生物质炭与土壤可持续管理：从土壤问题到生物质产业
|
|
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（International Biochar 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（Biochar Engineering System）和生态生物质炭公司（Eco-engineering）。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。
生物质炭与土壤可持续管理：效应与行动
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%）。
图 2 扫描电镜下施用生物质炭后土壤（褐土）团聚体颗粒变化
（a）未施用生物质炭；（b）施用生物质炭（20吨/公顷）
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。
全球生物质炭与土壤可持续管理全球行动
2015 年，科学家和社会活动家在 Nature 撰文呼吁全球农业引入生物质炭土壤改良提升机制，鼓励发展废弃物生物质炭促进土壤固碳和农业生产力提高。近年来科学家们也将生物质炭施加土壤的实践列入减缓气候变化的可行技术途径。联合国全球环境基金（GEF）于 2015 年启动了生物质炭与全球土壤可持续管理（示范）项目，资助在亚洲、非洲和南美洲等地区的 6 个国家开展农民参与的生物质炭土壤改良与肥力提升实践。亚洲开发银行也设立种子项目支持在尼泊尔等亚洲欠发达国家山区的农民进行农业废弃物炭化和生物质炭土壤改良项目，帮助保持和提升土壤肥力，增进农业生产效益。这些项目也带动了非洲一些国家发展生物质炭科技和农业应用的热情，法国 Pro-Natura 等一些国际组织将生物质炭改良土壤和施肥作为脱贫的主要解决方案，还建立了生物质炭试验示范和培训基地，并成立了泛非洲生物质炭研究中心和生物质炭协会以推广其生物质炭科技与应用。生物质炭通过土壤改良与肥力提升而帮助欠发达地区土壤保持和农业增产增效已经被广泛接受，越来越受到国际基金组织的关注。作为扶贫减困助农富农的小计划，一些金融机构也越来越乐于支持这样的环保、自然和农业多赢项目。全球土壤可持续管理的生物质炭应用助推了生物质炭科技及产业的发展。