生物質炭與土壤可持續(xù)管理：從土壤問題到生物質產業(yè)
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中國網/中國發(fā)展門戶網訊 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(xù)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(yè)生命的系統(tǒng)健康及綠色農業(yè)的巨大價值，進一步彰顯了土壤學服務于中國農業(yè)可持續(xù)管理與生物質產業(yè)融合的巨大價值。
生物質炭與土壤管理的緣起：自然與傳統(tǒng)
20?世紀末期，歐美科學家在巴西等地研究人類古老農業(yè)文明時發(fā)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(fā)現，該土壤具有深厚的、富含穩(wěn)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(qū)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(wěn)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(yè)生產力。該技術的核心內容是將陸地生態(tài)中的有機物質轉化成生物質炭（biochar）后再歸還到土壤中。2008?年以后，許多研究陸續(xù)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(yè)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(yè)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。
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(fā)現?Terra Preta?之后，科學家在歐洲、澳大利亞等地區(qū)也發(fā)現了類似?Terra Preta?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(qū)，至今還保留著原始的土坑制炭還田的傳統(tǒng)。在一些發(fā)達國家，農業(yè)生產方式發(fā)生很大轉變，傳統(tǒng)的勞動密集型土坑制炭的方法并不能滿足現代農業(yè)的需求，而快速的、工業(yè)化的生物質炭制備工藝成為滿足大規(guī)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(fā)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(yè)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(xù)式工業(yè)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(tǒng)。炭化技術的發(fā)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(huán)境工程領域；另一方面，生產制備的生物質炭用于農業(yè)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(huán)境工程、環(huán)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。
圖?1 自然界生物質熱裂解基本反應原理
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(tǒng)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(huán)境管理》（Biochar Science and Technology 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。