生物质炭与土壤可持续管理：从土壤问题到生物质产业

南美洲古老农业文明孕育的暗色肥沃土壤引发了全球生物质炭研究热潮。将农业生产过程中产生的有机废弃物经过低温热裂解技术转化为生物质炭并施用于农田土壤中，是一种新的土壤可持续管理途径，且服务于生物质废弃物治理与生态农业。我国生物质炭工业化生产技术及炭基肥制备与施用技术已经形成，土壤增碳与农业增产、减肥、增效潜力显著。大规模生物质炭工业化生产的推广催生了一个新兴的科技领域——生物质科技与工程。该科技服务于中国巨大的生物质废弃物治理和土壤改良、化肥减量及绿色农业等需求，这一学科领域尚待系统整合和提升。

文章提出，研究生物质炭的有机质组分、结构、性质与功能的表征与有机质-矿物-微生物相互作用的基础研究是未来土壤可持续管理中的重要研究方向。这些问题将揭示生物质炭对于农业生命的系统健康及绿色农业的巨大价值，也进一步彰显了土壤学服务于中国农业可持续管理与生物质产业融合的巨大价值。

1 生物质炭与土壤管理的缘起：自然与传统

20  世纪末期，欧美科学家在巴西等地研究人类古老农业文明时发现，在亚马逊腹地的一些高地存在着一种暗色、富含有机质的肥沃土壤，当地人称这种土壤为“Terra  Preta”。最初，科学家认为这种土壤属于暗色黏性土(彼时的“暗色黏性土”即后来的“变性土”，是国际土壤学的热点)。但进一步研究发现，该土壤具有深厚的、富含稳定有机质的暗色层，其  pH 值、阳离子交换量(CEC)以及钙(Ca)和镁(Mg)含量又区别于老成土。这种肥沃土壤引起了国际土壤学界的极大兴趣。Terra Preta  的形成与当地土著居民长期以来的一种“火耕”(Slash and  Burn)习惯有关，即每开垦一处新地后就会将砍伐的林木就地挖坑、掩埋闷烧，并将烧制的炭施入土壤中。长期烧炭入土的耕作方式形成了厚厚的炭化土壤层，该炭化土壤层的存在是其维持高生产力的根本原因。这种土壤的主要特征是富含丰富的有机质，且有机质与土壤矿物结合形成稳定团聚体并长期保存在土壤中，从根本上改善了强酸性贫瘠老成土的肥力水平。这是最早的生物质炭改善土壤、增进肥力的土壤学研究。随后美国康奈尔大学  Johannes Lehmann 博士分别于2007  和2016年撰文，呼吁人类利用炭化技术来改善土壤，以增加土壤有机质、减缓气候变化和提高农业生产力。该技术的核心内容是将陆地生态中的有机物质转化成生物质炭(bio)后再归还到土壤中。2008年以后，许多研究陆续证实生物质炭可显著改善土壤肥力水平，且生物质炭化生成的有机质在土壤中的更新周期长达数百至千年，低于农业土壤有机质数倍。因此，与减缓全球气候变化相呼应，利用生物质炭增加土壤有机质碳库作为减缓气候变化的农业途径引起了科学界广泛关注，全球生物质炭固碳增汇的潜力不断刷新。

2 废弃物炭化与生物质炭生产：生物质科技与工程的萌生

继在南美洲亚马逊河流域发现 Terra Preta 之后，科学家在欧洲、澳大利亚等地区也发现了类似 TerraPreta  的暗色肥沃土壤。科学家们深信，人类能够通过向土壤中添加炭化的有机质来维持和提升土壤肥力。在南美洲和亚洲一些国家的山区，至今还保留着原始的土坑制炭还田的传统。在一些发达国家，农业生产方式发生很大转变，传统的劳动密集型土坑制炭的方法并不能满足现代农业的需求，而快速的、工业化的生物质炭制备工艺成为满足大规模生物质炭还田的技术需求。最初，许多国家参考木炭的制备工艺，利用低温热裂解工艺生产生物质炭，炭化的原料和方式随即成为炭化技术和工程发展的重要方面。生产生物质炭的原料从最初的林木废弃物扩展到农作物秸秆，又到农业加工过程中产生的稻壳、椰壳，再到城市污水处理过程中产生的污泥，最后到生活垃圾和餐厨废弃物。炭化工艺从最初的土坑、土窑到连续式工业窑，从立式炭化炉到卧式回转窑，从炭化机单体到全程控制的炭化系统。炭化技术的发展，一方面从有机质来源角度处理了生物质源废弃物，属于环境工程领域;另一方面，生产制备的生物质炭用于农业土壤施用，可以改善土壤、增加土壤固碳，服务于减缓气候变化。因为来源都是生物质废弃物，工艺核心都是限氧热裂解，产物核心是黑色固体炭质有机物(图  1)，这样的物质被概称为生物质炭。目前，生物质炭化技术已经形成一个介于环境工程、环境管理、土壤管理、气候变化应对的跨学科领域的生物质炭科技与工程。

生物质炭科技源于欧美，在西方国家得到了广泛的关注和普及。澳大利亚新南威尔士州的 Stephen Joseph  博士，最早系统地总结生物质炭的制备工艺与技术，并率先在美国注册了生物质炭公司，在一些场合他被称为“世界生物质炭科技之父”。鉴于其在全球推广生物质炭工程方面作出的贡献，Stephen  Joseph 博士获得 2017年澳大利亚国家荣誉勋章(The Order of Australia)。2009 年，Stephen Joseph 与  Johannes Lehmann 合著的《生物质炭科技与环境管理》(Bio Science andTechnology for Environment  Management)一书出版。这本书被人称为“生物质炭圣经”，并于2015年再版。

生物炭农业应用研究的兴起和一些生物质炭机构的涌现再一次推动了生物质炭科技的发展。2008年，由 Stephen Joseph 与 Johannes  Lehmann 等人发起，并在美国注册成立了国际生物质炭协会(InternationalBio  Initiative，IBI)。成立伊始，国际生物质炭协会就通过联合国防治沙漠化公约组织(UNCCD)和联合国控制气候变化框架公约组织(UNFCCC)向联合国提交了生物质炭固沙和固碳减排的全球行动动议。国际生物质炭协会成立后，美国本国的生物质炭科技交流网络(USBI)也相继注册成立(其理事长还是IBI董事局现任主席)。在美国，有些州也成立了自己的生物质炭协会，而宾夕法尼亚州和科罗拉多州还相继注册成立了生物质炭系统工程公司(BioEngineering  System)和生态生物质炭公司(Ecoengineering)。美国这两家公司围绕林木和污泥废弃物炭化开发出大规模的固定的炭化系统和可移动的炭化系统，在2010年前后居于全球领先。其产品已经广泛应用于园艺生产中。欧盟于2011年启动全欧生物质炭计划，从科学问题、技术分析和应用前景方面开展泛欧国家的交流和合作。英国爱丁堡大学在2010年已经开发出可以连续运行数月的自动控制连续炭化系统中试生产线，但至今没有产业化的工程设备面世。然而，欧盟国家的生物质炭科技主要停留在基础和前期预备性研究中，有些国家(如英国)尚未通过法案允许生物质炭在农业土壤中商业化应用。

3 生物质炭与土壤可持续管理：效应与行动

3.1 生物质炭效应

随着生物质炭化技术和工程的发展，人为控制条件下将废弃物转化生成的生物质炭被广泛用于农业和环境试验研究。研究内容包括，利用生物质改善土壤肥力，提高作物产量，降低温室气体排放，钝化土壤中的重金属，以及吸附水体和土壤中的有机污染物等。十年间积累了大量的观测数据，使得利用整合分析方法评估生物质炭的土壤-生态系统效应成为可能。尽管生物质炭的性质和效应随生物质来源及炭化条件存在差异，但其对许多土壤生物地球化学过程的影响是显著的。这些影响包括改善土壤结构(图2)，提高团聚体稳定性，提高土壤水容量，促进微生物生长，并最终提高土壤的生产力(10%)。在提高作物产量的同时，生物质炭还能够快速提高土壤有机碳含量，降低N2O排放量和污染土壤重金属生物有效性。土壤改良与提质效应，特别是固碳减排仍然是当前的突出需求。废弃物炭化不但处理了秸秆等废弃物，避免了直接焚烧或堆埋分解的排放，增加了土壤有机质碳库，还大幅度改善了土壤的物理性质，促进了生物生长和活性，提升了肥力且降低了环境污染风险，是土壤可持续管理的重要途径。