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            劉忠珍:生物炭在土壤改良中的應用實踐
            2022-05-23 09:18 來源:生態環境探索微平臺

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              隨著生物炭在農業領域的應用研究不斷深入,其環境友好性和資源節約性潛力日益受到重視。而根據當前試驗研究中存在的問題及技術需求,我們需要將生物炭放在土壤環境、作物高產高效以及綠色生態等方面進行綜合全面的系統研究。

              ——劉忠珍


              問:劉老師您好!有這么兩組數據,一組數據:根據《中國耕地質量等級調查與評定》報告,全國耕地評定為15個等別,1等耕地質量最好,15等最差。我國耕地平均質量等別為9.80等,其中低產地占全國耕地總面積的 67.35%;另外一組數據是:我國秸稈廢棄物每年平均產生量約為 7.35 億 t,而如果這些秸稈沒有得到更低碳更優化的合理處理利用,不僅會造成直接的資源浪費,更會導致間接的環境風險。那么通過這兩組數據,我們可以看到什么樣的問題?這二者之間存在著什么樣的關聯呢?

              劉忠珍:這兩組數據讓我們看到了問題,但同時也讓我們看到了解決問題的方法。我國中低產田面積占了耕地總面積的2/3。2020年底,焦點訪談做了一期“糧倉需要沃土培”的節目,其中提到我國南方耕地酸化,北方耕地鹽堿化,以及東北黑土地退化面積合計達6.6億畝。土壤退化,主要表現為土壤酸化、板結、土層變薄、地力下降等,引起土壤退化的一個重要原因是化肥過量施用,據統計,我國耕地單位面積化肥施用量446kg/公頃,是世界平均水平的4倍。長期的重施化肥,輕施有機肥,忽略土壤培肥,造成了土壤越來越“饞”,為了保產量需要施更多的化肥,從而進入惡性循環,造成土壤酸化、結構變差等退化越來越嚴重。

              怎么解決呢?提升耕地質量,最重要的是提升土壤有機質含量,大部分中低產田的土壤有機質含量都很低。而僅僅通過施用有機肥等手段提升土壤有機質含量是很難的,需要持續大量施用有機肥才有明顯效果,需要大量的人力、物力等高成本投入。怎么辦?我國秸稈廢棄物每年平均產生量約為 7.35 億 t便是解決辦法。我國農業每年產生大量的作物秸稈是提升耕地質量的很好資源,但也存在很大的環境風險壓力。我們必須要將這些秸稈進行更低碳更優化的合理處理利用。

              這其中“秸稈炭化還田”技術對環境中秸稈處理,固碳減排,耕地質量提升,清潔能源等都有貢獻,可謂是一舉多得?!敖斩捥炕€田”就是將農作物秸稈制備成生物炭后再還田利用。生物炭是很有潛力的快速有效提升耕地質量的材料。我們知道,生物炭具有很高的碳含量,一般在30%-80%范圍內,且大部分是穩定態的,不易分解,施入土壤后可以快速有效提升土壤有機碳含量。另外,生物炭具有疏松多孔等特性,國內外大量的試驗已證明了,生物炭添加到土壤,能夠顯著地改善土壤物理、化學和生物學性質,提高土壤肥力,增加作物生物量,還能夠固碳減排。

              所以,生物炭可用來直接還田,也可加工成生物炭基肥料或土壤調理劑,實現土壤固碳的同時,可提高土壤質量。作物秸稈通過厭氧或限氧熱解方式可獲得30%左右產率的生物炭,還可獲得一定量的生物氣和生物油。生物氣和生物油是可用清潔能源。2017年“秸稈炭化還田技術”入選農業農村部“秸稈農用十大模式”,2021年“秸稈炭化技術”入選農業農村部辦公廳和國家發展改革委辦公廳發布的《秸稈綜合利用技術目錄(2021)》。目前各級政府都在大力推進農作物秸稈綜合利用工作,秸稈的資源化利用已成為全面推進生態建設中必須面對并加以解決的問題。相信,秸稈炭化利用會更快的被公眾和政府接受從而推廣應用。

              問:目前,國內外關于生物炭在農業上的試驗研究主要集中于哪些方面?這些研究對推動生物炭實際應用及發展會起到怎樣的作用呢?

              劉忠珍:近10多年是生物炭在農業領域研究飛速發展的時期,國內外開展了大量的相關研究,總體說來,主要集中于以下幾個方面,1、集中于農林廢棄物的生物炭處理方面, 主要開展農林廢棄物,例如稻殼、各種秸稈、果園枝條、禽畜糞便等,制備成生物炭或經改性處理,對其理化結構進行表征,并分析其功能特性,評價其應用潛力。2、集中于生物炭對土壤污染消減方面,即凈土功能,特別是土壤重金屬污染領域,已有很多的大田試驗結果,也開展了很多關于生物炭與土壤農藥類有機污染物,抗生素等相互作用的基礎研究。3、集中于生物炭施用提高土壤質量,促進作物生長和提供農產品品質方面的,即沃土功能,主要研究生物炭對土壤物理化學性質、土壤微生物、動物、植物生理指標等的影響,從而揭示沃土和促進作物生長的原因。4、集中于生物炭農田施用對溫室氣體減排方面,開展了大量的基礎和田間試驗。5、集中于生物炭基產品的研發,例如生物炭基復混肥、生物炭基有機肥、生物炭基土壤調理劑等。當然還有些其它方面,例如用生物炭去除養殖場臭氣,以及添加到飼料中等等??梢哉f,生物炭在農業領域的研究涉及到了方方面面,種植業、養殖業,產地環境,養殖環境,后端廢棄物處理等。這些研究從理論和技術上證明了生物炭農業應用的可行性和巨大潛力,是生物炭走上實際應用的基礎。

              隨著生物炭在農業領域的應用研究不斷深入,其環境友好性和資源節約性潛力日益受到重視。而根據當前試驗研究中存在的問題及技術需求,我們需要將生物炭放在土壤環境、作物高產高效以及綠色生態等方面進行綜合全面的系統研究。有了大量的研究結果,公眾、政府、企業家等才能更好的認識生物炭,從而推動生物炭產業的發展。

              問:對于生物炭改良土壤的應用研究,目前的主要問題是什么?這其中需要我們進一步突破的方向或內容又是什么呢?

              劉忠珍:大量的田間試驗已經證明了生物炭改良土壤效果很好,同時具有凈土和沃土的功能。例如,近些年我們應用生物炭或生物炭基調理劑開展了大量的修復重金屬污染土壤的工作,發現在鈍化土壤重金屬,降低其被作物吸收的同時,還能有效提高土壤有機碳含量,改善土壤pH,促進作物生長。生物炭應用于土壤改良效果確實好,可目前大面積推廣應用還是比較難。成本高是最重要的原因,另外也存在不方便施用等其他的因素。

              如大面積推廣應用,則需要從生物質原料的收集、運輸、生物炭制備工藝、炭基產品開發等全鏈條有所突破,才可能降低成本?;蛘呱锾慨a業的運營模式有所創新。在技術難以突破的現狀下,也許運營模式的創新更加有效。

              目前我們一般認為,生物炭制備行業只有規模大才有可能盈利??纱笠幠Ia對各種條件的要求也比較高,加上很多農林廢棄物比較分散,收集運輸成本很高,風險較大。是否可以針對不同規??紤]不同的運營模式呢?目前我們初步考慮有四種模式供參考,(1)若方圓20公里內,可收集的植物源廢棄物資源干量大于3萬噸,可設計炭-氣聯產方案,這套方案中,可產生生物炭和蒸汽,蒸汽可用來發電,加熱等,可供附近的工業用熱或用電。該模式的運營由炭-氣聯產企業為主體,多產業聯合。(2)若植物源廢棄物資源連續產生量在1萬噸左右,且集中地點產生,例如對于中藥生產廠、糖廠等產生的固體廢棄物,可設計連續生產生物炭的方案,該方案中產生的蒸汽可循環利用,用于企業等加熱和烘干原材料,該模式由廢棄物產生企業或生物炭/生物炭基產品生產企業為經營主體,可以收支平衡,稍有盈利。(3)對于可收集生物質廢棄物資源量較少,但產生相對集中的區域,可設計箱式間斷式生物炭生產方案。該模式可由城市大型生活小區、學校、村委、農業合作社、種植大戶、果園、農莊等自行處理自己區域內產生的生物質廢棄物,產生的生物炭可自己小區/農田/果園/農莊回用,也可以賣給以生物炭為主要原料的生物炭基產品加工企業,主要目的是方便處理廢棄物。(4)若植物源廢棄物分布比較分散,具有季節性,收集成本較高,可設計移動式炭化處理方案。該模式可以由專門的經營者入戶入田處理分散性的植物源廢棄物,也可以由農戶自己租用設備處理,擁有設備者經營盈利。該模式適用于作物秸稈炭化還田模式,需要有相應的小型移動式炭化設備做支撐。

              當然,大面積推廣也還需要生物炭在大田施用手段的更新,例如和農機的結合,需要相應的自動化施用裝備。還需要更廣范圍的長期定點的田間試驗支持,以及配套的相應標準,例如農用生物炭標準,這個非常重要,因為不是所有的生物炭都可以進入土壤。

              問:近年來,隨著生物炭應用研究的不斷深入,生物炭與肥料結合的研究也日益受到重視,目前這方面的研究應用情況是怎樣的呢?

              劉忠珍:生物炭和肥料結合可發揮雙方的優勢,起到協同增效的作用,這也是生物炭農業應用的一個很好的方式。生物炭本身養分含量比較低,和肥料結合可以兼顧作物的養分需求,同時可以加工成方便施用的產品,可以更好的商品化進入市場。生物炭基肥料可達到改土培肥,減肥穩產,固碳減排和專肥專用的多重效果,炭基復混/復合肥料,生物炭基有機肥料的農業行業標準也分布與2016年和2020年發布,這意味著生物炭基肥料已經可以市場化了?!敖斩捥炕世迷鲂Ъ夹g”入選農業農村部“2020年十大引領性技術”,“秸稈炭基肥生產技術”入選農業農村部辦公廳和國家發展改革委辦公廳發布的《秸稈綜合利用技術目錄(2021)》,這些都為生物炭基肥料的推廣應用和市場化行為奠定了很好的基礎。

              問:對于生物炭在土壤改良中的應用實踐,您講到,針對不同的耕地土壤,需要有對應的科學配置和配套的技術方案,我們需要運用“土壤醫生理念”設計生物炭土壤調理劑?

              劉忠珍:是的。其實,我們開展的土壤改良工作類似于醫生給病人治病,需要運用土壤學等專業知識,按一定的程序對土壤健康情況進行診斷,診斷出土壤的主要問題及引起問題的可能原因,例如是土壤酸堿度問題?還是土壤重金屬污染問題?還是土壤結構問題?等等。然后針對具體問題,從降低危害、改善土壤質量、增強作物養分供給等方面綜合考慮,從土壤改良劑材料庫清單和土壤養分庫清單中選擇合適的材料,設計相應的土壤改良劑配方,配合一定的農藝措施,從而對土壤進行定向改良。這是一個土壤醫生給土壤看病,經診斷,開出藥方的過程。

              問:您所講到的“生物炭基土壤調理劑制備及治理農田重金屬污染技術”,目前已成功的案例是怎樣的表現呢?

              劉忠珍:“生物炭基土壤調理劑制備及治理農田重金屬污染技術”是我們這幾年通過大量的盆栽和大田試驗形成的一個技術,2021和2022年分別獲得了廣東省農業主推技術。這個技術的核心就是以土壤診斷為基礎,以生物炭為基礎材料,根據土壤理化性質特點來設計土壤調理劑配方。該技術特點是在鈍化土壤重金屬降低作物吸收的同時,可以提高土壤質量,促進作物生長。

              例如,同是重金屬污染農田,在韶關仁化,土壤是酸性的,pH一般在5左右,我們所用的配方主要是生物炭+堿性無機材料,可以以較低的成本達到比較好的修復效果。而在云浮某地,土壤是中性的,pH在7左右,不能再用堿性無機材料,我們就調整了配方,依舊以生物炭為基礎材料,搭配其它中性的材料,也可以實現比較好的改良效果。

              運用這種“先對土壤進行診斷,再定向設計土壤改良劑”的理念,我們團隊還在凡口鉛鋅礦尾砂庫生態復綠方面做了一個很好的案例,經過對礦區基質取樣診斷,判斷出凡口鉛鋅礦尾砂庫制約植物生長的主要限制因素是板結嚴重、極端酸性(且反酸嚴重)、貧瘠和重金屬毒性,針對性設計了“石灰+生物炭+有機肥+園林綠化廢棄物+鈣鎂磷肥等”復合型調理劑,配合排水溝渠、農藝措施,和合適的先鋒植物,形成了“基質原位改良+植被重建”的礦區復綠技術。該技術特點是,無需客土,組合型調理劑原料廉價,植被系統只需人工撫育3-4個月后即可自我維持演替。2021年利用該技術對160畝廢棄尾砂庫實現了生態復綠工程,效果很好。

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            2019年3月

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            2021年9月

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            2021年11月

              問:您在文章中明確指出,生物炭是具有多種功能的一種原材料。那么是否也說明對于生物炭基產品的研發也會有多種可能?

              劉忠珍:是的。生物炭的理化結構特性決定了其具有多種功能,可研發多種應用場景的生物炭基產品,例如土壤改良、水處理、甚至建筑行業,養殖業飼料添加劑等等。聚焦農業低碳綠色發展領域,主要有生物炭基土壤調理劑研發,可關注靶向調控,定向加工等;生物炭基肥料研發,可重點先針對高經濟價值作物研發;生物炭基基質研發,用于種苗、花卉、園林等;還有工程生物炭產品研發,主要應用于水處理、大氣處理等。

              問:康奈爾大學的約翰內斯·萊曼在2009年4月份,出版了他的新書《用生物炭管理環境》2015年出版了第二版,他估計,生物炭每年最多可以吸收10億噸溫室氣體,超過2007年排放總量85億噸的10%。當前,在雙碳目標下,如何更好地發揮生物炭的綠色功能,以及它對土壤的影響作用呢?

              劉忠珍:雙碳戰略背景是生物炭產業發展的一個很好的機遇,制備生物炭的過程是一個環境保護和碳固定的過程,應用生物炭是一個環境治理的過程,生物炭應用于土壤更可以提高土壤固碳效應,這些對雙碳目標的實現將有重要貢獻。希望從事生物炭有關研究和應用的炭粉兒們,能夠在陳溫福院士提出的“以生物炭為核心,以制炭技術為基礎,以生物炭肥料和土壤改良劑為主要發展方向,兼顧能源等多元化應用,最終實現耕地質量提升和農業環境的可持續發展”的農林廢棄物炭化綜合利用技術體系的指引下,產學研結合,多部門聯合推進,使生物炭產業更加蓬勃發展。

              問:我們知道,劉老師帶領團隊是從2011年開始關注、研究生物炭的,到現在已有10多年的時間。對于生物炭研究,您和團隊今后的研究重點會放在哪里?您對生物炭未來的發展會有何期望,又有何建議呢?

             劉忠珍:我們仍會一如既往的圍繞生物炭的凈土和沃土功能開展生物炭與土壤環境調控領域的基礎研究、技術和產品開發及推廣應用工作,也會更加關注植物源農林廢棄物生物炭處理及資源化利用相關的設備、工藝、技術、產品等集成研發以及運營模式的探索。希望能為政府或企業提供全方位的植物源農林廢棄物的生物炭利用綠色方案。我們團隊前些年主要開展的是生物炭的凈土功能方面的工作,最近兩年開拓了生物炭與土壤固碳領域的研究,新近剛安排了幾個秸稈炭化還田方面的定位試驗和大田試驗,希望能在生物炭的沃土功能和土壤固碳方面做些更加深入系統的工作。

              作為一名10多年的“炭粉兒”我期望生物炭能被更多的民眾所認識和了解,更加期望生物炭能在我們美麗鄉村建設,鄉村振興、雙碳戰略中發揮應有的作用。建議和呼吁政府部門加大生物炭領域的研究和應用推廣支持力度。



              專家簡介:

              劉忠珍,廣東省農業科學院農業資源與環境研究所環境化學研究室主任,研究員。劉忠珍團隊研究方向為土壤化學與污染控制,生物炭與土壤環境調控,植物源廢棄物生物質炭化與資源化利用。承擔國家自然科學基金4項,其他項目40多項,發表論文60余篇(SCI收錄20多篇),授權專利9件,廣東省農業主推技術1項。

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