生物質炭與土壤可持續管理：從土壤問題到生物質產業
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中國網/中國發展門戶網訊 研究生物質炭的有機質組分、結構、性質與功能的表征與有機質-礦物-微生物相互作用的基礎研究是未來土壤可持續管理中的重要研究方向。這些問題將揭示生物質炭對于農業生命的系統健康及綠色農業的巨大價值，進一步彰顯了土壤學服務于中國農業可持續管理與生物質產業融合的巨大價值。
生物質炭與土壤管理的緣起：自然與傳統
20?世紀末期，歐美科學家在巴西等地研究人類古老農業文明時發現，在亞馬遜腹地的一些高地存在著一種暗色、富含有機質的肥沃土壤，當地人稱這種土壤為“Terra Preta”。最初，科學家認為這種土壤屬于暗色黏性土（彼時的“暗色黏性土”即后來的“變性土”，是國際土壤學的熱點）。但進一步研究發現，該土壤具有深厚的、富含穩定有機質的暗色層，其?pH?值、陽離子交換量（CEC）以及鈣（Ca）和鎂（Mg）含量又區別于老成土。這種肥沃土壤引起了國際土壤學界的極大興趣。Terra Preta?的形成與當地土著居民長期以來的一種“火耕”（Slash and Burn）習慣有關，即每開墾一處新地后就會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力的根本原因。這種土壤的主要特征是富含豐富的有機質，且有機質與土壤礦物結合形成穩定團聚體并長期保存在土壤中，從根本上改善了強酸性貧瘠老成土的肥力水平。這是最早的生物質炭改善土壤、增進肥力的土壤學研究。隨后美國康奈爾大學?Johannes Lehmann?博士分別于?2007?和?2016?年撰文，呼吁人類利用炭化技術來改善土壤，以增加土壤有機質、減緩氣候變化和提高農業生產力。該技術的核心內容是將陸地生態中的有機物質轉化成生物質炭（biochar）后再歸還到土壤中。2008?年以后，許多研究陸續證實生物質炭可顯著改善土壤肥力水平，且生物質炭化生成的有機質在土壤中的更新周期長達數百至千年，低于農業土壤有機質數倍。因此，與減緩全球氣候變化相呼應，利用生物質炭增加土壤有機質碳庫作為減緩氣候變化的農業途徑引起了科學界廣泛關注，全球生物質炭固碳增匯的潛力不斷刷新。
廢棄物炭化與生物質炭生產：生物質科技與工程的萌生
繼在南美洲亞馬遜河流域發現?Terra Preta?之后，科學家在歐洲、澳大利亞等地區也發現了類似?Terra Preta?的暗色肥沃土壤?？茖W家們深信，人類能夠通過向土壤中添加炭化的有機質來維持和提升土壤肥力。在南美洲和亞洲一些國家的山區，至今還保留著原始的土坑制炭還田的傳統。在一些發達國家，農業生產方式發生很大轉變，傳統的勞動密集型土坑制炭的方法并不能滿足現代農業的需求，而快速的、工業化的生物質炭制備工藝成為滿足大規模生物質炭還田的技術需求。最初，許多國家參考木炭的制備工藝，利用低溫熱裂解工藝生產生物質炭，炭化的原料和方式隨即成為炭化技術和工程發展的重要方面。生產生物質炭的原料從最初的林木廢棄物擴展到農作物秸稈，又到農業加工過程中產生的稻殼、椰殼，再到城市污水處理過程中產生的污泥，最后到生活垃圾和餐廚廢棄物。炭化工藝從最初的土坑、土窯到連續式工業窯，從立式炭化爐到臥式回轉窯，從炭化機單體到全程控制的炭化系統。炭化技術的發展，一方面從有機質來源角度處理了生物質源廢棄物，屬于環境工程領域；另一方面，生產制備的生物質炭用于農業土壤施用，可以改善土壤、增加土壤固碳，服務于減緩氣候變化。因為來源都是生物質廢棄物，工藝核心都是限氧熱裂解，產物核心是黑色固體炭質有機物（圖?1），這樣的物質被概稱為生物質炭。目前，生物質炭化技術已經形成一個介于環境工程、環境管理、土壤管理、氣候變化應對的跨學科領域的生物質炭科技與工程。
圖?1 自然界生物質熱裂解基本反應原理
生物質炭科技源于歐美，在西方國家得到了廣泛的關注和普及。澳大利亞新南威爾士州的?Stephen Joseph?博士，最早系統地總結生物質炭的制備工藝與技術，并率先在美國注冊了生物質炭公司，在一些場合他被稱為“世界生物質炭科技之父”。鑒于其在全球推廣生物質炭工程方面作出的貢獻，Stephen Joseph?博士獲得?2017?年澳大利亞國家榮譽勛章（The Order of Australia）。2009?年，Stephen Joseph?與?Johannes Lehmann?合著的《生物質炭科技與環境管理》（Biochar Science and Technology for Environment Management）一書出版。這本書被人稱為“生物質炭圣經”，并于?2015?年再版。