第27卷第2期農業工程學報V ol.27 No.2
2011年2月Transactions of the CSAE Feb. 2011 1 生物炭生產與農用的意義及國內外動態 何緒生1，耿增超1※，佘雕1，張保健2，高海英1（1．西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100；2．西北農林科技大學機電工程學院，楊凌 712100）
摘 要：近年來，生物炭作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑備受重視。生物炭在土壤中能夠保持數百年至數千年，實現碳的封存固定，生物炭還可以改善土壤理化性質及微生物的活性，培肥土壤肥力，延緩肥料養分釋放，降低肥料及土壤養分的損失，減輕土壤污染。生物質的熱裂解及氣化均可產生生物炭，但是慢速熱裂解和熱水炭化工藝的生物炭產率最大，同時還可獲得生物油及混合氣，生物油及混合氣可升級加工為氫氣、生物柴油或化學品，這有助于減輕對化石能源或原料的依賴。生物炭的生產及農用是碳減排的過程，廢棄生物質生產生物炭及其農用的效益是多贏的。國外在廢棄生物質熱裂解生產生物炭及農用方面做了許多研究工作。中國在生物質熱裂解獲得生物能源方面做了較多工作，但對生物炭的生產及農用重視不夠。今后，中國應以廢棄生物質生產生物炭，并將生物炭農用作為生物能源、環境及農業可持續發展的戰略。
關鍵詞：碳，排放控制，生產，生物炭，廢棄生物質，農用，動態
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.02.001
中圖分類號：TK6，X71，S15 文獻標志碼：A 文章編號：1002-6819(2011)-02-0001-07
何緒生，耿增超，佘 雕，等. 生物炭生產與農用的意義及國內外動態[J]. 農業工程學報，2011，27(2)：1－7.
He Xusheng, Geng Zengchao, She Diao, et al. Implications of production and agricultural utilization of biochar and its international dynamics[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(2): 1－7. (in Chine with English abstract)
0 引 言
近年來，biochar一詞不斷地出現在科學期刊及媒體中，Biochar是bio-charcoal的縮寫，是指生物有機材料（生物質）在缺氧及低氧環境中經熱裂解后的固體產物，大多為粉狀顆粒，2007年在澳大利亞第一屆國際生物炭會議上取得的統一命名，主要施用于農林業土壤。國內將biochar譯為生物炭、生物質炭、生物質焦，為簡便起見，本文稱之為“生物炭”。生物炭是粉狀顆粒化的木炭，是活性炭的生產原料之一，在性質和特征上三者具有相似性，均屬于黑炭（black carbon），黑炭涵蓋了生物質略微炭化到燃燒后黑煙顆粒的炭化物質，包括自然野火或人為燒荒燃燒植物、化石燃料不完全燃燒形成的碳物質，黑炭對全球碳循環起著較大的作用[1]。
目前全球對生物炭的科學研究重視源于對亞馬遜盆地中部黑土（Terra Preta de Indio）的認識，在哥倫布進入南美大陸之前，南美洲土著人就用木炭作為改良當地高風化淋溶土壤的主要材料，這種黑土至今是全球最肥沃的土壤之一。然而，在20世紀80年代以前，全球關于生物炭的科學研究論文僅有寥寥數篇[2]，也尚未充分認
收稿日期：2010-02-11 修訂日期：2010-02-23
基金項目：林業局“948”項目（2009-4-64）；農業部“948項目”（2010-Z19）；陜西省攻關項目（2010K02-12-1）
作者簡介：何緒生（1962－），男，副教授，博士，主要從事廢棄物肥料資源化利用、新型肥料與產業化研究。陜西省楊凌示范區臺城路3號西北農林科技大學資源環境學院，712100。Email：hexiao2001bj@yahoo
※通信作者：耿增超（1962－），男，陜西人，教授，主要從事農林廢棄物資源化利用及森林土壤的研究。陜西省楊凌示范區臺城路3號西北農林科技大學資源環境學院，712100。Email：gengzengchao@sina 識到生物炭的重要性。20世紀80年代，雖然日本人用生物炭作為盆景植物土壤的改良劑及作為生物菌肥的載體，并有研究論文發表[3]。但是全球真正科學認識生物炭開始于20世紀90年代中期。為了應對氣候變暖，在尋求更有效降低大氣二氧化碳濃度及化石燃料碳排放的技
術過程中，科學家從Terra Preta研究中認識到了生物炭作為二氧化碳俘獲和碳封存劑的重要性，從此有關生物炭改良土壤及改善肥料性能及效益的研究日益增多，全球關于生物炭的期刊科研論文數從2000年的2篇左右上升到2009年約80篇以上，且仍呈增長趨勢。在google 搜索引擎上以biochar關鍵詞搜索（截止2010年10月31日）可搜到約15.1萬條結果?！吧锾俊彼阉鞯?11萬條結果，這充分說明生物炭成為全球科學研究和媒體關注的焦點。
圖1 有關生物炭研究的科學論文統計
Fig.1 Statistic of scientific papers involving biochar rearches
農業工程學報2011年2
1 生物炭與碳減排
眾所周知，現有的化石能源利用過程是一個碳排放過程，全球每年因化石能源利用而排放的二氧化碳相當于60多億t碳[4]，二氧化碳是全球氣候變暖溫室效應的主要因素之一。因此，二氧化碳減排對減緩全球氣候變暖意義重大。為了實現二氧化碳減排，俘獲化石燃料燃燒排放的二氧化碳，并通過地質工程方法將其加壓貯存在地下或海洋底部是碳減排途徑之一，但是即使將目前現有化石燃料燃燒排放的二氧化碳以這種方式俘獲和封存，其至多是碳中和過程[5]。但是，俘獲和封存所有化石燃料排放的二氧化碳是不切實際的，也是耗資浩瀚的工程，幾乎不產生經濟效益。雖然生物能源可減少對化石能源的依賴，也是最容易利用的新能源，但是，生物能源技術僅是碳中和的技術，因為通過生物光合作用固定大氣二氧化碳形成的生物有機物（也稱為生物質）在轉化為能源物質利用后仍會將二氧化碳釋放到大氣中，生物能源既不降低也不升高大氣中的二氧化碳濃度。然而，以玉米生產乙醇的生物能源會危及糧食安全，而纖維素生產乙醇的技術使用大量化學試劑、污染風險大，生物質利用率低。而以生物質（主要是廢棄生物質）慢速熱裂解技術生產生物炭，同時可聯產生物能源和化學品（生物油及合成氣升級加工）。Terra Preta土壤及土壤黑炭研究表明[6-7]生物炭在土壤中可保持長達百年至數千年，生物炭是穩定的碳固定載體，將生物炭作為土壤改良劑和肥料增效載體施入土壤可實現碳的固定及二氧化碳減排。因此，廢棄生物質熱裂解生產生物炭及農用是一項碳減排的技術（圖2）。Woolf等[8]指出，在不危及人類糧食安全、生存環境及土壤保護的情況下，生物炭每年減排溫室氣體數量達目前人類溫室氣體排放總量的12%。因此，生物炭固碳潛力是巨大的。遺憾地是，截止目前生物炭尚未被列入聯合國氣候框架中的碳支付名單中。為此全球許多科學家和企業家正在努力，力求將其列入碳減排技術和產品名單中。
圖2 生物炭農用的碳減排過程
Fig.2 Carbon-negative process for using of biochar in agriculture 2 生物炭農用與多贏戰略
以生物炭農業應用為核心，可以解決農業、能源、環境及氣候的多方面的問題，是一舉多贏的戰略（圖3）。
圖3 生物炭的一舉多贏性
Fig.3 Multi-win technology for biochar
2.1 生物炭與農業
生物炭富含有機碳，可以增加土壤有機碳含量[9]，以及土壤有機質[10]或腐殖質含量，從而可提高土壤的養分吸持容量及持水容量[11-12]。
生物炭含有一定量的礦質養分，可增加土壤中礦質養分含量，如磷、鉀、鈣、鎂、及氮素[13]，特別
是畜禽糞便生物炭具有較高礦質養分[14]，生物炭通常對養分貧瘠土壤及沙質土壤的一些養分補充作用較明顯[15]。
生物炭大多呈堿性，或者具有較大石灰當量值，可以作為石灰替代物，通過提高土壤堿基飽和，降低可交換鋁水平，消耗土壤質子而提高酸性土壤pH值[9,15-16]，因此，可改良酸性土壤一些養分的有效性[15-16]。
生物炭具有一定的吸水能力，尤其是氧化后的生物炭可提高沙質土壤的持水量，從而改善土壤持水能力[17-18]。
生物炭具有離子吸附交換能力及一定吸附容量，其可改善土壤的陽離子或陰離子交換量，從而可提高土壤的保肥能力[19]。生物炭對土壤陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC）或保肥能力的改善取決生物炭的CEC，pH及生物炭在土壤中氧化[9,15,20]。
生物炭具有高的吸附能力、CEC及化學反應性，因此，生物炭可作為肥料緩釋載體，可延緩肥料養分在土壤中的釋放，降低肥料養分的淋失及固定等損失，提高肥料養分利用率[21-22]。生物炭基肥料在其養分釋放完后，仍可發揮土壤改良劑的作用。
生物炭的孔隙結構及水肥吸附作用使其成為土壤微生物的良好棲息環境，為土壤有益微生物提供保護，
特別是菌根真菌，促進有益微生物繁殖及活性，增強泡囊叢枝菌根菌（vesicular-arbuscular mycorrhizae，V AM）對植物的侵染[23-25]。生物炭可作為微生物肥料接種菌的載體，增加接種菌在土壤中存活率及對植物的侵染[22,26-27]。
生物炭用于農業可改良和培肥土壤，提高土壤作物生產率，促進土壤可持續利用及作物增產，促進農業可持續發展。
第2期何緒生等：生物炭生產與農用的意義及國內外動態 3
2.2 生物炭與環境
以廢棄生物質熱裂解生產生物炭，還可以獲得生物油和混合氣[28-29]，并可進一步升級加工為氫氣及化學品[30-31]，增加廢棄生物質的附加值，從而可促進廢棄生物質利用，實現對廢棄生物質的有效管理[32-33]。
生物炭可延緩肥料養分的釋放，增加對土壤養分的吸附交換，可降低土壤養分淋失損失[34-35]，減輕水域環境富營養化。
生物炭可增加對重金屬[36-37]、農藥[38]、除草劑[39]及石油污染物[40]的吸附，降低植物的吸收，同時由于生物炭提高微生物活性，活性增強的微生物促進土壤中有害物的降解及失活。
生物炭可將生物質固定的二氧化碳以生物炭形式固定于土壤，并影響土壤碳、氮轉化，降低土壤溫室氣體（CO2，CH4及N2O）排放[41-42]，有利于減緩氣候變暖。
生物炭可以用于處理污水，凈化水質，從而改善水質量及水域美觀[43]。
2.3 生物炭與能源
廢棄生物質熱裂解生產生物炭過程中還可獲得混合氣及生物油[28-29]，生物油或混合氣經過蒸汽催化重整分離可得到氫氣副產品[30]，氫氣可作合成氨原料，也可作氫能源。生物油精煉可得到生物柴油燃料，生物油也可升級加工為工業化學品[31]。因此，廢棄生物質熱裂解生產生物炭產生的生物能源及化學品可降低對化石能源或原料的依賴，可降低化石原料的碳排放。
總之，生物炭是多功能、多用途的材料，既可以用作能源，也可作為還原劑，還可農用作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及二氧化碳封存劑。雖然生物炭作燃料可能會產生較大的經濟收益，但是用作能源的生物炭燃燒后仍會將生物質固定的碳釋放到大氣中，這只能是碳中和過程。然而，生物炭的農用（土壤施用）無疑是功能最大化的用途，也是碳減排的技術或過程。生物炭作為土壤改良劑或肥料增效載體使用，不但對土壤起到改良培肥作用，還可增強土壤環境降解功能，并促進作物增產，降低肥料損失，提高肥料利用率，減少土壤肥料養分損失的環境危害。最重要的是生物炭在土壤中可長期固定生物質固定下來的碳，可降低大氣二氧化碳濃度，有減緩氣候變暖的重要作用。生物炭農用將會產
生長遠的經濟、生態及社會效益。因此，全球應將廢棄生物質生產生物炭并農用作為生物炭生產及利用的長期戰略。3 生物炭生產與原料
3.1 生物炭生產與熱裂解
傳統木炭是采用土窯、磚窯或鋼制窯生產的，是隔絕氧氣的悶燃燒，是慢速熱解過程，目的是取得最大產量的木炭。然而，工業熱裂解是生物炭生產的主流方向，熱裂解是在缺氧氣或有限供氧氣環境中熱分解有機材料，生物質在不同溫度及升溫速度下熱裂解都可產生生物炭（圖4），只是生物炭的產量、性質及特征有所不同，而慢速熱裂解工藝的生物炭產率最大[44]。生物質熱裂解除了獲得生物炭外，還可獲得生物油及合成氣，這些都可進一步升級加工為氫氣、生物柴油或其他化學品[45]?？焖贌崃呀猓╢ast pyrolysis）或閃速熱裂解（flash pyrolysis）及氣化以獲得生物油或混合氣等生物能源為主，這也是目前大部分生物質熱裂解與氣化研究與開發的主要興趣所在，但其生物炭產率偏低[45-47]。生物質及生物質基前體（碳水化合物）在高溫水蒸汽（160℃＜T＜220℃及高壓作用處理后的炭化是熱水炭化或熱水熱裂解，也稱為濕法熱裂解，其生物炭產率很高[23,48]，但生物炭揮發有機物含量高。熱裂解通常都是采用熱能直接或間接加熱生物質，而微波熱裂解是采用微波能對生物質加熱，由于微波加熱速度較慢，溫度較低，蒸汽駐留時間長[49-51]，因此微波熱裂解是典型慢速熱裂解，但原料顆粒度較大，可用于生產大顆粒生物炭。此外，微波熱裂解需要生物質具有一定的含水量，才可獲得較佳的加熱效率。熱裂解裝置或設備制造簡單，成本低，適于在生物質原材料地附近建設小型熱
裂解廠[52]。
生物炭生產工藝及工藝參數決定或影響生物炭的特征或性質，高溫熱裂解比低溫熱裂解的生物炭具有較高pH[54]、灰分含量[55]，生物學穩定性[56]及含碳量[55,57]，但高溫熱裂解保留原生物質中的碳要比低溫熱裂解要少[57]。而生物炭的孔隙度及比表面積、CEC是在一定溫度范圍內熱裂解方可獲得最大值[13,54]。生產生物炭的原料生物質種類及預處理也影響生物炭的性質或特征。通常木本植物生物炭具有較高的含碳量及較低灰分含量，而草本植物及禾本科植物生物質生產的生物炭具有較高灰分含量及較低的含碳量。而畜禽糞便生產的生物炭具有高的灰分含量及低的含碳量[13]。酸堿處理或添加化學品后的生物質生產的生物炭的特征或性質顯著不同于未處理生物質生產的生物炭[58-59]，這是設計生產所需目標性質或特征生物炭的基礎。
表1 生物炭產率與生產工藝的關系
Table 1 Relationship between the yield of biochar and its manufacturing technique
裂解方法溫度加熱速率蒸汽殘留時間原料粒度生物炭生物油/% 氣體/%
慢速熱裂解 400～660℃低加熱速率＞5～30 min 不嚴格35% 30 35 中速熱裂解 400～550℃中等加熱速率 10～20 s 較嚴格20% 50 30 快速熱裂解 400～550℃，＞204℃ 1000℃/s 1～2 s ＜2 mm 12% 7
5 13 閃速熱裂解 1050~1300℃ 1000℃/s ＜1 s ＜0.2 mm 10～25% 50～75 10～30 氣化 750～1 500℃ 100～200℃/min 10～20 s ＜6 mm 10%或焦油 5 85
水熱炭化160～220℃/300～350℃，
12-20 MPa熱水
—
無蒸汽殘留，約1～12h
處理時間或30 min
含水量高的原料
如畜禽糞便，微藻
37%～60%
5～20（溶解在
工藝水中）
2～5
注：表1引自文獻[45, 47, 53]。
農業工程學報 2011年
4
圖4 生物炭生產與利用(根據國際生物炭倡導組織網站資料翻譯和修改)
Fig.4 Production and utilization of biochar(according to the website of international biochar initivative)
3.2 生物炭生產原料
在生物炭研究的初期，利用耕地種植用于生產生物炭的原料作物或營造速生林作為生物炭生產原料的思路一度很盛行，但是這種思路很快受到許多人的質疑，因為集約化種植作物或營林會加劇土壤肥力耗竭，甚至會加劇地球荒漠化[60]。但近年來以廢棄生物質作為生物炭生產原料的思路得到重視（圖4），許多企業及研究人員積極研究廢棄生物質生產生物炭的技術及設備。廢棄生物質包括初級農林生產剩余物，如農作物秸稈、穗芯、種殼、果核、果皮、林木采伐廢枝、果樹修剪及換代枝條等。農林次級剩余物，如甘蔗渣、甜菜渣、果渣（蘋果渣、梨渣、桃渣、草莓渣，獼猴桃、葡萄籽和皮），菜籽粕、棉籽粕、葵花粕、大豆粕、造紙黑液等。生物利用及轉化廢棄物，如畜禽糞便、發酵渣（沼氣渣、味精渣、酒糟（高粱渣、大麥渣））、菌菇栽培廢基質等。據估計，全球廢棄生物質資源量可達1
400億t [32]，這是一個可再生和取之不盡的資源。盡管廢棄生物質的收集及運輸存在一些困難，但是固定廠房熱裂解可用于利用大型養殖場、榨汁廠（如甘蔗糖廠、果汁廠）及易于長距離運輸的廢棄生物質，而熱裂解移動設備可用于零散及難以長距離運輸的廢棄生物質資源熱裂解利用。以廢棄生物質生產生物炭不但可獲得生物炭，也可獲得生物能源或化學品，使廢棄生物質附加值提高，還可提高對廢棄生物質的利用和管理，有助于解決廢棄生物質棄置、焚燒、隨意排放的環境污染問題。
4 國內、外動態與方向
4.1 國外動態
全球有關生物炭的國際組織、地區組織、協會及學會、企業、研究機構網站已逾千家，這為生物炭的知識傳播和研究交流提供了很好的平臺，推動了全球生物炭的研究、生產與推廣，推動了生物炭測試方法標準化[60]。 全球有數百個大專院校、公司和企業開展生物質熱裂解轉化生物炭的研究、小試及中試，有些單位具有中試車
間、示范廠。個別單位擁有生物炭移動生產設備，如美國佛吉尼亞理工大學，加拿大西安大略大學等。美國、加拿大、澳大利亞等國家的生物炭研究與中試工藝先進。美國愛普利瑞達公司的生物炭與肥料聯產工藝是最先進的工藝之一。在全球生物質熱裂解研究與開發企業中，大部分以生物能源為中心，生物炭是副產物，甚至將生物炭作為能源物質使用。雖然以生物質熱裂解獲取生物能源的技術是
碳中和技術，但由于生物能源生產需要能源植物，種植能源植物又會改變土地利用方式，導致能源作物與糧食生產爭奪土地，且能源植物生長快、產量高，易于導致土壤肥力衰竭，不利于土壤可持續利用及農業可持續發展。而以廢棄生物質熱裂解生產生物炭為主導產品，并將生物炭作為土壤改良劑和肥料緩釋載體是全球氣候問題可持續的、綜合的解決方案。但目前全球僅有少數企業以生產生物炭為主導產品。有理由相信，隨著對生物炭固碳、土壤改良及肥料增效研究深入及推廣，這種狀況會逐漸改變。
全球有關生物炭的會議已經舉辦過多次，最著名的國際生物炭倡導組織（international biochar initivative ，IBI ）自2007年在澳大利亞召開第一屆會議至今，已召開了3屆。許多國家也成立了全國生物炭學會，一些國家還成立了地區協作研究網絡、工作組，并相繼召開了有關生物炭的研究及示范專題會議。中國也于2010年6月12日在中國農大成立了中國生物炭網絡中心。這些為生物炭名詞統一、測試內容及測試方法、生物炭質量標準制定、相關政策制定及立法起著積極的作用。IBI 向聯合國氣候變化公約及聯合國沙漠治理委員會提交了建議報告，建議將生物炭作為氣候變化控制及適用性工具，并為將生物炭列入碳減排貿易產品進行著積極的努力[62]。 4.2 國內動態與方向
中國具有豐富的廢棄生物質資源，且由于地理跨度大，生物質種類具有較大差異，如林木、果樹及水果廢棄生物質具有多樣性。中國每年僅作物秸稈可達8億t 之多[63]。然而，中國廢棄生物質利用率較低，尤其生物
第2期何緒生等：生物炭生產與農用的意義及國內外動態 5
炭生產尚在起步。
中國生物炭的科學研究是伴隨著中國生物能源研究而開展的。20世紀90年代中期沈陽農業大學從荷蘭引進了一套生物質熱裂解裝置，之后國內許多大學，研究院所開展了生物質熱裂解的研究[64-66]，但大多以生產生物能源為主，生物炭為副產物，并且大多數將生物炭用作燃料，特別是機制炭。中國竹炭研究較為先進，主要用于空氣凈化劑和紡織品中[67-69]。近年來通過與國外合作研究與交流，中國生物炭農用研究開始起步，并舉辦過涉及生物炭的學術會議，并且對生物炭改良土壤、肥料增效的研究獲得了一些初步結果[21,70]。但是，中國對廢棄生物質熱裂解生產生物炭工藝及參數與生物炭性質、特征缺乏系統研究；對生物炭性質和特征對全國不同生態區不同土壤的改良效果缺乏系統的、長期的研究；對生物炭與肥料復合及肥料效益改善也缺乏系統研究；對生物炭的碳固定及碳減排的作用還未足夠重視。因此，中國應盡快轉化生物質（尤其是廢棄生物質）利用觀念或方向，盡快轉向以生物炭為主導產品，并將其農用的觀念及方向來，加強全國生物炭聯合研究，促進生物炭多贏效益的發揮，促進中國廢棄生物質綜合利用，土壤可持續利用及農業可持續發展。
5 結 論
目前，全球面臨氣候變暖、環境污染、化石能源資源枯竭及碳排放、以及土壤功能退化的諸多問題，
而工業熱裂解廢棄生物質生產生物炭，并將生物炭農用于土壤可為這些問題提供綜合的、平衡的解決方案。然而，目前生物炭商業化的生產與農用尚不多見，因此，中國應加強生物炭的研究及開發，為上述問題的綜合解決提供技術和產品。
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