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生物质炭成就有机水稻碳汇“第一拍”

发布时间: 05月15日 发布来源:科创中国

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  近日,一块位于江苏省南京市高淳区东坝街道和睦涧村的水稻田备受关注。2022年7月,高淳区与生态环境部南京环境科学研究所、南京农业大学、南京国环有机产品认证中心有限公司合作,向和睦涧村淳和水稻专业合作社的500亩有机水稻田投放了60吨生物质炭。观测数据显示,2022年11月30日至2023年11月30日,这片稻田病虫害发生率平均下降15%,土壤固碳量平均增加89%,稻田温室气体直接排放平均减少16%,净排放量平均减少51%,共产生碳汇130.67吨二氧化碳当量。

  不仅如此,这些碳汇随后被一家公司以每吨75元、总价9800.25元的成交价拍下,成为全国生物质炭有机水稻产生碳汇的“第一拍”。种田人变“卖碳翁”,种水稻的同时收获好空气,还能将“碳票”换成钞票。成就这片水稻田的生物质炭到底为何物?生物质炭的应用是否能为碳减排提供有力支撑?

  实现碳减排的同时吸附有机污染物

  稻田是温室气体甲烷的重要排放源,我国每年稻田甲烷排放量约500万—800万吨。2022年5月,农业农村部、国家发展改革委共同印发《农业农村减排固碳实施方案》,将稻田甲烷减排行动置于十大行动之首。

  生物质炭是否能为有机稻田固碳减排分忧,成为专家学者的关注点。事实证明,生物质炭的潜力不可小觑。

  生物质炭是指将秸秆、树枝、菌渣等生物质废弃物,在无氧或限氧环境中,经高温热裂解所产生的富碳固态物质。南京农业大学资源与环境科学学院副教授程琨告诉科技日报记者,在无氧或限氧条件下,生物质废弃物在250℃—750℃发生热解。其碳水化合物结构崩解后,将产生生物质炭、木醋液和生物质可燃气。目前国内外生物质热解技术大致可分为三大类:一类是在小于500℃环境下的低温慢速热解,一类是在500℃—700℃的中温快速热解,一类是在700℃以上的高温闪速裂解。

  “生物质炭用于农业生产能增加土壤有机质、改善土壤性质,提高土壤养分和水分保持能力,促进作物生长,提高作物产量并改善农产品品质。”南京农业大学资源与环境科学学院教授郑聚锋说,生物质炭一般呈碱性,施入土壤后可以中和土壤酸性,促使土壤中的重金属离子沉淀。同时,生物质炭还可以有效吸附土壤中的重金属,减少作物对重金属的吸收。

  “我们和国内其他学术团队大量的田间试验显示,生物质炭可以显著降低我国南方镉污染稻田水稻籽粒对镉的吸收。”郑聚锋介绍,生物质炭具有较大比表面积、孔隙多,能够吸附并固定有机污染物在其表面,还能通过增强土壤中微生物的活性,提高微生物分解有机污染物的能力。因此,生物质炭施用于含有机污染物的土壤,可以有效阻控植物对有机污染物的吸收。

  生物质炭除被直接施用进行土壤改良外,还可与氮、磷、钾等化学肥料按照一定比例混合后,制成生物质炭基肥,作为新型肥料在农田中广泛应用。郑聚锋曾统计过国内247个观测点的炭基肥田间试验数据,发现施加了炭基肥后,玉米、大豆、水稻、蔬菜等作物增产率达7.8%—16.8%,所有作物平均增产10.9%。

  “我们团队在2017年也做过研究,发现在农田施加生物质炭基肥后,可以提升肥料的养分利用效率并降低温室气体排放。其中,氮素利用效率提升了43%,而碳排放降低了20%。”郑聚锋说。

  在炭化装备研制等方面已有创新成果

  在国际社会,生物质炭市场呈现出勃勃生机。国际生物质炭协会和美国生物质炭协会发布的《2023年全球生物质炭报告》显示,生物质炭生产商、经销商、增值生产商和设备制造商的营收在2023年超过了6亿美元,2021—2023年间的复合年均增长率达到了97%。预计到2025年,生物质炭相关产业营收将进一步增长至33亿美元。

  郑聚锋介绍,相关文献显示,生物质炭每年在全球具备的碳移除潜力可达3亿吨—20亿吨二氧化碳当量。若得到广泛应用,生物质炭在中国的固碳减排潜力可接近9000万吨二氧化碳当量。

  “目前我国的生物质炭研究在炭化装备研制、生物质炭工程技术创新、气炭肥多联产技术创制等方面,已经积累了一些创新成果。”南京农业大学资源与环境科学学院副教授卞荣军说,当前,在水体、土壤、大气中的污染物吸附、钝化、降解方面,国内已经研发出多种生物质炭基材料。

  此外,具有缓释高效功能的炭基复合肥等绿色肥料,也可以服务于农业面源污染治理。卞荣军举例,有团队将生物质炭表面改性后,让其能针对性地吸附多环芳烃等污染物,抑制氧化亚氮、氨气、甲烷的排放,从而实现农业减污降碳。也有研究团队在秸秆等原材料热解过程中,通过添加铁、锰等氧化物,让生物质炭的表面能吸附更多污染物。

  畜禽粪便的科学处理与资源化利用有利于消减污染物、减少养分流失、促进规模化畜禽养殖业可持续发展。卞荣军介绍,有研究显示,将生物质炭与畜禽粪便共堆肥,可以增强发酵效果,并降低氨气的排放,减少堆肥中氮素损耗。

  生物质炭与农业化肥的“联姻”也展现出应用前景。“在化肥中添加生物质炭,可以利用生物质炭的孔隙和官能团,将化肥中的养分保持在土壤中,减少养分损失,从而提升养分利用效率。”卞荣军说。

  不过,在卞荣军看来,生物质炭产业化还处于技术攻坚和商业化应用开拓的关键阶段,相关生产标准尚待建立。例如提升热解装备的连续化生产能力,以及生物质热解过程中尾气的净化,都是当前需要重点关注的问题。

  程琨则认为,当前生物质炭推广仍存在使用成本过高等短板。特别是生产成本和运输成本较高,每吨生物质炭的使用成本大约在1500元以上。

  针对不同原料生物质炭特性开发专用产品

  使用生物质炭是提升土壤碳汇的一条有效途径,同时生物质炭也可以把生物质废弃物综合利用起来,符合低碳、绿色、高效、循环和可持续的高质量发展理念。2019年,联合国政府间气候变化专门委员会将生物质炭土壤固碳量的计算纳入《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版》,这为生物质炭生态效益转化为经济效益提供了契机。

  在程琨看来,未来,针对不同原料生物质炭特性开发专用产品,是生物质炭产业发展的重要方向。“例如,林木类生物质炭碱性高、孔隙发达,可直接用于重金属污染农田治理。林木类、果壳类生物质炭还可以与畜禽粪污混合堆肥,通过接种有益微生物,制备土壤调理剂,用于盐碱土、连作障碍土壤治理和中低产田土壤快速改良。而秸秆类生物质炭由于养分含量高,可以和化学肥料结合制备成生物质炭基肥,部分替代化学肥料用于主要粮食作物生产。”程琨说。

  生物质废弃物炭化过程中的产物,也将产生经济价值。程琨介绍,炭化过程中产生的木醋液,可以和生物质炭浸提液用于生产商品液体肥,一方面能为植物生长提供养分,另一方面可作为植物促生剂提高植物抗逆性。此外,木醋液还可用于制备醋酸、醋酸盐等化学品,在农业、养殖业、护肤美容、医疗保健等领域发挥作用。炭化过程中产生的生物质可燃气则是重要的清洁能源,可通过替代传统化石能源用于发电或供热,服务于能源安全。

  “针对生物质炭化技术进行多元化产品开发,通过专业化的农业绿色低碳技术服务、碳资产管理服务,可以构建‘炭基农业’新模式,服务农业新质生产力发展。”对于生物质炭的未来,程琨信心满满。

来源: 科技日报 作者: 金凤)

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