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浙江加紧研究黑色黄金生物炭:"炭"化不是无情物

  记者李月红 通讯员杜琼

  一种新型、绿色、低碳环保材料——生物炭(Biochar),近年来频频见诸国际权威杂志,被誉为“黑色黄金”。它是由水稻、小麦秸秆、木屑、砻糠及动物粪便等有机垃圾加工而成的一种多孔富碳物质。这项科学研究被寄予了有望一次性缓解困扰人类的气候变化危机、能源危机以及食品和水资源危机。

  不久前,由省农科院牵头,国家林业局竹子研究中心、浙江布莱蒙农业科技股份有限公司等单位协同共建的省生物炭工程技术研究中心正式成立。这也是国内第三个省级生物炭专门研究机构。日前,记者走进这个研究中心,一探究竟。

  两年实验甲烷少了

  这是一次从实验室→工厂→田间→实验室的科研之旅。

  在省农科院环境资源与土壤肥料研究所生物炭专家办公室,记者看到了近20种黑色状的不同种类生物炭。它们分别来自秸秆、毛竹、椰子壳和生活垃圾等废弃生物质,大多呈圆柱形、球形和粉末状。也有部分生物炭还能清楚看得出原来的形状,像油菜秆炭呈细长颗粒状,猪粪炭呈碎屑状。

  记者随手取出一块竹炭,放在显微镜下观察,它就像一块孔状不规则的海绵。研究中心主任杨生茂博士告诉记者,用竹子加工生产竹炭含碳量高达70%至80%,表面积达到每克140至180平方米。你能想象吗,如果把1克竹炭的所有孔隙进行平面切割,折合总面积竟然有一个中等户型的房子那么大!

  那么生物炭是怎样来的呢?记者来到下一个站点,浙江布莱蒙农业科技股份有限公司。在现场,记者看到工程技术研究中心自主研发的炭化炉,正在连续生产。炉内,在低氧环境,400°C至800°C高温下闷烧裂解,生物质呈螺旋状运动,两到三个小时后,神奇的生物炭生产出来了!

  据介绍,制作生物炭的关键在于加工工艺参数,如温度、滞留期、压力和均匀度的控制。炭化炉每小时能处理200到300公斤的作物秸秆,得炭率高达30%。

  下一步,就是将生物炭如何返还土壤。在省农科院海宁杨渡创新基地,记者发现科研人员正在进行的系列生物炭及炭基肥料田间实验,这是一片三亩的水稻油菜轮作体系试验田地。在人为间隔的一块块试验田中间放着静态气体收集箱,一个月采两次,分析生物炭对温室气体排放的影响及其变化规律。同时作物收获时,每年取不同深度的土壤,带回实验室检测分析土壤有机质、氮磷钾等养分的变化。以便弄清楚它对土壤质量、作物产量和温室气体排放的影响。

  与此紧邻的一块蔬菜试验田。这里种着油白菜和小白菜,用以分析不同种类、不同用量的生物炭对蔬菜产量及品质的影响。还有一块新建幼龄桃园试验田,树根部位的土壤,明显看得出比周边区域更黑,这里施有生物炭和生物炭肥料,无机肥料和有机肥料。

  田间采集的所有样品都会回到实验室分析。在气体分析室里,科研人员拿出一包60毫升的铝箔气体采样袋,抽取30毫升,分别注入气相色谱仪CO2、CH4、N2O进样口,5分钟之后便可在联机电脑上得到分析谱图。每次采集180个样品。从分析数据来看,稻田甲烷释放量为每平方米每小时0.04毫克。“经过2年的数据分析,发现秸秆经炭化还田后,稻田甲烷的释放量有一定的减少。”

  这样的数据,已经连续收集了两年。杨生茂告诉记者,施用生物炭后土壤容重明显变小了,土质更疏松了;土壤有机质含量增加;部分作物有增产效果。但长期影响如何仍需要继续研究。

  国内研究改良土壤

  生物炭的发现,对科学界而言,无疑是一个令人兴奋的消息。

  杨生茂介绍说,上世纪60年代,荷兰科学家宋布鲁克在巴西亚马逊河流域,发现一片神奇黑色土地,区域内的植物生长郁郁葱葱,明显比其他近邻区域长得茂盛健壮。科学家将土壤样品带回实验室检测研究,发现这种土壤里面就含有生物炭成分。

  近年来,随着全球气候变化,温室气体排放,耕地土壤退化,科学家再次将目光转向生物炭。2009年,美国康奈尔大学科学家成立国际生物炭协会,正式开始研究这一新兴领域。接着,英国、澳大利亚等也相继成立生物炭专门研究机构及研究中心;2012年,我省正式成立了生物炭工程技术研究中心。

  “科学界对其寄予了解决人类生活四个重大危机的期望,气候变化危机、能源危机,以及食品和水资源危机。”杨生茂说,生物质炭化过程中,大约1/3转化为生物炭,其余转化为可燃烧的合成气和原油替代品。

  生物炭是这样发挥作用的:作为土壤结构改良剂,或者制成各种炭基肥料,起到提高土壤质量,增加作物产量,改善品质的作用;或者作为土壤污染修复剂等,起到减少污染的效果。直接回归土壤,可增加土壤碳封存约40%至50%,这对于人类来说,简直太必需了。来自全球碳计划统计,每年人类排放到大气中的二氧化碳中有54%、约48亿吨,被陆地和海洋中的碳汇所吸收。剩余的约40亿吨碳则需要人类想办法去降低或者吸收。此外,由于全球气候的变暖,天然碳汇的吸收量正在下降,这就意味着我们要么付出更大的努力减少空气中的碳含量,要么停止向空气中排放碳。

  “此外,开展生物炭研究,对于拓宽我国废弃生物质的高效资源化源头处理途径,具有重要的意义。”杨生茂说。每年我国各种放弃生物质资源丰富,仅作物秸秆高达7亿至8亿吨。由于技术、传统和观念等因素的制约,农作物秸秆还田量仅为15%左右,而直接燃烧或废弃或随意堆放的量却超过30%,不但造成这些宝贵生物质资源的严重浪费,而且随意燃烧还污染环境,带来交通安全隐患,增加了温室气体排放。

  “目前,我们的工程中心已经成功研发了适合不同生物质炭化设备和肥料生产线,开发了多种炭基控释肥、炭基有机肥和土壤改良剂。”杨生茂说,下一步的科研重点是生物炭生产工艺优化,生物炭生产成本控制,生物炭系列产品的应用及大面积推广。