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摘 要：生物炭是由生物质废弃物在缺氧及低氧条件下经热裂解产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的富含碳元素的固态物质。本文论述了生物炭的特性，重点阐述了生物炭对污染土壤、酸性土壤、盐碱土壤等障碍性土壤改良修复的作用机理，并提出促进生物炭工业化生产和土地利用，是达到废弃物资源化利用，固碳节能减排，应对全球气候变化，实现生态与农业可持续发展的最佳途径。
关键词：生物炭;土地利用;障碍性土壤改良
中图分类号：S141 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.01.001
Facilitating Industrialized Production and Utilization of Biochar， and Promoting 21th Agricultural Revolution： Roles of Biochar in Land Improvement and Restoration
MAO Jianhua1， ZHAO Boju2
（1.Tianjin Institute of Agricultural Resources and Environment，Tianjin 300192，China;2.Hebei Ao-jie New Energy Limited Company， Qing County， Hebei 062650，China）
Abstract： Bochar is a kind of high-melting， stable and highly-aromatized solid substance with high content of carbon，which produced from biologic waste after thermal cracking in a low or deficient oxygen conditions. This paper described the features of biochar， and particularly gave dissertation to the function mechanism of biochar in improvement of polluted soil， acid soil and alkali soil， at the same time brought forward that facilitating industrialized production and utilization in land improvement of biochar was the most preferred way to utilize waste resources， and to save energy and reduce carbon dioxide emission， and to cope with the global warming and finally actualize sustainable development of economy and agriculture.
Key words： biochar;utilization in land improvement;improvement of constraint land
1 生物炭的定义与性质
2007年在澳大利亚召开的第一届国际生物炭会议上，对生物炭做出如下定义：生物炭（也称生物质炭、生物质焦），指生物质固废（林木采伐剩余物、木材加工废弃物、作物秸秆、畜禽粪便等）在无氧或低氧的密闭环境、温度<700 ℃条件下，经热裂解而产生的富含碳的产物。
生物炭的碳含量一般在40%～75%。生物炭的碳含量因生物质种类和来源不同而有较大差别。生物炭的碳含量一般是木本植物>草本植物>作物秸秆>畜禽粪便。生物炭的矿质养分（灰分）则是畜禽粪便>作物秸秆>草本植物>木本植物。
碳（C）是植物必需的17种营养的首位元素，是构成碳水化合物（C、H、O）的主要成分。C在植物组织中的含量（干物质量）高达45%。生物炭含有植物必需的大、中、微量营养元素，除C的含量较高外，N、P、K、Ca、Mg的含量也较高。由于热裂解过程中一些营养元素会被浓缩和富集，故生物炭中P、K、Ca、Mg等元素的含量要高于其制备物料（母体）中的含量。
碳酸盐是生物炭中碱性物质的主要存在形态，故生物炭的pH值呈碱性。生物炭的pH值、灰分含量和生物稳定性，随热裂解温度的升高而提高。
生物炭是含C的聚合物，其表面含有丰富的羟基（-COH）、羧基（-COOH）、羰基（=CO）等含氧官能团，赋予生物炭较强的吸附能力和较高的土壤阳离子交换量（CEC）。
随着生物炭表面在土壤中的氧化和含氧官能团的增多，生物炭的亲水性逐渐增强，这也使土壤吸水能力提高，并可有效减少土壤水分蒸发。有研究表明，土壤田间持水量随生物炭施入量的增加而提高。
生物炭富含碳，可以提高土壤有机碳和有机质含量;生物炭还含有一定数量的矿质养分。有机质和矿质养分含量的提高，可以培肥土壤提高地力。生物炭的多孔性和多孔结构使土壤孔隙度增加，容重减小，土壤质地和耕性改善。生物炭有增加和稳定土壤团聚体的作用，进而对土壤物理性状产生一系列积极作用。生物炭呈黑色，可以增深土壤颜色，增强土壤吸热能力，提高土壤温度。生物炭为微生物提供良好栖息环境，可以改善微生物的结构、功能与多样性。
生物炭的多孔性、巨大比表面积和较大的阳离子交换量（CEC），以及pH值碱性、不易被微生物分解等诸多性状，使其具有吸附肥料养分，延缓养分释放，降低养分淋失，提高肥料利用率的功能，以及提高土壤吸水、蓄水和释放水的功能。
2 生物炭对障碍性土壤改良与修复的作用机理
障碍性土壤包括重金属污染和有机污染土壤、酸性和酸化土壤以及盐渍化土壤。
2.1 生物炭对污染土壤的修复功能
生物炭的巨大比表面积（200～400 m2·g-1）和多孔结构，以及表面富含的含氧官能团与芳香族化合物的结构特性，决定了生物炭可以通过静电作用、离子交换作用、扩散作用来吸附有毒物质。
2.1.1 生物炭对有机污染土壤的修复功能 生物炭可以吸附有机污染物并降低其在土壤中的化学活性与生物毒性。生物炭对杀虫剂的吸附能力是土壤的2 000倍。即使土壤中只施加了0.05%的生物炭，也能有效降低有机污染物的化学活性和毒性。这是因为生物炭的多孔结构对污染物起到固定作用;巨大比表面成为污染物的载体;生物炭还能增强土壤微生物的活性和微生物对有机污染物的降解能力。
2.1.2 生物炭对重金属污染土壤的修复功能 重金属污染土壤修复的3个要素是：土壤pH值、碱性、土壤有机质含量的提高和土壤中重金属形态的变化。
生物炭通过提高土壤pH值以降低重金属离子在土壤中的移动性并起到固定作用。生物炭可以提高土壤有机碳含量，从而提高土壤C/N比和土壤有机质含量。生物炭表面富含的官能团对重金属元素有较强的富集和配位能力，对重金属离子在土壤中的迁移性和固定作用起到重要作用。
生物炭表面和腐殖质中的含氧官能团能使土壤中的重金属形态由交换态和溶液态转变为碳酸盐结合态、氧化物结合态和残渣态，从而起到固化（沉淀）或钝化作用，以减弱或消除重金属的化学活性及对植物的危害性。
2.2 生物炭对酸性和酸化土壤的改良作用
酸性土壤是低pH值土壤的总称，包括红壤、棕壤、赤红壤等。酸化土壤是指近年来一些果园和保护地的中性和弱碱性土壤，由于其特定的小气候与连年过量施用N素化肥而引起的土壤pH值逐年下降而造成的土壤酸性障碍。
酸性和酸化土壤的主要障碍因子是H+、A13+、Mn2+的毒害作用，以及由于土壤低pH值使多种微生物的活性受到影响。
生物炭的pH值碱性可以提高酸性土壤和酸化土壤的pH值，尤其是含Ca2+的生物炭。Ca2+可以代换并降低土壤中的H+、A13+和Mn2+，因此，生物炭是比生石灰更有效的土壤酸性中和剂，它既能中和酸性土壤的活性酸，也能中和酸性土壤的潜在酸。
2.3 生物炭对盐渍化土壤的改良作用
盐渍土是受土体中盐碱成分作用的，包括各种盐土和碱土以及不同程度盐化和碱化的各种类型土壤的统称，也称盐碱土。
2.3.1 对盐土和盐化土壤的改良作用 盐土和盐化土壤是可溶性盐在土体中的累积。随可溶性盐浓度的增加形成含盐量轻、中、重不同程度的盐化土和盐土。
施生物炭后，土壤有机碳含量、有机质含量和阳离子交换量提高，土壤有机物中的各种有机酸与钙、镁、钠等阳离子螯合（络合）可形成有机盐并产生沉淀。可溶性无机盐转变为难溶性有机盐，以及有机盐的沉淀，使土壤可溶性盐的浓度降低，从而降低土壤的全盐含量。
施生物炭（以CaCO3等碳酸盐为主），也可以使NaCl、Na2CO3等对作物危害性较强的钠盐转变为CaCO3、Ca（HCO3）2和Na2SO4、CaSO4等危害程度较弱的盐类，从而减轻了对作物的盐危害。
2.3.2 对碱土和碱化土的改良作用 土壤碱化是由于土壤胶体表面吸附了相当数量的代换性钠离子而导致了土壤理化性质的恶化。土壤碱化过程是指钠离子进入土壤吸收性复合体代换出钙离子以及代换性钠离子逐渐累积的过程。
生物炭能显著提高碱土和碱化土壤的有机碳和有机质含量及阳离子代换量，尤以钙、镁碳酸盐为主要成分的生物炭，其改良效果更佳，这是由于代换性Ca2+和Mg2+能代换出土壤胶体表面吸附的代换性Na+，使碱土和碱化土壤的理化性质得到改良，土壤钠碱危害得到减弱或消除。
生物炭在提高土壤有机质含量的同时，还因其代换性钙与代换性镁离子浓度的增加，而使土壤钠碱危害的各项指标值（ESP、RSC、SDR等）均显著降低。这也充分表明，生物炭对碱土和碱化土壤具有极佳的综合改良作用。
3 促进生物炭的工业化生产和土地利用
3.1 生物炭的稳定性和固碳减排作用
生物炭由单环和多环芳香族化合物组成，这种化学结构决定了生物炭比其来源的母体炭具有更高的化学稳定性和生物学稳定性，以及具有更强的抵抗微生物分解的能力。在某些条件下，生物炭可以在土壤中稳定存在上千年，可以长期把碳（C）固存在土壤之中。
生物炭的碳损失远远低于有机肥料。有机肥料施入土壤且在免耕条件下，一般经过5～10年，其有机质含量所剩已不足20%，而且这20%的有机质中仅有极少量的有机质被转化为腐殖质。土壤中的腐殖质含量很难得到提高。据英国洛桑试验站长期定位研究，施厩肥150多年的土壤，有机碳（C）的含量仅提高了一倍。
自然界碳循环的基本过程是：大气中的二氧化碳被植物吸收，然后通过生物过程、地质过程及人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气之中。高等植物把C、H、O合成碳水化合物，人类利用热裂解技术把生物质固废转化为生物炭，并把碳回归和固定于土壤之中。有研究估算，生物炭每年减排温室气体的数量已达到目前人类温室气体排放总量的12%。
生物炭的工业化生产与生物炭的土地利用，是降低二氧化碳排放和使全球气候问题得到综合解决的最佳途径。
3.2 “奥洁”生物炭的工业化生产与产品质量
目前，全球仅有少数企业以生产生物炭为主导产品。河北奥洁新能源有限公司是目前国内为数不多的、以地沟油和酸化油以及生物制药厂和味精厂的废渣作为原料，通过自主研发的催化裂解与催化蒸馏耦合等技术，实现废弃物转化为生物质能源（生物柴油、生物汽油）和生物质炭的有机新能源生产的环保企业。
“奥洁”生物炭是以食品级玉米淀粉制取阿维菌素和味精之后的废渣为原料，在添加碱性催化剂和绝氧、温度600 ℃条件下进行干馏（热裂解）后的产物，这就保证了其产品—“奥洁”生物炭的优质、环保和安全性。
河北澳洁新能源有限公司已建成日产5 t的生物炭生产装备，已具备了生物炭工业化生产能力。“奥洁”生物炭的产品与原料（阿维菌素废渣）的有机质含量和总养分含量均高于国家有机肥料标准（NY 525—2012），而重金属含量和卫生学指标则远低于有机肥料标准的限值，如表1所示。
3.3 生物炭土地利用的必要性、可行性和安全性
生物炭土地利用将对我国中低产田的培肥与地力提升，以及各类障碍性土壤的改良与修复做出重大贡献。
生物炭有培肥土壤和提高作物产量的作用，一些地区和一些作物单施生物炭就能够促进作物生长和增加产量，特别是在生物炭与有机肥料或化肥配合施用下效果更佳。
我国1.2亿hm2耕地中有各类障碍性土壤0.7亿hm2（其中酸性土壤0.253亿hm2，盐碱土壤0.347亿hm2，重金属污染土壤0.1亿hm2），占耕地总面积的58.3%。生物炭具有改良酸性土壤和盐碱土壤以及修复重金属污染与农药等有机物污染土壤的多重功能，这对于提高我国耕地质量，保证农产品质量安全和农业可持续发展，具有重大战略意义。
生物炭土地利用的安全性可以得到充分保证，首先这是因为生物炭是生物质固废在无氧密闭环境，600～700 ℃高温条件下裂解后的产物，其病原微生物与蛔虫卵等都被彻底灭活。二是生物炭及其母体碳均不含重金属，不会对土壤和作物产生危害，而且生物炭施入土壤后对污染土壤中的重金属还能产生吸附、钝化和固定作用，从而进一步消减或消除了污染土壤中重金属的活性与毒性。三是生物炭一般都和有机肥或化肥配施或混施，因此，生物炭的年施用量以及连续施用年限等可能会引起土壤潜在危害的风险更小和可控。
3.4 生物炭与21世纪农业“黑色革命”
我国木炭的生产和利用虽有悠久历史，但生物炭的研究与工业化生产还是近年来才开始起步和受到重视的。
目前，急需解决生物炭大批量、低成本生产的制备技术以及扩大生物炭工业化生产规模;急需加强产、学、研联盟，攻关研究生物炭固碳、节能、减排，障碍性土壤的改良与修复;需在生物炭作为土壤保水剂与肥料缓控释材料等方面进行深入研究和大面积试验、示范、推广。
聚氯乙烯于1838年发明（法国），到1928年美国开始工业化生产。1950年以后，美国、日本将塑料薄膜用于地面覆盖。我国在20世纪60年代开始进行塑料薄膜地膜覆盖的试验研究，到1981年包括27个省、市、自治区的推广面积已达1.467万hm2，作物也由蔬菜、瓜果发展到水稻、玉米等粮食作物，棉花、花生、烟草等经济作物与果树、林木、花卉等60多种。
作为现代化的农业技术，塑料薄膜覆盖技术被世界各国广泛应用，形成了全球范围的农业“白色革命”。
生物炭的产学研联合攻关研究以及生物炭工业化生产和生物炭土地利用，必将促进废弃物资源化利用以及生态系统与农业可持续发展，必将迎来继20世纪50、60年代开始的塑料薄膜覆盖栽培的“白色革命”之后的21世纪农业“黑色革命”。
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