生物质炭之低碳农业

中国学通搌2013,29(26):93-99Chinese agricultural Science Bulletin生物质炭之低碳农业罗煜2,陈敏3,盂海波',赵立欣,李贵桐冫,林启美2(农业部规划设计研究院,农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京100122中国农业大学资源与环境学院北京100193:中国农业大学农学与生物技术学院,北京100193)摘要:农业生产过程与全球气候变化息息相关,如何减少农业温室气体排放,并探寻土壤固炭方法已经成为当前农业与环境研究中的热点。旨在摸索一条由生物质炭化技术为基础的低碳农业发展的可能途径。从低碳这一热点问题出发,对低碳农业的定义、特征、途径进行了基本阐述,同时论述了生物质炭的基本特征,及生物质炭在应用上的农学和环境学价值,并重点讨论了如何利用生物质炭发展以低能耗、低排放、低污染为特征的低碳农业的可能模式,最后指出了当前生物质炭在低碳农业研究和利用方面所面临的问题和挑战。关键词:生物质炭;热裂解;低碳农业;土壤固碳;模式中图分类号:S15文献标志码:A论文编号: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引言温室气体CO2、CH和N2O浓度,从19世纪初的自从工业革命以来由于大量消耗化石燃料、毁林280ppmv、715ppbv和270ppbv提高到目前390pmv开荒和改变土地利用方式等人类活动温室气体排放1797ppbv和321.8ppbv。大量的数据显示,近50年量大幅度增加,导致大气温室气体浓度持续增高,主要来的气候变化,主要是人为活动排放的CO2、CHNO基金项目:国家自然基金“生物质焦改良北京城区土壤的效果及机理”41071206)第一作者简介:罗煜男,1983年出生,湖南岳阳人博士研究方向:生物炭应用。通信地址:10025北京朝阳区麦子店街41号农业部规划设计研究,Tel:010-65929549,E-mail:luoyu21@163.com.通讯作者:林启美男,1962年出生湖北武穴人,教授博士生导师博士研究方向:土壤微生物10103北京市海淀区圆明园西路2号中国农业大学资源与环境学院Tel:010-62732502,E-mail:linq@Dcau.edu.cn中国煤化工收稿日期:20120301,修回日期:2013-0722CNMHG中国农学逼报hp:/w:casb. org. cn等温室气体造成的,到2100年全球平均气温将升高全球农业土壤碳库扩充潜力为12~3 I Pg C/a,耕层土1.0-35℃。一旦气温升高3℃,大规模反馈机制将开始壤有机碳含量提高1tC·a/hm2,发展中国家粮食产量年发挥作用,造成不可逆的气候变化。因此,节能减排,增加2400-3200万t根茎产量年增加600-1000万t,农发展低碳经济,是实现全球社会与经济可持续发展的业的固碳增汇潜力巨大。据估测全球通过植物生物根本出路量每年固定约120Pg碳,但是,自然条件下,几乎全部农业是国民经济的基础既是重要的温室气体来经过矿化作用转化为CO2,没有任何净固碳作用,这也源之一,也是巨大的碳汇。从原始农业传统农业到现是现有农业耕作栽培技术包括秸秆还田施用有机肥代农业,农业的“正碳性”或碳排放量逐渐增强。根据政料、保护性耕作等技术措施,固碳增汇效果比较低且不府间气候变化专业委员会(IPC)第4次评估报告农业稳定的根本原因是温室气体的第二大重要来源。中国粮食生产年排放近几年,生物质炭农业与环境应用倍受关注,是国约14亿t的CO2C当量碳足迹(0780.08)tCa/hm3或内外研究热点,不少研究者认为是生物质炭不仅是廉(0.1001)Ct粮食。除了作物通过光合作用固定大价可行的碳封存技术措施之一,也是维持和提高土壤量CO,土壤是地球陆地表面最大地碳库,对全球碳循肥力的重要技术措施是第二次农业绿色革命的引擎环具有“举足轻重”的作用与影响。不少学者指出,农是现代农业可持续发展的关键支撑技术。业具有巨大的固碳增汇潜力,发展低碳农业是应对全2生物质炭性质及其作用球气候的重要举措之一。21生物质炭的定义1低碳农业生物质炭是一个比较新的概念,有人译成生物质1.1低碳农业的定义焦或生物炭,以前也称为农焦( Arichat)。2008年国际低碳农业是在农业生产过程中,采用各种先进的生物质炭促进会( The International Biochar Initiative,生产技术尽可能的减少能量与物质消耗减少CO等IBn改为生物质炭( Biochar),并定义生物质炭为:高碳温室气体排放,减少对环境的污染,并获得最佳的经含量、抗分解颗粒细小的木炭,是植物生物质和有机济、社会和生态效益。可见,低碳农业用碳经济或碳废弃物高温裂解的产物施用于土壤,可增强土壤保持排放来衡量与生态农业、循环农业绿色农业等农业养分能力不仅能够减少化肥用量,而且可降低耕作对生产形式不同低碳农业内涵更为丰富,除倡导高产、气候和环境的影响优质、高效、安全、生态等理念外,更强调低能耗、低污显然,生物质炭与焦(Cha、木炭( Charcoa)黑炭染、低温室气体排放、高产出,强调原料开采与使用、产( Black carbon)活性炭( Activated charcoal)等概念既有品加工、消费各环节的低碳化;不仅强调农业本身低碳区别又有联系,它们都是生物质高温裂解的产物,但特质,而且还包括农业生产“上游”,诸如化肥、农药等“焦”常指自然火烧的残留物,炭化程度相对比较低;农资生产和运输的低碳性,也包括“下游”如农产品包“木炭”是燃料;“黑炭”是所有炭化有机物的总称;而装、运输、使用在内的低碳性。“生物质炭”不仅包含传统意义上的材料与能源,而且1.2低碳农业路径新赋予农学、生态环境学上的意义,与土壤改良培肥及现有的低碳农业,主要着眼于:(1)减少化肥、农碳封存紧密联系在一起",可作为土壤调理剂,是用于药、动力等能量和物质的投入,提高资源利用效率;(2)农业的炭化的生物质。调整优化农业生产结构,推广应用节能减排技术,提高22生物质炭来源与特性农产品产量与品质;(3)资源化利用农作物秸秆、养殖生物质炭是生物质在缺氧条件下裂解的固体产业粪便等各种废弃物。这些技术措施实质是试图通过物液体产物为生物油,气体产物为生物燃气,主要有节能减排途径,减少农业能源消耗,即降低农业的“碳干裂解和水热炭化两个过程,一般指干裂解或干馏过源”作用。但对农业的固碳增汇作用不十分重视,忽略程。秸秆、粪便等几乎所有的生物质都可以作为生物了低碳农业的第4个技术路径;(4)扩大土壤碳库,减质炭的原材料,但是,生物质炭、生物油和生物燃气的少温室气体排放;改良培肥土壤,增加植物生物量。产率和比例及其特性,均随生物质种类、裂解温度、升农业固碳增汇的关键是扩蓄增容土壤有机碳库。温快慢、反应时间、反应条件等而变化。一般说来,一般说来,土壤有机碳含量的提高,一方面可以改良培低温慢速裂解可获得比较高的生物质炭产率。肥土壤,提高土壤肥力,增加植被固碳量;另一方面提尽管生物中国煤化工过程及反应条高土壤有机碳含量,扩大土壤碳库容量。据Lal估计,件有很大的变CNMHG性:大量的孔罗煜等:生物质炭之低碳农业隙和巨大的表面积比表面积通常为200400m7g;果显示施用生物质炭可显著提高作物产量,热带和亚表面含有多种官能团,带有大量的正负电荷,既有极性热带酸性土壤效果最为明显,10多种常见作物产量均也有非极性表面,因此具有强大的吸持能力能够吸持大幅度提高,与化肥和厩肥一起施用的增产效果更为水分、阴阳离子和非极性有机物质等;生物质炭分解明显121n。由于生物质炭降低重金属及农药等污染物极其缓慢,半衰期长达上千年的生物有效性,从而降低作物吸收和含量,保障农产品23生物质炭作用品质与安全8。早在19世纪末,人们就发现南美亚马逊流域古印2.32环境作用第安人居住地肥沃的黑土( The Terra Preta),其长期维(1)快速大幅度的扩大土壤碳库,减少温室气体排持比较高的生产力的主要原因,是土壤含有比较高的放。生物质炭的高度芳香化结构赋予其非常高的稳定黑炭。但直到20世纪90年代中后期由于全球气候剧性,分解十分缓慢,是土壤极其稳定的有机碳库。尽管烈变化,人们才开始重视并研究 Terra Preta土壤及黑有研究结果显示,生物质炭促进土壤腐殖质分解,但这炭的作用,并发现人为施用生物质炭能够显著改良培种“激发”效应很小,大多数研究者认为,向土壤施用生肥土壤,提高作物产量,而且快速地大幅度地提高土壤物质炭是快速提高有机碳含量唯一的可行的措施。此碳库。外,由于生物质炭改善土壤生态环境条件,可以减少土231农学作用壤CH4和N2O产生与排放。据 Woolf等叫估计,生物质(1)提高土壤保肥能力和养分利用效率减少肥料炭作为土壤调理剂,可抵消高达16%的全球化石燃料用量。生物质炭本身含有丰富的PK等灰分元素,补碳排放充十壤矿质营养元素不足,减少“碳密集”肥料的施用(2)减少农田氮磷流失,减轻对水体环境的影响。量。由于化学和生物化学的氧化作用,生物质炭表面农田氮磷养分流失是不少水体富营养化的主要原因,分布有羰基、酚基和醌基等官能团,带有大量的电荷,因此,减少农田养分流失,不仅可降低农业生产成本,具有强大的吸持养分离子能力,不仅避免养分被土壤而且有利于保护水体环境。生物质炭具有强大的吸持粘土矿物固定,而且减少流失。不少研究结果显示,生养分能力,施用生物质炭的土壤,硝酸盐、磷酸盐等随物质炭能够提高矿质肥料和有机肥料肥效;施用生物径流和淋溶流失量大幅度减少,从而减轻对水体环境质炭的土壤,CEC含量显著提高",NPK、Ca、Mg等有的影响效养分含量显著提高l(3)污染土壤修复。重金属、农药等污染土壤修复(2)降低土:壤酸度,减轻活性铝毒害。生物质炭含直是人们十分关注的问题,也是全球各国面临的难有一定量灰分,般呈碱性,施用后常常大幅度地提高题。现有的工程技术一般成本比较高,而成本比较低土壤pH值,降低铝、锰等活度";另外,生物质炭的吸的生物技术效果比较慢且不稳定。最新的研究结果显附作用,也可降低土壤溶液活性铝浓度,从而减轻酸性示,生物质炭在修复污染土壤方面显现出巨大的潜土壤活性铝对植物的毒害作用。力。一方面,生物质炭对重金属、农药、有机污染物具(3)提高土壤保水能力和有效水含量。生物质炭有强烈的吸附能力,阻断在生态系统转移,降低其毒是一个多孔介质,具有巨大的表面积,表面具有极性,性;另一方面,生物质炭能增强土壤中微生物的活能够吸持水分;另外,生物质炭能够改善土壤通透性,性四,尤其是结合接种菌根菌,从而也增强了微生物施用生物质炭的土壤容量一般都大幅度降低。因对污染物的降解能力,加快了某些有机物分解,降低污此,生物质炭有利于水分运动和再分配,增强土壤保水染物浓度,有利于植被恢复能力,土壤有效水含量也显著增加。3生物质炭低碳农业模式探索(4)促进根瘤菌、菌根侵染和繁殖。生物质炭的多低碳农业是后现代农业的发展方向,也是各国积孔结构为微生物生长繁殖提供栖息地。一些研究结果极应对全球气候变化的重要举措。以生物质炭技术为显示,施用生物质炭的土壤,根瘤菌和泡囊丛枝状菌根支撑的低碳农业也已成为国内外关注的焦点,各国根真菌(VAM等侵染率显著提高,微生物固氮和吸收磷据自己的国情、自然条件和农业发展状况与要求,创建等活性也有所增强。特别是逆境生境,如重金属污染生物质炭低碳农业模式与样板,尽管形势多样,但归纳土壤施用生物质炭有利于的VAM侵染和发挥作用,起来,可分为以下四类加快污染土壤修复吗。31生物质能中国煤化工(5)提高作物产量,改善产品品质。已有的研究结生物质献CNMHG生物质产生、收中国农学通报h:/www.casb.org.cn集及预处理、髙温裂解、产物综合利用三大部分组成活,焦油可用于工业原材料,其中轻质部分木醋液可用(图1),生物质主要来自农作物秸秆、果园枝条蘑菇作农药生物质炭可用作土壤调理剂用于改良培肥土棒等,裂解温度一般>500℃C,或用生物质加热,或用外壤,也可用作燃烧。来能量加热。气、油、焦产率相当,各占约1/3这种模式将农林废弃物、农村能源供给、农业生产生物燃气主要用于家庭炊事烧水、取暖等日常生三者紧密组合在一起,具有产能积肥同步,能流与物流生物燃气做饭取暖生物质高温裂解焦油化工原料生物质炭燃料温室大棚大田果园图1生物质能源与碳封存耦合模式良性循环,碳库蓄积的特点,可以发挥能源、生态、经济32能量自给碳封存模式和社会诸方面的综合效益。适合中国广大农村,有望能量自给碳封存模式的结构与生物质能源与碳封成为农村发展经济,调整农业结构,增加农民收入,实存耦合模式相似(图2),区别在于:(1)裂解温度比较现脱贫致富的一项措施。目前北京一些区县示范推广低,一般在300-500℃之间;(2)油和气的产量完全用此模式。目前存在的主要问题是,生物燃气热值比较于系统运转,几乎不需要外来能量;(3)生物质炭产率低,焦油成分容易堵塞管道,由于规模小,焦油不能得般比较高完全用作土壤调理剂。由于生物质的差到合理的利用。异,碳封存量有差异,一般应超过1/3,即100份生物质生物燃气生物质高温裂解生物油生物质炭农田中国煤化工图2能量自给碳封存模式CNMHG罗煜等:生物质炭之低碳农业中的碳,通过此模式运行一次,可封存至少33份碳于产物生物燃气和生物油可直接作为燃料使用,也可用土壤中。显然,该模式十分简单负碳性很强,主要障于发电,或用于高温裂解能源,亦或用于农林产品加工碍是碳交易价格,以及改土培肥的增产效果生产,如造纸厂生产。生物质炭主要用作土壤调理剂3.3农林复合模式用于农田和林地土壤改良培肥;生物质炭还可用于净生物质炭农林复合模式由林业和农业两大部分构化污水。丹麦等一些国家的农场推广应用此模式,基成(图3),木材加工边角料和农作物秸秆等废弃生物本上实现能源自给自足,整体上实现零碳排放甚至负质,均可直接燃烧发电,也可用作高温裂解原材料,其碳排放。净化污水林地农田生物质炭原木秸秆高温裂解生物油加工废弃生物质生物气燃烧发电造纸图3农林复合模式34工农复合模式酸铵、硝酸铵、碳酸铵尿素等化肥生产,化肥再用于农工农复合模式将农业与化肥生产结合在一起如田,提高生物量。该模式不仅有效地利用了农业资源,图4所示,通过秸秆等生物质裂解将生物质转化为氢而且还可促进了清洁生产,减少肥料生产过程中的温气和生物质炭。氢气用于氨气合成,生物质炭用于硫室气体排放。能源氢气生物质高温裂解合成氨生物质炭农田化肥中国煤化工图4工农复合模式CNMHG中国农学遢报htp:/www.casb.org.cn4生物质炭应用前景与亟待解决的问题复等任务十分艰巨,现有的技术很难大规模的、快速的无论对于农业生产本身还是生态环境保护,尤其解决这些问题生物质炭在修复污染环境方面显现出是应对全球气候变化生物质炭低碳农业显现出巨大巨大的潜力,亟待研究:(1)生物质炭吸附富集重金属的作用和良好的发展前景。目前,世界各国均处于起原理,与生物修复技术结合,促进重金属超累积植物生步研发阶段,急需开展如下4个方面的研发工作。长,增强对重金属吸收;(2)生物质炭与农药的相互作41生物质炭对土壤肥力和作物的长期影响和科学施用与原理,利用生物质炭提高药效,促进农药降解降用技术低农药残留,阻止农药转移等原理与技术;(3)利用生尽管已有不少研究结果显示生物质炭具有改土物质炭改良培肥土壤,快速恢复矿区植被,并与碳封存培肥,提高土壤肥力和作物产量的作用但一方面由于结合,使矿区成为碳库。生物质炭分解极其缓慢,长期存在于土壤中,一旦污染几乎不可能消除;另一方面现有的试验研究结果,大部参考文献分来自热带地区,而粮食生产集中在温带地区。因此[1] CDIAC. Recent Greenhouse Gas Concentrations[C].2011,Carbon需要扩大研究范围,大力研究生物质炭对温带地区土Dioxide Information Analysis Center: Oakridge National Lab壤和作物的影响。再者,目前田间试验最长的只有42) Climate Change200: The Physical Science Basis. Working年,显然与生物质炭的长效性不匹配Group [2007[D]. Cambridge, UK: Cambridge University42秸秆、粪便生物质炭综合利用模式与技术3]赵其国,黄国勤钱海燕低碳农业门土壤201143()1-5中国是世界上农业废弃物产出量最大的国家每i4] Lal R Sequestering carbon in soils of agro-ecosystems().Food年大约有40亿t主要是畜禽粪便排放量达35亿t,秸Policy,2011(36)S33S39[5 Lehmann J, Gaunt J, Rondon M. Bio-char sequestration in秆也有7亿t左右。目前大部分未充分合理的利用,不仅浪费资源而且严重污染环境。目前的利用方式主Strategies for Global Change, 2006, 11(2): 395-419要通过肥料化、饲料化、能源化及工业原料化等途径,6] Chan K Y. Agronomic values of greenwaste biochar as a soil其中能源化格外引人关注。amendment[J]. Australian Journal of Soil Research, 2007, 45(8生物质能源化技术主要有两类,一是沼气发酵技术;二是高温裂解技术。后者尽管投入比较大,但速度[7] Ozcimen D, Ersoy A, Mericboyu. Characterization of biochar andbio-oil samples obtained from carbonization of various biomass快,规模和容量大,且与精细化工、壤改良培肥、碳封materials[J]. Renewable Energy, 2010, 35(6): 1319-1324存等结合在一起,成为当前国内外的研究热点和新兴8] Downie a, Munroe p. Physical properties of biochar, in Biochar新能源产业。目前需要解决的问题主要包括:(1)适合for environmental management science and technology[M]. JS不同生物质的收集、运输、加工及储存技术与设备,尤Lehmann j, Editor: Earthscan, London, 2009: 16-32其是生物质型化技术与设备;(2)低能耗零碳排放生物9 Chan K Y. Biochar for environmental management science and质炭制造技术与设备;(3)二次污染控制与废弃物利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生物质炭——村镇能源耦合模式与技术Soils[]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(5): 1719中国不少村镇,特别是偏远地区,居民日常生活的[1] Steiner C. Nitrogen retention and plant uptake on a highly能源需求,主要依赖秸秆、薪材、粪便等生物质直接燃weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and烧,不仅能源利用效率低,而且污染环境、危害健康、堆charcoal!J] Journal of Plant Nutrition and Soil Science-zeitschrift放的秸秆是火灾的巨大隐患。利用生物质高温裂解Fur Pflanzenernahrung Und Bodenkunde, 2008, 171(6): 893-899生产生物燃气、生物油和生物质炭,其中生物燃气可用12] Lehmann J. Nutrient availability and leaching in an archaeologicalAnthrosol and a Ferralsol of the Central Amazon basin: fertilizer于炊事,生物油可用于发电,生物质炭既可用作燃料,manure and charcoal amendments[]. Plant and Soil, 2003, 249(2)也可用于改良培肥土壤。目前需要解决的问题主要343-357.是:(1)满足不同需求的不同规模的系列化高温裂解13 Lehmann. Bio-energy in the black[JI. Frontiers in Ecology andthe Environment, 2007, 5(7): 381-387技术和设备:(2)生物燃气或生物油发电技术与设备:14] Yamato M. Effects of the application of charred bark ofAcacia(3)高温裂解副产物综合利用技术。mangiumeanut, and soil44生物质炭修复污染环境模式与技术中国煤化工叮 Soil Science中国重金属污染士壤修复、矿物复垦、石油污染修CNMHG罗煜等:生物质炭之低碳农业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. 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