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    4. 生物質炭成就有機水稻碳匯“第一拍”

      2024-5-15 11:27 來源: 科技日報 |作者: 金鳳

      近日,一塊位于江蘇省南京市高淳區東壩街道和睦澗村的水稻田備受關注。2022年7月,高淳區與生態環境部南京環境科學研究所、南京農業大學、南京國環有機產品認證中心有限公司合作,向和睦澗村淳和水稻專業合作社的500畝有機水稻田投放了60噸生物質炭。觀測數據顯示,2022年11月30日至2023年11月30日,這片稻田病蟲害發生率平均下降15%,土壤固碳量平均增加89%,稻田溫室氣體直接排放平均減少16%,凈排放量平均減少51%,共產生碳匯130.67噸二氧化碳當量。

      不僅如此,這些碳匯隨后被一家公司以每噸75元、總價9800.25元的成交價拍下,成為全國生物質炭有機水稻產生碳匯的“第一拍”。種田人變“賣碳翁”,種水稻的同時收獲好空氣,還能將“碳票”換成鈔票。成就這片水稻田的生物質炭到底為何物?生物質炭的應用是否能為碳減排提供有力支撐?

      實現碳減排的同時吸附有機污染物

      稻田是溫室氣體甲烷的重要排放源,我國每年稻田甲烷排放量約500萬—800萬噸。2022年5月,農業農村部、國家發展改革委共同印發《農業農村減排固碳實施方案》,將稻田甲烷減排行動置于十大行動之首。

      生物質炭是否能為有機稻田固碳減排分憂,成為專家學者的關注點。事實證明,生物質炭的潛力不可小覷。

      生物質炭是指將秸稈、樹枝、菌渣等生物質廢棄物,在無氧或限氧環境中,經高溫熱裂解所產生的富碳固態物質。南京農業大學資源與環境科學學院副教授程琨告訴科技日報記者,在無氧或限氧條件下,生物質廢棄物在250℃—750℃發生熱解。其碳水化合物結構崩解后,將產生生物質炭、木醋液和生物質可燃氣。目前國內外生物質熱解技術大致可分為三大類:一類是在小于500℃環境下的低溫慢速熱解,一類是在500℃—700℃的中溫快速熱解,一類是在700℃以上的高溫閃速裂解。

      “生物質炭用于農業生產能增加土壤有機質、改善土壤性質,提高土壤養分和水分保持能力,促進作物生長,提高作物產量并改善農產品品質?!蹦暇┺r業大學資源與環境科學學院教授鄭聚鋒說,生物質炭一般呈堿性,施入土壤后可以中和土壤酸性,促使土壤中的重金屬離子沉淀。同時,生物質炭還可以有效吸附土壤中的重金屬,減少作物對重金屬的吸收。

      “我們和國內其他學術團隊大量的田間試驗顯示,生物質炭可以顯著降低我國南方鎘污染稻田水稻籽粒對鎘的吸收?!编嵕垆h介紹,生物質炭具有較大比表面積、孔隙多,能夠吸附并固定有機污染物在其表面,還能通過增強土壤中微生物的活性,提高微生物分解有機污染物的能力。因此,生物質炭施用于含有機污染物的土壤,可以有效阻控植物對有機污染物的吸收。

      生物質炭除被直接施用進行土壤改良外,還可與氮、磷、鉀等化學肥料按照一定比例混合后,制成生物質炭基肥,作為新型肥料在農田中廣泛應用。鄭聚鋒曾統計過國內247個觀測點的炭基肥田間試驗數據,發現施加了炭基肥后,玉米、大豆、水稻、蔬菜等作物增產率達7.8%—16.8%,所有作物平均增產10.9%。

      “我們團隊在2017年也做過研究,發現在農田施加生物質炭基肥后,可以提升肥料的養分利用效率并降低溫室氣體排放。其中,氮素利用效率提升了43%,而碳排放降低了20%?!编嵕垆h說。

      在炭化裝備研制等方面已有創新成果

      在國際社會,生物質炭市場呈現出勃勃生機。國際生物質炭協會和美國生物質炭協會發布的《2023年全球生物質炭報告》顯示,生物質炭生產商、經銷商、增值生產商和設備制造商的營收在2023年超過了6億美元,2021—2023年間的復合年均增長率達到了97%。預計到2025年,生物質炭相關產業營收將進一步增長至33億美元。

      鄭聚鋒介紹,相關文獻顯示,生物質炭每年在全球具備的碳移除潛力可達3億噸—20億噸二氧化碳當量。若得到廣泛應用,生物質炭在中國的固碳減排潛力可接近9000萬噸二氧化碳當量。

      “目前我國的生物質炭研究在炭化裝備研制、生物質炭工程技術創新、氣炭肥多聯產技術創制等方面,已經積累了一些創新成果?!蹦暇┺r業大學資源與環境科學學院副教授卞榮軍說,當前,在水體、土壤、大氣中的污染物吸附、鈍化、降解方面,國內已經研發出多種生物質炭基材料。

      此外,具有緩釋高效功能的炭基復合肥等綠色肥料,也可以服務于農業面源污染治理。卞榮軍舉例,有團隊將生物質炭表面改性后,讓其能針對性地吸附多環芳烴等污染物,抑制氧化亞氮、氨氣、甲烷的排放,從而實現農業減污降碳。也有研究團隊在秸稈等原材料熱解過程中,通過添加鐵、錳等氧化物,讓生物質炭的表面能吸附更多污染物。

      畜禽糞便的科學處理與資源化利用有利于消減污染物、減少養分流失、促進規?;笄蒺B殖業可持續發展。卞榮軍介紹,有研究顯示,將生物質炭與畜禽糞便共堆肥,可以增強發酵效果,并降低氨氣的排放,減少堆肥中氮素損耗。

      生物質炭與農業化肥的“聯姻”也展現出應用前景?!霸诨手刑砑由镔|炭,可以利用生物質炭的孔隙和官能團,將化肥中的養分保持在土壤中,減少養分損失,從而提升養分利用效率?!北鍢s軍說。

      不過,在卞榮軍看來,生物質炭產業化還處于技術攻堅和商業化應用開拓的關鍵階段,相關生產標準尚待建立。例如提升熱解裝備的連續化生產能力,以及生物質熱解過程中尾氣的凈化,都是當前需要重點關注的問題。

      程琨則認為,當前生物質炭推廣仍存在使用成本過高等短板。特別是生產成本和運輸成本較高,每噸生物質炭的使用成本大約在1500元以上。

      針對不同原料生物質炭特性開發專用產品

      使用生物質炭是提升土壤碳匯的一條有效途徑,同時生物質炭也可以把生物質廢棄物綜合利用起來,符合低碳、綠色、高效、循環和可持續的高質量發展理念。2019年,聯合國政府間氣候變化專門委員會將生物質炭土壤固碳量的計算納入《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》,這為生物質炭生態效益轉化為經濟效益提供了契機。

      在程琨看來,未來,針對不同原料生物質炭特性開發專用產品,是生物質炭產業發展的重要方向?!袄?,林木類生物質炭堿性高、孔隙發達,可直接用于重金屬污染農田治理。林木類、果殼類生物質炭還可以與畜禽糞污混合堆肥,通過接種有益微生物,制備土壤調理劑,用于鹽堿土、連作障礙土壤治理和中低產田土壤快速改良。而秸稈類生物質炭由于養分含量高,可以和化學肥料結合制備成生物質炭基肥,部分替代化學肥料用于主要糧食作物生產?!背嚏f。

      生物質廢棄物炭化過程中的產物,也將產生經濟價值。程琨介紹,炭化過程中產生的木醋液,可以和生物質炭浸提液用于生產商品液體肥,一方面能為植物生長提供養分,另一方面可作為植物促生劑提高植物抗逆性。此外,木醋液還可用于制備醋酸、醋酸鹽等化學品,在農業、養殖業、護膚美容、醫療保健等領域發揮作用。炭化過程中產生的生物質可燃氣則是重要的清潔能源,可通過替代傳統化石能源用于發電或供熱,服務于能源安全。

      “針對生物質炭化技術進行多元化產品開發,通過專業化的農業綠色低碳技術服務、碳資產管理服務,可以構建‘炭基農業’新模式,服務農業新質生產力發展?!睂τ谏镔|炭的未來,程琨信心滿滿。

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