生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)應用與碳中和

劉曉雨 潘根興

生物質(zhì)炭是作物秸稈、果木修剪枝條、農(nóng)產(chǎn)品下腳料、動物糞便等各種來源的廢棄生物質(zhì)在厭氧環(huán)境下發(fā)生熱解反應生成的黑色固體。早在2006年，科學家提出將生物質(zhì)炭施于土壤，以提高土壤肥力。這一思想源于亞馬孫河流域黑色肥沃土壤的發(fā)現(xiàn)。南美洲的亞馬孫河流域是世界上最大的熱帶雨林區(qū)，因高溫多雨，該地區(qū)土壤有機質(zhì)分解快，導致土壤快速退化而貧瘠。但就是在這樣一個土地廣泛貧瘠的地區(qū)，零星分布著非常肥沃的土壤，當?shù)厝朔Q這種土壤為Terra Preta?？茖W家研究發(fā)現(xiàn)，這種肥沃土壤的特征是存在大量的黑色炭顆粒[1]。土壤中的黑色炭顆粒是2500多年以前當?shù)卦∶駥⒅脖婚_墾后的林木廢棄物土法炭化后混入土壤中的。21世紀以來，全球掀起了對這種人為黑色肥沃土壤的研究熱潮，也拉開了農(nóng)業(yè)生物質(zhì)炭研究的序幕。2009年，《生物質(zhì)炭與環(huán)境管理：科學與技術(shù)》一書首次問世?？茖W家們總結(jié)了生物質(zhì)炭制備方法、性質(zhì)、功能及土壤和環(huán)境應用效果等，并描繪出了生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)的美好藍圖[2]。

我國農(nóng)業(yè)面臨土壤肥力低、化肥農(nóng)藥施用量大、土地退化普遍，以及農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用難等問題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和充滿挑戰(zhàn)。我們提出了基于作物秸稈熱裂解的生物質(zhì)炭科技與工程構(gòu)想，作為我國農(nóng)業(yè)實現(xiàn)綠色和可持續(xù)發(fā)展的新途徑[3]。2017年，秸稈炭化還田被列入國家十大秸稈處理模式之一。2020—2021連續(xù)兩年，秸稈炭化還田入圍農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重大引領性技術(shù)榜單。十多年的實踐證明，生物質(zhì)炭化還田是實現(xiàn)土壤改良、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收、食物優(yōu)質(zhì)與環(huán)境友好的綠色農(nóng)業(yè)科技，能夠服務于國家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。至此，生物質(zhì)炭基農(nóng)業(yè)進入了全球視野。

區(qū)別于生活和環(huán)境用途的木炭和活性炭，農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭最顯著的功能是施用于土壤，提升耕地質(zhì)量。生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)應用經(jīng)歷了直接施用和炭基肥施用兩個重要階段。

將生物質(zhì)炭直接施用到農(nóng)田土壤中，可顯著改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度、降低容重、增強保水性能等，進而提高土壤肥力水平和作物產(chǎn)量[4]。但對生產(chǎn)者來說，經(jīng)濟效益是生物質(zhì)炭應用的關鍵，價格因素是限制生物質(zhì)炭大范圍推廣應用的主要原因。因技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模所限，當前生物質(zhì)炭價格普遍在2000～3000元/噸。如果每畝糧食生產(chǎn)施用1噸生物質(zhì)炭，數(shù)千元的成本讓農(nóng)民難以接受。目前，直接施用生物質(zhì)炭僅限于經(jīng)濟作物（例如人參、三七等中藥材和大蒜、山藥等）生產(chǎn)中。因此，只有降低施用成本，才能發(fā)揮生物質(zhì)炭的土壤改良與固碳效益。

生物質(zhì)炭基肥是將生物質(zhì)炭與氮、磷、鉀等化學肥料按照一定比例混合后造粒制成，可以替代化肥施用，同時增施了有機質(zhì)。生物質(zhì)炭基肥的施用量等同于化肥，施用成本與普通復合肥相當，對消費者來說有很強的競爭力。2017—2018年期間，我們在北方糧食主產(chǎn)區(qū)進行了生物質(zhì)炭基肥肥效的田間示范試驗，共有150個試驗點，包括玉米、水稻、小麥、大豆等15種作物。結(jié)果顯示，與普通復合肥相比，生物質(zhì)炭基肥施用下，各種作物的增產(chǎn)幅度為0.5%～33.3%，其中小麥增產(chǎn)最高（平均10.8%），其次是水稻（9.8%），大豆和玉米分別增產(chǎn)6.8%和5.3%。2017年，生物質(zhì)炭基肥農(nóng)業(yè)部行業(yè)標準出臺。盡管科學試驗已經(jīng)證實生物質(zhì)炭基肥有較好的增產(chǎn)增效減肥減排效果，但作為一種新型肥料，生物質(zhì)炭基肥全面替代化肥尚需要解決市場機制問題。

我國農(nóng)田肥力水平差異大，中、低產(chǎn)田比例較高?！?019年全國耕地質(zhì)量等級情況公報》顯示，我國耕地高、中、低產(chǎn)田比例分別為31.24%、46.81%和21.95%。能否結(jié)合當前我國農(nóng)田地力提升計劃，利用生物質(zhì)炭土壤施用快速增加有機質(zhì)、改善土壤質(zhì)量、提升土壤健康并減少秸稈還田和化肥施用帶來的碳排放問題？結(jié)合在江蘇省省級生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)示范村——南京市芝山合作社經(jīng)驗，我們提出了生物質(zhì)炭多樣化利用途徑，簡稱為“一炭三肥”炭基生態(tài)途徑。

“一炭三肥”炭基生態(tài)途徑以低溫熱解技術(shù)為基礎，炭化利用多種農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)資源，形成了集農(nóng)業(yè)廢棄物處理、生物質(zhì)能源利用與土壤改良和環(huán)境治理的多元化利用途徑，主要產(chǎn)品包括生物質(zhì)炭（基礎產(chǎn)品）、土壤改良劑（炭基有機肥）、炭基復混（摻混）肥、液體復合肥4個產(chǎn)品。林木類生物質(zhì)炭pH高、孔隙發(fā)達，可直接用于重金屬污染農(nóng)田治理。秸稈類和城市污泥生物質(zhì)炭養(yǎng)分含量高，可以和化學肥料結(jié)合制備成生物質(zhì)炭基肥，部分替代化學肥料用于主要糧食作物生產(chǎn)。林木類、果殼類生物質(zhì)炭與畜禽糞污混合堆肥，通過接種有益微生物，制備土壤調(diào)理劑，用于鹽堿土、連作障礙土壤治理和中低產(chǎn)田土壤快速改良。其中，生物質(zhì)炭為土壤結(jié)構(gòu)重建提供有機質(zhì)支撐，畜禽糞污為土壤微生物和植物生長提供養(yǎng)分資源。炭化過程中產(chǎn)生的木醋液和生物質(zhì)炭浸提液用于生產(chǎn)商品液體有機肥，一方面為植物生長提供養(yǎng)分，另一方面可作為植物促生劑提高植物抗逆性。浸提后的生物質(zhì)炭保留了良好的孔隙結(jié)構(gòu)和表面活性，可用于重金屬污染土壤治理。炭化過程中產(chǎn)生的可燃氣體可直接為生物質(zhì)炭基肥制造、生物質(zhì)炭原料烘干提供能源。

土壤健康是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基石。健康的土壤擁有持續(xù)生產(chǎn)力，能夠維持空氣和水環(huán)境質(zhì)量，并促進植物、動物和人類健康。中華五千年農(nóng)耕文明孕育出了諸如秸稈養(yǎng)畜—畜糞肥田—土地生產(chǎn)的閉合循環(huán)農(nóng)業(yè)管理模式，在這種模式下土壤地力得以持續(xù)。隨著化肥工業(yè)興起和我國城鎮(zhèn)化快速推進，這一閉合循環(huán)模式被打破：化肥逐漸取代有機肥，規(guī)?；B(yǎng)殖取代分散式養(yǎng)殖，導致秸稈不再養(yǎng)畜和薪用，畜禽糞污產(chǎn)生集中、農(nóng)牧脫節(jié)、種養(yǎng)分離，秸稈和糞污回田之路被阻斷。秸稈和畜禽糞便變成了污染物，嚴重影響了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。由于有機質(zhì)得不到有效補充，土壤面臨板結(jié)、結(jié)構(gòu)變差、鹽堿化等退化問題。設施農(nóng)業(yè)中，大水大肥和高強度的土地利用模式，進一步加劇了連作障礙、土壤微生物菌群失衡等問題，土壤健康狀況令人擔憂。盡管各級政府一直引導和推動秸稈與畜禽糞污的回田利用，但收效甚微，農(nóng)業(yè)廢棄物利用難和土壤退化的問題并沒有從根本上解決。

生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，進入土壤后與土壤礦物顆粒結(jié)合而促進土壤團聚體形成，有效改善土壤結(jié)構(gòu)[5]，大大促進植物根系生長及其養(yǎng)分、水分吸收，既增強抗倒伏能力，又提高植物抗旱、抗鹽等抗逆性[6]。一些研究發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭后，植株抗病能力顯著提升，如水稻穗頸瘟和稻曲病感染率降低。生物質(zhì)炭還能通過提高土壤微生物多樣性降低煙草青枯病發(fā)病率。在長期種植人參的土壤中施用生物質(zhì)炭，可顯著抑制由連作障礙引起的根腐病的發(fā)生，人參產(chǎn)量增加27%，主要品質(zhì)指標皂苷含量提高86%。施用生物質(zhì)炭后葉菜類蔬菜體內(nèi)硝酸鹽含量大幅降低。在重金屬污染土壤中，施用生物質(zhì)炭雖然無法將有毒元素從土壤中去除，但是可大幅度降低污染物的溶解性和植物可利用性，進一步抑制有害金屬元素向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而降低重金屬在可食部分中的含量[7]。許多研究還發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭能夠降低農(nóng)藥在土壤中的殘留量，進一步提升土壤健康水平。因此，生物質(zhì)炭農(nóng)田施用是優(yōu)質(zhì)健康生產(chǎn)的綠色技術(shù)。

在氣候變化的大背景下，農(nóng)田固碳（增加土壤有機質(zhì)）減排（來自有機質(zhì)分解產(chǎn)生的甲烷和化肥施用產(chǎn)生的氧化亞氮）是農(nóng)業(yè)實現(xiàn)碳中和的核心目標和技術(shù)途徑?？茖W家比較了多種減排技術(shù)，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭土壤施用固碳減排潛力極為顯著。和碳固定與碳封存、生物能源利用、土壤固碳等當前較為流行的技術(shù)相比，生物質(zhì)炭化還田環(huán)境代價小、成本低，且經(jīng)濟可行[8]。生物質(zhì)炭化還田在固碳和溫室氣體減排方面作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，廢棄物生物質(zhì)炭化利用過程將一大部分綠色植物光合產(chǎn)物碳以生物質(zhì)炭的形式固定下來，與直接燃燒或還田相比，有機碳的周轉(zhuǎn)時間大幅度延長，將大氣二氧化碳更長時間地封存于土壤。有研究表明，生物質(zhì)炭穩(wěn)定性強，在土壤中至少存留幾百年。其次，生物質(zhì)炭化過程還回收利用了有機質(zhì)中大部分的養(yǎng)分資源和一部分能量，既節(jié)約了能源，又減少了化學肥料施用，進而減少了化學肥料生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放。第三，生物質(zhì)炭施用后還能減少農(nóng)田溫室氣體直接排放。對多個田間試驗的數(shù)據(jù)整合分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用后農(nóng)田氧化亞氮和稻田甲烷排放分別降低13.6%和15.2%[9]，每生產(chǎn)1千克谷物溫室氣體排放量減少3.5千克二氧化碳當量。按照2018年全國糧食產(chǎn)量6.58億噸計，生物質(zhì)炭施用當年全國溫室氣體排放可減少23億噸二氧化碳當量。因此，生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)應用的碳中和潛力巨大。我們相信，在國家碳中和戰(zhàn)略指導下，隨著碳交易機制的完善，生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)應用將會有更大的發(fā)展，有希望成為我國農(nóng)業(yè)貢獻國家碳中和目標的重要方面。我們也相信，傳統(tǒng)農(nóng)耕文化與生物質(zhì)炭基綠色科技的深度交叉，有可能開創(chuàng)生物質(zhì)炭基綠色新型農(nóng)耕文明，并傳播到廣大發(fā)展中國家，影響其農(nóng)業(yè)發(fā)展和碳中和實踐。

[1]Glaser B ， Haumaier L ， Guggenberger G， et al. The “Terra Preta”phenomenon： a model for sustainable agriculture in the humid tropics. Naturwissenschaften， 2001， 88： 37-41.

[2]Lehmann J， Joseph S. Biochar for environment management： Science and technology. London： Earth Scan， 2009.

[3]潘根興， 李戀卿， 劉曉雨， 等. 熱裂解生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)化： 秸稈禁燒與綠色農(nóng)業(yè)新途徑. 科技導報， 2015， 33（13）： 92-101.

[4]Farhangi-Abriz S ， Torabian S ， Qin R J， et al. Biochar effects on yield of cereal and legume crops using meta-analysis. Science of the Total Environment， 2021， 775：145869. DOI： 10.1016/ j.scitotenv.2021.145869.

[5]UI Islam， Jiang F H， Guo Z C， et al. Does biochar application improve soil aggregation？ A meta-analysis. Soil and Tillage Research， 2021， 209： 104926. DOI： 10.1016/j.still.2020.104926.

[6]Xiang Y Z， Deng Q， Duan H L， et al. Effect of biochar application on root traits： a meta-analysis. Global Change Biology Bioenergy， 2017， 9： 1563-1572.

[7]Chen D， Liu X Y， Bian R J， et al. Effects of biochar on availability and plant uptake of heavy metals： A meta-analysis. Journal of Environmental Management， 2018， 222： 76-85.

[8]Smith P. Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies. Global Change Biology， 2016， 22： 1315-1324.

[9]劉成， 劉曉雨， 張旭輝， 等.基于整合分析方法評價我國生物質(zhì)炭施用的增產(chǎn)與固碳減排效果.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報， 2019， 38（3）： 696-706.

關鍵詞：生物質(zhì)炭 碳中和 健康農(nóng)業(yè) 固碳減排 ■