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刘忠珍:生物炭在土壤改良中的应用实践
2022-05-23 09:18 来源:生态环境探索微平台

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  随着生物炭在农业领域的应用研究不断深入,其环境友好性和资源节约性潜力日益受到重视。而根据当前试验研究中存在的问题及技术需求,我们需要将生物炭放在土壤环境、作物高产高效以及绿色生态等方面进行综合全面的系统研究。

  ——刘忠珍


  问:刘老师您好!有这么两组数据,一组数据:根据《中国耕地质量等级调查与评定》报告,全国耕地评定为15个等别,1等耕地质量最好,15等最差。我国耕地平均质量等别为9.80等,其中低产地占全国耕地总面积的 67.35%;另外一组数据是:我国秸秆废弃物每年平均产生量约为 7.35 亿 t,而如果这些秸秆没有得到更低碳更优化的合理处理利用,不仅会造成直接的资源浪费,更会导致间接的环境风险。那么通过这两组数据,我们可以看到什么样的问题?这二者之间存在着什么样的关联呢?

  刘忠珍:这两组数据让我们看到了问题,但同时也让我们看到了解决问题的方法。我国中低产田面积占了耕地总面积的2/3。2020年底,焦点访谈做了一期“粮仓需要沃土培”的节目,其中提到我国南方耕地酸化,北方耕地盐碱化,以及东北黑土地退化面积合计达6.6亿亩。土壤退化,主要表现为土壤酸化、板结、土层变薄、地力下降等,引起土壤退化的一个重要原因是化肥过量施用,据统计,我国耕地单位面积化肥施用量446kg/公顷,是世界平均水平的4倍。长期的重施化肥,轻施有机肥,忽略土壤培肥,造成了土壤越来越“馋”,为了保产量需要施更多的化肥,从而进入恶性循环,造成土壤酸化、结构变差等退化越来越严重。

  怎么解决呢?提升耕地质量,最重要的是提升土壤有机质含量,大部分中低产田的土壤有机质含量都很低。而仅仅通过施用有机肥等手段提升土壤有机质含量是很难的,需要持续大量施用有机肥才有明显效果,需要大量的人力、物力等高成本投入。怎么办?我国秸秆废弃物每年平均产生量约为 7.35 亿 t便是解决办法。我国农业每年产生大量的作物秸秆是提升耕地质量的很好资源,但也存在很大的环境风险压力。我们必须要将这些秸秆进行更低碳更优化的合理处理利用。

  这其中“秸秆炭化还田”技术对环境中秸秆处理,固碳减排,耕地质量提升,清洁能源等都有贡献,可谓是一举多得。“秸秆炭化还田”就是将农作物秸秆制备成生物炭后再还田利用。生物炭是很有潜力的快速有效提升耕地质量的材料。我们知道,生物炭具有很高的碳含量,一般在30%-80%范围内,且大部分是稳定态的,不易分解,施入土壤后可以快速有效提升土壤有机碳含量。另外,生物炭具有疏松多孔等特性,国内外大量的试验已证明了,生物炭添加到土壤,能够显著地改善土壤物理、化学和生物学性质,提高土壤肥力,增加作物生物量,还能够固碳减排。

  所以,生物炭可用来直接还田,也可加工成生物炭基肥料或土壤调理剂,实现土壤固碳的同时,可提高土壤质量。作物秸秆通过厌氧或限氧热解方式可获得30%左右产率的生物炭,还可获得一定量的生物气和生物油。生物气和生物油是可用清洁能源。2017年“秸秆炭化还田技术”入选农业农村部“秸秆农用十大模式”,2021年“秸秆炭化技术”入选农业农村部办公厅和国家发展改革委办公厅发布的《秸秆综合利用技术目录(2021)》。目前各级政府都在大力推进农作物秸秆综合利用工作,秸秆的资源化利用已成为全面推进生态建设中必须面对并加以解决的问题。相信,秸秆炭化利用会更快的被公众和政府接受从而推广应用。

  问:目前,国内外关于生物炭在农业上的试验研究主要集中于哪些方面?这些研究对推动生物炭实际应用及发展会起到怎样的作用呢?

  刘忠珍:近10多年是生物炭在农业领域研究飞速发展的时期,国内外开展了大量的相关研究,总体说来,主要集中于以下几个方面,1、集中于农林废弃物的生物炭处理方面, 主要开展农林废弃物,例如稻壳、各种秸秆、果园枝条、禽畜粪便等,制备成生物炭或经改性处理,对其理化结构进行表征,并分析其功能特性,评价其应用潜力。2、集中于生物炭对土壤污染消减方面,即净土功能,特别是土壤重金属污染领域,已有很多的大田试验结果,也开展了很多关于生物炭与土壤农药类有机污染物,抗生素等相互作用的基础研究。3、集中于生物炭施用提高土壤质量,促进作物生长和提供农产品品质方面的,即沃土功能,主要研究生物炭对土壤物理化学性质、土壤微生物、动物、植物生理指标等的影响,从而揭示沃土和促进作物生长的原因。4、集中于生物炭农田施用对温室气体减排方面,开展了大量的基础和田间试验。5、集中于生物炭基产品的研发,例如生物炭基复混肥、生物炭基有机肥、生物炭基土壤调理剂等。当然还有些其它方面,例如用生物炭去除养殖场臭气,以及添加到饲料中等等。可以说,生物炭在农业领域的研究涉及到了方方面面,种植业、养殖业,产地环境,养殖环境,后端废弃物处理等。这些研究从理论和技术上证明了生物炭农业应用的可行性和巨大潜力,是生物炭走上实际应用的基础。

  随着生物炭在农业领域的应用研究不断深入,其环境友好性和资源节约性潜力日益受到重视。而根据当前试验研究中存在的问题及技术需求,我们需要将生物炭放在土壤环境、作物高产高效以及绿色生态等方面进行综合全面的系统研究。有了大量的研究结果,公众、政府、企业家等才能更好的认识生物炭,从而推动生物炭产业的发展。

  问:对于生物炭改良土壤的应用研究,目前的主要问题是什么?这其中需要我们进一步突破的方向或内容又是什么呢?

  刘忠珍:大量的田间试验已经证明了生物炭改良土壤效果很好,同时具有净土和沃土的功能。例如,近些年我们应用生物炭或生物炭基调理剂开展了大量的修复重金属污染土壤的工作,发现在钝化土壤重金属,降低其被作物吸收的同时,还能有效提高土壤有机碳含量,改善土壤pH,促进作物生长。生物炭应用于土壤改良效果确实好,可目前大面积推广应用还是比较难。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。

  如大面积推广应用,则需要从生物质原料的收集、运输、生物炭制备工艺、炭基产品开发等全链条有所突破,才可能降低成本。或者生物炭产业的运营模式有所创新。在技术难以突破的现状下,也许运营模式的创新更加有效。

  目前我们一般认为,生物炭制备行业只有规模大才有可能盈利。可大规模生产对各种条件的要求也比较高,加上很多农林废弃物比较分散,收集运输成本很高,风险较大。是否可以针对不同规模考虑不同的运营模式呢?目前我们初步考虑有四种模式供参考,(1)若方圆20公里内,可收集的植物源废弃物资源干量大于3万吨,可设计炭-气联产方案,这套方案中,可产生生物炭和蒸汽,蒸汽可用来发电,加热等,可供附近的工业用热或用电。该模式的运营由炭-气联产企业为主体,多产业联合。(2)若植物源废弃物资源连续产生量在1万吨左右,且集中地点产生,例如对于中药生产厂、糖厂等产生的固体废弃物,可设计连续生产生物炭的方案,该方案中产生的蒸汽可循环利用,用于企业等加热和烘干原材料,该模式由废弃物产生企业或生物炭/生物炭基产品生产企业为经营主体,可以收支平衡,稍有盈利。(3)对于可收集生物质废弃物资源量较少,但产生相对集中的区域,可设计箱式间断式生物炭生产方案。该模式可由城市大型生活小区、学校、村委、农业合作社、种植大户、果园、农庄等自行处理自己区域内产生的生物质废弃物,产生的生物炭可自己小区/农田/果园/农庄回用,也可以卖给以生物炭为主要原料的生物炭基产品加工企业,主要目的是方便处理废弃物。(4)若植物源废弃物分布比较分散,具有季节性,收集成本较高,可设计移动式炭化处理方案。该模式可以由专门的经营者入户入田处理分散性的植物源废弃物,也可以由农户自己租用设备处理,拥有设备者经营盈利。该模式适用于作物秸秆炭化还田模式,需要有相应的小型移动式炭化设备做支撑。

  当然,大面积推广也还需要生物炭在大田施用手段的更新,例如和农机的结合,需要相应的自动化施用装备。还需要更广范围的长期定点的田间试验支持,以及配套的相应标准,例如农用生物炭标准,这个非常重要,因为不是所有的生物炭都可以进入土壤。

  问:近年来,随着生物炭应用研究的不断深入,生物炭与肥料结合的研究也日益受到重视,目前这方面的研究应用情况是怎样的呢?

  刘忠珍:生物炭和肥料结合可发挥双方的优势,起到协同增效的作用,这也是生物炭农业应用的一个很好的方式。生物炭本身养分含量比较低,和肥料结合可以兼顾作物的养分需求,同时可以加工成方便施用的产品,可以更好的商品化进入市场。生物炭基肥料可达到改土培肥,减肥稳产,固碳减排和专肥专用的多重效果,炭基复混/复合肥料,生物炭基有机肥料的农业行业标准也分布与2016年和2020年发布,这意味着生物炭基肥料已经可以市场化了。“秸秆炭基肥利用增效技术”入选农业农村部“2020年十大引领性技术”,“秸秆炭基肥生产技术”入选农业农村部办公厅和国家发展改革委办公厅发布的《秸秆综合利用技术目录(2021)》,这些都为生物炭基肥料的推广应用和市场化行为奠定了很好的基础。

  问:对于生物炭在土壤改良中的应用实践,您讲到,针对不同的耕地土壤,需要有对应的科学配置和配套的技术方案,我们需要运用“土壤医生理念”设计生物炭土壤调理剂?

  刘忠珍:是的。其实,我们开展的土壤改良工作类似于医生给病人治病,需要运用土壤学等专业知识,按一定的程序对土壤健康情况进行诊断,诊断出土壤的主要问题及引起问题的可能原因,例如是土壤酸碱度问题?还是土壤重金属污染问题?还是土壤结构问题?等等。然后针对具体问题,从降低危害、改善土壤质量、增强作物养分供给等方面综合考虑,从土壤改良剂材料库清单和土壤养分库清单中选择合适的材料,设计相应的土壤改良剂配方,配合一定的农艺措施,从而对土壤进行定向改良。这是一个土壤医生给土壤看病,经诊断,开出药方的过程。

  问:您所讲到的“生物炭基土壤调理剂制备及治理农田重金属污染技术”,目前已成功的案例是怎样的表现呢?

  刘忠珍:“生物炭基土壤调理剂制备及治理农田重金属污染技术”是我们这几年通过大量的盆栽和大田试验形成的一个技术,2021和2022年分别获得了广东省农业主推技术。这个技术的核心就是以土壤诊断为基础,以生物炭为基础材料,根据土壤理化性质特点来设计土壤调理剂配方。该技术特点是在钝化土壤重金属降低作物吸收的同时,可以提高土壤质量,促进作物生长。

  例如,同是重金属污染农田,在韶关仁化,土壤是酸性的,pH一般在5左右,我们所用的配方主要是生物炭+碱性无机材料,可以以较低的成本达到比较好的修复效果。而在云浮某地,土壤是中性的,pH在7左右,不能再用碱性无机材料,我们就调整了配方,依旧以生物炭为基础材料,搭配其它中性的材料,也可以实现比较好的改良效果。

  运用这种“先对土壤进行诊断,再定向设计土壤改良剂”的理念,我们团队还在凡口铅锌矿尾砂库生态复绿方面做了一个很好的案例,经过对矿区基质取样诊断,判断出凡口铅锌矿尾砂库制约植物生长的主要限制因素是板结严重、极端酸性(且反酸严重)、贫瘠和重金属毒性,针对性设计了“石灰+生物炭+有机肥+园林绿化废弃物+钙镁磷肥等”复合型调理剂,配合排水沟渠、农艺措施,和合适的先锋植物,形成了“基质原位改良+植被重建”的矿区复绿技术。该技术特点是,无需客土,组合型调理剂原料廉价,植被系统只需人工抚育3-4个月后即可自我维持演替。2021年利用该技术对160亩废弃尾砂库实现了生态复绿工程,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

  问:您在文章中明确指出,生物炭是具有多种功能的一种原材料。那么是否也说明对于生物炭基产品的研发也会有多种可能?

  刘忠珍:是的。生物炭的理化结构特性决定了其具有多种功能,可研发多种应用场景的生物炭基产品,例如土壤改良、水处理、甚至建筑行业,养殖业饲料添加剂等等。聚焦农业低碳绿色发展领域,主要有生物炭基土壤调理剂研发,可关注靶向调控,定向加工等;生物炭基肥料研发,可重点先针对高经济价值作物研发;生物炭基基质研发,用于种苗、花卉、园林等;还有工程生物炭产品研发,主要应用于水处理、大气处理等。

  问:康奈尔大学的约翰内斯·莱曼在2009年4月份,出版了他的新书《用生物炭管理环境》2015年出版了第二版,他估计,生物炭每年最多可以吸收10亿吨温室气体,超过2007年排放总量85亿吨的10%。当前,在双碳目标下,如何更好地发挥生物炭的绿色功能,以及它对土壤的影响作用呢?

  刘忠珍:双碳战略背景是生物炭产业发展的一个很好的机遇,制备生物炭的过程是一个环境保护和碳固定的过程,应用生物炭是一个环境治理的过程,生物炭应用于土壤更可以提高土壤固碳效应,这些对双碳目标的实现将有重要贡献。希望从事生物炭有关研究和应用的炭粉儿们,能够在陈温福院士提出的“以生物炭为核心,以制炭技术为基础,以生物炭肥料和土壤改良剂为主要发展方向,兼顾能源等多元化应用,最终实现耕地质量提升和农业环境的可持续发展”的农林废弃物炭化综合利用技术体系的指引下,产学研结合,多部门联合推进,使生物炭产业更加蓬勃发展。

  问:我们知道,刘老师带领团队是从2011年开始关注、研究生物炭的,到现在已有10多年的时间。对于生物炭研究,您和团队今后的研究重点会放在哪里?您对生物炭未来的发展会有何期望,又有何建议呢?

 刘忠珍:我们仍会一如既往的围绕生物炭的净土和沃土功能开展生物炭与土壤环境调控领域的基础研究、技术和产品开发及推广应用工作,也会更加关注植物源农林废弃物生物炭处理及资源化利用相关的设备、工艺、技术、产品等集成研发以及运营模式的探索。希望能为政府或企业提供全方位的植物源农林废弃物的生物炭利用绿色方案。我们团队前些年主要开展的是生物炭的净土功能方面的工作,最近两年开拓了生物炭与土壤固碳领域的研究,新近刚安排了几个秸秆炭化还田方面的定位试验和大田试验,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统的工作。

  作为一名10多年的“炭粉儿”我期望生物炭能被更多的民众所认识和了解,更加期望生物炭能在我们美丽乡村建设,乡村振兴、双碳战略中发挥应有的作用。建议和呼吁政府部门加大生物炭领域的研究和应用推广支持力度。



  专家简介:

  刘忠珍,91111威斯尼斯人APP下载安装- 最新版下载农业资源与环境研究所环境化学研究室主任,研究员。刘忠珍团队研究方向为土壤化学与污染控制,生物炭与土壤环境调控,植物源废弃物生物质炭化与资源化利用。承担国家自然科学基金4项,其他项目40多项,发表论文60余篇(SCI收录20多篇),授权专利9件,广东省农业主推技术1项。

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