农业废弃物生物黑炭转化还田作为低碳农业途径的探讨 　

　　摘要：生物黑炭是有机废弃物转化的稳定性碳物质。国际衣业废弃物生物黑炭转化技术研究日益活跃，并正在进行衣田增汇减排的试验示范。文章介绍了生物黑炭技术发展的背景，以及生物黑炭技术转化和应用研究的国际动态，讨论了生物黑炭技术在应对气候变化中对衣业生产和固碳减排的潜在作用，并分析将其纳入国际碳贸易市场和国内自主减排碳交易市场的可能性。最后，提出我国开展衣作物废弃物生物黑炭转化与衣业应用研究的建议。

　　关键词：生物黑炭；衣业废弃物；气候变化；固碳减排

　　最近5a多来，随着应对气候变化而提出的温室气体减排任务日益艰巨，在农业领域农业废弃物生物黑炭转化和应用作为_种农业增汇减排技术途径,其研究和开发得到不断发展，时常出现于若干国家和国际组织的应对气候变化的动议中，并已提到联合国气候变化公约组织气候变化对话的高度。笔者介绍了国际生物黑炭农业应用的背景、研究与应用态势，并讨论其在我国的发展前景，期望为我国农业领域应对气候变化的研究和行动提供参考。

　　1.“生物黑炭”应用于土壤固碳的缘起

　　在巴西亚玛逊流域分布着一种深厚、富碳的肥沃土壤，它与周边贫瘠的、低有机质酸性土壤具有明显差别，它是古代人们在发展热带酸性土农业管理实践中创造出的人工土壤。早期的欧洲殖民者将这种土称为terrapreta(葡萄牙语黑土的意思，为了区别于温带黑土，又称亚玛逊黑土或印第安黑土),其上部深厚的暗色富碳层厚达35cm,含有大量生物来源的黑炭。这与周边棕红色的氧化土有明显区别。第1位记载这种“黑色但很肥沃土壤”的学者是美国地质学家和探险家JamesOrton,他在1870年出版了《亚马逊与印第安人》一书。现代科学家从这种土壤性质出发，萌发了创造‘‘技术土壤"(terranova)够通过类似古人类的管理理念在贫瘠土壤上培育出肥沃而高碳库的土壤。

　　这种热带森林地区肥沃的富生物黑炭的土壤“terrapreta们对生物黑炭研究的浓厚兴趣。这种土壤保持着一个巨大而稳定的土壤有机质碳库，其来源于生物黑炭的土壤有机质碳含量高达35%,发现这种生物质转化来的‘‘黑炭”的更新周期至少为1000。对所保存的长期试验样本的测定也佐证了这种生物黑炭的高度稳定性。其实，这种土壤生物黑炭或者生物黑炭施用于土壤的痕迹，不论在远古时期土壤7还是在南美洲以外的其他地方的现代土壤都还可以找到。因此，科学家相信，人们可以通过人为的技术措施提高土壤固有的有机碳储量。

　　2.生物黑炭转化的技术工艺与流程

　　简言之，生物黑炭是生物质有机碳在无氧状态高温裂解下分离可燃气后剩余的炭化副产品。生物黑炭一词，原本是指一种称为慢速热裂解（slowpy?rolysis)的专门生产过程的产物,这种过程是无氧而相对低温（<500°C,-般介于240~350°C)条件下的炭化过程，能量向热量的转化较少，从而避免了大量碳逸失。最近，温度略高条件下的短促热裂解（fastpyrolysis)以及微波炭化等新技术也被纳入生物黑炭生产技术范畴。生物黑炭与自然和人为活动中生产的炭屑（charcoal)、活性炭和碳黑不同,尽管这些都是有机生物质碳热处理下的产物。高温热裂解也释放C〇2,在秸轩生物黑炭转化制备装置中，生产过程一般只消耗其中10%的能量。就消耗生物质较多的合成气生产过程而言，其生物黑炭副产物中仍有超过60%的碳保留。

　　用于转化而生产生物黑炭的原料来自植物生产的各种秸轩原料和废弃物，包括木屑，树皮，多种作物秸轩（作物茎叶、果壳、米糠），生物能作物柳枝稷(switchgrass),加工工业如制糖工业中甘鹿渣、制油工业中油菜饼和橄榄油的残渣等有机废弃物，造纸工业中的纸渣（纸浆），畜禽养殖业废弃物以及城市污泥、生活垃圾等废弃物。当然，单宁和木质素含量高而灰分和氮含量低的有机废弃物最适合中温（约500C)条件下生物黑炭的加工。

　　不过，兼顾能源高效利用和潜在固碳减排效益最大化的生物黑炭商业制造技术还很不成熟，还没有形成适合不同原料的最优化生物黑炭工程转化的商业化技术。但木材和农作物秸轩的生物黑炭转化技术基本成形,其基本工作原理。能源排放与全球变暖的挑战，施用生物黑炭以培育肥沃高碳土壤（terrapreta)的国际呼声越来越高涨。随着农业碳交易或碳补偿机制的期望认可，生物黑炭转化和农业应用越来越显得经济可行。当前普遍认为，生物黑炭的土壤施用可能是唯一的通过施入稳定性碳来改变生态系统土壤碳库自然平衡，从而达到大幅度提高土壤碳库容量的技术方式。

　　目前，生物质燃烧构成了全球CH4排放量的10%和N2O排放量的1%。将生物能作物裂解转化为生物黑炭,尽管不能完全消除这些排放，但是能通过热裂解而大大减少温室气体释放。尽管生物能作物（例如柳枝稷等）是生物黑炭转化的良好原料,但是全面推广利用这些作物原料来制造生物能或用于制造生物黑炭将会冲击耕地资源，并反过来影响生物能作物的价格7]。这正如美国利用玉米等农产品大规模转化生产生物乙醇一样，严重影响了世界粮食价格7]。因此，目前的生物黑炭应用主要是针对农业废弃物利用。当前研究应着眼于将农业中每年持续生产的非收获性生物质或生物质废弃物转化为稳定的碳组分而施用于农田。研究表明，秸轩等废弃物转化为生物黑炭施于农田不仅可避免燃烧释放,而且能提高土壤碳储存进而实现减排，并且这种更大的土壤碳库比陆地生态系统固碳(例如再造林）更长效。

　　关于生物黑炭的农业应用对于农田土壤改良和土壤增汇的作用已有详细介绍。多处的田间试验表明，农田土壤施用20thm-2以上的生物黑炭大约可以减少10%的肥料施用量,这对农业减排具有特别的意义。例如，将不同用量（7.5、15和30g.kg-1)生物黑炭施用于pH为4.5的热带典型简育半干润氧化土，与不添加生物黑炭相比，盆栽大豆和牧草全生育期队0排放量减少50%~80%,并几乎不排放甲烷。一些研究还发现,使用生物黑炭提高了作物的抗逆能力，从而减缓气候变化对作物生产力的影响。在巴西、哥伦比亚、肯尼亚等美洲和非洲热带农业地区的试验表明，在退化和酸性土壤上，通过提高土壤肥力，生物黑炭施用能不同程度地稳定或者保持作物在极端气候下的生产力，因而有助于农业适应和减缓气候变化的影响。许多研究报道认为，相对于其他农业领域的固碳减排技术,土壤中施用生物黑炭对于减缓气候变化和作物生产力的效益明显，对于土地生产力及其可持续性的作用十分突出。特别是在当前经济作物价格上扬形势下，将生物黑炭应用于经济作物农田生产所产生的经济效益优势将越来越明显。美国一些农业行业协会呼吁在园艺和草坪中应用生物黑炭，而在日本，施用于土壤的生物黑炭市场交易量已达到每年1.5万t。

　　目前全球约有15亿hm2农田。根据GAUNT等估算，全球农田每10a轮回施用生物黑炭1次(由于生物黑炭的稳定性，不需要每年或经常性施用黑炭于土壤)，平均每年可固定0.65PgCO2当量，可占目前未知碳汇(missingsink)的1/5以上。根据国际生物黑炭行动计划(InternationalBiocharInitiative，IBI)在各地的试验，农田中施用生物黑炭的净碳汇(以CO2计)为2～19t·hm－2·a－1，如果1t生物黑炭得到的碳交易额达到47美元，则实现上述的生物黑炭固碳潜力经济上是可以实现的。当然，全球大规模的生物黑炭农业应用还有待于全面推进。

　　4.生物黑炭农业应用的减排交易意义

　　减缓气候变化的碳交易在国际上渐成气候。有多个国家启动了碳交易机制以履行《京都议定书》规定的减排义务，例如欧盟温室气体排放交易机制、英国的补贴性排放交易机制。澳大利亚最近启动了碳污染削减机制（carbonpollutionreductionscheme)。除政府外，一些个人和团体也加入到碳市场,每年全球碳市场总额约达300亿美元7]。但还没有一种通行的机制考虑给生物黑炭的固碳能力赋予商品价值，因而生物黑炭还未能通过被联合国气候变化公约组织接受的清洁发展机制（CDM)的认证来实现碳贸易，而只限于自主减排的碳交易市场。现在急需一种方法学来论证可降解有机质制成黑炭后的碳稳定性而“避免C〇2的释放价值”，这是国际生物黑炭协会正在努力的方向22]。然而，通过保持有机质碳稳定以避免甲烷释放的方法学（UNFCCC)已被认可,这为生物黑炭应用最终纳入CDM机制奠定了基础。当前，国际社会正在为生物黑炭进入CDM碳交易而努力。最近，联合国粮农组织提出了农田固碳增汇与粮食安全计划。该计划一旦被纳入CDM机制，生物黑炭农业应用不但可以通过土壤培肥和提高农业生产力来保障粮食安全23]，而且还可以通过提高农业和农民的碳补偿收入来帮助农民脱贫，特别是在广大的非洲发展中国家。当然，这种碳补偿价格应大大高于生物黑炭转化的机会成本。

    关于生物黑炭碳交易前景问题已在《澳大利亚气候变化评述》（GamautClimateChangeReviewinAustralia)724]中得到充分反映，在英国已经列入下院环境特别委员会（EnvironmentSelectCommittee)的讨论提案中。美国的清洁大气行动小组（CleanAirTaskForce)一直在推动将生物黑炭碳补偿与其他生物能机制一样纳入所有碳贸易中1。2008年12月于波兰Poznan召开的联合国气候变化大会及第14届《京都议定书》缔约国大会期间，联合国防治沙漠化公约组织提交了‘‘利用生物黑炭扩充土壤碳库、恢复土壤肥力并固定大气CO2”的动议。

　　事实上，已经有一些生物黑炭项目纳入了碳交易机制。例如，在巴西MinasGervais州，有一个作为CDM碳交易的商业项目，其内容是用来自桉树热裂解形成的黑炭替代煤焦碳以熔融铁矿石。这个热裂解工厂每年生产30万t桉树生物黑炭。在澳大利亚，将由桉树油厂的木质废弃物转化而来的黑炭施用于农田潜力的论证已经完成，即将启动实施。

　　5.生物黑炭技术研发推广的国际计划及发展态势

　　国际社会充分肯定了生物黑炭农业应用的意义，认为是当前应对土壤退化、粮食安全以及能源与气候变化挑战的一种重要途径。2008年，美国联邦议会通过了2008食物与能源安全的农业法案，首次在联邦层面建立了对全世界生物黑炭研究、生产、应用与推广的鼓励机制，专门设立了农业基金来支持生物黑炭的研究与示范，以推动农业能源对世界能源的贡献。2009年6月18日，国际生物黑炭行动计划理事长、美国Cornell大学土壤与作物科学系JohannasLehmann博士应美国国会之邀，在国会众议院“曰益重要的全球变暖问题：对农林业的影响”听政会上就生物黑炭农业应用减缓全球变暖的研究、推广与政策作了报告。2009年8月10日，美国农业部长TomVilsack在Colorado出席2009北美生物黑炭大会时，在介绍奥巴马政府对气候变化问题的世界领导作用时，强调生物黑炭应用可能是美国乡村地区在应对气候变化中的新机遇，并表示美国农业部正在组织一系列的生物黑炭研究、技术开发与推广以及培训的合作项目，旨在全面推进生物黑炭这项绿色技术在农业和能源领域的应用。毋庸置疑，有关生物黑炭的科学和技术问题在美国已经受到了政府和社会的高度重视，美国在世界生物黑炭研究与应用领域将继续处于领导地位。

　　评价生物黑炭施用及其最优化的公益性研究资助计划正在向全球范围不断推进。新西兰的Mas?seyUniversity组织了生物黑炭研究计划（BiocharResearchInitiative)。英国的工程与物理学部有2个资助计划：一是作为生物能计划的一部分，研究开发快速热裂解技术，并通过试验将其副产品施用于土壤；二是碳捕获和固定计划。巴西的研究组织机构EMBRAPA设立的生物黑炭大项（macroprojects)已经进入第3个实施期，其主要任务已由技术研究转向大规模推广，目标是在这个森林转化为农田最多的国家创造更多的“肥沃高碳黑土（ta)”。英国于2008年成立了生物黑炭基金组织(BiocharFund),它是一项支持非洲发展中国家推广生物黑炭以应对饥饿、气候变化和促进乡村发展的社会公益性基金。2009年刚果流域森林基金会向生物黑炭基金会赞助了1笔款项，用于在中非地区全面推广生物黑炭。该基金提出的生物黑炭推广计划被著名的“曼切斯特评论”（Manchesterreport)评为人类抗击气候变化的10大创新理念之一。

　　国际上有一些研发机构正致力于生物黑炭农业应用的推广,包括国际生物黑炭行动计划、澳大利亚和新西兰生物黑炭研究网络、英国生物黑炭研究中心等。英国能源工程研究署资助的生物黑炭研究中心已经于2009年4月正式启动，由洛桑试验站、环境与可持续发展研究所和爱丁堡大学合作共建。2008年,Cornell大学已经启动在美国纽约州的Woburn农场的生物黑炭长期试验研究计划，对来源于能源植物慢速热裂解的生物黑炭进行农业碳足迹试验研究。生物黑炭应用于土豆、小麦、水稻等农作物的田间试验和示范在欧洲、北美洲、南美洲、非洲、澳洲等全球各大洲陆续展开。全球著名的农业长期试验研究单位一洛桑试验站也于2009年在其经典试验地Woburn农场启动了专门的生物黑炭长期试验计划。当前，代表性区域生物黑炭农业应用的研发和推广试验基地和机构已遍布全球。但截至2009年，多集中于美国、欧洲，而在亚太区域仅日本、印度尼西亚、澳大利亚和新西兰等国开展了试验研究。自2010年始，笔者已经在全国布设了6个生物黑炭农业试验基点，并在太湖地区稻田生态系统获得了初步的研究结果。

　　6.生物黑炭转化和应用的技术及社会问题

　　尽管生物黑炭具有广阔的应用前景，但科学界和生产应用部门仍对生物黑炭生产和应用的一些技术和社会问题存有争议。

　　首先，生物黑炭转化和应用中仍将产生一定的碳排放,这实际上是生物黑炭应用于减排的净温室气体平衡问题。尽管秸轩被处理成生物黑炭的过程仍然是排放过程（碳源过程），但是与秸轩全部还田条件下新鲜有机质迅速转化相比，由秸轩转化来的生物黑炭应用于土壤减慢了有机碳的更新，并通过减少其他温室气体排放和增加作物产量而表现为碳汇过程。按施用期2~5a估算，施用到土壤的生物黑炭，其生产过程需要消耗的能源CO2排放量甚至低于温带土壤本身的C〇2释放量。由于新鲜秸轩施入土壤会进一步被微生物分解而释放C〇2,如同能源消费中产生碳排放的效应。因此，秸轩转化为生物黑炭而施用于农田，使土壤碳汇增加，反而可以抵消部分化石燃料的消费。

　　其次，有舆论关心生物黑炭应用于农田土壤可能带来的不利因素，主要是生物黑炭转化和施用中烟灰和微量气体的问题，因为烟灰的大气传输和沉降有可能是加速北极冰盖融化的要素之_。不过，烟灰和微量气体也可能表现为云层形成的效应和全球变暗(globaldimming)或阳伞效应R28]。秸轩制成的生物黑炭不但主要含有稳定态碳，而且也含有活性和可降解的碳组分。当然，生物黑炭也可能含有燃烧中产生的有害物质，比如PAHs,但不太可能含二嗯唤,后者在燃烧温度超过1000°C时才产生。不过，至今还没有在生物黑炭产品中检出二噁暎的报道29]。即使是PAHs,其在生物黑炭中的含量也没有超出本体土壤的范围。

　　再次，生物黑炭转化和生产涉及农业废弃物收集运输问题，这关系到技术经济效益。当然,原料和生物黑炭运输和施用过程中发生的能源和成本消耗也应予以考虑。热裂解黑炭工厂靠近秸轩原料产地肯定是经济的和方便物流的，可带来更大的C〇2补偿效益。目前,从事生物黑炭转化技术和设备研发的机构都在致力于开发研制就地生物黑炭处理和生产系统。美国生物黑炭工程公司（BiocharEngineer?ingCorporation,BEC)是当前欧美国家开发生物黑炭机具的代表性企业，日本的一些公司等都在开发和推广宜用于农田的小型生物黑炭生产系统。目前，在美国已有农场式生物黑炭生产机械，单台套2.5万美元，处理效率50~1000kg?h。2009年7月，美国出现了一个生物黑炭产学研一体的机构生物黑炭系统公司（BiocharSystems),其核心企业是科罗拉多州的美国生物黑炭工程公司和弗吉尼亚的生态技术集团公司（EchoTechnologyGroup),他们推出了一种可装载于皮卡的小型生物黑炭生产系统--Biochar-1000,仅1.8t,体积小(1.5mx3.6mx2.1m),可处理原料W(水）<20%]500kg.h。未来技术的发展方向是适用农田的就地、快速和高效的生物黑炭转化和生产的便捷设备或装置。

　　最后，对相关产业的影响问题。部分非政府组织也担心，如果生物黑炭纳入碳交易，最终可能导致产生追求最大生物量作物（而不是农作物）的大项目，这将对全球农业特别是发展中国家乡村地区的粮食安全带来不利影响。恰恰相反，生物黑炭农业应用热潮的兴起，是因为秸轩等废弃物被固定为生物黑炭，不但避免了大部分废弃物能源释放，而且其农业应用有利于改良土壤，从而提高土壤生产力，生物黑炭的增产效应为粮食安全提供保障，而且通过提高土地产出率，还潜在增加了日益紧张的耕地供给量。