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生物炭在农业上的应用研究

发布人: admin发布时间: 2017-09-25浏览次数: 3386次
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生物炭是在限氧或隔绝氧的环境条件下,通过高温裂解,将小薪柴、农作物秸秆、杂草等生物质经炭化而形成的,是一种碳含量极其丰富的炭。这种由植物形成的,以固定碳元素为目的的炭被科学家们称为“生物炭”。而我们所说的木炭,是木材或木质原料经过干馏所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料,是保持木材原来构造和孔内残留焦油的不纯的无定形碳[1,2]。木炭的生产原料是珍贵的森林资源,工艺传统,所以其价格昂贵,在农业生产上应用几乎是不可能的,主要应用集中在工业上。而生物炭的生产工艺相对简单,原材料来源广泛且价格低廉,这才使炭在农业生产上应用成为了可能。生物炭施入土壤中以后:一是可以增加土壤的碳汇,缓解气候危机;二是可以提升土壤肥力,增加作物产量。

本文着重研究了生物炭在农业方面的应用模式和意义,以期让更多的学者对生物炭多一份了解,并为生物炭的全面研究和应用提供了参考。

1生物炭的生产过程及其理化特性

生物质原料在裂解炉限氧的环境下燃烧发生裂解反应,产生的烟气在真空泵的抽引下经过冷却分离设备可以得到生物油、木醋液和可燃气体三种产品,裂解反应的剩余物就是生物炭。一吨生物质原料可以产出300kg左右的生物炭、250kg左右的木醋液、50kg左右生物油和近700m³的可燃气体。该技术与其它生物质能利用技术相比,一是对原料的适应性强,二是自热式裂解反应不需耗费其它能源,三是能源转化效率高,达70%左右[3,4]。

生物炭主要组成是碳、氢、氧、氮和灰分。其中含有大量的高分子、高密度的碳水化合物,灰分的含量与生产生物炭的原料来源和种类有直接关系。生物炭多孔,容重小,比表面积大,吸水、吸气能力强,带负电荷多,能形成电磁场;生物炭具有高度的芳香化、物理的热稳定性和生物化学抗分解性[5,6]。

表1 两种主要农作物秸秆制取的生物炭的检验数据

Table 1 The test data of biochar prepared from two main types of straw

Item项目

C%

氢H%

氧O%

氮N%

S%

钾K%

磷P%

Organic matter

有机质%

Wheatstalk biochar麦秸生物炭

71.37

3.34

8.19

0.63

0.04

7.0

0.5

59

cornstalk biochar

玉米杆生物炭

62.58

2.74

1.42

0.71

0.12

6.9

0.6

60

2生物炭在农业上应用的依据

物质结构决定物质的性质,物质的性质决定物质的用途,生物炭的这些特点使其用途变得极为广泛。参考木炭的用途,生物炭也可广泛应用于农业、工业、建筑业、环保、卫生、保健等众多领域。但用农作物秸秆等废弃物制成的生物炭,因其灰分含量高,应用会受到一定的限制,而在农业上的应用却可以取长补短,发挥其最大作用。生物炭是一种多孔体,通气性和透水性特别好;容重小,表面积大,吸水、吸气能力强,有利于保水保肥;除含有大量的高分子碳水化合物之外,还含有多种矿物质营养,可提供作物所需的营养元素,提高土壤肥力;生物炭可以调节土壤的PH值和水、肥、气、热状况;生物炭还可以改善微生物生存环境,为许多重要微生物的生长和繁殖提供了有利的条件。微生物呼吸释放的CO2可以提高作物附近的CO2浓度,在白天增强光合作用,增加有机物的积累,在夜里抑制呼吸作用,减少有机物的消耗,从而达到作物增产的效果。微生物的代谢可为作物的生长提供氮肥,减少氮肥的使用量。这对整个环境的影响是巨大的,因为氮肥释放的N2O对温室效应的影响要比CO2高出300多倍。生物炭施入土壤以后利用自身超强的吸附性像海绵一样把土壤中作物生长所需要的营养元素吸附在它周围,一是可以防止流失,二是可以达到缓释的效果,这对作物的生长极为有利。生物炭的副产品——木醋液,呈弱酸性,有机质含量丰富,渗透性很强,与叶面肥或农药混合使用可提高两者的利用率,减少使用量,从而减少化肥和农药的残留,使农产品的品质有所提高。生物炭与木醋液的这些功能和特点,决定它在农业上应用的广阔前景。

3生物炭在农业上应用的模式

3.1炭基有机肥模式

生物炭与牲畜粪便混合发酵,然后烘干,掺上木醋液,制成优质的炭基有机肥。我国人口众多,像国外那样的养殖业规模根本无法保障居民的饮食需要,所以我国的养殖业必须规模化,追求高产出、高品质。我国的耕地资源又十分紧张,规模化养殖场附近根本不可能有足够的耕地来消化利用这些养殖场排出的粪便,大量的养殖污水和养殖粪便无法得到安全处理,引发了一系列环境问题。我国发展有机农业、生态农业需要大量的有机肥料,有机肥料市场广阔,发展前景良好,因此用牲畜粪便做有机肥符合循环经济的发展模式。但牲畜粪便含水量大,做有机肥需要烘干,经过调查,烘干费用在有机肥的生产成本中占到15%左右。我们用刚出炉的炽热的生物炭与湿的牲畜粪便混合先使一部分水分气化,然后再干燥;生物炭的多孔结构使与粪便混合干燥过程中传热性能提高,减少了能量的消耗,降低了生产成本,产品也更具价格优势。生物炭多孔,利于微生物生长和繁殖,可以缩短发酵时间、提高发酵质量;木醋液具有杀毒作用,可以杀死寄生虫卵;所以两者可以说是有机肥的“黄金搭档”。生物炭和木醋液本身也含有很高的有机质,这对土壤有机质的提升也很有帮助,符合现代生态农业、绿色农业对肥料的要求[7]。

3.2炭基有机-无机复混肥模式

生物炭与市面销售的各种化肥进行掺混(主要是为了满足各种农作物对氮、磷、钾等各种元素的需要)造粒,制成新型的炭基有机-无机复混肥料(表2),其中NPK的总含量≥15%,有机质的含量≥30%。

表2 炭基有机-无机复混肥料的配方

Table 2 The fertilizer formula of carbon-based organic - inorganic compound

项目名称

生物炭

木醋液

粘合剂

尿素

磷酸二铵

硫酸钾肥

禾谷类及叶菜类

45%

3%

2%

45%

5%

果树类及果蔬类

45%

2.5%

2.5%

35%

5%

10%

农业的高产、增产离不开化肥,但作物对化肥的吸收利用率是有限的,目前中国农业的科学施肥不是很普遍,由此造成的化肥流失、土壤板结和水体污染等十分严重。生物炭与化肥掺混造粒后,化肥与生物炭紧紧结合在一起,可以减少化肥的流失,缓释肥效,从而提高化肥的利用率,减少化肥的用量。农田多处的田间试验表明,农田土壤施用生物炭达到1公顷20吨时,大约可以减少10%的化肥施用量;在残留化肥量较多的农田土壤中,当季甚至可以不用化肥只用生物炭就可达到高产的效果。化肥的生产需要耗费大量的煤、石油、天然气等不可再生能源,所以间接上也节约了大量的化石能源,对环境也更有利。化肥是农业生产最基础而且是最重要的物质投入,化肥在农业生产成本(物资费用加入工费用)中占25%以上,占全部物资费用(种子、肥料、农药、机械作业、排灌等费用)的50%左右。国家、地方和农民都为此付出了很大的代价:农民每年为购买化肥要支付1400亿元(按耕地面积计算,每年平均每公顷在购买化肥方面为1005元);国家和地方每年为进口化肥支付35亿美元外汇;全国为增加化肥生产能力,每年投入160亿元;每年为生产化肥消耗能源6545万吨标煤,占全国能源生产总量的5%[7,8]。由此可见提高化肥利用率,减少化肥使用量具有重要意义,而这恰恰归功于生物炭。

3.3改良土壤的模式

生物炭的强吸附性可以吸附大气中的一部分水分和减少降雨时雨水的流失,最大量的将雨水吸附到它所在的可耕层,供作物的生长需要,使缺水干旱缺水地区的土壤能够长出植被,防止沙漠化。木醋液(表3)作为生物炭生产过程中的一种副产品,每吨生物质能够产生250kg左右,数量巨大,如不安全适当的处理,会造成二次污染。经过研究发现木醋液可以用来改良盐碱土壤。上海市农业工程学会将木醋液原液稀释50倍,对崇明地区大棚内盐碱土改良进行试验(表4),结果表明土壤的PH值平均降低了1.84,EC值(可溶性盐含量)平均降低了0.69[9]。据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计,全世界盐碱地的面积为9.5438亿公顷,其中我国为9913万公顷,所以利用木醋液来治理盐碱土壤的前景和意义都非常巨大。

表3 木醋液的检验数据

Table 3 The test data of wood vinegar liquid

木醋液

PH

密度(20℃)g/m³

挥发酚%

有机酸%

总有机质含量%

原液

4.7

0.998

1.1

3.8

7.9

浓缩液

2.6

1.189

5.9

19.1

47.0

表4 土样处理前后的PH值和EC值的对比

Table 4 The contrast of PH value and EC value before and after soil samples treatment

项目

处理前

处理后

原1

原2

原3

50-1

50-2

50-3

土量(g)

10.00

10.00

10.00

10.00

10.00

10.00

水量(ml)

50

50

50

50

50

50

PH值

7.76

7.65

7.83

5.96

5.92

5.84

EC值

1.86

1.92

1.79

1.22

1.19

1.09

试验结果:土壤的PH值平均降低了1.84,EC值平均降低了0.69。

3.4土壤重金属污染治理的模式

土壤重金属污染是由于废弃物中重金属在土壤中过量沉积而引起的土壤污染。污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。主要来自农药、废水、污泥和大气沉降等,如汞主要来自含汞废水,镉、铅污染主要来自冶炼排放和汽车废气沉降,砷则被大量用作杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。过量重金属可引起植物生理功能紊乱、营养失调,镉、汞等元素在作物籽实中富集系数较高,即使超过食品卫生标准,也不影响作物生长、发育和产量,此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动,影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小,不易随水淋滤,不为微生物降解,通过食物链进入人体后,潜在危害极大[10,11]。大量的生物炭施入被污染的土壤后,利用生物炭的强吸附性,可以将土壤中的重金属离子有效固持,降低重金属的有效态含量,减少重金属对微生物的胁迫。

4结语

大气中的CO2被陆地和海洋中的植物吸收,然后通过生物或地质过程以及人类活动,又以CO2的形式返回大气中。随着矿物燃料的大量使用,大气中的CO2浓度越来越高,原有的碳循环系统被打破,引发的气候变化的危机,使人类的生存面临着威胁。250亿吨:人类再排放碳底限;气温升1℃:美国粮仓变大漠;气温升2℃:1/3动植物消亡;气温升3℃:气候彻底失控;气温升4℃:人类口粮吃紧;气温升5℃至6℃:95%的种类灭绝。气候学家正在想尽各种办法来减少大气中CO2的浓度,从而挽救我们全人类。经过专家的不懈努力,终于找到了一个办法——生物炭技术。化石燃料的大量使用早已打破了原有的碳平衡,所以靠“碳中和”不能解决气候问题。通过生物炭技术可以将CO2→C, 生物炭结构稳定,可以稳定的保存几百年而不发生变化,对整个大气环境来讲这是“碳负性”,气候学家认为这可以有效的缓解气候危机。生物炭的支持者们乐观地估计,生物炭每年能使大气中的温室气体减少约10亿吨,超过2007年排放总量85亿吨的10%[12-17]。

中国是一个农业大国,长期以来化肥、农药的大量使用,造成了大量的土壤板结和环境污染等问题。我国政府在2010哥本哈根会议做出的减排承诺使我国的农业也面临着节能减排的巨大压力,在此大背景下,我国农业和农村在节能减排中应有所作为。生物炭可以有效降低农业生产过程中能源的消耗,可以利用生物炭发展低碳安全农业。2010年4月8日,中国第一个“低碳安全农业试验示范基地”挂牌成立,中国低碳农业的技术模式和经营模式将在这里获得突破,为全面发展推广低碳农业提供第一手经验和材料。

参考文献:

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[3]万仁新.生物质能工程[M].北京:中国农业出版社,1995.

[4]吴创之,马隆龙.生物质能现代化利用技术[M].北京:化学工业出版社,2003.

[5]全顺子,李宗铁等.神奇的木醋液和木炭粉[M].吉林:延边大学出版社,2007:7-10,73-76.

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[9]上海市农业工程学会.崇明盐碱土壤改良试验.

[10]重金属污染[EB/OL].[ 2009-12-30]. http://baike.baidu.com/view/282970.html

[11] 陈志良,仇荣亮等. 重金属污染土壤的修复技术[J].环境保护,2002(6): 21-23.

[12]碳中和[EB/OL].[ 2009-12-30]. http://baike.baidu.com/view/1668795.html

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[16]程序.生物质能与节能减排及低碳经济[J].中国生态农业学报,2009, 17(2): 375−378.

[17]乔治•蒙比尔特.生物炭万能?中外对话.2009年5月6日.

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