生物質炭成就有機水稻碳匯“第一拍”

近日，一塊位于江蘇省南京市高淳區(qū)東壩街道和睦澗村的水稻田備受關注。2022年7月，高淳區(qū)與生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所、南京農業(yè)大學、南京國環(huán)有機產品認證中心有限公司合作，向和睦澗村淳和水稻專業(yè)合作社的500畝有機水稻田投放了60噸生物質炭。觀測數(shù)據(jù)顯示，2022年11月30日至2023年11月30日，這片稻田病蟲害發(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9800.25元的成交價拍下，成為全國生物質炭有機水稻產生碳匯的“第一拍”。種田人變“賣碳翁”，種水稻的同時收獲好空氣，還能將“碳票”換成鈔票。成就這片水稻田的生物質炭到底為何物？生物質炭的應用是否能為碳減排提供有力支撐？

 

實現(xiàn)碳減排的同時吸附有機污染物

 

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—800萬噸。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)農村減排固碳實施方案》，將稻田甲烷減排行動置于十大行動之首。

 

生物質炭是否能為有機稻田固碳減排分憂，成為專家學者的關注點。事實證明，生物質炭的潛力不可小覷。

 

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

 

“生物質炭用于農業(yè)生產能增加土壤有機質、改善土壤性質，提高土壤養(yǎng)分和水分保持能力，促進作物生長，提高作物產量并改善農產品品質。”南京農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院教授鄭聚鋒說，生物質炭一般呈堿性，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，生物質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。

 

“我們和國內其他學術團隊大量的田間試驗顯示，生物質炭可以顯著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。

 

生物質炭除被直接施用進行土壤改良外，還可與氮、磷、鉀等化學肥料按照一定比例混合后，制成生物質炭基肥，作為新型肥料在農田中廣泛應用。鄭聚鋒曾統(tǒng)計過國內247個觀測點的炭基肥田間試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)施加了炭基肥后，玉米、大豆、水稻、蔬菜等作物增產率達7.8%—16.8%，所有作物平均增產10.9%。

 

“我們團隊在2017年也做過研究，發(fā)現(xiàn)在農田施加生物質炭基肥后，可以提升肥料的養(yǎng)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。

 

在炭化裝備研制等方面已有創(chuàng)新成果

 

在國際社會，生物質炭市場呈現(xiàn)出勃勃生機。國際生物質炭協(xié)會和美國生物質炭協(xié)會發(fā)布的《2023年全球生物質炭報告》顯示，生物質炭生產商、經銷商、增值生產商和設備制造商的營收在2023年超過了6億美元，2021—2023年間的復合年均增長率達到了97%。預計到2025年，生物質炭相關產業(yè)營收將進一步增長至33億美元。

 

鄭聚鋒介紹，相關文獻顯示，生物質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，生物質炭在中國的固碳減排潛力可接近9000萬噸二氧化碳當量。

 

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

 

此外，具有緩釋高效功能的炭基復合肥等綠色肥料，也可以服務于農業(yè)面源污染治理。卞榮軍舉例，有團隊將生物質炭表面改性后，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，從而實現(xiàn)農業(yè)減污降碳。也有研究團隊在秸稈等原材料熱解過程中，通過添加鐵、錳等氧化物，讓生物質炭的表面能吸附更多污染物。

 

畜禽糞便的科學處理與資源化利用有利于消減污染物、減少養(yǎng)分流失、促進規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展。卞榮軍介紹，有研究顯示，將生物質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。

 

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

 

不過，在卞榮軍看來，生物質炭產業(yè)化還處于技術攻堅和商業(yè)化應用開拓的關鍵階段，相關生產標準尚待建立。例如提升熱解裝備的連續(xù)化生產能力，以及生物質熱解過程中尾氣的凈化，都是當前需要重點關注的問題。

 

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

 

針對不同原料生物質炭特性開發(fā)專用產品

 

使用生物質炭是提升土壤碳匯的一條有效途徑，同時生物質炭也可以把生物質廢棄物綜合利用起來，符合低碳、綠色、高效、循環(huán)和可持續(xù)的高質量發(fā)展理念。2019年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會將生物質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》，這為生物質炭生態(tài)效益轉化為經濟效益提供了契機。

 

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

 

生物質廢棄物炭化過程中的產物，也將產生經濟價值。程琨介紹，炭化過程中產生的木醋液，可以和生物質炭浸提液用于生產商品液體肥，一方面能為植物生長提供養(yǎng)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、醋酸鹽等化學品，在農業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、護膚美容、醫(yī)療保健等領域發(fā)揮作用。炭化過程中產生的生物質可燃氣則是重要的清潔能源，可通過替代傳統(tǒng)化石能源用于發(fā)電或供熱，服務于能源安全。

 

“針對生物質炭化技術進行多元化產品開發(fā)，通過專業(yè)化的農業(yè)綠色低碳技術服務、碳資產管理服務，可以構建‘炭基農業(yè)’新模式，服務農業(yè)新質生產力發(fā)展。”對于生物質炭的未來，程琨信心滿滿。