生物炭是在限氧或隔絕氧的環(huán)境條件下，通過高溫裂解，將小薪柴、農(nóng)作物秸稈、雜草等生物質(zhì)經(jīng)炭化而形成的，是一種碳含量極其豐富的炭。這種由植物形成的，以固定碳元素為目的的炭被科學(xué)家們稱為“生物炭”。而我們所說的木炭，是木材或木質(zhì)原料經(jīng)過干餾所殘留的深褐色或黑色多孔固體燃料，是保持木材原來構(gòu)造和孔內(nèi)殘留焦油的不純的無定形碳^[1,2]。木炭的生產(chǎn)原料是珍貴的森林資源，工藝傳統(tǒng)，所以其價(jià)格昂貴，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用幾乎是不可能的，主要應(yīng)用集中在工業(yè)上。而生物炭的生產(chǎn)工藝相對簡單，原材料來源廣泛且價(jià)格低廉，這才使炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用成為了可能。生物炭施入土壤中以后：一是可以增加土壤的碳匯，緩解氣候危機(jī)；二是可以提升土壤肥力，增加作物產(chǎn)量。

本文著重研究了生物炭在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用模式和意義，以期讓更多的學(xué)者對生物炭多一份了解，并為生物炭的全面研究和應(yīng)用提供了參考。

1生物炭的生產(chǎn)過程及其理化特性

生物質(zhì)原料在裂解爐限氧的環(huán)境下燃燒發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生的煙氣在真空泵的抽引下經(jīng)過冷卻分離設(shè)備可以得到生物油、木醋液和可燃?xì)怏w三種產(chǎn)品，裂解反應(yīng)的剩余物就是生物炭。一噸生物質(zhì)原料可以產(chǎn)出300kg左右的生物炭、250kg左右的木醋液、50kg左右生物油和近700m3的可燃?xì)怏w。該技術(shù)與其它生物質(zhì)能利用技術(shù)相比，一是對原料的適應(yīng)性強(qiáng)，二是自熱式裂解反應(yīng)不需耗費(fèi)其它能源，三是能源轉(zhuǎn)化效率高，達(dá)70%左右^[3,4]。

生物炭主要組成是碳、氫、氧、氮和灰分。其中含有大量的高分子、高密度的碳水化合物，灰分的含量與生產(chǎn)生物炭的原料來源和種類有直接關(guān)系。生物炭多孔，容重小，比表面積大，吸水、吸氣能力強(qiáng)，帶負(fù)電荷多，能形成電磁場；生物炭具有高度的芳香化、物理的熱穩(wěn)定性和生物化學(xué)抗分解性^[5,6]。

表1 兩種主要農(nóng)作物秸稈制取的生物炭的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 1 The test data of biochar prepared from two main types of straw

2生物炭在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的依據(jù)

物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，物質(zhì)的性質(zhì)決定物質(zhì)的用途，生物炭的這些特點(diǎn)使其用途變得極為廣泛。參考木炭的用途，生物炭也可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、環(huán)保、衛(wèi)生、保健等眾多領(lǐng)域。但用農(nóng)作物秸稈等廢棄物制成的生物炭，因其灰分含量高，應(yīng)用會受到一定的限制，而在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用卻可以取長補(bǔ)短，發(fā)揮其最大作用。生物炭是一種多孔體，通氣性和透水性特別好；容重小，表面積大，吸水、吸氣能力強(qiáng)，有利于保水保肥；除含有大量的高分子碳水化合物之外，還含有多種礦物質(zhì)營養(yǎng)，可提供作物所需的營養(yǎng)元素，提高土壤肥力；生物炭可以調(diào)節(jié)土壤的PH值和水、肥、氣、熱狀況；生物炭還可以改善微生物生存環(huán)境，為許多重要微生物的生長和繁殖提供了有利的條件。微生物呼吸釋放的CO₂可以提高作物附近的CO₂濃度，在白天增強(qiáng)光合作用，增加有機(jī)物的積累，在夜里抑制呼吸作用，減少有機(jī)物的消耗，從而達(dá)到作物增產(chǎn)的效果。微生物的代謝可為作物的生長提供氮肥，減少氮肥的使用量。這對整個(gè)環(huán)境的影響是巨大的，因?yàn)榈梳尫诺腘₂O對溫室效應(yīng)的影響要比CO₂高出300多倍。生物炭施入土壤以后利用自身超強(qiáng)的吸附性像海綿一樣把土壤中作物生長所需要的營養(yǎng)元素吸附在它周圍，一是可以防止流失，二是可以達(dá)到緩釋的效果，這對作物的生長極為有利。生物炭的副產(chǎn)品——木醋液，呈弱酸性，有機(jī)質(zhì)含量豐富，滲透性很強(qiáng)，與葉面肥或農(nóng)藥混合使用可提高兩者的利用率，減少使用量，從而減少化肥和農(nóng)藥的殘留，使農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)有所提高。生物炭與木醋液的這些功能和特點(diǎn)，決定它在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的廣闊前景。

3生物炭在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的模式

3.1炭基有機(jī)肥模式

生物炭與牲畜糞便混合發(fā)酵，然后烘干，摻上木醋液，制成優(yōu)質(zhì)的炭基有機(jī)肥。我國人口眾多，像國外那樣的養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模根本無法保障居民的飲食需要，所以我國的養(yǎng)殖業(yè)必須規(guī)?；?，追求高產(chǎn)出、高品質(zhì)。我國的耕地資源又十分緊張，規(guī)?；B(yǎng)殖場附近根本不可能有足夠的耕地來消化利用這些養(yǎng)殖場排出的糞便，大量的養(yǎng)殖污水和養(yǎng)殖糞便無法得到安全處理，引發(fā)了一系列環(huán)境問題。我國發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)需要大量的有機(jī)肥料，有機(jī)肥料市場廣闊，發(fā)展前景良好，因此用牲畜糞便做有機(jī)肥符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式。但牲畜糞便含水量大，做有機(jī)肥需要烘干，經(jīng)過調(diào)查，烘干費(fèi)用在有機(jī)肥的生產(chǎn)成本中占到15%左右。我們用剛出爐的熾熱的生物炭與濕的牲畜糞便混合先使一部分水分氣化，然后再干燥；生物炭的多孔結(jié)構(gòu)使與糞便混合干燥過程中傳熱性能提高，減少了能量的消耗，降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)品也更具價(jià)格優(yōu)勢。生物炭多孔，利于微生物生長和繁殖，可以縮短發(fā)酵時(shí)間、提高發(fā)酵質(zhì)量；木醋液具有殺毒作用，可以殺死寄生蟲卵；所以兩者可以說是有機(jī)肥的“黃金搭檔”。生物炭和木醋液本身也含有很高的有機(jī)質(zhì)，這對土壤有機(jī)質(zhì)的提升也很有幫助，符合現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)對肥料的要求^[7]。

3.2炭基有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥模式

生物炭與市面銷售的各種化肥進(jìn)行摻混（主要是為了滿足各種農(nóng)作物對氮、磷、鉀等各種元素的需要）造粒，制成新型的炭基有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料（表2），其中NPK的總含量≥15%，有機(jī)質(zhì)的含量≥30%。

表2 炭基有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料的配方

Table 2 The fertilizer formula of carbon-based organic - inorganic compound

農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)、增產(chǎn)離不開化肥，但作物對化肥的吸收利用率是有限的，目前中國農(nóng)業(yè)的科學(xué)施肥不是很普遍，由此造成的化肥流失、土壤板結(jié)和水體污染等十分嚴(yán)重。生物炭與化肥摻混造粒后，化肥與生物炭緊緊結(jié)合在一起，可以減少化肥的流失，緩釋肥效，從而提高化肥的利用率，減少化肥的用量。農(nóng)田多處的田間試驗(yàn)表明，農(nóng)田土壤施用生物炭達(dá)到1公頃20噸時(shí)，大約可以減少10%的化肥施用量；在殘留化肥量較多的農(nóng)田土壤中，當(dāng)季甚至可以不用化肥只用生物炭就可達(dá)到高產(chǎn)的效果?；实纳a(chǎn)需要耗費(fèi)大量的煤、石油、天然氣等不可再生能源，所以間接上也節(jié)約了大量的化石能源，對環(huán)境也更有利?；适寝r(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基礎(chǔ)而且是最重要的物質(zhì)投入，化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本(物資費(fèi)用加入工費(fèi)用)中占25％以上，占全部物資費(fèi)用(種子、肥料、農(nóng)藥、機(jī)械作業(yè)、排灌等費(fèi)用)的50％左右。國家、地方和農(nóng)民都為此付出了很大的代價(jià)：農(nóng)民每年為購買化肥要支付1400億元(按耕地面積計(jì)算，每年平均每公頃在購買化肥方面為1005元)；國家和地方每年為進(jìn)口化肥支付35億美元外匯；全國為增加化肥生產(chǎn)能力，每年投入160億元；每年為生產(chǎn)化肥消耗能源6545萬噸標(biāo)煤，占全國能源生產(chǎn)總量的5％^[7,8]。由此可見提高化肥利用率，減少化肥使用量具有重要意義，而這恰恰歸功于生物炭。

3.3改良土壤的模式

生物炭的強(qiáng)吸附性可以吸附大氣中的一部分水分和減少降雨時(shí)雨水的流失，最大量的將雨水吸附到它所在的可耕層，供作物的生長需要，使缺水干旱缺水地區(qū)的土壤能夠長出植被，防止沙漠化。木醋液（表3）作為生物炭生產(chǎn)過程中的一種副產(chǎn)品，每噸生物質(zhì)能夠產(chǎn)生250kg左右，數(shù)量巨大，如不安全適當(dāng)?shù)奶幚?，會造成二次污染。?jīng)過研究發(fā)現(xiàn)木醋液可以用來改良鹽堿土壤。上海市農(nóng)業(yè)工程學(xué)會將木醋液原液稀釋50倍，對崇明地區(qū)大棚內(nèi)鹽堿土改良進(jìn)行試驗(yàn)（表4），結(jié)果表明土壤的PH值平均降低了1.84，EC值（可溶性鹽含量）平均降低了0.69^[9]。據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計(jì)，全世界鹽堿地的面積為9.5438億公頃，其中我國為9913萬公頃，所以利用木醋液來治理鹽堿土壤的前景和意義都非常巨大。

表3 木醋液的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 3 The test data of wood vinegar liquid

表4 土樣處理前后的ＰＨ值和ＥＣ值的對比

Table 4 The contrast of PH value and EC value before and after soil samples treatment

試驗(yàn)結(jié)果：土壤的PH值平均降低了1.84，EC值平均降低了0.69。

3.4土壤重金屬污染治理的模式

土壤重金屬污染是由于廢棄物中重金屬在土壤中過量沉積而引起的土壤污染。污染土壤的重金屬主要包括汞、鎘、鉛、鉻和類金屬砷等生物毒性顯著的元素，以及有一定毒性的鋅、銅、鎳等元素。主要來自農(nóng)藥、廢水、污泥和大氣沉降等，如汞主要來自含汞廢水，鎘、鉛污染主要來自冶煉排放和汽車廢氣沉降，砷則被大量用作殺蟲劑、殺菌劑、殺鼠劑和除草劑。過量重金屬可引起植物生理功能紊亂、營養(yǎng)失調(diào)，鎘、汞等元素在作物籽實(shí)中富集系數(shù)較高，即使超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，也不影響作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量，此外汞、砷能減弱和抑制土壤中硝化、氨化細(xì)菌活動(dòng)，影響氮素供應(yīng)。重金屬污染物在土壤中移動(dòng)性很小，不易隨水淋濾，不為微生物降解，通過食物鏈進(jìn)入人體后，潛在危害極大^[10,11]。大量的生物炭施入被污染的土壤后，利用生物炭的強(qiáng)吸附性，可以將土壤中的重金屬離子有效固持，降低重金屬的有效態(tài)含量，減少重金屬對微生物的脅迫。

4結(jié)語

大氣中的CO₂被陸地和海洋中的植物吸收，然后通過生物或地質(zhì)過程以及人類活動(dòng)，又以CO₂的形式返回大氣中。隨著礦物燃料的大量使用，大氣中的CO₂濃度越來越高，原有的碳循環(huán)系統(tǒng)被打破，引發(fā)的氣候變化的危機(jī)，使人類的生存面臨著威脅。250億噸：人類再排放碳底限；氣溫升1℃：美國糧倉變大漠；氣溫升2℃：1/3動(dòng)植物消亡；氣溫升3℃：氣候徹底失控；氣溫升4℃：人類口糧吃緊；氣溫升5℃至6℃：95%的種類滅絕。氣候?qū)W家正在想盡各種辦法來減少大氣中CO₂的濃度，從而挽救我們?nèi)祟?。?jīng)過專家的不懈努力，終于找到了一個(gè)辦法——生物炭技術(shù)。化石燃料的大量使用早已打破了原有的碳平衡，所以靠“碳中和”不能解決氣候問題。通過生物炭技術(shù)可以將CO₂→C, 生物炭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以穩(wěn)定的保存幾百年而不發(fā)生變化，對整個(gè)大氣環(huán)境來講這是“碳負(fù)性”，氣候?qū)W家認(rèn)為這可以有效的緩解氣候危機(jī)。生物炭的支持者們樂觀地估計(jì)，生物炭每年能使大氣中的溫室氣體減少約10億噸，超過2007年排放總量85億噸的10%[12-17]。

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，長期以來化肥、農(nóng)藥的大量使用，造成了大量的土壤板結(jié)和環(huán)境污染等問題。我國政府在2010哥本哈根會議做出的減排承諾使我國的農(nóng)業(yè)也面臨著節(jié)能減排的巨大壓力，在此大背景下，我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村在節(jié)能減排中應(yīng)有所作為。生物炭可以有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中能源的消耗，可以利用生物炭發(fā)展低碳安全農(nóng)業(yè)。2010年4月8日，中國第一個(gè)“低碳安全農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地”掛牌成立，中國低碳農(nóng)業(yè)的技術(shù)模式和經(jīng)營模式將在這里獲得突破，為全面發(fā)展推廣低碳農(nóng)業(yè)提供第一手經(jīng)驗(yàn)和材料。

權(quán)達(dá)新能源，炭化設(shè)備生產(chǎn)的生物有機(jī)碳肥，已經(jīng)遠(yuǎn)銷越南，泰國，印尼，馬拉西亞以及美國的芝加哥，在國內(nèi)也是供不應(yīng)求，使用有機(jī)碳肥后的蔬菜、水果等作物，果實(shí)碩大飽滿，口感好，營養(yǎng)成分高，無病蟲害，出口都是免檢產(chǎn)品。

豆角對比圖

辣椒對比圖

桃子對比圖

使用有機(jī)碳肥后的求黃瓜，重達(dá)3.1公斤

使用有機(jī)碳肥后的辣椒

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