會(huì)對(duì)土壤和作物產(chǎn)生危害，而且生物炭施入土壤后對(duì)污染土壤中的重金屬還能產(chǎn)生吸附、鈍化和固定作用，從而進(jìn)一步消減或消除了污染土壤中重金屬的活性與毒性。三是生物炭一般都和有機(jī)肥或化肥配施或混施，因此，生物炭的年施用量以及連續(xù)施用年限等可能會(huì)引起土壤潛在危害的風(fēng)險(xiǎn)更小和可控。

3.4 生物炭與21世紀(jì)農(nóng)業(yè)“黑色革命”

我國(guó)木炭的生產(chǎn)和利用雖有悠久歷史，但生物炭的研究與工業(yè)化生產(chǎn)還是近年來(lái)才開始起步和受到重視的。

目前，急需解決生物炭大批量、低成本生產(chǎn)的制備技術(shù)以及擴(kuò)大生物炭工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模;急需加強(qiáng)產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)盟，攻關(guān)研究生物炭固碳、節(jié)能、減排，障礙性土壤的改良與修復(fù);需在生物炭作為土壤保水劑與肥料緩控釋材料等方面進(jìn)行深入研究和大面積試驗(yàn)、示范、推廣。

聚氯乙烯于1838年發(fā)明（法國(guó)），到1928年美國(guó)開始工業(yè)化生產(chǎn)。1950年以后，美國(guó)、日本將塑料薄膜用于地面覆蓋。我國(guó)在20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行塑料薄膜地膜覆蓋的試驗(yàn)研究，到1981年包括27個(gè)省、市、自治區(qū)的推廣面積已達(dá)1.467萬(wàn)hm2，作物也由蔬菜、瓜果發(fā)展到水稻、玉米等糧食作物，棉花、花生、煙草等經(jīng)濟(jì)作物與果樹、林木、花卉等60多種。

作為現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)技術(shù)，塑料薄膜覆蓋技術(shù)被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用，形成了全球范圍的農(nóng)業(yè)“白色革命”。

生物炭的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)研究以及生物炭工業(yè)化生產(chǎn)和生物炭土地利用，必將促進(jìn)廢棄物資源化利用以及生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必將迎來(lái)繼20世紀(jì)50、60年代開始的塑料薄膜覆蓋栽培的“白色革命”之后的21世紀(jì)農(nóng)業(yè)“黑色革命”。

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