生物质炭与土壤可持续管理：从土壤问题到生物质产业

中国生物质炭科技：现状与需求

废弃物治理与农业的双重压力

随着我国城镇化推进和工业快速发展，农村种植业与养殖业日益分离，农民耕地管理投入日益弱化。农业生产过程中产生的废弃物脱离了生物质的自然循环过程，导致土壤有机质库不断损耗而肥力消减，同时大量生物质废弃物成为农业环境的污染源和温室气体的排放源。我国农业面临耕地土壤酸化、板结、失墒，以及化肥、农药大量使用等问题，农药和抗生素残留流失于环境。秸秆等农业废弃物未得到有效利用，大量直接焚烧加剧了大气污染。在国家绿色发展战略框架下，土壤的可持续管理与废弃物资源化循环成为相辅相成的农业可持续发展的出路。因此，中国比世界上任何一个国家都需要这种既能处置废弃物资源又能培肥土壤的生物质炭科技与工程。

从废弃物治理走向生物质产业

对生物质炭的深入研究催生了生物质废弃物炭化与生物质炭农业应用的有机结合，初步形成了以热裂解为基础的生物质工程与产业。2017 年 4 月，农业部将秸秆炭化还田列为全国秸秆资源化综合利用的十大模式之一。2017年8月，秸秆工业化生产与炭基肥生态农业技术通过鉴定，被环保企业作为产业技术转化而商业化推广。2017 年 11月底，国家能源局和环保部发布通知，明确支持生物质炭化和炭基肥生产作为煤电生物质能源耦合联产的新模式。秸秆年处理量 1.5 万吨，生物质炭年产 5 000 吨，生物质炭基肥年产 2 万吨的生产系统已经投入运行并快速商业化推广（图 3）。

这一套生产系统与多种形式的秸秆收储运系统结合后可以形成秸秆年处理量 1 000 万吨，生产生物质炭 350 万吨，炭基肥 1 200 多万吨的新型生物质炭基产业，其产值将达到 300—400

亿元。这一套集废弃物处理、能源利用与肥料生产为一体的系统形成了一个巨大产业集群，将成为农业源实体经济的新增长点，也提出了科技、工程、管理和金融融合服务的新需求。

生物质科技与工程学科发展支撑土壤提升及绿色农业

生物质热裂解产业一方面服务于土壤肥力提升和生态农业建设，另一方面为我国生物质炭科技与工程提供了极好的发展机遇。这个学科涉及土壤改良、污染治理、肥料创新和新能源开发等多个生产和经济领域。从产业发展来说，生物质科技与工程将服务于从原料、产品、规模和模式优化热裂解系统及产品创新。同时，设备、产品和模式的系列化、区域化、标准化，需求生物质科技与工程提供全链式产业支持与服务。生物质科技和工程业也展现了土壤改良及可持续管理的广阔发展空间。不同成因低产土壤改良、生产力恢复与提升的普适性生物质炭产品及施用技术，不同农区作物或生产模式的土壤改良-作物施肥双效炭基肥设计与新施肥模式，重金属污染农田治理、盐碱土改良与快速利用、矿山废弃土地的快速恢复与肥力重构等都是针对生物质炭可持续土壤改良与管理的服务需求和技术发展方向。

生物质炭土壤可持续改良的基础研究工作亟待发展

生物质炭的土壤过程及其生态系统效应的整合研究与机理认识一直是近 10 年国际土壤学界的研究热点。以往国际上的基础研究偏重于对土壤原有有机碳稳定与否的考量，例如曾经十分纷繁的激发效应与土壤碳更新加快的争议^[13]。越来越多的田间试验已经证明了生物质炭促进了土壤有机质的保持和降低非 CO₂温室气体排放的巨大作用^[7,14]。相反，生物质炭在农田增碳、促氮、钝化、增产、优质的多效应偶联特征及其调节，其持效性及其影响因素都认识不足。其关键问题在于对生物质炭-土壤-植物-生物的相互作用的深入剖析。田间试验中经常观察到植物健康与系统的稳定性，而生物质炭如何赋予了土壤-植物系统的抗性（System Acquainted Resistance，SAR，或称“系统稳定性”），其形成机制和不同土壤-植物系统的表现特征，已成为生物质炭土壤可持续管理和生态农业的前沿科学问题。

从生物质炭改良土壤提升肥力的农业文明实践出发，以有机废弃物炭化还田为核心的生物质科技与工程性学科领域已经显现光明前景。这一新领域不仅解决农业生物质废弃物处置问题，而且直接服务于快速提升土壤肥力、促进农业固碳减排，以促进土壤可持续管理。随着我国生物质产业的快速推进，工程技术和基础研究的融合发展势在必行。以生物质炭热裂解为核心的生物质科技与工程将成为新的学科领域，同时也需要整合已有的科学技术和资金投入。建议着力加强对生物质炭-土壤-植物-生物相互作用的基础研究，解决生物质炭生态农业的系统健康和可持续性的前沿科学问题。（作者：卞荣军、陆海飞、郑聚锋、程琨、李恋卿、张旭辉、潘根兴   南京农业大学 农业资源与生态环境研究、三聚农业生物质工程中心   《中国科学院院刊》供稿）

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