中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶(hù)網(wǎng)訊  研究生物質(zhì)炭的有機(jī)質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能的表征與有機(jī)質(zhì)-礦物-微生物相互作用的基礎(chǔ)研究是未來(lái)土壤可持續(xù)管理中的重要研究方向。這些問(wèn)題將揭示生物質(zhì)炭對(duì)于農(nóng)業(yè)生命的系統(tǒng)健康及綠色農(nóng)業(yè)的巨大價(jià)值，進(jìn)一步彰顯了土壤學(xué)服務(wù)于中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)管理與生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)融合的巨大價(jià)值。

生物質(zhì)炭與土壤管理的緣起：自然與傳統(tǒng)

20?世紀(jì)末期，歐美科學(xué)家在巴西等地研究人類(lèi)古老農(nóng)業(yè)文明時(shí)發(fā)現(xiàn)，在亞馬遜腹地的一些高地存在著一種暗色、富含有機(jī)質(zhì)的肥沃土壤，當(dāng)?shù)厝朔Q(chēng)這種土壤為“Terra Preta”。最初，科學(xué)家認(rèn)為這種土壤屬于暗色黏性土（彼時(shí)的“暗色黏性土”即后來(lái)的“變性土”，是國(guó)際土壤學(xué)的熱點(diǎn)）。但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該土壤具有深厚的、富含穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)的暗色層，其?pH?值、陽(yáng)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(guó)際土壤學(xué)界的極大興趣。Terra Preta?的形成與當(dāng)?shù)赝林用耖L(zhǎng)期以來(lái)的一種“火耕”（Slash and Burn）習(xí)慣有關(guān)，即每開(kāi)墾一處新地后就會(huì)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(zhǎng)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(chǎn)力的根本原因。這種土壤的主要特征是富含豐富的有機(jī)質(zhì)，且有機(jī)質(zhì)與土壤礦物結(jié)合形成穩(wěn)定團(tuán)聚體并長(zhǎng)期保存在土壤中，從根本上改善了強(qiáng)酸性貧瘠老成土的肥力水平。這是最早的生物質(zhì)炭改善土壤、增進(jìn)肥力的土壤學(xué)研究。隨后美國(guó)康奈爾大學(xué)?Johannes Lehmann?博士分別于?2007?和?2016?年撰文，呼吁人類(lèi)利用炭化技術(shù)來(lái)改善土壤，以增加土壤有機(jī)質(zhì)、減緩氣候變化和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。該技術(shù)的核心內(nèi)容是將陸地生態(tài)中的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)炭（biochar）后再歸還到土壤中。2008?年以后，許多研究陸續(xù)證實(shí)生物質(zhì)炭可顯著改善土壤肥力水平，且生物質(zhì)炭化生成的有機(jī)質(zhì)在土壤中的更新周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)百至千年，低于農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)倍。因此，與減緩全球氣候變化相呼應(yīng)，利用生物質(zhì)炭增加土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)作為減緩氣候變化的農(nóng)業(yè)途徑引起了科學(xué)界廣泛關(guān)注，全球生物質(zhì)炭固碳增匯的潛力不斷刷新。

廢棄物炭化與生物質(zhì)炭生產(chǎn)：生物質(zhì)科技與工程的萌生

繼在南美洲亞馬遜河流域發(fā)現(xiàn)?Terra Preta?之后，科學(xué)家在歐洲、澳大利亞等地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似?Terra Preta?的暗色肥沃土壤。科學(xué)家們深信，人類(lèi)能夠通過(guò)向土壤中添加炭化的有機(jī)質(zhì)來(lái)維持和提升土壤肥力。在南美洲和亞洲一些國(guó)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(dá)國(guó)家，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生很大轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型土坑制炭的方法并不能滿(mǎn)足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求，而快速的、工業(yè)化的生物質(zhì)炭制備工藝成為滿(mǎn)足大規(guī)模生物質(zhì)炭還田的技術(shù)需求。最初，許多國(guó)家參考木炭的制備工藝，利用低溫?zé)崃呀夤に嚿a(chǎn)生物質(zhì)炭，炭化的原料和方式隨即成為炭化技術(shù)和工程發(fā)展的重要方面。生產(chǎn)生物質(zhì)炭的原料從最初的林木廢棄物擴(kuò)展到農(nóng)作物秸稈，又到農(nóng)業(yè)加工過(guò)程中產(chǎn)生的稻殼、椰殼，再到城市污水處理過(guò)程中產(chǎn)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(zhuǎn)窯，從炭化機(jī)單體到全程控制的炭化系統(tǒng)。炭化技術(shù)的發(fā)展，一方面從有機(jī)質(zhì)來(lái)源角度處理了生物質(zhì)源廢棄物，屬于環(huán)境工程領(lǐng)域；另一方面，生產(chǎn)制備的生物質(zhì)炭用于農(nóng)業(yè)土壤施用，可以改善土壤、增加土壤固碳，服務(wù)于減緩氣候變化。因?yàn)閬?lái)源都是生物質(zhì)廢棄物，工藝核心都是限氧熱裂解，產(chǎn)物核心是黑色固體炭質(zhì)有機(jī)物（圖?1），這樣的物質(zhì)被概稱(chēng)為生物質(zhì)炭。目前，生物質(zhì)炭化技術(shù)已經(jīng)形成一個(gè)介于環(huán)境工程、環(huán)境管理、土壤管理、氣候變化應(yīng)對(duì)的跨學(xué)科領(lǐng)域的生物質(zhì)炭科技與工程。

圖?1   自然界生物質(zhì)熱裂解基本反應(yīng)原理

生物質(zhì)炭科技源于歐美，在西方國(guó)家得到了廣泛的關(guān)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(jié)生物質(zhì)炭的制備工藝與技術(shù)，并率先在美國(guó)注冊(cè)了生物質(zhì)炭公司，在一些場(chǎng)合他被稱(chēng)為“世界生物質(zhì)炭科技之父”。鑒于其在全球推廣生物質(zhì)炭工程方面作出的貢獻(xiàn)，Stephen Joseph?博士獲得?2017?年澳大利亞國(guó)家榮譽(yù)勛章（The Order of Australia）。2009?年，Stephen Joseph?與?Johannes Lehmann?合著的《生物質(zhì)炭科技與環(huán)境管理》（Biochar Science and Technology for Environment Management）一書(shū)出版。這本書(shū)被人稱(chēng)為“生物質(zhì)炭圣經(jīng)”，并于?2015?年再版。

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