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生物炭在农业生产中的应用研究进展 中国农资 2014年03期 摘 要：生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受重视。生物炭的生产及农用是碳减排的过程，废弃生物质生产生物炭及其农用的效益是多赢的。国外在废弃生物质热裂解生产生物炭及农用方面做了许多研究工作。今后，中国应以废弃生物质生产生物炭，并将生物炭农用作为生物能源、环境及农业可持续发展的战略。本文着重介绍了生物炭在农业上的应用模式和意义。 关键词：生物炭；农业；应用；进展 生物炭（Biochar）是粉状颗粒化的木炭，是活性炭的生产原料之一，属于黑炭（black carbon），黑炭涵盖了生物质略微炭化到燃烧后黑烟颗粒的炭化物质，包含自然野火或人为燃烧植物、化石燃料不完全燃烧形成的碳物质，黑炭对全球碳循环起着较大的作用[1]。生物炭是在限制氧气的环境条件下，通过高温裂解，把木屑、农作物秸秆、杂草等生物质经过炭化形成的，是一种碳含量极其丰富的炭。我们平时所用的木炭，是木材、木质原料经过干馏所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料，是一种保持木材原来构造和孔内残留焦油的不纯的无定形碳[2，3]。目前，绝大多数木炭的生产原料是珍贵的森林资源，工艺比较复杂，所以价格比较昂贵，极少应用于附加值低的农业生产中，主要应用于高附加值的工业上。相对而言，生物炭的生产工艺简单，原材料来源广泛且价格低廉，在农业生产上应用价值很大。 生物炭含有一定量的矿质养分，可有效增加土壤磷、钾、钙、镁、及氮等矿质养分 [4]，特别是利用畜禽粪便生产的生物炭具有较高矿质养分[5]，有利于提高贫瘠土壤及沙质土壤的养分。生物炭PH值较高，呈弱碱性，可以替代石灰来改良酸性土壤[6]。并且生物炭吸水能力比较强，特别是生物炭在经过氧化作用后，可以提高沙壤土的持水量，从而改善土壤持水能力[7-8] 。生物炭具一定吸附性，可以改善土壤的阳离子或阴离子交换量，提高土壤的保肥能力[9]。生物炭具有较高的吸附能力、CEC 及化学反应性，亦可作为肥料缓释载体，延缓肥料养分在土壤中的释放，制成缓释肥，提高肥料养分利用率[10]。生物炭的孔隙结构及水肥吸附作用 可以为土壤微生物创造较好栖息环境，为土壤有益微生物提供一定保护。生物炭在农业上应用，可以改良和培肥土壤，提高土壤作物生产率，促进土壤可持续利用及作物增产，有效促进农业可持续发展。 1 生物碳生产原理 在生活中，经常提到的木炭是利用土窑、砖窑或钢制窑生产的，在隔绝氧气的状态下闷燃烧，热解过程比较慢，其目的是取得最大产量的木炭。工业热裂解是生物炭生产的最主要方法，热裂解是在有限供氧气状态下热分解有机材料，生物质在不同温度及升温速度条件下热裂解都可产生生物炭。但是，生物炭的产量、性质及特征在不同的加工温度和工艺的条件下而有所不同，慢速热裂解工艺的生物炭产率最大[11]。生物质热裂解除获得生物炭之外，还可获得生物油及合成气，这些都可进一步升级加工成氢气、生物柴油或其他化学物质[12]。快速热裂解或闪速热裂解及气化则主要获得生物油或混合气等生物能源，这也是现在大部分生物质热裂解与气化研与开发的热点，但其生物炭产率偏低[13]。在高温水蒸汽（160°C220°c）及高压作用下，生物质及生物质基前体（碳水化合物）的炭化是热水炭化或热水热裂解，也称为湿法热裂解，这种碳化过程生物炭产率很高[14]，但生物炭中有机物含量挥发高。热裂解一般采用热能直接或间接加热生物质，而微波热裂解是通过微波能对生物质加热，因为微波加热速度比较慢，温度比较低，所以蒸汽驻留时间长[15]，可见，微波热裂解是典型慢速热裂解，但原料颗粒度比较大，适用于生产大颗粒生物炭。此外，微波热裂解需要生物质具有较多的含水量，才可获得较好的加热效率。热裂解装置或设备制造相对比较简单，成本低，适合在生物质原材料产地附近建设小型热裂解厂[16]。 p= 生物质原料在裂解炉限氧的条件下燃烧发生裂解反应，其产生的烟气在真空泵的抽引下经过冷却分离设备即可得到生物油、木醋液和可燃气体等三种产品，而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。这项技术与其它生物质能利用技术相比有很多优势，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[17]。 生物炭的主要成分是碳、氢、氧、氮和灰分。其中含有高密度的碳水化合物和大量的高分子，生产生物炭的原料来源和种类与直接决定灰分的含量。生物炭具有多孔、容重小、比表面积大、吸水和吸气能力强、带负电荷多、能形成电磁场等特性；同时，生物炭也具有高度的芳香化、物理的热稳定性和生物化学抗分解性[18]。 2 生物炭的生产原料 利用耕地种植用于生产生物炭的原料作物或营造速生林作为生物炭生产原