生物质炭农业应用与碳中和

刘晓雨 潘根兴

生物质炭是作物秸秆、果木修剪枝条、农产品下脚料、动物粪便等各种来源的废弃生物质在厌氧环境下发生热解反应生成的黑色固体。早在2006年，科学家提出将生物质炭施于土壤，以提高土壤肥力。这一思想源于亚马孙河流域黑色肥沃土壤的发现。南美洲的亚马孙河流域是世界上最大的热带雨林区，因高温多雨，该地区土壤有机质分解快，导致土壤快速退化而贫瘠。但就是在这样一个土地广泛贫瘠的地区，零星分布着非常肥沃的土壤，当地人称这种土壤为Terra Preta。科学家研究发现，这种肥沃土壤的特征是存在大量的黑色炭颗粒[1]。土壤中的黑色炭颗粒是2500多年以前当地原住民将植被开垦后的林木废弃物土法炭化后混入土壤中的。21世纪以来，全球掀起了对这种人为黑色肥沃土壤的研究热潮，也拉开了农业生物质炭研究的序幕。2009年，《生物质炭与环境管理：科学与技术》一书首次问世。科学家们总结了生物质炭制备方法、性质、功能及土壤和环境应用效果等，并描绘出了生物质炭产业的美好蓝图[2]。

我国农业面临土壤肥力低、化肥农药施用量大、土地退化普遍，以及农业废弃物资源化利用难等问题，实现农业碳中和充满挑战。我们提出了基于作物秸秆热裂解的生物质炭科技与工程构想，作为我国农业实现绿色和可持续发展的新途径[3]。2017年，秸秆炭化还田被列入国家十大秸秆处理模式之一。2020—2021连续两年，秸秆炭化还田入围农业农村部重大引领性技术榜单。十多年的实践证明，生物质炭化还田是实现土壤改良、农业增产、农民增收、食物优质与环境友好的绿色农业科技，能够服务于国家农业可持续发展战略。至此，生物质炭基农业进入了全球视野。

区别于生活和环境用途的木炭和活性炭，农业废弃物生物质炭最显著的功能是施用于土壤，提升耕地质量。生物质炭农业应用经历了直接施用和炭基肥施用两个重要阶段。

将生物质炭直接施用到农田土壤中，可显著改良土壤结构，增加土壤孔隙度、降低容重、增强保水性能等，进而提高土壤肥力水平和作物产量[4]。但对生产者来说，经济效益是生物质炭应用的关键，价格因素是限制生物质炭大范围推广应用的主要原因。因技术和生产规模所限，当前生物质炭价格普遍在2000～3000元/吨。如果每亩粮食生产施用1吨生物质炭，数千元的成本让农民难以接受。目前，直接施用生物质炭仅限于经济作物（例如人参、三七等中药材和大蒜、山药等）生产中。因此，只有降低施用成本，才能发挥生物质炭的土壤改良与固碳效益。

生物质炭基肥是将生物质炭与氮、磷、钾等化学肥料按照一定比例混合后造粒制成，可以替代化肥施用，同时增施了有机质。生物质炭基肥的施用量等同于化肥，施用成本与普通复合肥相当，对消费者来说有很强的竞争力。2017—2018年期间，我们在北方粮食主产区进行了生物质炭基肥肥效的田间示范试验，共有150个试验点，包括玉米、水稻、小麦、大豆等15种作物。结果显示，与普通复合肥相比，生物质炭基肥施用下，各种作物的增产幅度为0.5%～33.3%，其中小麦增产最高（平均10.8%），其次是水稻（9.8%），大豆和玉米分别增产6.8%和5.3%。2017年，生物质炭基肥农业部行业标准出台。尽管科学试验已经证实生物质炭基肥有较好的增产增效减肥减排效果，但作为一种新型肥料，生物质炭基肥全面替代化肥尚需要解决市场机制问题。

我国农田肥力水平差异大，中、低产田比例较高。《2019年全国耕地质量等级情况公报》显示，我国耕地高、中、低产田比例分别为31.24%、46.81%和21.95%。能否结合当前我国农田地力提升计划，利用生物质炭土壤施用快速增加有机质、改善土壤质量、提升土壤健康并减少秸秆还田和化肥施用带来的碳排放问题？结合在江苏省省级生态循环农业示范村——南京市芝山合作社经验，我们提出了生物质炭多样化利用途径，简称为“一炭三肥”炭基生态途径。

“一炭三肥”炭基生态途径以低温热解技术为基础，炭化利用多种农业废弃生物质资源，形成了集农业废弃物处理、生物质能源利用与土壤改良和环境治理的多元化利用途径，主要产品包括生物质炭（基础产品）、土壤改良剂（炭基有机肥）、炭基复混（掺混）肥、液体复合肥4个产品。林木类生物质炭pH高、孔隙发达，可直接用于重金属污染农田治理。秸秆类和城市污泥生物质炭养分含量高，可以和化学肥料结合制备成生物质炭基肥，部分替代化学肥料用于主要粮食作物生产。林木类、果壳类生物质炭与畜禽粪污混合堆肥，通过接种有益微生物，制备土壤调理剂，用于盐碱土、连作障礙土壤治理和中低产田土壤快速改良。其中，生物质炭为土壤结构重建提供有机质支撑，畜禽粪污为土壤微生物和植物生长提供养分资源。炭化过程中产生的木醋液和生物质炭浸提液用于生产商品液体有机肥，一方面为植物生长提供养分，另一方面可作为植物促生剂提高植物抗逆性。浸提后的生物质炭保留了良好的孔隙结构和表面活性，可用于重金属污染土壤治理。炭化过程中产生的可燃气体可直接为生物质炭基肥制造、生物质炭原料烘干提供能源。

土壤健康是农业可持续发展的基石。健康的土壤拥有持续生产力，能够维持空气和水环境质量，并促进植物、动物和人类健康。中华五千年农耕文明孕育出了诸如秸秆养畜—畜粪肥田—土地生产的闭合循环农业管理模式，在这种模式下土壤地力得以持续。随着化肥工业兴起和我国城镇化快速推进，这一闭合循环模式被打破：化肥逐渐取代有机肥，规模化养殖取代分散式养殖，导致秸秆不再养畜和薪用，畜禽粪污产生集中、农牧脱节、种养分离，秸秆和粪污回田之路被阻断。秸秆和畜禽粪便变成了污染物，严重影响了农村生态环境和农业可持续发展。由于有机质得不到有效补充，土壤面临板结、结构变差、盐碱化等退化问题。设施农业中，大水大肥和高强度的土地利用模式，进一步加剧了连作障碍、土壤微生物菌群失衡等问题，土壤健康状况令人担忧。尽管各级政府一直引导和推动秸秆与畜禽粪污的回田利用，但收效甚微，农业废弃物利用难和土壤退化的问题并没有从根本上解决。

生物质炭孔隙结构发达，进入土壤后与土壤矿物颗粒结合而促进土壤团聚体形成，有效改善土壤结构[5]，大大促进植物根系生长及其养分、水分吸收，既增强抗倒伏能力，又提高植物抗旱、抗盐等抗逆性[6]。一些研究发现，施用生物质炭后，植株抗病能力显著提升，如水稻穗颈瘟和稻曲病感染率降低。生物质炭还能通过提高土壤微生物多样性降低烟草青枯病发病率。在长期种植人参的土壤中施用生物质炭，可显著抑制由连作障碍引起的根腐病的发生，人参产量增加27%，主要品质指标皂苷含量提高86%。施用生物质炭后叶菜类蔬菜体内硝酸盐含量大幅降低。在重金属污染土壤中，施用生物质炭虽然无法将有毒元素从土壤中去除，但是可大幅度降低污染物的溶解性和植物可利用性，進一步抑制有害金属元素向植物体内转移，从而降低重金属在可食部分中的含量[7]。许多研究还发现，生物质炭能够降低农药在土壤中的残留量，进一步提升土壤健康水平。因此，生物质炭农田施用是优质健康生产的绿色技术。

在气候变化的大背景下，农田固碳（增加土壤有机质）减排（来自有机质分解产生的甲烷和化肥施用产生的氧化亚氮）是农业实现碳中和的核心目标和技术途径。科学家比较了多种减排技术，发现生物质炭土壤施用固碳减排潜力极为显著。和碳固定与碳封存、生物能源利用、土壤固碳等当前较为流行的技术相比，生物质炭化还田环境代价小、成本低，且经济可行[8]。生物质炭化还田在固碳和温室气体减排方面作用主要体现在以下几个方面。

首先，废弃物生物质炭化利用过程将一大部分绿色植物光合产物碳以生物质炭的形式固定下来，与直接燃烧或还田相比，有机碳的周转时间大幅度延长，将大气二氧化碳更长时间地封存于土壤。有研究表明，生物质炭稳定性强，在土壤中至少存留几百年。其次，生物质炭化过程还回收利用了有机质中大部分的养分资源和一部分能量，既节约了能源，又减少了化学肥料施用，进而减少了化学肥料生产过程中的温室气体排放。第三，生物质炭施用后还能减少农田温室气体直接排放。对多个田间试验的数据整合分析发现，生物质炭施用后农田氧化亚氮和稻田甲烷排放分别降低13.6%和15.2%[9]，每生产1千克谷物温室气体排放量减少3.5千克二氧化碳当量。按照2018年全国粮食产量6.58亿吨计，生物质炭施用当年全国温室气体排放可减少23亿吨二氧化碳当量。因此，生物质炭农业应用的碳中和潜力巨大。我们相信，在国家碳中和战略指导下，随着碳交易机制的完善，生物质炭产业和农业应用将会有更大的发展，有希望成为我国农业贡献国家碳中和目标的重要方面。我们也相信，传统农耕文化与生物质炭基绿色科技的深度交叉，有可能开创生物质炭基绿色新型农耕文明，并传播到广大发展中国家，影响其农业发展和碳中和实践。

[1]Glaser B ， Haumaier L ， Guggenberger G， et al. The “Terra Preta”phenomenon： a model for sustainable agriculture in the humid tropics. Naturwissenschaften， 2001， 88： 37-41.

[2]Lehmann J， Joseph S. Biochar for environment management： Science and technology. London： Earth Scan， 2009.

[3]潘根兴， 李恋卿， 刘晓雨， 等. 热裂解生物质炭产业化： 秸秆禁烧与绿色农业新途径. 科技导报， 2015， 33（13）： 92-101.

[4]Farhangi-Abriz S ， Torabian S ， Qin R J， et al. Biochar effects on yield of cereal and legume crops using meta-analysis. Science of the Total Environment， 2021， 775：145869. DOI： 10.1016/ j.scitotenv.2021.145869.

[5]UI Islam， Jiang F H， Guo Z C， et al. Does biochar application improve soil aggregation？ A meta-analysis. Soil and Tillage Research， 2021， 209： 104926. DOI： 10.1016/j.still.2020.104926.

[6]Xiang Y Z， Deng Q， Duan H L， et al. Effect of biochar application on root traits： a meta-analysis. Global Change Biology Bioenergy， 2017， 9： 1563-1572.

[7]Chen D， Liu X Y， Bian R J， et al. Effects of biochar on availability and plant uptake of heavy metals： A meta-analysis. Journal of Environmental Management， 2018， 222： 76-85.

[8]Smith P. Soil carbon sequestration and biochar as negative emission technologies. Global Change Biology， 2016， 22： 1315-1324.

[9]刘成， 刘晓雨， 张旭辉， 等.基于整合分析方法评价我国生物质炭施用的增产与固碳减排效果.农业环境科学学报， 2019， 38（3）： 696-706.

关键词：生物质炭 碳中和 健康农业 固碳减排 ■