专栏 | 绿色情报员:生物炭火了 “减碳改土”的冷思考

2022.08.18
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专栏 | 绿色情报员:生物炭火了 “减碳改土”的冷思考 全球暖化危机持续拉紧报,生物炭被视为增加土壤碳汇和土壤改良的新途径,却也衍生各种争议。
路透社图片

干涸的河床露出黄土、鱼尸,今年入夏以来,莱茵河、多瑙河、泰晤士河水位节节下降,欧洲干旱观测站(European Drought Observatory)科学家托瑞蒂(Andrea Toreti)忧心忡忡说,“这可能是欧洲近500年来最严重的干旱。”

位于中欧易北河地区的“饥饿石”(hunger stones)也露出河面,石头上的文字让人倒吸一口凉气:“如果你再次看到这块石头,那么你将会哭泣。”这是过往欧洲人纪录低水位和干旱的警语。另一头的中国华中地区同样陷入旱象,原本该进入汛期的长江却“喊渴”,中国水利部统计显示,7月以来,长江流域降雨量较常年同期偏少4成,长江干流及洞庭湖、鄱阳湖水位均为有实测以来同期最低点,部分江滩裸露龟裂,极端气候不断刷新纪录。

高温热浪不断发威,今年夏天从欧洲到中国都陷入严重旱象。(路透社)
高温热浪不断发威,今年夏天从欧洲到中国都陷入严重旱象。(路透社)

生物炭跟上减碳风潮

暖化危机持续浮现,减碳成为全球显学,生物炭(biochar)也被炒得火热,近年来,各国投入相关研究,试图利用生物炭来固碳减排、改良土壤和培肥地力,生物炭新创企业不断冒出头,中国也不例外,生物炭被视为重点发展项目,不过,潜在的风险也让专家忧喜参半。

生物炭,顾名思义是以生物资材为原料,在缺氧条件下经高温热裂解所制成的固体物质,常见材料有农林废弃物、动物骨骼等。台湾大学农业化学系教授许正一指出,这些生物性材料本来也许是自然分解,过程中会释放出二氧化碳,不过经由热裂解后,变成化学结构稳定的含碳物质,可能上百年才会被分解,所以推缓生物性材料转化为二氧化碳的时间,这种“固碳”方式是一种延缓的概念。

氧化亚氮是主要温室气体之一,2021年澳大利亚新南威尔斯大学发表在《GCB生物能源》期刊的研究指出,生物炭有助于在土壤中增加20%的有机碳,并且能把土壤中氧化亚氮排放量减少12%至50%。许正一说,生物炭可以把一些含氮物质固定在土壤中,减少部分的氧化亚氮排放,另外,由于土壤微生物作用会产生氧化亚氮,而生物炭可能影响一些微生物的活动,进而减少氧化亚氮排放。

生物炭以热裂解方式烧制,制程存在耗能和污染争议。(路透社)
生物炭以热裂解方式烧制,制程存在耗能和污染争议。(路透社)

不过,当前生物炭的减碳方法学仍有许多不确定因子,一项研究发现,在摄氏525-600度下热裂解的生物碳,固碳效果较差。许正一认为,因为生物炭的材料来源、歧异度非常大,穹天底下有太多动植物,材料特性都不同,加上烧制时材料体积、排列堆叠方式,还有怎么烧也不同,没有办法像工业化产品具有均一特性,有些固碳效果差,也就是生物炭本身结构的稳定性比较差。

甩不开的污染争议

生物炭还存在耗能和污染争议,台湾南华大学永续绿色科技学程讲座教授陈世雄指出,事实上,不管使用哪种方法烧制生物炭,都需要消耗能源,而微小的生物炭颗粒可能会在制造、移动或施入土壤时释放到大气中,这些悬浮的黑碳微粒会增加暖化效应,一旦进入农民或施用者的呼吸道也暗藏健康风险。

许正一表示,生物炭烧制过程不免排放出可能存在的气体,以及潜在对健康有影响的污染物质,在燃烧不完全的情况下,可能产生一些还原性气体,或是结构复杂的芳香族化合物,其中多环芳烃就是致癌物质。

不当的生物炭烧制方式也为人诟病,“有些直接在门口摆个铁桶烧起来,或是挖个坑就烧起来。”陈世雄叹道,“这样的烧法会制造很多烟雾,同时排放很多二氧化碳。”

生物炭孔隙丰富、吸附力强,可改良土壤污染问题。(路透社)
生物炭孔隙丰富、吸附力强,可改良土壤污染问题。(路透社)

中国每年产出的农林废弃物大约为14亿吨,台湾一年约有2300万吨的农业废弃物,从中国到台湾都试图以生物炭技术提升农业碳汇。“这只能当作是一个选项,因为生物炭还有许多疑虑有待厘清,加入土壤也许50年、100年后才看到负面效应,所以很多政府也不敢贸然开放生物炭放入土壤中。”许正一说,“土壤碳库增汇,不如回到自然的生态系做法,例如有机农业,把农业废弃物直接堆肥化、变成腐植质,腐植质对土壤碳库才是一个温和有效、长期的办法。”

陈世雄指出,根据美国罗德尔研究所(The Rodale Institute)的报告,经过23年的有机农业耕作后,土壤碳汇可以增加15至28%。今年夏天,他在自家有机农场效法德国推行百余年的“土坵栽培法”(Hugelkultur),把农业废资材以掩埋方式取代燃烧,“先挖大约一公尺深的土坑,把新鲜的木头放在底部,接着再放入旧木、枯枝、落叶或稻草,然后把挖出来的底土回填,最后覆盖表土。”他说明,“这样可以增加土壤有机质、保持水分,大概20年内不必施肥,真正把碳封存在土壤中。”

还田改土的两面刃

现阶段生物炭主要应用于土壤改良和生物炭肥,中国工程院院士陈温福积极推动“秸秆(作物收割后的茎秆)炭化还田改土”,他指出,“生物炭还田是目前改良土壤的重要途径之一,尤其对于土壤重金属污染修复和减少农药化肥残留效果显著。生物炭产业的发展可以将农业废弃物有效炭化再反哺农业,是一项利国利民利生态的朝阳产业。”

生物炭作为土壤污染的解方,有时也是一把双面刃。陈世雄表示,生物炭具有表面积大和富含微细孔洞的特性,同时拥有电子交换能力,所以可以吸附重金属或其他污染物质,但是从另一个角度来看,当原本的农药效率被降低,结果反而要使用更多的农药,那就适得其反了。

过量施用生物炭于土壤,会导致作物减产的反效果。(路透社)
过量施用生物炭于土壤,会导致作物减产的反效果。(路透社)

“所谓的重金属污染修复,其实是让生物炭抓住重金属,不要被植物根系吸收,不要跑到地下水里面。”长期投入土壤和环境生态研究的许正一说明,“假设生物炭在土壤中稳定100年,也许这个效果就持续100年,因为重金属完全不会被分解,随着采矿暴露在环境当中,它就存在环境当中,没有办法消失。”

中国消耗全世界化肥生产总量的3成左右,大量施用化肥造成土壤快速酸化,
不少研究提出生物炭可中和酸性土壤,同时有抑菌功效。许正一指出,生物炭的烧制条件可以让它变成碱性,因此可以中和酸性土壤,不过,如果烧出来是偏酸性的话,反而会加速土壤酸化,至于抑菌效果,由于真菌在酸性环境比较活跃,土壤、植物生病通常由真菌引起,当生物炭缓解土壤酸化,致病菌也就受到抑制。

培肥增产背后的盲点

“培肥增产”这件事,也被视为生物炭的优点,盲目施用却可能招来反效果,有研究发现,当生物炭剂量加超过2%,玉米的产量反而减少。许正一表示,生物炭可以帮助土壤把养分抓住,可是加太多的时候,会造成生物炭抓着养分、不让根系吸收,另外,过量的生物炭会改变土壤的体积、孔隙和物理条件,导致土壤环境变差了,所以产量跟着减少,国际经验建议生物炭用量不宜超过5%。

土壤是一个复杂的生态环境,“生物炭会跟作物竞争养分,如果土壤本身的有机质不够,植物反而吸收不到养分,变成一种短暂的饥饿状态。”陈世雄提醒,“生物炭也会让蚯蚓的活动力降低,频繁施用还会造成土壤压实和退化,施用时要多方考虑。”

生物炭产品质量参差不齐,专家忧心,贸然大规模放入土壤,可能种下环境风险。(路透社)
生物炭产品质量参差不齐,专家忧心,贸然大规模放入土壤,可能种下环境风险。(路透社)

事实上,回归生物炭的源起,并非只是生物资材燃烧后的产物。陈世雄指出,生物炭源自亚马逊流域,科学家发现数千公顷的耕地含有肥沃的黑土,被称为“印地安人的黑土”(Terra Preta de Indio),这里的作物产量是周围土壤的2倍,磷和氮含量多达3倍,碳含量约为9%,而周围土壤只有1%,它可能包括了森林长期堆积的有机物质,以及森林火灾时大量木材闷烧成碳,这才是真正生物炭的由来,它不是单纯把生物质烧一烧、放入土壤里头,当前推广生物炭应该要考虑这些背景条件。

放眼全球生物炭研究不断问世,不过,从生物炭的原料、制作方式到土壤中的调控机制仍存在各种不确定性。“在摄氏600度以下烧制出的生物炭,热裂解时会从烟雾中冷凝出焦油,焦油附着在生物炭上,让它无法发挥孔隙特性,对微生物也有不利影响。”陈世雄举例,“每一次做出来的生物炭,甚至同一家公司每次做出来的生物炭品质可能都不一样,因为原料不同,加工温度、氧气控制都存在很多问题,要制订产品标准并不容易,但是不规范又衍生弊病。”

商业炒作下的乱象

看准黑金潜力,生物炭生产企业相继在各国问世,且以中小型企业为主。中国学者反映,当前中国规范不足,生物炭产品鱼龙混杂,质量参差不齐,沈阳农业大学教授韩晓日曾经直指市场乱象,“目前市场上有些不是生物炭的也拿来做生物炭基肥的企业,造成生物炭基肥市场混乱。”

陈世雄认为,农民可以在制作堆肥过程中加入一些碳,堆肥发酵会更完整、品质也提高,同时有除臭效果,把生物炭当作仙丹妙药来推广或大量使用,反而种下农业和环境风险。

“生物炭被商品化包装了,所以有一股积极推广的力量。”许正一观察到市场机制的运作,生物炭火了,制订生物炭标准规范的呼声也浮出台面,他提出反思,“目前只为了生物炭这个东西,值不值得倾全政府和社会资源去做这些事?这反而是要冷静思考的地方。”

撰稿、制作和主持:麦小田 责编:许书婷

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