生物炭在農業上之利用

生物炭技术体系框架图资料图

生物炭，一个既新鲜又古老的名词。生物炭通常是指农林废弃物等生物质，在缺氧和一定温度条件下热解形成的富碳产物。21世纪伊始，中国生物炭研究还处于相对空白的阶段，中国工程院院士、沈阳农业大学教授陈温福率先开启了生物炭农业应用研究的序幕。

“农林业废弃生物质炭化综合利用技术是应对全球气候变化的可行途径之一。”陈温福介绍说，它具有原材料来源广泛、生态安全、无污染、可大面积推广应用等显著特点。生物炭的规模化应用有望在实现农业碳汇的同时，解决耕地保育、土壤修复、污染治理等领域面临的复杂问题，有助于构建低碳、循环、可持续、高效农业农村经济发展模式，实现高质量发展，对保障国家粮食安全、环境安全、能源安全和可持续发展都具有重要意义。

陈温福率领的生物炭研究团队立足生物炭应用技术创新、面向产业和社会需求、对接国家科技发展战略，经过十几年的不懈努力，积累了丰硕的科技研究成果，创造了显著的经济、生态和社会效益。

立足需求开展生物炭研究

2005年，陈温福开始研究生物炭是因为当时遇到的两个问题，一个是缺少水稻大棚旱育苗的苗床土，第二是当时有大量的秸秆没办法处理，焚烧现象比较严重。因此，陈温福就想到将这些秸秆二次利用做成生物炭，再还到土里去，缓解苗床土不足的问题。

陈温福介绍说，在所有的秸秆利用途径中，首先应是肥料还田、直接还田或炭化还田。这不仅是改良土壤、实现农田可持续发展、保障粮食安全的需要，也是破解秸秆焚烧难题、加强环境与生态建设的需要。

2006年，陈温福与沈阳农业大学土地与环境学院韩晓日教授共同组建了生物炭研发团队，开展有关生物炭改良土壤、培肥地力、对农作物生产的影响等多项相关研究，并提出了“炭基肥”“生物炭土壤改良剂”“炭化生物质煤”等概念，想通过把一定量的生物炭加到氮磷钾或其他肥料中，重新混合做成“炭基肥料”或土壤改良剂。这个肥料和其他的化学肥料不一样，它里面有相当一部分是生物炭成分。

团队的目的是想用渐进加入“炭基肥”或改良剂的方法，变相地使秸秆等废弃生物质还田，从而达到在不增加或少增加成本的情况下实现用生物炭改良土壤、提高作物产量和品质的目的。

当生物炭团队从更广阔的视角审视生物炭的时候，又进一步提出了“秸秆炭化还田改土”新理念，确立了“以生物炭为核心，以简易制炭技术为基础，以生物炭基肥料和土壤改良剂为主要发展方向，通过生物炭基农业投入品的产业化、规模化应用，实现秸秆利用、耕地质量提升、农田固碳减排等多重目标”的技术路线。

与国内外其他生物炭研究不同的是，生物炭团队是先开始实践，从应用着手，再到理论研究。从2005年团队开始研究，2006年提出“秸秆炭化还田”新理念和“炭基肥”、“生物炭土壤改良剂”概念，2007年就申报了多项专利。到现在团队已经获得了12件国家发明专利，18件实用新型专利，包括花生炭基专用肥、玉米炭基专用肥、大豆炭基专用肥、马铃薯炭基专用肥、简易制炭设备与工艺等，而且实现了产业化。

陈温福坚信，生物炭研究是一项利国利民的事，将来会发展成一个新的学科，形成一项新的产业，更需要一支专业队伍才能把它做成。他们很早就组建了我们国家第一个生物炭工程技术研究中心。当时国际上做得好、有知名度的生物炭专门研究机构并不多，这个中心是组建相对较早的生物炭专门研发机构。在此基础之上，2020年组建沈阳农业大学国家生物炭研究院。近年来，项目团队先后得到了国家重点研发计划、国家水稻产业技术体系的支持，在生物炭环境应用与农业产业化应用方面走到了前列。

高效综合利用生物炭技术实现农林碳封存

除农作物秸秆外，现在用农林废弃物等生物质例如果园中剪下的枝条、森林里落下的枯枝败叶、城市中的固体垃圾，餐厨垃圾等，只要是生物质废弃物，都可以烧制成生物炭。从环境角度看，生物炭是消减污染的一条有效的途径。同时它也可以把生物质废弃物很好地综合利用起来，符合低碳、绿色、高效、循环和可持续的高质量发展理念。

目前，生物炭研究已迈向双碳目标，尤其是农林业碳汇。为了实现碳中和，除了工业减排等，还可以把农林废弃物等所有生物质做成生物炭后回归到土壤中去。这是一种很好的农林业碳汇方式。它不但可以实现碳封存，可以消减环境污染，还可以还田改土，实现耕地的可持续发展。

在当前双碳目标下，陈温福认为，最佳农林碳汇途径就是“变炭为碳，冷净地球”。农林碳封存最好的方式就是高效综合利用生物炭技术。生物炭含有大量的碳元素，而且稳定性很好，在土壤中可以存在成百上千年。因此，把生物炭施入土壤本身就是碳封存的过程。生物炭技术将固碳减排、消减环境污染和废弃生物质资源循环再利用放在一起同时进行。

2019年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）将生物炭部分纳入《IPCC2006年国家温室气体清单指南2019修订版》。这应该标志着生物炭技术已被正式认定为有效的固碳减排技术，从另一个角度讲，也为生物炭生态效益转化为经济效益提供了一个契机。

但是，从固碳减排的角度看，目前能够成功地将生态效益转化为经济效益的例子还很少。陈温福指出，目前生物炭相关企业干着固碳减排的事，却拿不到固碳减排的钱，这在很大程度上限制了产业的发展。IPCC将生物炭纳入指南，意味着国际上的认可，将有助于促进制定更全面的生物炭固碳减排计量方法学，为生物炭参与碳交易铺平道路。

加速生物炭产业发展仍需多方发力

生物炭技术契合了“高效、低碳、循环、可持续”等现代农业发展理念，在治理土壤污染、保护农业环境、维持生态平衡、促进农业与环境良性循环和可持续发展等诸多方面，都具有重要的作用。

但是生物炭产业发展目前面临的瓶颈问题是推广速度慢。陈温福认为生物炭的应用还需要从国家角度由政府加强顶层设计。因此，他建议：一是将农林业碳汇作为重要研究专项开展进一步深入研究；二是把生物炭纳入到碳交易系统中；三是国家出台系列政策，将生物炭产业纳入公益性事业，公益性部分需要国家出面来进行。这样的话，才能对生物炭产业有一个大的推动和发展。

十几年来，生物炭团队一直坚持做生物炭长期定位试验，就是在同一块田里施用生物炭，看它进入土壤以后，土壤的性质、肥力、微生物等会发生哪些变化。通过积累数据，监测效果，实现精准化，系统化，促进生物炭研究与产业化的发展。

陈温福说现在看还有很多基础理论上的问题没有彻底解决，比如生产生物炭需要把温度控制在多少度才能精准匹配土壤改良需求？生物炭施入土壤后，究竟在什么时间开始分解，多少年分解了多少，分解出来的物质对于提高土壤肥力有多大作用等等，这些问题都需要经过长期的研究，经历一个漫长的过程才能解决。

现在，他们要把生物炭用于农业、环境和碳封存，那么就需要更多的理论与技术支撑，也需要在更广阔的时间和空间尺度上去考虑问题。例如农业碳汇核算，生物炭究竟能在多大的比例上解决环境问题。目前，农业碳汇还仅仅是个开始，这也是未来的研究重点。同时，生物炭在材料领域中应用的研究也需要进一步深入，比如纳米生物炭等。

生物炭，一项绿色科技，未来可期。陈温福表示：“我带领团队‘炭’索未来，未来‘炭’的发展更需要大家的共同努力。让我们利用生物炭技术为子孙后代留下一片良田沃土，一湾碧水青山！”

巴西亚马逊盆地的农民很久以前就发现了一种特殊的肥料，这是一种产于当地、能使贫瘠的土地神奇般恢复生机的腐殖物质。他们将它成袋的买回来，或者掘地三尺地把它挖掘出来，然后将其铺撒在田间。其肥效可以维持很长一段时间。

当地人称它terra preta do indio。从字面上讲，就是“印第安黑土”。它稠密、多产、肥沃，与当地稀松、贫瘠的土壤形成了鲜明的对比。（这看起来似乎很矛盾，但是雨林土壤的养分含量很低。这就是为什么当地农民为了耕地，需要不断地砍伐森林的原因。因为经过数年的耕作，土地的产量就会大幅度地减少，人们不得不另辟耕地。）某些地区黑土的储量绵延数公顷。但是到目前为止，还没有人真正了解这种神秘的黑色沃土到底是什么。有人猜测它是火山灰，有人则认为它是古代湖泊的沉积物，还有人认为它是很久以前植被腐烂的残留物。但很少有人会认为它是人类的产物。

现代研究证明，黑土是哥伦布发现美洲之前亚马逊盆地农业文明遗留下来的少数遗迹之一。它是由2500多年前，也许甚至是6000年以前生活在亚马逊流域的人们制造出来的。虽然土壤贫瘠，但是这种自制的土壤却让这里的文明得以传承，并使当地的农业得以发展。一般认为，他们制造这种土壤所使用的原材料包括常见的粪便、鱼类、动物骨骼、和植物废料。但是，黑土的关键原料是木炭，这也是黑土之所以呈现黑色的原因。

爱丁堡大学社会学讲师西蒙•沙克利说道：“这种东西非常神奇。60年代荷兰的科学家发现它之后，我们才开始对它有所了解。他们在土壤贫瘠的地区发现了这种黑色的土壤，它在当地被当作肥料施入田间。它源于刀耕火种时代的农业，是各种有机废物在土壤中发酵了成百上千年的产物。而且，它似乎的确能长久地使土壤变得肥沃多产，这一点真是非常的特别。”

现在，亚马逊的这一古老产物已经成为气候变化专家们研究的焦点。黑土中木炭所具有的粘着性可以使肥效维持一个世纪之久。科学家们从中得到启发，作为碳的一种形式，木炭是动植物燃烧后的残留物质。如果它可以长期完整地保存在土壤中而不被分解成二氧化碳（CO2），那么为什么不能用这种方法来锁住更多的碳元素呢？

这种由植物形成的，以固定碳元素为目的的木炭被科学家们称为“生物炭”。它的理论基础是：生物质，不论是植物还是动物，在没有氧气的情况下燃烧，都可以形成木炭。通过把大气中的CO2分离出来能够对气候改变产生巨大的影响。

植物的腐烂自然而然会令土壤中含有大量的碳元素。但是这些碳相对而言是不稳定的，受气候影响很大。一旦遇到像农耕这样的变化，土壤就会释放出二氧化碳。这使得它们既是碳源、又是碳汇。因此，用土壤来锁定碳元素的想法对气候学家而言没有丝毫的吸引力。更有甚者，它还招来了许多骂名。一些农户为了趁机获利，声称他们的土地达到了碳信用额的标准，从而将那些原本计划用于支持风力发电厂或太阳能电站的资金收入囊中。

生物炭的不同之处在于，木炭可以稳定地将碳元素锁住长达数百年。其中的碳元素被矿化后很难再分解。更重要的是，除了它所具备的土壤改良功能外，其生产过程中产生的一些副产品更是具有很高的经济吸引力。

生产过程中，大约1/3转化为生物炭，1/3转化为可用于燃烧发电的合成气，还有1/3则形成原油替代品。这种替代品虽然无法用作运输燃料，但却可以用来制造塑料。因此澳大利亚著名的探险家、自然学家提姆·富兰纳瑞认为生物炭的这些特性“使我们能够同时解决三四个重大危机：气候变化危机，能源危机，以及食品和水资源危机。”使用生物炭不仅能够使土壤肥沃，还能够帮助土壤保持水分。

究竟生物炭在改变世界碳平衡中能发挥多大作用？毋庸置疑，生物炭的需求量是非常大的。每年，诸如燃烧矿物燃料、砍伐森林、将绿地变为农田等人类活动会向大气层排放大约80亿到100亿吨的二氧化碳。这其中大部分的二氧化碳对气候不会构成威胁。自然界本身拥有的碳循环系统可以吸收空气中的二氧化碳，然后这些二氧化碳再被植物、土壤、海洋和其他自然过程中的“碳汇”重新释放出来。但是，这些循环系统目前已经严重地超载。因此，大气中的二氧化碳含量正在逐渐升高。目前，含量已达到百万分之387。是过去65万年，甚至2000万年间最高的。

据全球碳计划统计，2000到2007年，人类排放到大气中的二氧化碳中每年有54%，约48亿吨，被陆地和海洋中的碳汇，例如森林和海洋中的浮游生物等，所吸收。然而每年仍然有大约40亿吨的剩余的碳需要我们想办法去降低或者吸收。此外，由于陆地和海洋的变暖，天然碳汇的吸收量正在下降，这就意味着我们要么付出更大的努力减少空气中的碳含量，要么停止向空气中排放碳。

虽然各国政府正主张 “低碳经济”，全球温室气体排放仍然保持快速增长。据气候学权威组织政府间气候变化专门委员会（IPCC）预计，如果想要避免气候变化所带来的灾难性影响，温室气体排放增长就必须在2015年到2020年间达到其峰值。然而根据目前的估算，这是无法实现的，除非我们能够找到简单廉价地从大气中吸收二氧化碳的方法，以及比现行的再生技术能更快地在全世界推广的清洁电力技术。

根据早期对生物炭潜力的估计，仅靠这一神奇物质自身就能实现为防止全球进一步变暖所需要降低的碳排放。据康奈尔大学的约翰内斯·莱曼等人估算，生物炭每年能够从大气中吸收55亿到95亿吨的碳。但是，沙克利却认为这些估算是建立在不切实际的假设基础之上的，他们假设生物炭可以非常容易地在全球范围内生产。他还强调：“近期的趋势显示，人们正在逐渐摒弃那些天文数字。我觉得现在大家更多地是认为每年能吸收掉碳的数量在10亿到20亿吨左右。”

沙克利认为，尽管与之前的天文数字相比，现在的数字似乎有些让人失望，但是作为单一手段，它的潜力还是很大的。英国东安格利亚大学地球系统学教授提姆•兰登同样认为：“这当然不是一个小数目。也许恰恰这就是我们所需要的量，另外还有它唾手可得的附带效益。这是一个双赢的方法。”如果同时开展森林保护和森林再造、增加可再生能源的份额、并大力推广节约能源等一系列减碳技术，世界或许能够实现为了防止气候灾害而保持“碳平衡”所需要降低的排碳量。

生物炭的这种富有潜力、独一无二、甚至有些神秘的特性使其成为研究气候变化最热门的新兴领域之一。用生物炭来实现碳截存的理念已经赢得像詹姆斯·拉夫洛克这样重量级科学家的支持。詹姆斯·拉夫洛克是一位特立独行的科学家。他的盖亚假说最近又重新开始风靡。”

在莱曼的带领下，康奈尔大学的科学家们正在研究如何将碳从富含生物炭的土壤中分离出来。英国爱丁堡大学建立了生物炭研究中心；其他欧洲国家也紧随其后，加拿大、澳大利亚等国家也纷纷开展了对这个项目的研究。一些公司也开始寻找使生物炭的生产进入商业化的渠道。

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