收稿日期:2011-07-06
基金项目：科技部农业科技成果转化资金项目(2011GB2B000010)
作者简介：孟军(1977-)，男，沈阳农业大学副教授，博士，从事生物炭农业应用研究。*通讯作者Corresponding author ：陈温福(1955-)，男，中国 工程院院士，沈阳农业大学教授，博士，从事水稻超高产育种及生物炭应用研究。
沈阳农业大学学报,2011-08,42穴4雪:387-392
Journal of Shenyang Agricultural University,2011-08,42穴4雪:387-392农林废弃物炭化还田技术的发展与前景 孟军，张伟明，王绍斌，徐正进，陈温福*
(沈阳农业大学辽宁省生物炭工程技术研究中心，沈阳110161)
摘要：炭化还田是农林废弃物资源化循环利用的有效技术手段之一，也是土壤改良的新途径，对促进农业低碳、循环、可持续发展具有重要意义。以生物炭为核心，从其改良土壤的理论基础分析入手， 综合评述了炭化还田技术的由来、发展与技术内涵，着重介绍了炭化还田技术的产业化发展现状和前景，明确了炭基肥料和炭基土壤改良剂是炭化还田的有效技术载体，国家应在炭基多元化产品开发方面给予高度重视。
关键词：农林废弃物；生物炭；炭化还田改土；土壤改良剂；炭基肥料
中图分类号:S156.2;S157.4.1文献标识码:A 文章编号:1000-1700(2011)04-0387-06
邓拓吴晗廖沫沙
Development and Prospect of Carbonization and Returning Technology of Agro-forestry Residue
MENG Jun,ZHANG Wei-ming,WANG Shao-bin,XU Zheng-jin,CHEN Wen-fu*
(Liaoning Biological Carbon Engineering Technology Research Center,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110161,China)Abstract :Carbonization and returning is one of the effective technological means in recycling utilization of agro-forestry residues and soil amelioration,and it has important meaning to promote low carbon circulation and sustainable development of agriculture.On the basis of theoretical analysis of the biochar function on soil amelioration,this article discussed the origin,development and technological content of carbonization and returning of agro-forestry residue to soil,made emphasis on the current situation of industrialization and future prospect,clarified that bi
ochar based fertilizers and soil amendments should be taken as an effective way in the practical applications.we call for a focus on the development of diversified products which are based on residue derived biochar.Key words :agro-forestry residue;biochar;carbonization and returning;soil-amendment;biochar based fertilizer
农业，尤其是种植业的可持续发展，是确保国家粮食安全，促进全社会持续和谐进步的基础。当前，我国粮食产量已经连续多年保持在5亿t 以上[1]，为保障粮食安全和社会稳定做出了突出贡献。在未来一段时期内，我国人口还将持续增长，粮食安全将长期处于高压状态。同时，随着全球气候变暖日趋严重，农业又被赋予了低碳减排的新使命。为提高农业资源利用效率、改善生态环境，循环和可持续已成为新时期世界农业发展的新准则。因此，低碳、循环、可持续是当前我国农业发展的客观需求。从某种程度上讲，农业发展的可持续，归根到底是耕地的可持续，既要保证面积、又要提升质量。为了在工业化、城市化的同时保证耕地面积，国家已出台一系列政策，包括强制推行“占补平衡”。但现实是大片良田被置换为劣地，面积平衡了，整体质量却在下降，这是外因。从农业系统内部来看，由于我国粮食安全压力大，耕地无法得到休闲，加之粗放的经营方式以及化学肥料的长期大量使用，过去的良田沃土，现在也开始退化，有机质含量降低，地力明显下降，并带来水体富营养化等明显的农业次生污染。旧的中低产田尚未改造，新的中低产田又大量涌现，总面积已超过耕地保有量的65%[2]，被联合国世界粮食计划署列为粮食安全中度风险国家[3]。一方面是因得不到科学合理的物质投入
而造成耕地质量不断下降，另一方面是有大量的农业资源被废弃。我国年产农林业废弃物(生物质)约10亿t ，其中仅玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆量就超过5亿t 。随着我国粮食生产总量的增加，这一数字还将进一步提高。虽然我国农作物秸秆数量庞大，却越来越难以返还给农田。这一方面与我国耕地总量大、人均面积小，不便于机械化操作的现实状况以及相应的土地政策有关；另一方面，则是因为农民收入水平较低，而劳动力价格上涨，农民难以做收效缓慢的长远考虑，而只能尽可能减少支出。据统计，我国秸秆还田量仅为15%，而被烧掉或废弃的
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第42卷量却超过50%[4]。向土壤“取之者多，而予之者少”的现状，导致了土壤贫瘠化加速和严重的农业面源污染。秸秆发电等能源化利用方式，则在一定程度上加剧了这种情况的出现。为此，农业部在《国家粮食安全中长期规划纲要(2008—2020年)》中指出[5]，严格控制面源污染、保护和改善粮食产地环境，并通过农业资源高效利用等方面的新突破着力提高粮食单产水平。因此，如何将秸秆等“废弃”资源返还给农田，增加土壤输入，改良土壤结构，是当前我国农业发展迫切需要解决的问题之一。其中，农林废弃物炭化还田技术将成为重要的途径之一。1农林废弃物炭化还田的理论基础
1.1炭化还田技术的由来
炭化还田技术的核心——
—生物炭(biochar)是指有机物在有限氧气供应条件下，并且在相对较低温度下(<700℃)热解后得到的富碳产物[6]。这个过程与木炭的生产过程基本一致，区别在于，生物炭是以施入土壤以提高土壤生产力、增加碳库、过滤土壤渗滤水为主要目的。生物炭一词始见于1999年，最早用来描述一种由高粱籽粒制备的用于有害气体吸附的活性炭[7]。随着近年来粮食安全和固碳减排要求的标准不断提高，生物炭的内涵也逐渐与土壤管理和碳封存等议题相联系。2009年,LEHMANN等将生物炭特指为改良土壤性状而人为施入的炭化有机物[8]。2009年6月Nature发表的“The Bright Prospect of Biochar”[9]的新闻评论和2010年该刊发表的通讯“Sustainable Biochar to Mitigate Global Climate Change”[10]，以及2011年中国工程科学刊发的“生物炭技术研究”[11]等重要文献进一步明确了生物炭还田在粮食增产与固碳减排中的作用。生物炭研究已经成为当前最具吸引力的研究方向之一，并呈现快速发展趋势。
1.2炭化还田技术的理论基础
与高温制炭技术不同，农林业废弃物在相对较低温度下的炭化过程中，生物质原料的孔隙结构将被很好的保留，所形成的生物炭呈弱碱性，理化性质稳定，具有丰富的孔隙结构和较强的吸附能力，比表面积平均提高3倍以上。以生物炭为基质生产的土壤改良剂可以对风沙土、酸化土壤、粘重土壤和污染土壤进行改良，并在消减保护地连作障碍中发挥作用，主要表现在以下几个方面。
1.2.1降低土壤容重，促进植物根系生长生物炭粘性低、容重低[12-13]，密度仅为0.17t·m-3(竹炭)[14]和0.37t·m-3 (树皮炭)[15]，以农林废弃物制备的炭密度则低于0.3。因此生物炭可以降低粘质土壤容重、硬度，从而改善土壤质地及耕作性能。生物炭的碳架较好地保持了水分与空气的融通性，为微生物的繁育提供不可多得的良好环境条件。STEINBEISS等[16]和WARNOCK等[17]的研究结果均表明，土壤中施入生物炭以后，作物根部真菌的繁殖能力增强，刺激微生物落发生变化。同时，生物炭的孔隙结构也在一定程度上减少了微生物之间因争夺生存空间而发生的竞争[18]，并为它们提供了不同的碳源、能量和矿物质营养[17,19]。微生物的繁殖同时也改变了作物生长的微环境，对作物生理生化过程产生重要影响。共生菌的菌丝网络有助于截留淋失的养分，提高养分利用效率。生物炭性质稳定，可在土壤中长期存在，在白浆土等粘重土壤改造中可发挥持续的、可累积的改良效果。
1.2.2提高肥料利用效率农林废弃物炭化还田以后，其本身实际可供作物利用的养分含量并不多，但它可改变土壤的物理性状和结构，促进土壤生物化学与物理化学的交互作用而提高土壤肥力[20-22]，间接地提高作物养分利用效率，从而对作物生长起到积极的促进作用[23-25]。在低纬度地区的田间试验表明，农田土壤施用20t·hm-2以上的生物炭大约可减少10%的肥料施用量[26]。同时，生物炭可有效吸附NO3-与NH3，减少土壤中氨的挥发[27]。
1.2.3提高土壤pH值，减少土壤污染生物炭大多呈碱性，还田后可提高酸性土壤pH值[28-29]，降低土壤重金属污染物的生物有效性。周建斌等[30]、SPOKAS等[31]的研究结果均表明，生物炭可以通过吸
附或共沉淀作用，显著降低重金属污染物、除草剂、农药等在植物体内的积聚。张伟明等[32]研究了在污灌区重金属污染土壤中添加秸秆炭对水稻生长的影响，结果表明，不同秸秆炭处理均促进了水稻的生长，提高了水稻光合速率，显著增加了水稻产量。
生物炭的上述优良特性对作物产量的提高发挥了积极作用。STEINER等[33]在巴西亚马逊河流域土壤中以11t·hm-2的标准添加生物炭，经过2年4个生长季后发现，水稻和高梁的产量累积增加约75%。KISHIMOTO等研究表明，当以500kg·hm-2的标准向火山灰壤土中施加生物炭时，大豆产量增加了51%[34]。ISWARAN等以500kg·hm-2标准向Dehli土中添加生物炭，发现豌豆的生物量增加了60%，大豆的产量增加了50%，绿豆的产量增加了22%[35]。刘世杰等[36]研究发现，黑碳能够促进玉米苗期生长，其株高、茎粗分别比对照增加4.31~
389··第4期孟军等院农林废弃物炭化还田技术的发展与前景
13.13cm和0.04~0.18cm。大量研究结果表明，在表土层15cm混入50t·hm-2的纯碳(约83t·hm-2生物炭)对作物生长产生的效应几乎都是正向的[10]。
同时，生物炭通过固定生物质中的碳，对大气、土壤循环、陆地碳储存等都产生重要影响，可能成为改变土壤碳库自然平衡、较大程度提高土壤碳库容量的技术方式之一。植物通过光合作用吸收CO2，合成并转化成碳水化合物储存在植物体内，再通过炭化技术制备成生物炭还田并封存于土壤中，即可
达到固碳之目的。可见，这是一个净的“负碳”过程，与能源化利用方式相比，农林废弃物炭化还田可提高减排效益22%~27%。据测算，当前土壤碳库为31950亿t，植物年循环碳580亿t，人类年排放碳70亿t。这就意味着将植物每年固碳的1%转变为生物炭并封存，可减缓当前人类碳排放的10%，而不会对土壤碳库产生显著影响[10]。按照现有炭化工艺30%的得率计算，每吨农林废弃物炭化后可固定200kg碳素，折合CO2733kg。以辽宁省为例，玉米秸秆超过900万t，若其中的50%被炭化，可减排CO2约330万t。除了碳封存，生物炭直接还田还可大幅度减少农田土壤中氧化氮等温室气体的排放。RONDON等以20g·kg-1标准向牧草地与大豆土壤中添加生物炭，发现这两种土壤的N2O排放量分别降低了80%和50%,CH4的释放过程也受到明显抑制[37]。
2产业化农林废弃物炭化还田技术的发展现状及前景
2.1产业化概念
诸多学者研究了将生物炭条施、穴施、表土层掺混等多种具体的还田方法[38]，但都是将生物炭直接返还农田。由于生物炭密度低、质量轻，在运输和使用过程中极易产生尘埃。这些颗粒可以悬浮在空气中，随微风移动，不仅导致产品损耗，更会给邻近的生活区带来污染，存在一定的健康风险。将生物炭塑造成颗粒可有效解决这一问题。同时，颗粒状的生物炭还可以更好地和现有的播种机、深松犁等配合，在不大幅增加劳动力投入的情况下完成生物炭还田。受不同气候条件和成因等的影响，我国
中低产田种类繁多、性质各异、等级不同，将生物炭直接还田难以满足不同类型土质改良和作物高产栽培的需求。因此，以生物炭为基质，因地制宜，有针对性地设计、生产和应用不同配方的炭基专用肥料和土壤改良剂是必要的。基于此，陈温福在2006年率先提出产业化“农林废弃物炭化还田”理念并开展研究。其本质是指以农林废弃物为原料，利用简易炭化技术制备生物炭，再以生物炭为基质生产炭基肥或炭基土壤改良剂返还给农田，使农田生产力得以提高的系列技术。炭化技术、设备、工艺，生物炭理化性质，炭基产品的设计、生产与作用机理等多个方面，就构成了农林废弃物炭化还田的技术内涵。
2.2产业化发展现状
生产炭基产品，首先要制备生物炭。近年来，我国农林废弃物热解炭化工艺得到迅速发展，相继出现了热解炭化立窑技术和半封闭式亚高温缺氧干馏炭化技术。自燃式、低成本、高效环保是这些技术的共同特征，出炭率均在30%以上，可实现固、液、气三相的分离及主要产品的回收再利用。其中，河南三利新能源有限公司的热解炭化立窑技术可以实现连续生产，其大型化的设备是集中制炭生产模式的典型代表。热效率高、产量大是其主要优势。与秸秆发电等方式类似，由于农林废弃物密度低、分散度高，收集难、储运成本高就成为了集中制炭生产模式迫切需要解决的问题。近来，辽宁生物炭工程技术研究中心和辽宁金和福农业开发有限公司研发的半封闭式亚高温缺氧干馏炭化技术以及配套的可移动组合式炭化炉，实现了在原料产地就地或就近制炭，将生产模式从原料收集、储运、异地集中
炭化，转变为在产地就地、就近炭化，集炭异地深加工，解决了长期制约农林废弃物资源化和产业化的原料运输成本过高等“瓶颈”问题，使大规模制备生物炭成为可能。
立德树人立教圆梦国外在该领域起步较早、发展较快，废弃生物质热解炭化技术已经相对成熟，目前也在逐步向装备小型化、农场就地化生产方向发展。以美国生物炭系统公司(Biochar Systems)为例，其推出的可装载于皮卡的小型生物炭生产系统—Biochar1000，仅1.8t重，体积小(1.5m×3.6m×2.1m)，每小时可处理含水量<20%的生物质废弃物原料500kg，售价2.5万美元。总的看来，国外的炭化技术与装备日趋成熟，但高昂的价格使其难以在我国大范围推广，国内自主研发的炭化技术装备已初步成型，但在生产效率方面亟待提升。
得益于研究机构的科学敏感性和企业的高度积极性，以生物炭为核心的多元产品开发也已经取得阶段性成果。通过专利检索可以发现,1996年，张宝惠等[39]以木炭为基质，申请了一种炭基多元高效复合肥及其工艺。随后，西北农林科技大学和中国科学院水利部水土保持研究所[40]开发了一种秸秆木炭制备的土壤扩蓄增容剂
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南海区渔政局
第42卷及其生产方法。2007~2008年，陈温福等首次明确提出了以农林废弃物为原料生产炭基缓释肥和土壤改良剂的技术路线，并在简易生物炭制备及炭基缓释肥生产工艺方面获得了4项国家发明专利授权[41-44]，相关产品已经进入市场。在多年多点多作物试验中表现出明显的减氮稳产或增产效果，尤其在风沙土地区栽培的花生和马铃薯、在黑龙江酸化土壤中种植的大豆上效果显著，相关结果将另文发表。继而，国家林业局竹子研究开发中心和中国林业科学研究院亚热带林业研究所[45]发明了一种多效炭氮肥的生产工艺；浙江林学院[46]研制了一种含植物炭的肥料及其制备方法；杨兆生等[47]开发了秸秆木炭制备的炭基大葱专用有机复混控释肥的制备及施用方法；厦门城市环境研究所[48]提出了一种利用生物炭修复多环芳烃污染土壤的方法。近两年，相当数量的专利申请业已被受理，标志着炭基产品研发已进入快速发展期。
2.3发展方向与应用前景
在农业实践中，农林废弃物从传统的堆沤还田、过腹还田，经历机械化的破碎还田，发展到今天的炭化还田，实际上是农业投入从额外的人力、能源，过渡到无需额外投入的过程。利用炭化技术将农林废弃物制备成炭基肥料或土壤改良剂，与常规农艺措施无缝接合，作为新型肥料，在不增加劳动力、能源等经济投入的基础上增加土壤输入，是一种易于推广的策略。同时，在低碳经济的运行中，以“炭”固碳，传统的以粮食生产为目的的农业可兼具显著的减排效益。因此，作为炭化还田的重要技术载体，以生物炭为基础的多元产品开发代表着未来一段时间的发展方向，应给予高度重视。
不难发现，现有成果集中于土壤肥料领域，明确针对土壤培肥、提高肥料利用效率等关键问题。郭洪军等[49]研究表明，黑龙江省中低产田面积为610万hm2，占耕地总面积的63.8%。黑土层厚度由初垦时的60~100cm下降到20~40cm，并且以平均每年3~3.5mm的速度流失，在部分地区甚至出现“破皮黄”。盐化、沙化、大豆连作导致的土壤酸化、以及粘重的白浆土都限制着土壤生产能力的提高。在我国南方，红壤地区总面积217.96万km2，包括15个省区，占全国土地面积的20%，耕地2800万hm2，占全国30%,pH值多在4以下[50-51]。农业部进行的全国污灌区调查结果表明，在约140万hm2的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌溉面积的64.8%，其中轻度污染占46.7%，中度污染占9.7%，严重污染的占8.4%[52]。大量的退化土壤、障碍性土壤和污染土壤需要治理和修复，农林废弃物炭化还田技术的应用前景广阔。同时，我国农林废弃物资源数量庞大，仅农作物秸秆就有约7亿t，其中的50%以上被用做薪柴或废弃焚烧。如果仅仅将这50%中的三分之一炭化，就可获得生物炭近3500余万t；按照炭基肥料和土壤改良剂平均60%的用炭量计算，可生产炭基产品5800余万t；按照750kg·hm-2用量计算，可保障7730万hm2耕地使用；按照生物炭含碳量60%计算，可减排7600余万吨CO2。当前我国只有少数几家公司在从事炭基产品的研发生产，产能一般在10万t以下，市场潜力巨大。
3实现农林废弃物炭化还田技术的对策
总体看来，农林废弃物炭化还田是适应我国新时期低碳、循环、可持续农业发展需求的技术手段，产
学研结合紧密，实践研究发展迅速，应用前景广阔。但是，鉴于农林废弃物数量庞大、分散度高，还要涉及“农户·公司·农户”这样一个循环发展的利益共同体，炭化还田技术的推广与常规农业技术推广将有着明显的不同，合理的利益分配机制和市场化运行模式有待深入探讨，相关研究报道尚不多见。另一方面，我国农林废弃物炭化还田技术的应用基础研究相对滞后于实践发展。作为炭化还田的第一步，低成本制炭技术是市场化运作的敲门砖，需要在短期内进一步优化以提高附加值。其中，提高出炭率是重点，混合可燃气的收集利用是难点。在产品研发方面，我国虽已拥有一定数量的专利，并且还在持续增加，但仍然不能够满足因地制宜、因作物而异的需要，产品种类有待进一步丰富。在这一过程中，明确其作用机理，进行定性、定量的评价，无疑具有相当重要的意义，将为新产品的设计开发提供科学依据。鉴于生物炭显著的固碳减排效益，还需要尽快发展相应的计量方法学，为真实反映炭化还田技术的减排效益提供参考。
显然，农林废弃物炭化还田技术是一项农业资源循环利用技术、一项土壤培肥改良技术、一项农业增产增效技术、一项固碳减排技术，并将变废为宝、直接增加农民收入，促进新农村建设，因此需要国家的政策扶持。该技术以农学为主，多学科交叉，需要各类专业技术人才的智力支持。产学研结合、农科教结合将有力促进农林废弃物炭化还田技术的研究、开发与推广。
抗原呈递细胞第4期
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