中國學(xué)通搌2013,29(26):93-99Chinese agricultural Science Bulletin生物質(zhì)炭之低碳農(nóng)業(yè)羅煜2,陳敏3,盂海波',趙立欣,李貴桐冫,林啟美2(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100122中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院北京100193:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,北京100193)摘要:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程與全球氣候變化息息相關(guān),如何減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放,并探尋土壤固炭方法已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)與環(huán)境研究中的熱點(diǎn)。旨在摸索一條由生物質(zhì)炭化技術(shù)為基礎(chǔ)的低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的可能途徑。從低碳這一熱點(diǎn)問題出發(fā),對低碳農(nóng)業(yè)的定義、特征、途徑進(jìn)行了基本闡述,同時論述了生物質(zhì)炭的基本特征,及生物質(zhì)炭在應(yīng)用上的農(nóng)學(xué)和環(huán)境學(xué)價(jià)值,并重點(diǎn)討論了如何利用生物質(zhì)炭發(fā)展以低能耗、低排放、低污染為特征的低碳農(nóng)業(yè)的可能模式,最后指出了當(dāng)前生物質(zhì)炭在低碳農(nóng)業(yè)研究和利用方面所面臨的問題和挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)炭;熱裂解;低碳農(nóng)業(yè);土壤固碳;模式中圖分類號:S15文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A論文編號:2012-0654The Model of Low C agriculture Based Upon BiocharLuo Yu 2, Chen Min Meng Haibo, Zhao Lixin, Li Guitong, Lin QimeiChinese Academy of Agricultural Engineering, Key Laboratory of energy resource utilization from agriculture residue,Ministry of Agriculture, Beijing 100125'college of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100093;College of Agriculture and Biotechnology, China Agricultural Uniuersity, Beijing 100193)Abstract: Nowdays, agricultural is closely linked to the global climate changes exploring the way to reduceagricultural greenhouse gas emissions, and sequester soil carbon has become a hot issue in the currentagricultural and environmental research. This paper aims at exploring the possible ways to develop low-carbonagriculture, which is characterized by low energy, low emissions and low pollution, by using biomass pyrolysistechnique. Firstly, the definition, characteristics of low-carbon agriculture is described, and the ways to realizet are also discussed. Secondly, the basic characteristics of biochar, and its value in terms of agriculture andenvironment are discussed. Mostly, the possible modes of biochar integrated system are emphatically discussedin the context of low-carbon agriculture. Finally, the challenges exited nowadays are pointed out.Key words: biochar; pyrolysis; low carbon agriculture; carbon sequestration; mode0引言溫室氣體CO2、CH和N2O濃度,從19世紀(jì)初的自從工業(yè)革命以來由于大量消耗化石燃料、毀林280ppmv、715ppbv和270ppbv提高到目前390pmv開荒和改變土地利用方式等人類活動溫室氣體排放1797ppbv和321.8ppbv。大量的數(shù)據(jù)顯示,近50年量大幅度增加,導(dǎo)致大氣溫室氣體濃度持續(xù)增高,主要來的氣候變化,主要是人為活動排放的CO2、CHNO基金項(xiàng)目:國家自然基金“生物質(zhì)焦改良北京城區(qū)土壤的效果及機(jī)理”41071206)第一作者簡介:羅煜男,1983年出生,湖南岳陽人博士研究方向:生物炭應(yīng)用。通信地址:10025北京朝陽區(qū)麥子店街41號農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究,Tel:010-65929549,E-mail:luoyu21@163.com.通訊作者:林啟美男,1962年出生湖北武穴人,教授博士生導(dǎo)師博士研究方向:土壤微生物10103北京市海淀區(qū)圓明園西路2號中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院Tel:010-62732502,E-mail:linq@Dcau.edu.cn中國煤化工收稿日期:20120301,修回日期:2013-0722CNMHG中國農(nóng)學(xué)逼報(bào)hp:/w:casb. org. cn等溫室氣體造成的,到2100年全球平均氣溫將升高全球農(nóng)業(yè)土壤碳庫擴(kuò)充潛力為12~3 I Pg C/a,耕層土1.0-35℃。一旦氣溫升高3℃,大規(guī)模反饋機(jī)制將開始壤有機(jī)碳含量提高1tC·a/hm2,發(fā)展中國家糧食產(chǎn)量年發(fā)揮作用,造成不可逆的氣候變化。因此,節(jié)能減排,增加2400-3200萬t根莖產(chǎn)量年增加600-1000萬t,農(nóng)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì),是實(shí)現(xiàn)全球社會與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的業(yè)的固碳增匯潛力巨大。據(jù)估測全球通過植物生物根本出路量每年固定約120Pg碳,但是,自然條件下,幾乎全部農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)既是重要的溫室氣體來經(jīng)過礦化作用轉(zhuǎn)化為CO2,沒有任何凈固碳作用,這也源之一,也是巨大的碳匯。從原始農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到現(xiàn)是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)耕作栽培技術(shù)包括秸稈還田施用有機(jī)肥代農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè)的“正碳性”或碳排放量逐漸增強(qiáng)。根據(jù)政料、保護(hù)性耕作等技術(shù)措施,固碳增匯效果比較低且不府間氣候變化專業(yè)委員會(IPC)第4次評估報(bào)告農(nóng)業(yè)穩(wěn)定的根本原因是溫室氣體的第二大重要來源。中國糧食生產(chǎn)年排放近幾年,生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)與環(huán)境應(yīng)用倍受關(guān)注,是國約14億t的CO2C當(dāng)量碳足跡(0780.08)tCa/hm3或內(nèi)外研究熱點(diǎn),不少研究者認(rèn)為是生物質(zhì)炭不僅是廉(0.1001)Ct糧食。除了作物通過光合作用固定大價(jià)可行的碳封存技術(shù)措施之一,也是維持和提高土壤量CO,土壤是地球陸地表面最大地碳庫,對全球碳循肥力的重要技術(shù)措施是第二次農(nóng)業(yè)綠色革命的引擎環(huán)具有“舉足輕重”的作用與影響。不少學(xué)者指出,農(nóng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵支撐技術(shù)。業(yè)具有巨大的固碳增匯潛力,發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)是應(yīng)對全2生物質(zhì)炭性質(zhì)及其作用球氣候的重要舉措之一。21生物質(zhì)炭的定義1低碳農(nóng)業(yè)生物質(zhì)炭是一個比較新的概念,有人譯成生物質(zhì)1.1低碳農(nóng)業(yè)的定義焦或生物炭,以前也稱為農(nóng)焦( Arichat)。2008年國際低碳農(nóng)業(yè)是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,采用各種先進(jìn)的生物質(zhì)炭促進(jìn)會( The International Biochar Initiative,生產(chǎn)技術(shù)盡可能的減少能量與物質(zhì)消耗減少CO等IBn改為生物質(zhì)炭( Biochar),并定義生物質(zhì)炭為:高碳溫室氣體排放,減少對環(huán)境的污染,并獲得最佳的經(jīng)含量、抗分解顆粒細(xì)小的木炭,是植物生物質(zhì)和有機(jī)濟(jì)、社會和生態(tài)效益?？梢?低碳農(nóng)業(yè)用碳經(jīng)濟(jì)或碳廢棄物高溫裂解的產(chǎn)物施用于土壤,可增強(qiáng)土壤保持排放來衡量與生態(tài)農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)綠色農(nóng)業(yè)等農(nóng)業(yè)養(yǎng)分能力不僅能夠減少化肥用量,而且可降低耕作對生產(chǎn)形式不同低碳農(nóng)業(yè)內(nèi)涵更為豐富,除倡導(dǎo)高產(chǎn)、氣候和環(huán)境的影響優(yōu)質(zhì)、高效、安全、生態(tài)等理念外,更強(qiáng)調(diào)低能耗、低污顯然,生物質(zhì)炭與焦(Cha、木炭( Charcoa)黑炭染、低溫室氣體排放、高產(chǎn)出,強(qiáng)調(diào)原料開采與使用、產(chǎn)( Black carbon)活性炭( Activated charcoal)等概念既有品加工、消費(fèi)各環(huán)節(jié)的低碳化;不僅強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)本身低碳區(qū)別又有聯(lián)系,它們都是生物質(zhì)高溫裂解的產(chǎn)物,但特質(zhì),而且還包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“上游”,諸如化肥、農(nóng)藥等“焦”常指自然火燒的殘留物,炭化程度相對比較低;農(nóng)資生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)牡吞夹?也包括“下游”如農(nóng)產(chǎn)品包“木炭”是燃料;“黑炭”是所有炭化有機(jī)物的總稱;而裝、運(yùn)輸、使用在內(nèi)的低碳性?！吧镔|(zhì)炭”不僅包含傳統(tǒng)意義上的材料與能源,而且1.2低碳農(nóng)業(yè)路徑新賦予農(nóng)學(xué)、生態(tài)環(huán)境學(xué)上的意義,與土壤改良培肥及現(xiàn)有的低碳農(nóng)業(yè),主要著眼于:(1)減少化肥、農(nóng)碳封存緊密聯(lián)系在一起",可作為土壤調(diào)理劑,是用于藥、動力等能量和物質(zhì)的投入,提高資源利用效率;(2)農(nóng)業(yè)的炭化的生物質(zhì)。調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu),推廣應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù),提高22生物質(zhì)炭來源與特性農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì);(3)資源化利用農(nóng)作物秸稈、養(yǎng)殖生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在缺氧條件下裂解的固體產(chǎn)業(yè)糞便等各種廢棄物。這些技術(shù)措施實(shí)質(zhì)是試圖通過物液體產(chǎn)物為生物油,氣體產(chǎn)物為生物燃?xì)?主要有節(jié)能減排途徑,減少農(nóng)業(yè)能源消耗,即降低農(nóng)業(yè)的“碳干裂解和水熱炭化兩個過程,一般指干裂解或干餾過源”作用。但對農(nóng)業(yè)的固碳增匯作用不十分重視,忽略程。秸稈、糞便等幾乎所有的生物質(zhì)都可以作為生物了低碳農(nóng)業(yè)的第4個技術(shù)路徑;(4)擴(kuò)大土壤碳庫,減質(zhì)炭的原材料,但是,生物質(zhì)炭、生物油和生物燃?xì)獾纳贉厥覛怏w排放;改良培肥土壤,增加植物生物量。產(chǎn)率和比例及其特性,均隨生物質(zhì)種類、裂解溫度、升農(nóng)業(yè)固碳增匯的關(guān)鍵是擴(kuò)蓄增容土壤有機(jī)碳庫。溫快慢、反應(yīng)時間、反應(yīng)條件等而變化。一般說來,一般說來,土壤有機(jī)碳含量的提高,一方面可以改良培低溫慢速裂解可獲得比較高的生物質(zhì)炭產(chǎn)率。肥土壤,提高土壤肥力,增加植被固碳量;另一方面提盡管生物中國煤化工過程及反應(yīng)條高土壤有機(jī)碳含量,擴(kuò)大土壤碳庫容量。據(jù)Lal估計(jì),件有很大的變CNMHG性:大量的孔羅煜等:生物質(zhì)炭之低碳農(nóng)業(yè)隙和巨大的表面積比表面積通常為200400m7g;果顯示施用生物質(zhì)炭可顯著提高作物產(chǎn)量,熱帶和亞表面含有多種官能團(tuán),帶有大量的正負(fù)電荷,既有極性熱帶酸性土壤效果最為明顯,10多種常見作物產(chǎn)量均也有非極性表面,因此具有強(qiáng)大的吸持能力能夠吸持大幅度提高,與化肥和廄肥一起施用的增產(chǎn)效果更為水分、陰陽離子和非極性有機(jī)物質(zhì)等;生物質(zhì)炭分解明顯121n。由于生物質(zhì)炭降低重金屬及農(nóng)藥等污染物極其緩慢,半衰期長達(dá)上千年的生物有效性,從而降低作物吸收和含量,保障農(nóng)產(chǎn)品23生物質(zhì)炭作用品質(zhì)與安全8。早在19世紀(jì)末,人們就發(fā)現(xiàn)南美亞馬遜流域古印2.32環(huán)境作用第安人居住地肥沃的黑土( The Terra Preta),其長期維(1)快速大幅度的擴(kuò)大土壤碳庫,減少溫室氣體排持比較高的生產(chǎn)力的主要原因,是土壤含有比較高的放。生物質(zhì)炭的高度芳香化結(jié)構(gòu)賦予其非常高的穩(wěn)定黑炭。但直到20世紀(jì)90年代中后期由于全球氣候劇性,分解十分緩慢,是土壤極其穩(wěn)定的有機(jī)碳庫。盡管烈變化,人們才開始重視并研究 Terra Preta土壤及黑有研究結(jié)果顯示,生物質(zhì)炭促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)分解,但這炭的作用,并發(fā)現(xiàn)人為施用生物質(zhì)炭能夠顯著改良培種“激發(fā)”效應(yīng)很小,大多數(shù)研究者認(rèn)為,向土壤施用生肥土壤,提高作物產(chǎn)量,而且快速地大幅度地提高土壤物質(zhì)炭是快速提高有機(jī)碳含量唯一的可行的措施。此碳庫。外,由于生物質(zhì)炭改善土壤生態(tài)環(huán)境條件,可以減少土231農(nóng)學(xué)作用壤CH4和N2O產(chǎn)生與排放。據(jù) Woolf等叫估計(jì),生物質(zhì)(1)提高土壤保肥能力和養(yǎng)分利用效率減少肥料炭作為土壤調(diào)理劑,可抵消高達(dá)16%的全球化石燃料用量。生物質(zhì)炭本身含有豐富的PK等灰分元素,補(bǔ)碳排放充十壤礦質(zhì)營養(yǎng)元素不足,減少“碳密集”肥料的施用(2)減少農(nóng)田氮磷流失,減輕對水體環(huán)境的影響。量。由于化學(xué)和生物化學(xué)的氧化作用,生物質(zhì)炭表面農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失是不少水體富營養(yǎng)化的主要原因,分布有羰基、酚基和醌基等官能團(tuán),帶有大量的電荷,因此,減少農(nóng)田養(yǎng)分流失,不僅可降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,具有強(qiáng)大的吸持養(yǎng)分離子能力,不僅避免養(yǎng)分被土壤而且有利于保護(hù)水體環(huán)境。生物質(zhì)炭具有強(qiáng)大的吸持粘土礦物固定,而且減少流失。不少研究結(jié)果顯示,生養(yǎng)分能力,施用生物質(zhì)炭的土壤,硝酸鹽、磷酸鹽等隨物質(zhì)炭能夠提高礦質(zhì)肥料和有機(jī)肥料肥效;施用生物徑流和淋溶流失量大幅度減少,從而減輕對水體環(huán)境質(zhì)炭的土壤,CEC含量顯著提高",NPK、Ca、Mg等有的影響效養(yǎng)分含量顯著提高l(3)污染土壤修復(fù)。重金屬、農(nóng)藥等污染土壤修復(fù)(2)降低土:壤酸度,減輕活性鋁毒害。生物質(zhì)炭含直是人們十分關(guān)注的問題,也是全球各國面臨的難有一定量灰分,般呈堿性,施用后常常大幅度地提高題?，F(xiàn)有的工程技術(shù)一般成本比較高,而成本比較低土壤pH值,降低鋁、錳等活度";另外,生物質(zhì)炭的吸的生物技術(shù)效果比較慢且不穩(wěn)定。最新的研究結(jié)果顯附作用,也可降低土壤溶液活性鋁濃度,從而減輕酸性示,生物質(zhì)炭在修復(fù)污染土壤方面顯現(xiàn)出巨大的潛土壤活性鋁對植物的毒害作用。力。一方面,生物質(zhì)炭對重金屬、農(nóng)藥、有機(jī)污染物具(3)提高土壤保水能力和有效水含量。生物質(zhì)炭有強(qiáng)烈的吸附能力,阻斷在生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移,降低其毒是一個多孔介質(zhì),具有巨大的表面積,表面具有極性,性;另一方面,生物質(zhì)炭能增強(qiáng)土壤中微生物的活能夠吸持水分;另外,生物質(zhì)炭能夠改善土壤通透性,性四,尤其是結(jié)合接種菌根菌,從而也增強(qiáng)了微生物施用生物質(zhì)炭的土壤容量一般都大幅度降低。因?qū)ξ廴疚锏慕到饽芰?加快了某些有機(jī)物分解,降低污此,生物質(zhì)炭有利于水分運(yùn)動和再分配,增強(qiáng)土壤保水染物濃度,有利于植被恢復(fù)能力,土壤有效水含量也顯著增加。3生物質(zhì)炭低碳農(nóng)業(yè)模式探索(4)促進(jìn)根瘤菌、菌根侵染和繁殖。生物質(zhì)炭的多低碳農(nóng)業(yè)是后現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向,也是各國積孔結(jié)構(gòu)為微生物生長繁殖提供棲息地。一些研究結(jié)果極應(yīng)對全球氣候變化的重要舉措。以生物質(zhì)炭技術(shù)為顯示,施用生物質(zhì)炭的土壤,根瘤菌和泡囊叢枝狀菌根支撐的低碳農(nóng)業(yè)也已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn),各國根真菌(VAM等侵染率顯著提高,微生物固氮和吸收磷據(jù)自己的國情、自然條件和農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與要求,創(chuàng)建等活性也有所增強(qiáng)。特別是逆境生境,如重金屬污染生物質(zhì)炭低碳農(nóng)業(yè)模式與樣板,盡管形勢多樣,但歸納土壤施用生物質(zhì)炭有利于的VAM侵染和發(fā)揮作用,起來,可分為以下四類加快污染土壤修復(fù)嗎。31生物質(zhì)能中國煤化工(5)提高作物產(chǎn)量,改善產(chǎn)品品質(zhì)。已有的研究結(jié)生物質(zhì)獻(xiàn)CNMHG生物質(zhì)產(chǎn)生、收中國農(nóng)學(xué)通報(bào)h:/www.casb.org.cn集及預(yù)處理、髙溫裂解、產(chǎn)物綜合利用三大部分組成活,焦油可用于工業(yè)原材料,其中輕質(zhì)部分木醋液可用(圖1),生物質(zhì)主要來自農(nóng)作物秸稈、果園枝條蘑菇作農(nóng)藥生物質(zhì)炭可用作土壤調(diào)理劑用于改良培肥土棒等,裂解溫度一般>500℃C,或用生物質(zhì)加熱,或用外壤,也可用作燃燒。來能量加熱。氣、油、焦產(chǎn)率相當(dāng),各占約1/3這種模式將農(nóng)林廢棄物、農(nóng)村能源供給、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生物燃?xì)庵饕糜诩彝ゴ妒聼⑷∨热粘Ｉ呔o密組合在一起,具有產(chǎn)能積肥同步,能流與物流生物燃?xì)庾鲲埲∨镔|(zhì)高溫裂解焦油化工原料生物質(zhì)炭燃料溫室大棚大田果園圖1生物質(zhì)能源與碳封存耦合模式良性循環(huán),碳庫蓄積的特點(diǎn),可以發(fā)揮能源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)32能量自給碳封存模式和社會諸方面的綜合效益。適合中國廣大農(nóng)村,有望能量自給碳封存模式的結(jié)構(gòu)與生物質(zhì)能源與碳封成為農(nóng)村發(fā)展經(jīng)濟(jì),調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),增加農(nóng)民收入,實(shí)存耦合模式相似(圖2),區(qū)別在于:(1)裂解溫度比較現(xiàn)脫貧致富的一項(xiàng)措施。目前北京一些區(qū)縣示范推廣低,一般在300-500℃之間;(2)油和氣的產(chǎn)量完全用此模式。目前存在的主要問題是,生物燃?xì)鉄嶂当容^于系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn),幾乎不需要外來能量;(3)生物質(zhì)炭產(chǎn)率低,焦油成分容易堵塞管道,由于規(guī)模小,焦油不能得般比較高完全用作土壤調(diào)理劑。由于生物質(zhì)的差到合理的利用。異,碳封存量有差異,一般應(yīng)超過1/3,即100份生物質(zhì)生物燃?xì)馍镔|(zhì)高溫裂解生物油生物質(zhì)炭農(nóng)田中國煤化工圖2能量自給碳封存模式CNMHG羅煜等:生物質(zhì)炭之低碳農(nóng)業(yè)中的碳,通過此模式運(yùn)行一次,可封存至少33份碳于產(chǎn)物生物燃?xì)夂蜕镉涂芍苯幼鳛槿剂鲜褂?也可用土壤中。顯然,該模式十分簡單負(fù)碳性很強(qiáng),主要障于發(fā)電,或用于高溫裂解能源,亦或用于農(nóng)林產(chǎn)品加工礙是碳交易價(jià)格,以及改土培肥的增產(chǎn)效果生產(chǎn),如造紙廠生產(chǎn)。生物質(zhì)炭主要用作土壤調(diào)理劑3.3農(nóng)林復(fù)合模式用于農(nóng)田和林地土壤改良培肥;生物質(zhì)炭還可用于凈生物質(zhì)炭農(nóng)林復(fù)合模式由林業(yè)和農(nóng)業(yè)兩大部分構(gòu)化污水。丹麥等一些國家的農(nóng)場推廣應(yīng)用此模式,基成(圖3),木材加工邊角料和農(nóng)作物秸稈等廢棄生物本上實(shí)現(xiàn)能源自給自足,整體上實(shí)現(xiàn)零碳排放甚至負(fù)質(zhì),均可直接燃燒發(fā)電,也可用作高溫裂解原材料,其碳排放。凈化污水林地農(nóng)田生物質(zhì)炭原木秸稈高溫裂解生物油加工廢棄生物質(zhì)生物氣燃燒發(fā)電造紙圖3農(nóng)林復(fù)合模式34工農(nóng)復(fù)合模式酸銨、硝酸銨、碳酸銨尿素等化肥生產(chǎn),化肥再用于農(nóng)工農(nóng)復(fù)合模式將農(nóng)業(yè)與化肥生產(chǎn)結(jié)合在一起如田,提高生物量。該模式不僅有效地利用了農(nóng)業(yè)資源,圖4所示,通過秸稈等生物質(zhì)裂解將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫而且還可促進(jìn)了清潔生產(chǎn),減少肥料生產(chǎn)過程中的溫氣和生物質(zhì)炭。氫氣用于氨氣合成,生物質(zhì)炭用于硫室氣體排放。能源氫氣生物質(zhì)高溫裂解合成氨生物質(zhì)炭農(nóng)田化肥中國煤化工圖4工農(nóng)復(fù)合模式CNMHG中國農(nóng)學(xué)遢報(bào)htp:/www.casb.org.cn4生物質(zhì)炭應(yīng)用前景與亟待解決的問題復(fù)等任務(wù)十分艱巨,現(xiàn)有的技術(shù)很難大規(guī)模的、快速的無論對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身還是生態(tài)環(huán)境保護(hù),尤其解決這些問題生物質(zhì)炭在修復(fù)污染環(huán)境方面顯現(xiàn)出是應(yīng)對全球氣候變化生物質(zhì)炭低碳農(nóng)業(yè)顯現(xiàn)出巨大巨大的潛力,亟待研究:(1)生物質(zhì)炭吸附富集重金屬的作用和良好的發(fā)展前景。目前,世界各國均處于起原理,與生物修復(fù)技術(shù)結(jié)合,促進(jìn)重金屬超累積植物生步研發(fā)階段,急需開展如下4個方面的研發(fā)工作。長,增強(qiáng)對重金屬吸收;(2)生物質(zhì)炭與農(nóng)藥的相互作41生物質(zhì)炭對土壤肥力和作物的長期影響和科學(xué)施用與原理,利用生物質(zhì)炭提高藥效,促進(jìn)農(nóng)藥降解降用技術(shù)低農(nóng)藥殘留,阻止農(nóng)藥轉(zhuǎn)移等原理與技術(shù);(3)利用生盡管已有不少研究結(jié)果顯示生物質(zhì)炭具有改土物質(zhì)炭改良培肥土壤,快速恢復(fù)礦區(qū)植被,并與碳封存培肥,提高土壤肥力和作物產(chǎn)量的作用但一方面由于結(jié)合,使礦區(qū)成為碳庫。生物質(zhì)炭分解極其緩慢,長期存在于土壤中,一旦污染幾乎不可能消除;另一方面現(xiàn)有的試驗(yàn)研究結(jié)果,大部參考文獻(xiàn)分來自熱帶地區(qū),而糧食生產(chǎn)集中在溫帶地區(qū)。因此[1] CDIAC. Recent Greenhouse Gas Concentrations[C].2011,Carbon需要擴(kuò)大研究范圍,大力研究生物質(zhì)炭對溫帶地區(qū)土Dioxide Information Analysis Center: Oakridge National Lab壤和作物的影響。再者,目前田間試驗(yàn)最長的只有42) Climate Change200: The Physical Science Basis. Working年,顯然與生物質(zhì)炭的長效性不匹配Group [2007[D]. Cambridge, UK: Cambridge University42秸稈、糞便生物質(zhì)炭綜合利用模式與技術(shù)3]趙其國,黃國勤錢海燕低碳農(nóng)業(yè)門土壤201143()1-5中國是世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家每i4] Lal R Sequestering carbon in soils of agro-ecosystems().Food年大約有40億t主要是畜禽糞便排放量達(dá)35億t,秸Policy,2011(36)S33S39[5 Lehmann J, Gaunt J, Rondon M. Bio-char sequestration in稈也有7億t左右。目前大部分未充分合理的利用,不僅浪費(fèi)資源而且嚴(yán)重污染環(huán)境。目前的利用方式主Strategies for Global Change, 2006, 11(2): 395-419要通過肥料化、飼料化、能源化及工業(yè)原料化等途徑,6] Chan K Y. Agronomic values of greenwaste biochar as a soil其中能源化格外引人關(guān)注。amendment[J]. Australian Journal of Soil Research, 2007, 45(8生物質(zhì)能源化技術(shù)主要有兩類,一是沼氣發(fā)酵技術(shù);二是高溫裂解技術(shù)。后者盡管投入比較大,但速度[7] Ozcimen D, Ersoy A, Mericboyu. Characterization of biochar andbio-oil samples obtained from carbonization of various biomass快,規(guī)模和容量大,且與精細(xì)化工、壤改良培肥、碳封materials[J]. Renewable Energy, 2010, 35(6): 1319-1324存等結(jié)合在一起,成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)和新興8] Downie a, Munroe p. Physical properties of biochar, in Biochar新能源產(chǎn)業(yè)。目前需要解決的問題主要包括:(1)適合for environmental management science and technology[M]. JS不同生物質(zhì)的收集、運(yùn)輸、加工及儲存技術(shù)與設(shè)備,尤Lehmann j, Editor: Earthscan, London, 2009: 16-32其是生物質(zhì)型化技術(shù)與設(shè)備;(2)低能耗零碳排放生物9 Chan K Y. Biochar for environmental management science and質(zhì)炭制造技術(shù)與設(shè)備;(3)二次污染控制與廢棄物利technology, in Biochar: nutrient properties and their enhancementIM)JS. Lehmann J, Editor, Earthscan: London, 2009: 67-84用[10] Liang B. Black Carbon Increases Cation Exchange Capacity in4.3生物質(zhì)炭——村鎮(zhèn)能源耦合模式與技術(shù)Soils[]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(5): 1719中國不少村鎮(zhèn),特別是偏遠(yuǎn)地區(qū),居民日常生活的[1] Steiner C. Nitrogen retention and plant uptake on a highly能源需求,主要依賴秸稈、薪材、糞便等生物質(zhì)直接燃weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and燒,不僅能源利用效率低,而且污染環(huán)境、危害健康、堆charcoal!J] Journal of Plant Nutrition and Soil Science-zeitschrift放的秸稈是火災(zāi)的巨大隱患。利用生物質(zhì)高溫裂解Fur Pflanzenernahrung Und Bodenkunde, 2008, 171(6): 893-899生產(chǎn)生物燃?xì)?、生物油和生物質(zhì)炭,其中生物燃?xì)饪捎?2] Lehmann J. Nutrient availability and leaching in an archaeologicalAnthrosol and a Ferralsol of the Central Amazon basin: fertilizer于炊事,生物油可用于發(fā)電,生物質(zhì)炭既可用作燃料,manure and charcoal amendments[]. Plant and Soil, 2003, 249(2)也可用于改良培肥土壤。目前需要解決的問題主要343-357.是:(1)滿足不同需求的不同規(guī)模的系列化高溫裂解13 Lehmann. Bio-energy in the black[JI. Frontiers in Ecology andthe Environment, 2007, 5(7): 381-387技術(shù)和設(shè)備:(2)生物燃?xì)饣蛏镉桶l(fā)電技術(shù)與設(shè)備:14] Yamato M. Effects of the application of charred bark ofAcacia(3)高溫裂解副產(chǎn)物綜合利用技術(shù)。mangiumeanut, and soil44生物質(zhì)炭修復(fù)污染環(huán)境模式與技術(shù)中國煤化工叮 Soil Science中國重金屬污染士壤修復(fù)、礦物復(fù)墾、石油污染修CNMHG羅煜等:生物質(zhì)炭之低碳農(nóng)業(yè)99[15] Oguntunde P G. Effects of charcoal production on soil physical [20] Woolf D Sustainable biochar to mitigate global climate change[]properties in Ghana[]. Journal of Plant Nutrition and Soil ScienceNature Communications, 2010, 1(5): 1-9008171(4):591-96[21] Thies J E, Rillig M, Characteristics of biochar: biological[16] Warnock DD. Mycorrhizal responses to biochar in soil: conceptsproperties, in Biochar for Environmental Management: Scienceand mechanisms[]. Plant and Soil, 2007, 300(1-2): 9-20and Technology [M]. J. Lehmann, Joseph, S, Editor, Earthscan[17 Steiner C. Long term effects of manure, charcoal and mineralLondon,2009:85-105fertilization on crop production and fertility on a highly weathered [22] Steinbeiss s, Gleixner G, Antonietti M. Effect of biocharCentral Amazonian upland soil[]. Plant and Soil, 2007, 291(1-2):amendment on soil carbon balance and soil microbial activityUJ275-290Soil Biology Biochemistry, 2009, 41(6): 1301-1310[18] Uchimiya M. Contaminant immobilization and nutrient release by [23] Kolb S E, Fermanich K J, Dombush M E. Effect of charcoalbiochar soil amendment: roles of natural organic matter[]quantity on microbial biomass and activity in temperate soils[J]Chemosphere,2010,80(8):93540Soil Science Society of America Jourmal, 2009, 73(4): 1173[19] Rhodes Ah. Impact of activated charcoal on the mineralisation of[24]孫振鈞,孫永明中國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與農(nóng)村生物質(zhì)能源利用14C-phenanthrene in soils[J]. Chemosphere, 2010, 79(4): 463的現(xiàn)狀與發(fā)展門中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)20068(1):6-13中國煤化工CNMHG