生物炭在农业生产中的应用研究进展

生物炭在农业生产中的应用研究进展中国农资2014年03期作者李振科摘要：生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受重视。生物炭的生产及农用是碳减排的过程，废弃生物质生产生物炭及其农用的效益是多赢的。国外在废弃生物质热裂解生产生物炭及农用方面做了许多研究工作。今后，中国应以废弃生物质生产生物炭，并将生物炭农用作为生物能源、环境及农业可持续发展的战略。本文着重介绍了生物炭在农业上的应用模式和意义。关键词：生物炭；农业；应用；进展生物炭（Biochar）是粉状颗粒化的木炭，是活性炭的生产原料之一，属于黑炭（blackcarbon），黑炭涵盖了生物质略微炭化到燃烧后黑烟颗粒的炭化物质，包含自然野火或人为燃烧植物、化石燃料不完全燃烧形成的碳物质，黑炭对全球碳循环起着较大的作用[1]。生物炭是在限制氧气的环境条件下，通过高温裂解，把木屑、农作物秸秆、杂草等生物质经过炭化形成的，是一种碳含量极其丰富的炭。我们平时所用的木炭，是木材、木质原料经过干馏所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料，是一种保持木材原来构造和孔内残留焦油的不纯的无定形碳[2，3]。目前，绝大多数木炭的生产原料是珍贵的森林资源，工艺比较复杂，所以价格比较昂贵，极少应用于附加值低的农业生产中，主要应用于高附加值的工业上。相对而言，生物炭的生产工艺简单，原材料来源广泛且价格低廉，在农业生产上应用价值很大。生物炭含有一定量的矿质养分，可有效增加土壤磷、钾、钙、镁、及氮等矿质养分[4]，特别是利用畜禽粪便生产的生物炭具有较高矿质养分[5]，有利于提高贫瘠土壤及沙质土壤的养分。生物炭PH值较高，呈弱碱性，可以替代石灰来改良酸性土壤[6]。并且生物炭吸水能力比较强，特别是生物炭在经过氧化作用后，可以提高沙壤土的持水量，从而改善土壤持水能力[7-8]。生物炭具一定吸附性，可以改善土壤的阳离子或阴离子交换量，提高土壤的保肥能力[9]。生物炭具有较高的吸附能力、CEC及化学反应性，亦可作为肥料缓释载体，延缓肥料养分在土壤中的释放，制成缓释肥，提高肥料养分利用率[10]。生物炭的孔隙结构及水肥吸附作用可以为土壤微生物创造较好栖息环境，为土壤有益微生物提供一定保护。生物炭在农业上应用，可以改良和培肥土壤，提高土壤作物生产率，促进土壤可持续利用及作物增产，有效促进农业可持续发展。1生物碳生产原理在生活中，经常提到的木炭是利用土窑、砖窑或钢制窑生产的，在隔绝氧气的状态下闷燃烧，热解过程比较慢，其目的是取得最大产量的木炭。工业热裂解是生物炭生产的最主要方法，热裂解是在有限供氧气状态下热分解有机材料，生物质在不同温度及升温速度条件下热裂解都可产生生物炭。但是，生物炭的产量、性质及特征在不同的加工温度和工艺的条件下而有所不同，慢速热裂解工艺的生物炭产率最大[11]。生物质热裂解除获得生物炭之外，还可获得生物油及合成气，这些都可进一步升级加工成氢气、生物柴油或其他化学物质[12]。快速热裂解或闪速热裂解及气化则主要获得生物油或混合气等生物能源，这也是现在大部分生物质热裂解与气化研与开发的热点，但其生物炭产率偏低[13]。在高温水蒸汽（160°C220°c）及高压作用下，生物质及生物质基前体（碳水化合物）的炭化是热水炭化或热水热裂解，也称为湿法热裂解，这种碳化过程生物炭产率很高[14]，但生物炭中有机物含量挥发高。热裂解一般采用热能直接或间接加热生物质，而微波热裂解是通过微波能对生物质加热，因为微波加热速度比较慢，温度比较低，所以蒸汽驻留时间长[15]，可见，微波热裂解是典型慢速热裂解，但原料颗粒度比较大，适用于生产大颗粒生物炭。此外，微波热裂解需要生物质具有较多的含水量，才可获得较好的加热效率。热裂解装置或设备制造相对比较简单，成本低，适合在生物质原材料产地附近建设小型热裂解厂[16]。p=生物质原料在裂解炉限氧的条件下燃烧发生裂解反应，其产生的烟气在真空泵的抽引下经过冷却分离设备即可得到生物油、木醋液和可燃气体等三种产品，而裂解反应的剩余物就是生物炭。一吨生物质原料可以产出300kg左右的生物炭、250kg左右的木醋液、50kg左右生物油和近700m³的可燃气体。这项技术与其它生物质能利用技术相比有很多优势，一是对原料的适应性强，二是自热式裂解反应不需耗费其它能源，三是能源转化效率高，达70%左右[17]。生物炭的主要成分是碳、氢、氧、氮和灰分。其中含有高密度的碳水化合物和大量的高分子，生产生物炭的原料来源和种类与直接决定灰分的含量。生物炭具有多孔、容重小、比表面积大、吸水和吸气能力强、带负电荷多、能形成电磁场等特性；同时，生物炭也具有高度的芳香化、物理的热稳定性和生物化学抗分解性[18]。2生物炭的生产原料利用耕地种植用于生产生物炭的原料作物或营造速生林作为生物炭生产原料的思路，在生物炭研究的初期一度很盛行，但这种做法很快受到大家的质疑，因为集约化种植作物或造林会加快土壤肥力耗竭，甚至会加快地球荒漠化。然而，近年来大家开始重视以废弃生物质（如植物秸秆）作为生物炭生产原料的思路，许多科学家致力于研究废弃生物质生产生物炭的技术及设备。废弃生物质包含初级农林生产剩余物，如农作物秸秆、穗芯、种皮、种壳、果皮、果核、木工木屑、林木采伐废枝、果树修剪及换代枝条等；农林次级剩余物，如甜菜渣、甘蔗渣、果渣（如苹果、梨、桃、草莓等果渣及猕猴桃、葡萄籽和皮等），葵花粕、棉籽粕、大豆粕、菜籽粕、造纸黑液等；生物利用及转化废弃物，如发酵渣（沼气渣、味精渣、酒糟（高粱渣、大麦渣））、畜禽粪便、菌菇栽培废基质等。据初步统计，全球废弃生物质资源量可达1400亿t[19]，资源丰富，可谓取之不尽。尽管废弃生物质的收集及运输都有点困难，但是大型养殖场、榨汁厂（如甘蔗糖厂、果汁厂）及易于长距离运输的废弃生物质完全可以利用固定厂房热裂解，零散及难以长距离运输的废弃生物质资源热裂解则利用热裂解移动设备。用废弃生物质生产生物炭不但可以获得生物炭，还可以获得生物能源或化学品，使废弃生物质附加值得到提高，有利于对废弃生物质的利用和管理，有助于解决废弃生物质弃置、焚烧、随意排放的环境污染问题。3生物炭在农业生产上的应用价值分析物质的用途是由物质的特定形状决定的，而物质的结构则决定了物质的性质。生物炭的上述特点使其用途变得非常广泛。生物炭可以大范围应用于农业、工业、建筑业、环保、卫生、保健等诸多领域。但用农作物秸秆等废弃物制成的生物炭，由于其灰分含量高，主要作用体现在农业生产上。生物炭具有多孔结构决定其通气性和透水性特别好；容重小，表面积大决定其吸水、吸气能力强，有利于保水保肥；生物炭除含有大量高分子碳水化合物之外，还含有多种矿物质营养，提高土壤肥力，为可以为作物生长提供所需的营养元素；生物炭还可以用于调节土壤的酸碱度和水、肥、气、热状况。此外，生物炭还可以改善微生物生存环境，为重要微生物的生长和繁殖提供有益条件。微生物呼吸释放的CO2可以提高作物附近的CO2浓度，在白天增强光合作用，增加有机物的积累，在夜里抑制呼吸作用，减少有机物的消耗，从而达到作物增产的目的；微生物的代谢可以提供源源不断的氮肥供作物生长，进而减少氮肥的使用量，这个代谢过程对整个环境的影响非常大，因为氮肥释放的N2O对温室效应的影响要比CO2高出300多倍。生物炭施入土壤以后利用自身超强的吸附性像海绵一样把土壤中作物生长所需要的营养元素吸附在它周围，一是防止流失；二是可以达到缓释的效果，从而提高肥料的利用效率。木醋液是生物炭的主要副产品之一，呈弱酸性，有机质含量丰富，渗透性强，与叶面肥或农药混合使用可以有效提高两者的利用率，减少农药和化肥使用量，从而减少残留，使农产品的品质有所提高。生物炭与木醋液的这些功能和特点，决定它在农业上的应用前景广阔。4生物炭在农业上生产上的应用模式4.1炭基有机肥模式生产的生物炭与牲畜粪便通过混合发酵后，快速烘干，掺上木醋液，可以制成优质的炭基有机肥。我国人口众多，养殖业要追求高品质和高产出，必须走规模化经营的道路，但是，一方面，我国的土地资源十分紧张，规模化养殖场周边很难有足够的耕地来消化利用养殖场排出的粪便，如果大量的养殖污水和养殖粪便无法得到安全处理和有效利用，容易引发一系列环境问题。另一方面，我国在大力发展有机农业，生态农业过程中，需要大量的有机肥料，有机肥料市场广阔，发展前景良好，因此，用牲畜粪便做有机肥符合生态农业的发展模式。但牲畜粪便含水量大，做有机肥需要烘干，经过调查，烘干费用在有机肥的生产成本中占到约15%。用刚出炉的炽热的生物炭与湿的牲畜粪便混合先使一部分水分气化，然后再干燥。生物炭的多孔结构使与粪便混合干燥过程中的传热性能得到提高，减少了能量的消耗，降低了生产成本，产品也更具价格优势。生物炭多孔结构，有利于微生物生长和繁殖，可以有效缩短发酵时间、提高发酵质量；木醋液具有杀毒作用，可以杀死寄生虫卵，可谓一举两得。生物炭和木醋液本身也含有较高的有机质，这对土壤有机质的提升也很有帮助，符合现代生态农业、绿色农业对肥料的要求[20]。4.2炭基有机-无机复混肥模式生物炭与市面销售的各种元素化肥（如氮肥、磷肥和钾肥等）按照一定比例进行混合（按不同农作物需求）造粒，制成新型的炭基有机-无机复合肥料，其中NPK的总含量≥20%，有机质的含量≥30%。农作物的高产离不开化肥，但目前作物对化肥的吸收利用率普遍较低。我国在农业生产上不科学的施肥，易造成化肥流失、土壤板结和水体污染等严重问题。生物炭与化肥掺混造粒后，化肥与生物炭紧密结合在一起，既可减少化肥的流失，又可缓效释放，从而提高化肥的利用效率，减少肥料用量，减少环境污染。多处田间试验表明，农田土壤施用生物炭达到1公顷20t时，可以减少10%左右的化肥施用量；在残留化肥量较多的农田土壤中，当季甚至可以只用生物炭不用化肥就可达到高产的效果。化肥的生产需要耗费大量的煤、石油、天然气等不可再生能源，所以间接的节约了大量的化石能源，对环境也有利。化肥是农业生产最基础、最重要的物质投入，化肥在农业生产成本中占25%左右，占全部物资费用约50%。然而，肥料利用效率低下，全球禾谷类作物氮利用效率平均仅33%左右。以2007年价格估算，我国每年氮肥流失高达280亿元。利用效率每提高1%，就可节省4.25亿元。此外，大量施用化肥，既增加粮食生产成本，还会引起地下水硝酸盐超标、地表水体富营养化等面源污染。由此可见，提高化肥利用率，减少化肥使用量具有重要意义，而这当中生物炭功不可没。4.3改良土壤的模式生物炭的强吸附性可以吸附大气中的部分水分和减少降雨时的雨水流失，最大量的把雨水吸附到它所在的可耕层，供作物的生长需要，使缺水地区的土壤能够长出植被，防止沙漠化。木醋液作为生物炭生产过程中的主要副产品之一，每吨生物质能够产生约250kg，数量巨大，假设不安全适当的处理，会造成二次污染。经过研究发现，木醋液可以用来改良盐碱土壤。上海农业工程学会将木醋液原液稀释50倍，对崇明地区大棚内盐碱土改良进行试验，结果表明土壤的PH值平均降低了1.84，EC值（可溶性盐含量）平均降低了0.69[21]。据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，全世界盐碱地的面积为9.5438亿公顷，其中我国为9913万公顷，因此，利用木醋液来治理盐碱土壤的前景广阔、意义重大。4.4土壤重金属污染治理的模式随着我国工业化进程的加快，土壤重金属污染问题正日益加重。土壤重金属污染主要是因为工业废弃物中重金属在土壤中过量沉积而引起的土壤污染。污染土壤的重金属包括汞、铅、镉、铬和类金属砷等生物毒性元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。过量重金属容易引起植物生理功能紊乱、营养失调，镉、汞等元素在作物籽实中富集系数比较高。此外，汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，微生物也无法降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大[22]。大量的生物炭施入被污染的土壤后，利用生物炭的强吸附性，可以将土壤中的重金属离子有效固持，降低重金属的有效态含量，减少重金属对微生物的胁迫。5结语中国是一个农业