【文章】生物質炭與土壤可持續管理:從土壤問題到生物質產業

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樓主 2020-04-29 16:36:50
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前言

南美洲古老農業文明孕育的暗色肥沃土壤引發了全球生物質炭研究熱潮。將農業生產過程中產生的有機廢棄物經過低溫熱裂解技術轉化為生物質炭并施用于農田土壤中,是一種新的土壤可持續管理途徑,且服務于生物質廢棄物治理與生態農業。我國生物質炭工業化生產技術及炭基肥制備與施用技術已經形成,土壤增碳與農業增產、減肥、增效潛力顯著。大規模生物質炭工業化生產的推廣催生了一個新興的科技領域——生物質科技與工程。該科技服務于中國巨大的生物質廢棄物治理和土壤改良、化肥減量及綠色農業等需求,這一學科領域尚待系統整合和提升。

文章提出,研究生物質炭的有機質組分、結構、性質與功能的表征與有機質-礦物-微生物相互作用的基礎研究是未來土壤可持續管理中的重要研究方向。這些問題將揭示生物質炭對于農業生命的系統健康及綠色農業的巨大價值,也進一步彰顯了土壤學服務于中國農業可持續管理與生物質產業融合的巨大價值。


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生物質炭與土壤管理的緣起:自然與傳統

20 世紀末期,歐美科學家在巴西等地研究人類古老農業文明時發現,在亞馬遜腹地的一些高地存在著一種暗色、富含有機質的肥沃土壤,當地人稱這種土壤為“Terra Preta”。最初,科學家認為這種土壤屬于暗色黏性土(彼時的“暗色黏性土”即后來的“變性土”,是國際土壤學的熱點)。但進一步研究發現,該土壤具有深厚的、富含穩定有機質的暗色層,其 pH 值、陽離子交換量(CEC)以及鈣(Ca)和鎂(Mg)含量又區別于老成土。這種肥沃土壤引起了國際土壤學界的極大興趣。Terra Preta 的形成與當地土著居民長期以來的一種“火耕”(Slash and Burn)習慣有關,即每開墾一處新地后就會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力的根本原因。這種土壤的主要特征是富含豐富的有機質,且有機質與土壤礦物結合形成穩定團聚體并長期保存在土壤中,從根本上改善了強酸性貧瘠老成土的肥力水平。這是最早的生物質炭改善土壤、增進肥力的土壤學研究。隨后美國康奈爾大學 Johannes Lehmann 博士分別于2007 和2016年撰文,呼吁人類利用炭化技術來改善土壤,以增加土壤有機質、減緩氣候變化和提高農業生產力。該技術的核心內容是將陸地生態中的有機物質轉化成生物質炭(bio)后再歸還到土壤中。2008年以后,許多研究陸續證實生物質炭可顯著改善土壤肥力水平,且生物質炭化生成的有機質在土壤中的更新周期長達數百至千年,低于農業土壤有機質數倍。因此,與減緩全球氣候變化相呼應,利用生物質炭增加土壤有機質碳庫作為減緩氣候變化的農業途徑引起了科學界廣泛關注,全球生物質炭固碳增匯的潛力不斷刷新。


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廢棄物炭化與生物質炭生產:生物質科技與工程的萌生

繼在南美洲亞馬遜河流域發現 Terra Preta 之后,科學家在歐洲、澳大利亞等地區也發現了類似 TerraPreta 的暗色肥沃土壤。科學家們深信,人類能夠通過向土壤中添加炭化的有機質來維持和提升土壤肥力。在南美洲和亞洲一些國家的山區,至今還保留著原始的土坑制炭還田的傳統。在一些發達國家,農業生產方式發生很大轉變,傳統的勞動密集型土坑制炭的方法并不能滿足現代農業的需求,而快速的、工業化的生物質炭制備工藝成為滿足大規模生物質炭還田的技術需求。最初,許多國家參考木炭的制備工藝,利用低溫熱裂解工藝生產生物質炭,炭化的原料和方式隨即成為炭化技術和工程發展的重要方面。生產生物質炭的原料從最初的林木廢棄物擴展到農作物秸稈,又到農業加工過程中產生的稻殼、椰殼,再到城市污水處理過程中產生的污泥,最后到生活垃圾和餐廚廢棄物。炭化工藝從最初的土坑、土窯到連續式工業窯,從立式炭化爐到臥式回轉窯,從炭化機單體到全程控制的炭化系統。炭化技術的發展,一方面從有機質來源角度處理了生物質源廢棄物,屬于環境工程領域;另一方面,生產制備的生物質炭用于農業土壤施用,可以改善土壤、增加土壤固碳,服務于減緩氣候變化。因為來源都是生物質廢棄物,工藝核心都是限氧熱裂解,產物核心是黑色固體炭質有機物(圖 1),這樣的物質被概稱為生物質炭。目前,生物質炭化技術已經形成一個介于環境工程、環境管理、土壤管理、氣候變化應對的跨學科領域的生物質炭科技與工程。




生物質炭科技源于歐美,在西方國家得到了廣泛的關注和普及。澳大利亞新南威爾士州的 Stephen Joseph 博士,最早系統地總結生物質炭的制備工藝與技術,并率先在美國注冊了生物質炭公司,在一些場合他被稱為“世界生物質炭科技之父”。鑒于其在全球推廣生物質炭工程方面作出的貢獻,Stephen Joseph 博士獲得 2017年澳大利亞國家榮譽勛章(The Order of Australia)。2009 年,Stephen Joseph 與 Johannes Lehmann 合著的《生物質炭科技與環境管理》(Bio Science andTechnology for Environment Management)一書出版。這本書被人稱為“生物質炭圣經”,并于2015年再版。

生物炭農業應用研究的興起和一些生物質炭機構的涌現再一次推動了生物質炭科技的發展。2008年,由 Stephen Joseph 與 Johannes Lehmann 等人發起,并在美國注冊成立了國際生物質炭協會(InternationalBio Initiative,IBI)。成立伊始,國際生物質炭協會就通過聯合國防治沙漠化公約組織(UNCCD)和聯合國控制氣候變化框架公約組織(UNFCCC)向聯合國提交了生物質炭固沙和固碳減排的全球行動動議。國際生物質炭協會成立后,美國本國的生物質炭科技交流網絡(USBI)也相繼注冊成立(其理事長還是IBI董事局現任主席)。在美國,有些州也成立了自己的生物質炭協會,而賓夕法尼亞州和科羅拉多州還相繼注冊成立了生物質炭系統工程公司(BioEngineering System)和生態生物質炭公司(Ecoengineering)。美國這兩家公司圍繞林木和污泥廢棄物炭化開發出大規模的固定的炭化系統和可移動的炭化系統,在2010年前后居于全球領先。其產品已經廣泛應用于園藝生產中。歐盟于2011年啟動全歐生物質炭計劃,從科學問題、技術分析和應用前景方面開展泛歐國家的交流和合作。英國愛丁堡大學在2010年已經開發出可以連續運行數月的自動控制連續炭化系統中試生產線,但至今沒有產業化的工程設備面世。然而,歐盟國家的生物質炭科技主要停留在基礎和前期預備性研究中,有些國家(如英國)尚未通過法案允許生物質炭在農業土壤中商業化應用。


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生物質炭與土壤可持續管理:效應與行動

4.1 生物質炭效應


隨著生物質炭化技術和工程的發展,人為控制條件下將廢棄物轉化生成的生物質炭被廣泛用于農業和環境試驗研究。研究內容包括,利用生物質改善土壤肥力,提高作物產量,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污染物等。十年間積累了大量的觀測數據,使得利用整合分析方法評估生物質炭的土壤-生態系統效應成為可能。盡管生物質炭的性質和效應隨生物質來源及炭化條件存在差異,但其對許多土壤生物地球化學過程的影響是顯著的。這些影響包括改善土壤結構(圖2),提高團聚體穩定性,提高土壤水容量,促進微生物生長,并最終提高土壤的生產力(10%)。在提高作物產量的同時,生物質炭還能夠快速提高土壤有機碳含量,降低N2O排放量和污染土壤重金屬生物有效性。土壤改良與提質效應,特別是固碳減排仍然是當前的突出需求。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,增加了土壤有機質碳庫,還大幅度改善了土壤的物理性質,促進了生物生長和活性,提升了肥力且降低了環境污染風險,是土壤可持續管理的重要途徑。

4.2 全球生物質炭與土壤可持續管理全球行動


2015年,科學家和社會活動家在Nature撰文呼吁全球農業引入生物質炭土壤改良提升機制,鼓勵發展廢棄物生物質炭促進土壤固碳和農業生產力提高。近年來科學家們也將生物質炭施加土壤的實踐列入減緩氣候變化的可行技術途徑。聯合國全球環境基金(GEF)于2015 啟動了生物質炭與全球土壤可持續管理(示范)項目,資助在亞洲、非洲和南美洲等地區的6個國家開展農民參與的生物質炭土壤改良與肥力提升實踐。亞洲開發銀行也設立種子項目支持在尼泊爾等亞洲欠發達國家山區的農民進行農業廢棄物炭化和生物質炭土壤改良項目,幫助保持和提升土壤肥力,增進農業生產效益。這些項目也帶動了非洲一些國家發展生物質炭科技和農業應用的熱情,法國 Pro-Natura 等一些國際組織將生物質炭改良土壤和施肥作為脫貧的主要解決方案,還建立了生物質炭試驗示范和培訓基地,并成立了泛非洲生物質炭研究中心和生物質炭協會以推廣其生物質炭科技與應用。生物質炭通過土壤改良與肥力提升而幫助欠發達地區土壤保持和農業增產增效已經被廣泛接受,越來越受到國際基金組織的關注。作為扶貧減困助農富農的小計劃,一些金融機構也越來越樂于支持這樣的環保、自然和農業多贏項目。全球土壤可持續管理的生物質炭應用助推了生物質炭科技及產業的發展。


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中國生物質炭科技:現狀與需求


5.1 廢棄物治理與農業的雙重壓力


隨著我國城鎮化推進和工業快速發展,農村種植業與養殖業日益分離,農民耕地管理投入日益弱化。農業生產過程中產生的廢棄物脫離了生物質的自然循環過程,導致土壤有機質庫不斷損耗而肥力消減,同時大量生物質廢棄物成為農業環境的污染源和溫室氣體的排放源。我國農業面臨耕地土壤酸化、板結、失墑,以及化肥、農藥大量使用等問題,農藥和抗生素殘留流失于環境。秸稈等農業廢棄物未得到有效利用,大量直接焚燒加劇了大氣污染。在國家綠色發展戰略框架下,土壤的可持續管理與廢棄物資源化循環成為相輔相成的農業可持續發展的出路。因此,中國比世界上任何一個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炭科技與工程。


5.2 從廢棄物治理走向生物質產業


對生物質炭的深入研究催生了生物質廢棄物炭化與生物質炭農業應用的有機結合,初步形成了以熱裂解為基礎的生物質工程與產業。2017年4月,農業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,秸稈工業化生產與炭基肥生態農業技術通過鑒定,被環保企業作為產業技術轉化而商業化推廣。2017年11月底,國家能源局和環保部發布通知,明確支持生物質炭化和炭基肥生產作為煤電生物質能源耦合聯產的新模式。秸稈年處理量1.5萬噸,生物質炭年產5000 噸,生物質炭基肥年產2萬噸的生產系統已經投入運行并快速商業化推廣(圖 3)。這一套生產系統與多種形式的秸稈收儲運系統結合后可以形成秸稈年處理量1000萬噸,生產生物質炭 350萬噸,炭基肥1200多萬噸的新型生物質炭基產業,其產值將達到300—400億元。這一套集廢棄物處理、能源利用與肥料生產為一體的系統形成了一個巨大產業集群,將成為農業源實體經濟的新增長點,也提出了科技、工程、管理和金融融合服務的新需求。

5.3 生物質科技與工程學科發展支撐土壤提升及綠色農業


生物質熱裂解產業一方面服務于土壤肥力提升和生態農業建設,另一方面為我國生物質炭科技與工程提供了極好的發展機遇。這個學科涉及土壤改良、污染治理、肥料創新和新能源開發等多個生產和經濟領域。從產業發展來說,生物質科技與工程將服務于從原料、產品、規模和模式優化熱裂解系統及產品創新。同時,設備、產品和模式的系列化、區域化、標準化,需求生物質科技與工程提供全鏈式產業支持與服務。生物質科技和工程業也展現了土壤改良及可持續管理的廣闊發展空間。不同成因低產土壤改良、生產力恢復與提升的普適性生物質炭產品及施用技術,不同農區作物或生產模式的土壤改良-作物施肥雙效炭基肥設計與新施肥模式,重金屬污染農田治理、鹽堿土改良與快速利用、礦山廢棄土地的快速恢復與肥力重構等都是針對生物質炭可持續土壤改良與管理的服務需求和技術發展方向。


5.4 生物質炭土壤可持續改良的基礎研究工作亟待發展


生物質炭的土壤過程及其生態系統效應的整合研究與機理認識一直是近10 年國際土壤學界的研究熱點。以往國際上的基礎研究偏重于對土壤原有有機碳穩定與否的考量,例如曾經十分紛繁的激發效應與土壤碳更新加快的爭議。越來越多的田間試驗已經證明了生物質炭促進了土壤有機質的保持和降低非CO2溫室氣體排放的巨大作用。相反,生物質炭在農田增碳、促氮、鈍化、增產、優質的多效應偶聯特征及其調節,其持效性及其影響因素都認識不足。其關鍵問題在于對生物質炭-土壤-植物-生物的相互作用的深入剖析。田間試驗中經常觀察到植物健康與系統的穩定性,而生物質炭如何賦予了土壤-植物系統的抗性(System Acquainted Resistance,SAR,或稱“系統穩定性”),其形成機制和不同土壤-植物系統的表現特征,已成為生物質炭土壤可持續管理和生態農業的前沿科學問題。


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結語

從生物質炭改良土壤提升肥力的農業文明實踐出發,以有機廢棄物炭化還田為核心的生物質科技與工程性學科領域已經顯現光明前景。這一新領域不僅解決農業生物質廢棄物處置問題,而且直接服務于快速提升土壤肥力、促進農業固碳減排,以促進土壤可持續管理。隨著我國生物質產業的快速推進,工程技術和基礎研究的融合發展勢在必行。以生物質炭熱裂解為核心的生物質科技與工程將成為新的學科領域,同時也需要整合已有的科學技術和資金投入。建議著力加強對生物質炭-土壤-植物-生物相互作用的基礎研究,解決生物質炭生態農業的系統健康和可持續性的前沿科學問題。

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來源:中國科學院院刊

編輯:滕飛達

注:內容版權歸原創作者所有。僅供參考與交流,如有侵權請留言后臺處理。轉載請注明來源出處及作者。

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