生物炭（作为土壤改良剂的木炭）
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更新时间：2023-07-07
小编整理：
生物炭是一种作为土壤改良剂的木炭，可以帮助植物生长，并可以应用于农业用途和碳收集及储存使用。它有别于传统木炭，一般用于燃料。
基本信息
| 中文名 | 生物炭 |
| 外文名 | biochar |
| 生产方法 | 废弃生物质高温热裂解及气化制造 |
| 领域 | 环境 |
| 性质 | 纯碳 |
简介
生物炭跟一般的木炭一样是生物质能原料经热裂解之后的产物，其主要的成分是碳分子。因为对亚马逊黑土的研究，让科学家开始对生物炭发生兴趣。在日本，在农业上使用生物炭也有长久的历史。
近年因为排放二氧化碳、一氧化二氮及甲烷等温室气体造成气候变迁影响，让科学家开始重视生物炭之运用，因为它有助于借由生物炭封存的方式，捕捉与清除大气中的温室气体，将它转化成非常稳定的形式，并储存在土壤中达数千年之久。
此外，使用生物炭，可以增加20%的农业生产力、净化水质，并有助于减少化学肥料的使用。
生产方式
高温分解制造
变废为宝方式
很多其他材料也可以制造木炭，诸如农业产生的大量动植物废料——麦秆、种壳、粪便等；人类制造的垃圾——比如下水污泥或其他生活垃圾都能派上用场。使用垃圾废料生产生物炭还有双重减碳的效果。如果任垃圾肥料腐烂，它们会产生甲烷。甲烷也是一种温室气体，其对温室效应的影响是二氧化碳的二十多倍。
但是，难点在于如何经济有效地收集这些废料。克里斯·古德尔在《拯救地球的十种技术》中写道：“在全球范围内，大规模组织生物炭生产和固碳等活动，让农民因将生物炭埋入土壤而得到报酬，实施起来有点难度。”
管理与可持续发展研究所建议，炭的生产可以采用小规模和工业化相结合的方式，如果稍加改进，就能够在城市、乡村甚至贫困地区经济有效地生产生物炭。
碳捕捉
康奈尔大学的约翰内斯·莱曼是生物炭的坚定支持者，2009年4月份，他出版了新书《用生物炭管理环境》，他乐观地估计，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%。生物炭的这种富有潜力、独一无二、甚至有些神秘的特性使其成为研究气候变化最热门的新兴领域之一。
而康奈尔大学的科学家们正在莱曼的带领下，研究如何将碳从富含生物炭的土壤中剥离出来；英国爱丁堡大学建立了生物炭研究中心；其他欧洲国家也紧随其后；加拿大、澳大利亚等国家也纷纷开展了相关的研究项目。一些公司也踏上旅途，开始寻找使生物炭的生产进入商业化的渠道。
研究成果
研究前景
可将碳元素锁在土壤内达数百年
植物的腐烂自然而然会令土壤中含有大量的碳元素。但是这些碳相对而言是不稳定的，受气候影响很大。一旦遇到像农耕这样的变化，土壤就会释放出二氧化碳。这使得它们既是碳源、又是碳汇。因此，用土壤来锁定碳元素的想法对气候学家而言没有丝毫的吸引力。
生物炭与土壤锁碳的不同之处在于，生物炭可以稳定地将碳元素锁住长达数百年。其中的碳元素被矿化后很难再分解。更重要的是，除了它所具备的土壤改良功能外，其生产过程中产生的一些副产品更是具有很高的经济吸引力。
生产过程中，大约1/3转化为生物炭，1/3转化为可用于燃烧发电的合成气，还有1/3则形成原油替代品。这种替代品虽然无法用作运输燃料，但却可以用来制造塑料。因此澳大利亚著名的探险家、自然学家提姆·富兰纳瑞认为生物炭的这些特性“使我们能够同时解决三四个重大危机：气候变化危机，能源危机，以及食品和水资源危机。”使用生物炭不仅能够使土壤肥沃，还能够帮助土壤保持水分。
能有效减少空气中碳含量
据全球碳计划统计，2000到2007年，人类排放到大气中的二氧化碳中每年有54%，约48亿吨，被陆地和海洋中的碳汇（例如森林和海洋中的浮游生物等）所吸收。然而每年仍然有大约40亿吨的剩余的碳需要我们想办法去降低或者吸收。此外，由于陆地和海洋的变暖，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。
变废为宝
他们提出了三种可行的方式。
集中化
——某一地区的所有生物质废料都被送到中央处理厂进行集中处理，目前美国和加拿大的公司普遍采用这种方式；
非集中化方式
——每个农户或小型农户联合体拥有属于自己的技术含量相对较低的高温分解炉。
专家质疑
美国康奈尔大学农业与生命科学学院教授约翰纳斯·雷曼（Johannes Lehmann）曾经出版了一本书，详细讲述了生物炭的优缺点。在他看来，完全不必把气候变化引入生物炭领域，仅靠其提高土壤肥力的优点，以及处理垃圾的能力，就足以让老百姓主动采用这项技术。不过，也有人认为使用“生物炭”固碳只是某些人一厢情愿的“美好愿望”而已，根本无法实现，而且还可能对地球带来无法估量的灾难。
针对当前争议激烈的“生物炭”问题，来自英国、美国、意大利、墨西哥、德国等国家的126个社会团体3月26日联名发表宣言：《生物炭，人类、土地和生态系统的新威胁》，在宣言中，他们明确表示反对“生物炭”，认为其对土地、人类和生态系统构成新的巨大威胁。
在宣言中，他们写道：不少人将在土壤中添加木炭得到生物炭看作一种“减缓气候变化”的策略，并且将其看作一种使土地重新焕发生机的方式。还有人认为，这种方式可以吸收大量二氧化碳，让地球恢复到工业化之前的二氧化碳浓度。其实，这些说法都站不住脚，也是不可行的。宣言指出，如果大规模地生产生物炭，可能需要亿万公顷的土地（主要是植树），同时也会大大改变全球的土地结构和生态系统，造成的后果无法估量。
涉及经济利益
《生物炭，人类、土地和生态系统的新威胁》，指出，在背后推动生物炭发展的“国际生物炭组织”是一个游说集团，主要由生物炭和农业燃料新兴公司以及学者组成，该游说组织提出的要求没有科学依据，他们在世界各地游说推广生物炭，其中涉及许多与商业利益相关的阴谋。
另外也有人担心，国际生物组织提出的经济刺激将促进生物炭工业化的发展，由此可能导致不好的后果：一些公司除了仅仅利用废物外，还会降低土壤的质量或者加速砍伐森林。
反对推广生物炭
第一，没有持久而严格的证据表明，木炭能使土壤更为肥沃。据《金融时报》报道，爱丁堡大学的西蒙·沙克利说：“可能是多个因素共同作用的结果：木炭的多孔结构使它能像海绵一样保存水分和水中营养物质，这正是贫瘠的土壤所匮乏的。另外，其多孔结构使它成为许多重要菌种繁殖的‘温床’。”
土壤学讲师萨兰·索西表示，印第安黑土使巴西贫瘠的土壤变得肥沃，然而仅靠生物炭自身无法做到这一点。沙克利认为：“印第安黑土中的其他物质含有另外的营养成分。例如富含磷元素的骨骼等（磷元素是植物茁壮生长所不可缺少的）。生物炭将这些营养成分黏附在一起。确保它们能够被植物的根部吸收，但这些养分不是生物炭提供的。”
该宣言指出，工业木炭与“亚马逊黑土”差异很大，“亚马逊黑土”是土著居民在数百年甚至数千年的时间变迁中创造的。生物炭公司和研究人员还无法重造“亚马逊黑土”。沙克利补充道：“至今还没有人能够成功地复制出印第安黑土。”另外，工业木炭生产以损失有机物为代价，而这些有机物为生产腐质土壤所必需，因此，如果用来生产生物炭，可能得不偿失。
第二，现在还不清楚土壤中的木炭是否是某种“碳汇”。
在很多情况下，在土壤中添加木炭会刺激微生物分解非生物炭的有机物质，科学家已经证明，这会增加土壤中的碳损失。虽然很多木炭可以在土壤中保存很久，但并非总是如此，很多微生物也能够分解木炭。
生物炭在土壤表面可能会向大气排放出“黑色的烟雾”，这也会加剧温室效应，但是，如果将木炭埋在深层土壤里，可能会改变或者破坏土壤的结构，导致二氧化碳释放进大气中。因此，宣称土壤中的生物炭能够成为“永久的碳汇”站不住脚。
另外，旨在帮助企业遏制碳排放的节碳基金研发总监伯特·德勒左那强调说，很难证明碳可以在土壤中保存数百年。即便最新发现生物炭具有改善土壤的功效，但我们所掌握的技术证据还远远无法为生物碳的发展绘制出一份宏伟而灿烂的蓝图。
第三，要达到生物炭支持者们设定的目标至少需要使用5亿公顷土地。现在，为了纸浆、造纸工业和农业燃料的工业化而单一种植的速生林和其他原料，已经产生了严重的社会和环境问题，加剧了气候变暖，对生物炭的大量新需求将大大恶化这些问题。
第四，产生木炭和能源的高温分解过程可能让土壤和空气遭受危险，同时也会增加化石燃料的燃烧以及威力强大的温室气体一氧化二氮的排放。
节碳基金研发总监伯特·德勒左那担心，把生物炭看作生物质加热后的主要产物可能没有抓住问题的要害。
节碳基金正在紧锣密鼓地大力发展高温分解工厂，但其目的是用生物质生产液态运输燃料，生物炭仅仅是快速高温分解工艺过程中产生的用途尚有争议的副产品而已。
德勒左那表示：“生产液态运输燃料对减排非常重要，而生物炭是否有同样的作用，尚不得而知。”他还认为，鼓励小型农场用传统的低技术含量方法制造生物炭可能比仅仅焚烧或者扔掉这些植物产生更多温室气体。
碳负性
经过计算，污物中60%的碳可以封存在木炭中，木炭埋藏在地下，预计能在1000年或更长时间里，防止碳进入大气。由于污物最初来自能从大气中去除二氧化碳的植物，所以整个过程称为“碳负性”。
壳牌石油公司开展显示出对生物炭作为碳储存机制的浓厚兴趣。生物炭能够捕捉生物质中一半的碳，释放1/3的潜在能量。尽管益处多多，生物炭的进展还是面临着很大的障碍，比如以低廉的价格完善和传播该技术等等。此外，目前金融系统主要资助从生物质和废物中生产能量，对碳储存技术的支持甚少；生物炭需要全球范围的鼓励政策。
正在进行的生物炭土壤益处研究是该技术中一个关键问题。多孔的生物炭能够吸引有益菌，如菌根真菌，捕捉可能从土壤中流失的养分，减少对碳排放肥料的需求。美国纽约康奈尔大学（Cornell University）研究认为，掩埋生物炭可能让土壤储存有机碳的能力增加一倍。澳大利亚的研究表明，生物炭可以减少土壤排放温室气体一氧化二氮。德国拜罗伊特大学（University of Bayreuth）的新研究显示，生物炭可以使贫瘠土壤中的植物生长加倍。拜罗伊特大学研究人员布鲁诺·格拉泽（Bruno Glaser）博士表示：“生物炭研究始于1947年。但是直到上个世纪80年代，生物炭才被人们重视起来。现在，关于生物炭的效果有很多令人兴奋的发现。”格拉泽博士正在德国北部研究生物炭作用于贫瘠土壤的效果。
英国纽卡斯尔大学（Newcastle University）大卫·曼宁（David Manning）教授同样也是生物炭的支持者。他说，通过实施正确的激励措施，生物炭封存的碳数量有可能达到航空业排放量。
实践过程
德国宾根的污水处理厂中，传送带将半干的污水流送入钢容器中，空气中散布着污泥成熟的气味。污水通过容器变成闪亮的黑色颗粒，接着在经过这种短暂的生态“炼金术”处理之后，污物最终变成了木炭，埋藏于地下。将碳封存，防止其进入大气。该技术的支持者表示，该方式储存碳非常有效。未来的全球气候协定中，应该包括生物炭这种技术。
埋藏生物炭还可以提高土壤肥力，因为其蜂窝状颗粒成为水分和肥料的储存库。英国东南地区的洛桑即将开始田间试验，评估生物炭对土壤结构和水分的好处。澳大利亚、美国和德国的实验已经显现出一些成果，特别是在其他土壤贫瘠的地区。
生物炭受到了关注气候变化人士的支持。宾根生物炭工厂设计工程师海尔马特·葛波尔（Helmut Gerber）表示，他设计的高温裂解设备，原本是为了解决污物灰烬堵塞常规锅炉的问题。
通常情况下，污水处理是温室气体的重要来源，废物经焚化（可产生更多排放）产生的粉灰用于建筑行业。在宾根，10%的污水流被输入试验性的高温裂解工厂，工厂用最少的氧气加热废物，分离出一氧化碳和甲烷，之后燃烧再为高温裂解过程提供热量。
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