生物炭的性质、功能与应用

生物炭的性质、功能与应用

自20世纪末以来，“生物碳”一词已出现。特别是近年来,在气候变化、环境污染、能源短缺、粮食危机和农业可持续发展等宏观背景下,生物炭的潜在应用价值和应用空间被进一步拓展,相关领域的理论研究与技术开发也已由涓涓细流汇聚成澎湃浪潮,正在朝着理论更深入、技术更完善、目标多元化的方向发展。虽然生物炭固有的理化性质决定了其应用领域众多,但在中国乃至全球多数发展中国家,保障粮食安全,适应低碳、循环、可持续发展需求,仍是生物炭应用研究的首要着力点。在农业纵深领域,围绕生物炭在土壤、作物、环境系统中的作用与其机理等问题,各国研究者进行了诸多探索,初步证实了生物炭在改善土壤结构与理化性质、提高作物产量、治理环境污染以及增加“农业碳汇”、减少温室气体排放等方面具有的重要作用,特别是笔者提出“通过生物炭技术实现农林废弃物炭化还田改土”新理念以后,极大地促进了生物炭在农业领域的应用基础研究与技术开发。但是,也有一些研究报道显示,生物炭改土增产作用不显著、不明确,甚至有负面效应。国际上,更有社会团体发表联合宣言:《生物炭,人类、土地和生态系统的新威胁》,因担心生物炭技术大发展以后,有可能诱发伐木毁林导致生态灾难,因而反对发展生物炭技术的报道。虽然中国的生物炭技术是建立在农林废弃物资源化综合利用基础之上,不会出现毁林取炭等与开发生物炭技术初衷背道而驰的问题,但也确有必要对生物炭农业应用的利弊进行尽可能辩证、全面的评价,因为生物炭的稳定性决定了笔者在实施该技术的过程中必须持谨慎态度。本文在简要回顾国内外生物炭研究进展的基础上,重点评述生物炭在农业上的应用特别是农林废弃物炭化还田对土壤、作物及农田生态系统的影响,结合对中国农业发展的实际需求分析,就生物炭技术及其产业发展中出现的相关问题进行探讨,以期为开展适合中国国情的生物炭研究和技术开发、明确产业化发展方向提供参考。1生物炭的概念与组成生物炭(Biochar)是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解形成的稳定的富碳产物,最早用来描述一种由高粱制备的、用于有害气体吸附的活性炭。近年来,随着粮食安全、环境安全和固碳减排需求的不断发展,生物炭的内涵逐渐与土壤管理、农业可持续发展和碳封存等相联系。2009年Lehmann在其所著的《BiocharforEnvironmentalManagement:ScienceandTechnology》一书中,将生物炭特指为以改良土壤性状为目的人为施入的炭化有机物。同年,《Nature》发表的“TheBrightProspectofBiochar”新闻评论和2010年发表的“SustainableBiochartoMitigateGlobalClimateChange”通讯以及2011年《中国工程科学》发表的“生物炭应用技术研究”等文献,进一步明确了生物炭在粮食安全、环境安全、农业可持续发展及固碳减排中的作用。生物炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成,一般含有60%以上的C元素。含有的其它元素主要有H、O、N、S等。生物炭的元素组成与制炭过程中的炭化温度密切相关,具体表现为在一定范围内,随炭化温度的升高,碳含量增加,氢和氧含量降低,灰分含量亦有所增加。生物炭的可溶性极低,溶沸点极高,具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构。羧基、酚羟基、羟基、脂族双键以及芳香化等典型结构特征,使生物炭具备了极强的吸附能力和抗氧化能力。在制炭过程中,原生物质的细微孔隙结构(图1)被完好地保留在生物炭中,使其具有较大的比表面积。含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、理化性质稳定是生物炭固有的特点,也是生物炭能够还田改土、提高农作物产量、实现碳封存的重要结构基础。2生物碳研究2.1生物炭的降解生物炭固有的结构特征与理化特性,使其施入土壤后对土壤容重、含水量、孔隙度、阳离子交换量、养分含量等产生一定影响,从而直接或间接地影响土壤微生态环境。研究表明,在长期、复杂的土壤环境或地质变迁的作用下,施入土壤中的生物炭可能会发生一定程度的物理迁移或某种途径的分解或降解,并在土壤垂直方向上进行重新分配,但不会发生明显的化学变化。即便在适宜条件下,微生物会使生物炭表面发生一定程度的分解,但分解速度缓慢,而且会因此形成一个保护壳,使表面以下的绝大部分生物炭维持稳定的O/C比,从而继续保持其稳定性。随着时间推移,生物炭最终有可能被矿化,但到目前为止,还没有能够精确测定生物炭在土壤及环境生态系统中运转周期的方法,也还没有直接证据可以证明生物炭的降解途径和机制。可以认为,生物炭在土壤中的稳定性很强,周转过程可能长达数百年或更久,还田后不会因其自身分解而对土壤产生潜在危害。这为生物炭还田后,能持续发挥改土增产作用和固碳减排作用奠定了基础。2.1.1生积极性影响已有研究结果表明,生物炭施入土壤后,可使土壤容重降低9%,总孔隙率由45.7%提高到50.6%。这种多微孔结构也使其对土壤持水能力产生影响,如提高土壤含水量及降水的渗入量等,尤其是提高土壤中可供作物利用的有效水分含量,对作物生长产生积极影响。生物炭的吸湿能力比其它土壤有机质高1—2个数量级,富含生物炭的土壤比无生物炭的土壤田间持水量高18%。一般认为,生物炭对土壤物理结构、土壤紧实度等性状的改良以及对土壤水分的影响与生物炭本身所具有的多孔结构和吸附能力有关。生物炭的持水性能与土壤质地有关,亦受生物炭自身结构与吸湿能力的制约。笔者曾用破碎白浆层掺混生物炭的方法改良黑龙江地区的白浆土,发现施用量为10t·hm-2时,经过一个大豆生长季就可有效降低土壤容重和比重,显著提高土壤持水量,并通过土壤三相比的改善将白浆土塑性调整到理想状态。但施用量超过30t·hm-2时,白浆层反而过于松散,耕性下降(相关结果另文发表)。可见,从改良土壤物理结构角度来看,生物炭还田改土效果显著,但适宜的施用量需要根据具体的土壤类型来决定。2.1.2生物炭对土壤养分含量的影响生物炭不仅对土壤物理性质产生积极作用,也间接地对土壤化学性质产生重要影响。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子,进入土壤以后会有一定程度的释放,交换土壤中的H+和Al3+,从而降低其浓度,提高盐基饱和度并调节土壤pH值。生物炭提高土壤pH的作用随施用量的增加而提高。已有研究结果表明,生物炭配合肥料施用于南方典型老成土后,土壤pH提高了0.1—0.46。同时,生物炭本身含有丰富的官能团,施入土壤后土壤电荷总量增加,阳离子交换量(CEC)提高了20%,最高可比无生物炭土壤增加1.9倍,且随施炭量的增加而提高,但作用程度与土壤类型、制炭原材料以及制炭技术等有关。生物炭的表面氧化能力及其表面阳离子吸附能力可能是提高土壤阳离子交换量的主要原因。虽然生物炭本身可供作物直接吸收的养分含量很少,但在土壤等各种生物或非生物因素的交互作用下,也会缓慢释放一些营养元素,补充土壤养分来源供植物吸收利用。生物炭的多孔结构、较大的比表面积和电荷密度,使其对土壤水分和营养元素的吸持能力增强,从而间接提高了土壤有效养分的含量和生产性能。大量研究证明,生物炭施入土壤后对提高土壤肥力和肥料利用率有重要作用,当施用20t·hm-2以上的生物炭时,大约可减少10%的化肥用量。这是由于生物炭对铵离子有很强的吸附能力,因而降低了土壤中氮素的挥发,减少了养分流失,从而提高了土壤肥力。生物炭对磷酸根离子也具有很强的吸附能力。总体看来,生物炭吸持养分离子、持肥缓释的作用已经得到大量试验证明。可以认为,尽管生物炭对不同种类的离子吸附能力存在差异,但当土壤中存在一定数量的生物炭时,有助于土壤肥力的提高。2.1.3生物炭对土壤微生物的影响生物炭对土壤理化性质产生的各种影响直接或间接地影响到土壤微生物的活动,土壤微生物的消长又是土壤理化反应的重要“催化剂”,二者相辅相成,相互作用。已有研究结果表明,亚马逊黑土与西部原始森林土壤的细菌群落较为相似,但多样性却提高了25%,固氮菌的数量和固氮能力也在生物炭的作用下得到了明显提升。据报道,不同用量的生物炭使豌豆根系的固氮量由对照的50%提高到72%,并使作物根部真菌的繁殖能力增强,当生物炭用量达到30%时,菌根菌侵染量显著提高。在一定范围内,随着生物炭施用量的增加,土壤微生物的数量和活性都显著提高。学界普遍认为,生物炭均匀、密布的孔隙在土壤中得以保留并形成了大量微孔,为微生物的栖息与繁殖提供了良好的“庇护所”,使它们免受侵袭和失水干燥等不利影响,同时也减少了微生物之间的生存竞争。生物炭在微小的孔隙内吸附和储存不同种类和组分的物质,则为微生物群落提供了充足的养分来源。2.2生物炭与肥料的作用关于生物炭施入土壤后对作物生长发育和产量的影响,由于生态条件、气候条件以及土壤类型等区域差别,国内外有不同报道,但总体上以正向效应居多。早在19世纪,亚马逊河流域古老的印第安人就在一种特殊的黑土“TerraPreta”上种植农作物以提高产量。经研究证实,这种黑色土壤富含稳定的生物炭,是导致土壤肥沃和作物增产的主要原因。随着人们对生物炭认识和研究的不断深入,生物炭在农业生产上的应用也逐渐受到重视,并已在水稻、玉米、高梁、小麦、大豆、花生、豇豆、萝卜、菠菜等作物上取得了较好的效果。如Lehmann等模仿亚马逊流域高产“TerraPreta”土壤,将生物炭分别以68和135t·hm-2的标准混入试验土壤中,发现水稻和豇豆的生物量分别提高了17%和43%。Uzoma等将生物炭应用于沙质土壤生产玉米,结果是当生物炭施用量达到15t·hm-2和20t·hm-2时,产量分别提高了150%和98%。国内的研究也表明,生物炭能够促进玉米苗期生长,株高和茎粗分别比对照增加了4.31—13.13cm和0.04—0.18cm。Iswaran等以0.5t·hm-2的标准向土壤中添加生物炭,发现每盆大豆增产10.4g。在酸性土壤中以10t·hm-2的标准施用生物炭,土壤中交换性铝的毒害作用减小,小麦株高提高了30%—40%。在南美洲热带地区,施用生物炭使豇豆产量提高了28%。Chan等发现,先施氮后施炭可使萝卜产量增加120%。生物炭对作物生物量和产量的促进作用还随时间的延长而表现出一定的累加效应。Major等对玉米和大豆轮作土壤进行多年的生物炭处理试验结果表明,施用20t·hm-2生物炭的土壤,第1年玉米产量并未提高,但在随后的3年中,产量逐年递增,分别比对照提高了28%、30%和140%。在巴西亚马逊河流域的田间试验也表明,以11t·hm-2标准在土壤中施入生物炭,经过2年4个生长季后,水稻和高梁的产量累积增加了75%。除了与土壤相互作用外,生物炭与肥料的互作研究也同样获得了积极反馈。在澳大利亚施氮100t·hm-2条件下,以50和100t·hm-2标准施用生物炭,萝卜产量分别提高了95%和120%。生物炭与肥料配合施用还能够增加玉米和花生的产量。在中国,研究者将生物炭与化肥混合,发明了专用炭基肥料。实验结果表明,炭基花生专用肥有利于花生叶片功能期的延长,饱果率增加14.2%、百仁重增加10.1%,产量增加13.5%。炭基玉米专用肥有效地提高了穗粒数与粒重,产量提高7.6%—11.6%。炭基大豆专用肥使分枝数增加16.4%,单株二粒荚数、三粒荚数分别增加16.4%、27.9%,单株粒数增加12.1%,百粒重增加4.7%,产量增加7.2%。Lehmann等在总结全球各地开展的相关研究时发现,当生物炭施用量(按纯碳计算)在50t·hm-2以下时,对作物产量的作用基本都是正向的。在大多数研究中,生物炭对作物生长发育和产量的影响都表现出正的效应,但也有一些负效应的报道。Kishimoto等的研究结果显示,当土壤中施入5t·hm-2和15t·hm-2生物炭时,大豆的产量分别下降了37%和71%。生物炭施入量过大也会降低玉米等对pH敏感的作物的产量。张晗芝等发现,生物炭对玉米苗期的生长有显著地抑制作用。邓万刚等的研究则表明,当炭/土比为0.1%、0.5%和1.0%时,在一定程度上降低了种植在花岗岩砖红壤上的王草第2次刈割产草量和柱花草第1次刈割产草量,同时品质也有所下降。生物炭对作物生长发育和产量影响的效应表现不一,但总体来说是正向效应大于负向效应。产生正向效应的原因主要来自以下几个方面:(1)生物炭具有丰富的多微孔结构,比表面积较大。在施入土壤后,有利于微生物的生存繁衍,增加土壤中有益菌群数量,增强土壤生态系统功能,为作物根系提供良好的生长环境。(2)施用生物炭有助于改善土壤理化性状,如pH、容重、孔隙度、持水性等,特别是有利于提高土壤有效养分含量,这些条件的改变对于促进作物生长发育有重要作用。(3)生物炭本身含有一定数量的对作物生长发育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素,可增加土壤中可交换性阳离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等的数量,在一定程度上减少活性铝等有毒元素的影响,为作物生长发育提供良好的元素供应源。(4)生物炭与其它肥料配合使用时,可减少肥料养分淋失,提高利用效率,促进增产。也有研究报道,施用生物炭后产量增加不显著甚至有负影响。产生负向效应的原因可能来自于以下几个方面:(1)生物炭呈碱性(表),当施用量过大时,某些对pH敏感的作物极易表现出平产或减产。(2)生物炭对作物生长发育和产量影响的差异性与土壤类型有关,Jeffery等的研究结果表明,在酸性土壤、中性土壤、粗质地与中等质地土壤中施用生物炭,增产幅度分别为14%、13%、10%和13%。换言之,生物炭对作物生长发育和产量的影响决定于生物炭自身的性质,也决定于特定土壤的理化性质和作物生物学属性等诸多方面,复杂的交互作用及其过程也会使试验结果不尽一致。因此,生物炭应用于作物生产,应该因地、因作物、因具体条件而异。尽管到目前为止尚无法确定通用的最佳施炭量范围,但大量的研究结果已经明,生物炭的改土增产作用已是不争的事实,只要应用适当,其正向效应是完全可以利用的。3生物碳和国家食品安全、环境安全和可持续发展3.1秸秆炭化还田自1949年新中国成立以来,中国粮食生产取得了举世瞩目的成就,用世界9%的耕地,养活了世界22%的人口,为世界和平与发展做出了巨大贡献。尤其是近年来,随着惠农政策和保障措施的不断加强以及行业科技的不断进步,中国粮食生产总量已经连续多年超过5亿吨。但在这连年丰收的背后,是高强度的掠夺式生产和长期的巨量化肥投入。由此导致土壤板结退化、中低产田大量产生、水体污染进一步加剧等一系列生态、环境和可持续发展问题。随着人口数量的持续增长,中国粮食安全压力将进一步加大。放眼未来,在气候变化日趋剧烈,资源约束逐步增强的情况下,如何在有限的耕地上持续、稳定地生产出更多、更安全的粮食,是未来将面临的更严峻的挑战。另一方面,中国年产农林业废弃物约14亿t,仅玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆量就达到6.5亿t。随着粮食生产总量的增加,这一数字还将进一步提高。将这些生物质还田,无疑是增加土壤输入、遏制土壤退化、改善耕地质量的有效措施。但是,由于中国现行的土地家庭联产承包管理体制将生产单元分割的过小,限制了大型秸秆还田机械的使用。迥异的气候条件也使秸秆还田的适用范围受到限制。致使目前中国的秸秆还田量还不到20%,而被烧掉或废弃的量却超过了50%。宝贵的资源没有得到有效地利用,却变成了严重的污染源头。焚烧秸秆排放出大量的温室气体和烟尘,导致空气质量下降、诱发城市阴霾、航班起降受阻等一系列问题。以生物炭技术为核心的秸秆炭化还田是衔接农业循环链条首尾两端、实现废弃生物质资源化高效利用的重要途径。虽然有研究表明,生物炭还田有可能产生激发效应,刺激肥沃土壤中有机质的分解,但对于中国占总耕地总面积70%的中低产田而言,尤其是对于那些因理化性质恶化导致的障碍性土壤而言,废弃生物质炭化还田应该是一个值得引起高度重视的发展方向。因此,针对自然区划、耕作制度和不同土壤类型,进一步深入开展生物质炭化还田改土技术的研究和产业化开发,对于提升中低产田的生产潜力,确保国家粮食安全,实现农业可持续发展,都将具有重要的现实意义。3.2生物炭还田低碳、循环和可持续发展是当今世界经济和社会发展的主题。进入21世纪以来,全球气候变暖、灾害性气候频繁发生、荒漠化进程加速等已成为威胁人类生存和可持续发展的严峻问题。中国政府明确提出,到2020年,单位国内生产总值二氧化碳排放要比2005年降低40%—45%。作为一项规模宏大的基础性产业,农业固有的碳汇能力得到了越来越多的重视。发展能源作物、以生物能源替代化石能源以实现减排是当前的热门研究领域之一。但面对稀缺的耕地资源和巨大的粮食安全压力,寻找一种更符合中国国情的农业减排技术,发展低碳农业,已越来越迫切,也越来越现实。研究表明,生物炭具有很大的固碳潜力与空间,可能是唯一的以输入稳定性碳源而改变环境生态系统中土壤碳库自然平衡,提高土壤碳库容量的技术方式。Lehmann在2007年《Nature》上发表文章指出,如果将植物转化为生物炭,可以大大降低空气中的二氧化碳含量。生物炭除本身可作为一种重要的“碳汇”形式外,施入土壤后亦可减少N2O等温室气体的排放。譬如,以20g·kg-1的标准向牧草地和大豆土壤中添加生物炭,N2O排放量可分别降低80%和50%,CH4的释放过程则受到明显抑制。目前,生物炭的减排机制尚不清楚,但其减排效果已经得到认可,相应的计量方法学也将很快产生,从而为生物炭减排量的计算奠定良好的基础,也为生物质炭化还田打上了“低碳”的时代特点。生物炭来源于农业,如果再将其广泛地应用于农业,就可实现生物质在农田生态系统内部的循环。因此,循环应是生物炭应用的着眼点。在农业范畴,秸秆还田或“过腹还田”应是当前农业废弃物利用的主要方式之一,在中国华北、华中、华南等地区都有较大面积的推广应用。但受低温冷凉气候的影响,该技术在北方特别是东北地区,还面临许多技术问题,比如还田秸秆当年难以腐烂,影响第二年出苗率;土传病害增加,不利于高产稳产;一家一户的小型化生产方式,不利于大机械的使用等。因此,在难以进行秸秆还田的地区,示范推广生物炭还田技术,符合因地制宜的原则,是科学、合理、可行的做法。秸秆发电、固化、气化、液化是农业生物质能源化利用的主要形式,虽然可以大量消耗秸秆,在一定程度上缓解秸秆焚烧压力,实现生物质的资源化利用,但其集中生产模式难以降低废弃物收集、储运过程中的运输成本,亦即相关企业难以脱离政府补贴而独立发展。更重要的是,这种能源化利用方式仅仅从资源利用角度考虑问题,忽视了对产出这些资源的耕地的保护,是一种“竭泽而渔、吃干榨净”的掠夺式做法,在一定程度上破坏了耕地可持续发展的物质基础,也无法实现农业系统内部稳定的物质循环。生物炭还田技术与上述利用方式不同,它结合了废弃物资源化、循环、可持续理念,在消化利用农业废弃物的同时,将生物炭再次返还给土壤,形成“取之于田,用之于田”的良性循环模式,因此可效地解决农林废弃物资源化利用、物质循环和耕地可持续发展等一系列问题。狭义上说,生物炭的改土增产作用具有稳定性和持续性。广义上说,秸秆炭化还田则是保持农田生态系统持续发展的重要途径。2008年中国中、低产田面积已达到0.8亿hm2,占耕地总面积的65%以上,2009年进一步上升到耕地总面积的70%。特别是由于气候变化和掠夺式的过度开发利用,过去的良田沃土已经开始退化,有机质含量降低,酸化、板结、黏重现象严重,地力明显下降,已成为制约和影响粮食生产发展的“瓶颈”。另外,由于工、农业生产的发展,农田污染面积不断扩大,成为影响农业可持续发展的“隐忧”。以重金属污染农田为例,近20年中国重金属污染农田面积增加了14.6%,已近0.2亿hm2,占总耕地面积的1/6。生物炭应用于农田,不仅可以吸持养分、减少养分流失、缓解水体富营养化,亦可应用于受重金属、有机污染物等污染的土壤或水体,通过吸附、钝化、固持等作用方式降低污染物的生物有效性,对于粮食安全、食品质量安全保障能力的提升具有重要意义。4生物炭产业发展的基本原则生物炭概念的提出源于对亚马逊流域先民无意间留下的“Terrapreta”(亚马逊黑土)所具有的增产作用的观察。它一经出现,便引起全世界的广泛关注。如前所述,作为一项来源于实践的技术,生物炭的改土增产作用已被国内外大量研究所证实。有理由相信,以秸秆炭化还田为核心的生物炭技术,未来必将得到普遍认可和迅速发展,生物炭产业也将应运而生,并成为国家战略性新兴产业。事实上,中国的生物炭研究与产业技术开发已经走过了近十年的发展历程,一些勇于探索的研究者和先锋企业已积累了一定的研究成果、产品和经验。尽管这些成果、产品和经验还不十分丰富,但已初步描绘出中国生物炭研究与产业发展的广阔前景。无论从粮食安全、环境安全,还是从可持续发展角度来看,生物炭研究与产业技术开发都与国家发展战略极为契合。《国家粮食安全中长期规划纲要(2008—2020年)》指出,严格控制面源污染,保护和改善粮食产地环境,通过农业资源高效利用等方面的新突破着力提高粮食单产水平。国家发改委出台的《“十二五”秸秆综合利用实施方案》中也指出,农业是秸秆综合利用的优先发展方向。生物炭技术正是以农林业和环境为核心,全面服务于粮食安全、环境安全和可持续发展的新技术、新产业,应该在国家的大力支持和引导下健康、快速的发展。值得指出的是,在中国研究与开发生物炭产业,应该遵循以下几项原则:一是发展生物炭产业必须坚持以农林废弃物循环利用为出发点。自生物炭技术提出时开始,国际上就不乏反对的声音。国际生物炭倡导组织向联合国气候变化大会提交的“发展废弃物生物质碳转化与生物炭农业应用”的提案至今没有下文就是最好的例子。究其原因,大多是担心在生物炭产业市场化过程中,有可能出现伐木取炭导致毁林而破坏生态等不合理开发方式。这是一个市场、政策层面的问题,归根到底是生物炭的来源问题,良好的顶层设计将有利于其妥善解决。因此,生物炭技术必须坚持以农林废弃物综合利用为出发点,这不但是维持农田生态系统稳定平衡的需要,也是生物炭这一概念的本质属性。二是生物炭产业应以克服土壤障碍和中低产田改造为主要方向。中国存在大量的障碍型土壤和中低产田,以辽宁省为例,盐碱土总面积20—27万hm2,风沙土13.3万hm2,酸性、微酸性耕地面积102万hm2,耕型涝洼地30万hm2。由各种因素造成的中地产田面积占辽宁省耕地总面积的48%以上。2009年,辽宁省玉米总产量为963.1万t,播种面积为196.41万hm2,平均单产水平仅为4903.5kg·hm-2。而美国玉米平均单产水平早在20世纪90年代就已超过7425kg·hm-2。