用生物碳创造“技术土壤”

科技日报网络版,2013-05-14

最近，科学家将目光转向生物炭，萌发了创造“技术土壤”的构想，希望通过提高土壤固有的有机碳储量，解决目前气候变化、能源以及食品和水资源危机。请关注——

近年来，随着全球气候变化，温室气体排放，耕地土壤退化，人类生存的环境和空间日趋严峻，但是目前采取的措施大多是头疼医头脚疼医脚，自然生态系统的自我恢复循环还是“卡壳”。

日前，中国工程院院士、沈阳农业大学陈温福教授在第五届全国农业环境科学学术研讨会上，向学者和公众介绍了以生物炭创造“技术土壤”的构想。

生物炭到底是什么

一百多年前，有西方学者曾在书中记载过巴西亚马逊河流域存在一种黑色、肥沃的土壤，早期欧洲殖民者将其称为“印第安黑土”。

上世纪60年代，荷兰科学家宋布鲁克在巴西亚马逊河流域，发现一片神奇黑色土地，区域内的植物生长茂盛健壮。通过研究发现，这种土壤是一个巨大而稳定的有机质库，其中来源于生物质“黑炭”的有机碳含量高达35%。

陈温福告诉告诉记者，生物炭就是把生物质放在缺氧和一定温度条件下热裂解干馏形成的富碳产物，它有较大的孔隙度和比表面积，较强的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力，因此可广泛应用于土壤改良、肥料缓释剂、固碳减排等。

生物炭不仅可以大幅提高土壤肥力，在贫瘠的土壤上培育出肥沃的高碳库土壤，最直接的效应就是明显提高农作物产量和品质，还可以间接地减少化肥、农药等化学品的施用量。最关键是把碳有效地吸附固化在生物炭中间，减少了温室气体的排放，以及对石油制品的依赖。目前已知一吨生物质可以固定0.726吨二氧化碳。

近年来，生物炭在解决全球生态环境安全与农业可持续发展等方面的作用已获得普遍认可，被学术界誉为“黑色黄金”，许多国家成立专门机构来研究生物炭理论与应用前景。2009年，陈温福院士带领的团队在国内率先开展了生物炭研究。

把惹祸的秸秆变成神奇的生物炭

在我国，生物炭还有一个更加直观的作用——秸秆的资源化再利用。

我国粮食连续9年实现大丰收，而这背后则是秸秆的大丰收。据国家发改委的统计，目前我国农作物秸秆可收集量约为7亿吨。每到收获季节，作物秸秆堆积如山。

如果将这些秸秆、食用菌渣还田，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，由于我国现行的土地政策将生产单元分割的过小，不利于秸秆还田机械的使用。迥异的气候条件也使秸秆还田适用范围受到限制，致使目前我国秸秆还田量还不到1/3，被烧掉或废弃的量却超过50%。焚烧秸秆排放的大量温室气体和烟尘，导致空气质量下降、诱发城市阴霾、影响航班起降等一系列环境问题。

目前，我国的秸秆利用主要是还田、制肥料、制饲料、做基料养菌和做原料造纸及制板材等5种途径。

但是，陈温福认为首选的应是直接还田和做肥料还田。取之于土还之于土，不仅可以改良土壤保障粮食安全，还能实现可持续发展。

经过5年研究，陈温福院士团队已经研发出适合我国秸秆还田的生物炭制备综合利用理论与技术体系，为了将秸秆制成“生物炭”，他还发明了半封闭式亚高温缺氧干馏制炭新工艺，制炭成本低，易推广。通过对秸秆在低于450℃条件下对生物质进行亚高温干馏炭化，生物质炭化过程中，大约1/3转化为生物炭，其余转化为可燃烧的合成气和原油替代品。

生物炭构建的“技术土壤”有啥用

在展示的图片中记者看到，在显微镜下观察，生物炭就像一块孔状不规则的海绵。如用竹子加工生产竹炭，含炭量高达70%至80%，表面积达到每克140至180平方米。你能想象吗，把1克竹炭的所有孔隙进行平面切割，折合总面积竟然有一个中等户型的房子那么大！

拥有如此高的表面积，生物炭理所当然地成为了科学家构建“技术土壤”的首选添加物。

陈温福为我们描绘了生物炭作用路径：作为土壤结构改良剂或者制成各种炭基肥料，起到提高土壤质量，增加作物产量，改善品质的作用；或者作为土壤污染修复剂等，起到减少污染的效果。直接回归土壤，可增加土壤碳封存约40%至50%。来自全球碳计划统计，每年人类排放到大气中的二氧化碳中有54%约48亿吨，被陆地和海洋中的碳汇所吸收。剩余的约40亿吨碳则需要人类想办法去降低或者吸收。此外，由于全球气候的变暖，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。

在几年的实验中，陈温福用各种农作物秸秆进行了生物炭制备及利用探索，施用生物炭后土壤容重明显变小了，土质更疏松了；土壤有机质含量增加；部分作物有增产效果。

比如在马铃薯试验中，施用炭肥的地块产量达6012斤/亩，比对照田增产18.8%，中薯、大薯比例更是比对照田高出32.2%和56.9%，差异显著。

陈温福算了一笔账：如果是以秸秆还田形式，一年7亿吨秸秆利用50%，就能得到1亿吨生物炭，在不增加农民投入情况下，以生物炭肥和土壤改良剂的形式，实现秸秆炭化还田改土。如果以生产炭化生物质煤，一年14亿吨农林废弃物利用50%，就能得到2.1亿吨生物炭，相当于1.5亿吨标煤价值1102亿元。