近日，一塊位于江蘇省南京市高淳區東壩街道和睦澗村的水稻田備受關(guān)注。2022年7月，高淳區與生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所、南京農業(yè)大學(xué)、南京國環(huán)有機產(chǎn)品認證中心有限公司合作，向和睦澗村淳和水稻專(zhuān)業(yè)合作社的500畝有機水稻田投放了60噸生物質(zhì)炭。觀(guān)測數據顯示，2022年11月30日至2023年11月30日，這片稻田病蟲(chóng)害發(fā)生率平均下降15%，土壤固碳量平均增加89%，稻田溫室氣體直接排放平均減少16%，凈排放量平均減少51%，共產(chǎn)生碳匯130.67噸二氧化碳當量。

不僅如此，這些碳匯隨后被一家公司以每噸75元、總價(jià)9800.25元的成交價(jià)拍下，成為全國生物質(zhì)炭有機水稻產(chǎn)生碳匯的“第一拍”。種田人變“賣(mài)碳翁”，種水稻的同時(shí)收獲好空氣，還能將“碳票”換成鈔票。成就這片水稻田的生物質(zhì)炭到底為何物？生物質(zhì)炭的應用是否能為碳減排提供有力支撐？

實(shí)現碳減排的同時(shí)吸附有機污染物

稻田是溫室氣體甲烷的重要排放源，我國每年稻田甲烷排放量約500萬(wàn)—800萬(wàn)噸。2022年5月，農業(yè)農村部、國家發(fā)展改革委共同印發(fā)《農業(yè)農村減排固碳實(shí)施方案》，將稻田甲烷減排行動(dòng)置于十大行動(dòng)之首。

生物質(zhì)炭是否能為有機稻田固碳減排分憂(yōu)，成為專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)。事實(shí)證明，生物質(zhì)炭的潛力不可小覷。

生物質(zhì)炭是指將秸稈、樹(shù)枝、菌渣等生物質(zhì)廢棄物，在無(wú)氧或限氧環(huán)境中，經(jīng)高溫熱裂解所產(chǎn)生的富碳固態(tài)物質(zhì)。南京農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授程琨告訴科技日報記者，在無(wú)氧或限氧條件下，生物質(zhì)廢棄物在250℃—750℃發(fā)生熱解。其碳水化合物結構崩解后，將產(chǎn)生生物質(zhì)炭、木醋液和生物質(zhì)可燃氣。目前國內外生物質(zhì)熱解技術(shù)大致可分為三大類(lèi)：一類(lèi)是在小于500℃環(huán)境下的低溫慢速熱解，一類(lèi)是在500℃—700℃的中溫快速熱解，一類(lèi)是在700℃以上的高溫閃速裂解。

“生物質(zhì)炭用于農業(yè)生產(chǎn)能增加土壤有機質(zhì)、改善土壤性質(zhì)，提高土壤養分和水分保持能力，促進(jìn)作物生長(cháng)，提高作物產(chǎn)量并改善農產(chǎn)品品質(zhì)。”南京農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授鄭聚鋒說(shuō)，生物質(zhì)炭一般呈堿性，施入土壤后可以中和土壤酸性，促使土壤中的重金屬離子沉淀。同時(shí)，生物質(zhì)炭還可以有效吸附土壤中的重金屬，減少作物對重金屬的吸收。

“我們和國內其他學(xué)術(shù)團隊大量的田間試驗顯示，生物質(zhì)炭可以顯著(zhù)降低我國南方鎘污染稻田水稻籽粒對鎘的吸收。”鄭聚鋒介紹，生物質(zhì)炭具有較大比表面積、孔隙多，能夠吸附并固定有機污染物在其表面，還能通過(guò)增強土壤中微生物的活性，提高微生物分解有機污染物的能力。因此，生物質(zhì)炭施用于含有機污染物的土壤，可以有效阻控植物對有機污染物的吸收。

生物質(zhì)炭除被直接施用進(jìn)行土壤改良外，還可與氮、磷、鉀等化學(xué)肥料按照一定比例混合后，制成生物質(zhì)炭基肥，作為新型肥料在農田中廣泛應用。鄭聚鋒曾統計過(guò)國內247個(gè)觀(guān)測點(diǎn)的炭基肥田間試驗數據，發(fā)現施加了炭基肥后，玉米、大豆、水稻、蔬菜等作物增產(chǎn)率達7.8%—16.8%，所有作物平均增產(chǎn)10.9%。

“我們團隊在2017年也做過(guò)研究，發(fā)現在農田施加生物質(zhì)炭基肥后，可以提升肥料的養分利用效率并降低溫室氣體排放。其中，氮素利用效率提升了43%，而碳排放降低了20%。”鄭聚鋒說(shuō)。

在炭化裝備研制等方面已有創(chuàng )新成果

在國際社會(huì )，生物質(zhì)炭市場(chǎng)呈現出勃勃生機。國際生物質(zhì)炭協(xié)會(huì )和美國生物質(zhì)炭協(xié)會(huì )發(fā)布的《2023年全球生物質(zhì)炭報告》顯示，生物質(zhì)炭生產(chǎn)商、經(jīng)銷(xiāo)商、增值生產(chǎn)商和設備制造商的營(yíng)收在2023年超過(guò)了6億美元，2021—2023年間的復合年均增長(cháng)率達到了97%。預計到2025年，生物質(zhì)炭相關(guān)產(chǎn)業(yè)營(yíng)收將進(jìn)一步增長(cháng)至33億美元。

鄭聚鋒介紹，相關(guān)文獻顯示，生物質(zhì)炭每年在全球具備的碳移除潛力可達3億噸—20億噸二氧化碳當量。若得到廣泛應用，生物質(zhì)炭在中國的固碳減排潛力可接近9000萬(wàn)噸二氧化碳當量。

“目前我國的生物質(zhì)炭研究在炭化裝備研制、生物質(zhì)炭工程技術(shù)創(chuàng )新、氣炭肥多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)創(chuàng )制等方面，已經(jīng)積累了一些創(chuàng )新成果。”南京農業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授卞榮軍說(shuō)，當前，在水體、土壤、大氣中的污染物吸附、鈍化、降解方面，國內已經(jīng)研發(fā)出多種生物質(zhì)炭基材料。

此外，具有緩釋高效功能的炭基復合肥等綠色肥料，也可以服務(wù)于農業(yè)面源污染治理。卞榮軍舉例，有團隊將生物質(zhì)炭表面改性后，讓其能針對性地吸附多環(huán)芳烴等污染物，抑制氧化亞氮、氨氣、甲烷的排放，從而實(shí)現農業(yè)減污降碳。也有研究團隊在秸稈等原材料熱解過(guò)程中，通過(guò)添加鐵、錳等氧化物，讓生物質(zhì)炭的表面能吸附更多污染物。

畜禽糞便的科學(xué)處理與資源化利用有利于消減污染物、減少養分流失、促進(jìn)規模化畜禽養殖業(yè)可持續發(fā)展。卞榮軍介紹，有研究顯示，將生物質(zhì)炭與畜禽糞便共堆肥，可以增強發(fā)酵效果，并降低氨氣的排放，減少堆肥中氮素損耗。

生物質(zhì)炭與農業(yè)化肥的“聯(lián)姻”也展現出應用前景。“在化肥中添加生物質(zhì)炭，可以利用生物質(zhì)炭的孔隙和官能團，將化肥中的養分保持在土壤中，減少養分損失，從而提升養分利用效率。”卞榮軍說(shuō)。

不過(guò)，在卞榮軍看來(lái)，生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)化還處于技術(shù)攻堅和商業(yè)化應用開(kāi)拓的關(guān)鍵階段，相關(guān)生產(chǎn)標準尚待建立。例如提升熱解裝備的連續化生產(chǎn)能力，以及生物質(zhì)熱解過(guò)程中尾氣的凈化，都是當前需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

程琨則認為，當前生物質(zhì)炭推廣仍存在使用成本過(guò)高等短板。特別是生產(chǎn)成本和運輸成本較高，每噸生物質(zhì)炭的使用成本大約在1500元以上。

針對不同原料生物質(zhì)炭特性開(kāi)發(fā)專(zhuān)用產(chǎn)品

使用生物質(zhì)炭是提升土壤碳匯的一條有效途徑，同時(shí)生物質(zhì)炭也可以把生物質(zhì)廢棄物綜合利用起來(lái)，符合低碳、綠色、高效、循環(huán)和可持續的高質(zhì)量發(fā)展理念。2019年，聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )將生物質(zhì)炭土壤固碳量的計算納入《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》，這為生物質(zhì)炭生態(tài)效益轉化為經(jīng)濟效益提供了契機。

在程琨看來(lái)，未來(lái)，針對不同原料生物質(zhì)炭特性開(kāi)發(fā)專(zhuān)用產(chǎn)品，是生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。“例如，林木類(lèi)生物質(zhì)炭堿性高、孔隙發(fā)達，可直接用于重金屬污染農田治理。林木類(lèi)、果殼類(lèi)生物質(zhì)炭還可以與畜禽糞污混合堆肥，通過(guò)接種有益微生物，制備土壤調理劑，用于鹽堿土、連作障礙土壤治理和中低產(chǎn)田土壤快速改良。而秸稈類(lèi)生物質(zhì)炭由于養分含量高，可以和化學(xué)肥料結合制備成生物質(zhì)炭基肥，部分替代化學(xué)肥料用于主要糧食作物生產(chǎn)。”程琨說(shuō)。

生物質(zhì)廢棄物炭化過(guò)程中的產(chǎn)物，也將產(chǎn)生經(jīng)濟價(jià)值。程琨介紹，炭化過(guò)程中產(chǎn)生的木醋液，可以和生物質(zhì)炭浸提液用于生產(chǎn)商品液體肥，一方面能為植物生長(cháng)提供養分，另一方面可作為植物促生劑提高植物抗逆性。此外，木醋液還可用于制備醋酸、醋酸鹽等化學(xué)品，在農業(yè)、養殖業(yè)、護膚美容、醫療保健等領(lǐng)域發(fā)揮作用。炭化過(guò)程中產(chǎn)生的生物質(zhì)可燃氣則是重要的清潔能源，可通過(guò)替代傳統化石能源用于發(fā)電或供熱，服務(wù)于能源安全。

“針對生物質(zhì)炭化技術(shù)進(jìn)行多元化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)化的農業(yè)綠色低碳技術(shù)服務(wù)、碳資產(chǎn)管理服務(wù)，可以構建‘炭基農業(yè)’新模式，服務(wù)農業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展。”對于生物質(zhì)炭的未來(lái)，程琨信心滿(mǎn)滿(mǎn)。