生物質(zhì)炭成就有機(jī)水稻碳匯“第一拍”

文章來源:科技日?qǐng)?bào)金鳳2024-05-16 09:49

近日,一塊位于江蘇省南京市高淳區(qū)東壩街道和睦澗村的水稻田備受關(guān)注。2022年7月,高淳區(qū)與生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京國環(huán)有機(jī)產(chǎn)品認(rèn)證中心有限公司合作,向和睦澗村淳和水稻專業(yè)合作社的500畝有機(jī)水稻田投放了60噸生物質(zhì)炭。觀測數(shù)據(jù)顯示,2022年11月30日至2023年11月30日,這片稻田病蟲害發(fā)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(chǎn)生碳匯130.67噸二氧化碳當(dāng)量。
 
不僅如此,這些碳匯隨后被一家公司以每噸75元、總價(jià)9800.25元的成交價(jià)拍下,成為全國生物質(zhì)炭有機(jī)水稻產(chǎn)生碳匯的“第一拍”。種田人變“賣碳翁”,種水稻的同時(shí)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(zhì)炭到底為何物?生物質(zhì)炭的應(yīng)用是否能為碳減排提供有力支撐?
 
實(shí)現(xiàn)碳減排的同時(shí)吸附有機(jī)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(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展改革委共同印發(fā)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實(shí)施方案》,將稻田甲烷減排行動(dòng)置于十大行動(dòng)之首。
 
生物質(zhì)炭是否能為有機(jī)稻田固碳減排分憂,成為專家學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)。事實(shí)證明,生物質(zhì)炭的潛力不可小覷。
 
生物質(zhì)炭是指將秸稈、樹枝、菌渣等生物質(zhì)廢棄物,在無氧或限氧環(huán)境中,經(jīng)高溫?zé)崃呀馑a(chǎn)生的富碳固態(tài)物質(zhì)。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授程琨告訴科技日?qǐng)?bào)記者,在無氧或限氧條件下,生物質(zhì)廢棄物在250℃—750℃發(fā)生熱解。其碳水化合物結(jié)構(gòu)崩解后,將產(chǎn)生生物質(zhì)炭、木醋液和生物質(zhì)可燃?xì)狻D壳皣鴥?nèi)外生物質(zhì)熱解技術(shù)大致可分為三大類:一類是在小于500℃環(huán)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(zhì)炭用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤性質(zhì),提高土壤養(yǎng)分和水分保持能力,促進(jìn)作物生長,提高作物產(chǎn)量并改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。”南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授鄭聚鋒說,生物質(zhì)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(shí),生物質(zhì)炭還可以有效吸附土壤中的重金屬,減少作物對(duì)重金屬的吸收。
 
“我們和國內(nèi)其他學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)大量的田間試驗(yàn)顯示,生物質(zhì)炭可以顯著降低我國南方鎘污染稻田水稻籽粒對(duì)鎘的吸收。”鄭聚鋒介紹,生物質(zhì)炭具有較大比表面積、孔隙多,能夠吸附并固定有機(jī)污染物在其表面,還能通過增強(qiáng)土壤中微生物的活性,提高微生物分解有機(jī)污染物的能力。因此,生物質(zhì)炭施用于含有機(jī)污染物的土壤,可以有效阻控植物對(duì)有機(jī)污染物的吸收。
 
生物質(zhì)炭除被直接施用進(jìn)行土壤改良外,還可與氮、磷、鉀等化學(xué)肥料按照一定比例混合后,制成生物質(zhì)炭基肥,作為新型肥料在農(nóng)田中廣泛應(yīng)用。鄭聚鋒曾統(tǒng)計(jì)過國內(nèi)247個(gè)觀測點(diǎn)的炭基肥田間試驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)施加了炭基肥后,玉米、大豆、水稻、蔬菜等作物增產(chǎn)率達(dá)7.8%—16.8%,所有作物平均增產(chǎn)10.9%。
 
“我們團(tuán)隊(duì)在2017年也做過研究,發(fā)現(xiàn)在農(nóng)田施加生物質(zhì)炭基肥后,可以提升肥料的養(yǎng)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%。”鄭聚鋒說。
 
在炭化裝備研制等方面已有創(chuàng)新成果
 
在國際社會(huì),生物質(zhì)炭市場呈現(xiàn)出勃勃生機(jī)。國際生物質(zhì)炭協(xié)會(huì)和美國生物質(zhì)炭協(xié)會(huì)發(fā)布的《2023年全球生物質(zhì)炭報(bào)告》顯示,生物質(zhì)炭生產(chǎn)商、經(jīng)銷商、增值生產(chǎn)商和設(shè)備制造商的營收在2023年超過了6億美元,2021—2023年間的復(fù)合年均增長率達(dá)到了97%。預(yù)計(jì)到2025年,生物質(zhì)炭相關(guān)產(chǎn)業(yè)營收將進(jìn)一步增長至33億美元。
 
鄭聚鋒介紹,相關(guān)文獻(xiàn)顯示,生物質(zhì)炭每年在全球具備的碳移除潛力可達(dá)3億噸—20億噸二氧化碳當(dāng)量。若得到廣泛應(yīng)用,生物質(zhì)炭在中國的固碳減排潛力可接近9000萬噸二氧化碳當(dāng)量。
 
“目前我國的生物質(zhì)炭研究在炭化裝備研制、生物質(zhì)炭工程技術(shù)創(chuàng)新、氣炭肥多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)制等方面,已經(jīng)積累了一些創(chuàng)新成果。”南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授卞榮軍說,當(dāng)前,在水體、土壤、大氣中的污染物吸附、鈍化、降解方面,國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出多種生物質(zhì)炭基材料。
 
此外,具有緩釋高效功能的炭基復(fù)合肥等綠色肥料,也可以服務(wù)于農(nóng)業(yè)面源污染治理。卞榮軍舉例,有團(tuán)隊(duì)將生物質(zhì)炭表面改性后,讓其能針對(duì)性地吸附多環(huán)芳烴等污染物,抑制氧化亞氮、氨氣、甲烷的排放,從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)減污降碳。也有研究團(tuán)隊(duì)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(zhì)炭的表面能吸附更多污染物。
 
畜禽糞便的科學(xué)處理與資源化利用有利于消減污染物、減少養(yǎng)分流失、促進(jìn)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展。卞榮軍介紹,有研究顯示,將生物質(zhì)炭與畜禽糞便共堆肥,可以增強(qiáng)發(fā)酵效果,并降低氨氣的排放,減少堆肥中氮素?fù)p耗。
 
生物質(zhì)炭與農(nóng)業(yè)化肥的“聯(lián)姻”也展現(xiàn)出應(yīng)用前景。“在化肥中添加生物質(zhì)炭,可以利用生物質(zhì)炭的孔隙和官能團(tuán),將化肥中的養(yǎng)分保持在土壤中,減少養(yǎng)分損失,從而提升養(yǎng)分利用效率。”卞榮軍說。
 
不過,在卞榮軍看來,生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)化還處于技術(shù)攻堅(jiān)和商業(yè)化應(yīng)用開拓的關(guān)鍵階段,相關(guān)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)尚待建立。例如提升熱解裝備的連續(xù)化生產(chǎn)能力,以及生物質(zhì)熱解過程中尾氣的凈化,都是當(dāng)前需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。
 
程琨則認(rèn)為,當(dāng)前生物質(zhì)炭推廣仍存在使用成本過高等短板。特別是生產(chǎn)成本和運(yùn)輸成本較高,每噸生物質(zhì)炭的使用成本大約在1500元以上。
 
針對(duì)不同原料生物質(zhì)炭特性開發(fā)專用產(chǎn)品
 
使用生物質(zhì)炭是提升土壤碳匯的一條有效途徑,同時(shí)生物質(zhì)炭也可以把生物質(zhì)廢棄物綜合利用起來,符合低碳、綠色、高效、循環(huán)和可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展理念。2019年,聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)將生物質(zhì)炭土壤固碳量的計(jì)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(zhì)炭生態(tài)效益轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益提供了契機(jī)。
 
在程琨看來,未來,針對(duì)不同原料生物質(zhì)炭特性開發(fā)專用產(chǎn)品,是生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。“例如,林木類生物質(zhì)炭堿性高、孔隙發(fā)達(dá),可直接用于重金屬污染農(nóng)田治理。林木類、果殼類生物質(zhì)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(diào)理劑,用于鹽堿土、連作障礙土壤治理和中低產(chǎn)田土壤快速改良。而秸稈類生物質(zhì)炭由于養(yǎng)分含量高,可以和化學(xué)肥料結(jié)合制備成生物質(zhì)炭基肥,部分替代化學(xué)肥料用于主要糧食作物生產(chǎn)。”程琨說。
 
生物質(zhì)廢棄物炭化過程中的產(chǎn)物,也將產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值。程琨介紹,炭化過程中產(chǎn)生的木醋液,可以和生物質(zhì)炭浸提液用于生產(chǎn)商品液體肥,一方面能為植物生長提供養(yǎng)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(xué)品,在農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、護(hù)膚美容、醫(yī)療保健等領(lǐng)域發(fā)揮作用。炭化過程中產(chǎn)生的生物質(zhì)可燃?xì)鈩t是重要的清潔能源,可通過替代傳統(tǒng)化石能源用于發(fā)電或供熱,服務(wù)于能源安全。
 
“針對(duì)生物質(zhì)炭化技術(shù)進(jìn)行多元化產(chǎn)品開發(fā),通過專業(yè)化的農(nóng)業(yè)綠色低碳技術(shù)服務(wù)、碳資產(chǎn)管理服務(wù),可以構(gòu)建‘炭基農(nóng)業(yè)’新模式,服務(wù)農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展。”對(duì)于生物質(zhì)炭的未來,程琨信心滿滿。
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