中國生物質(zhì)炭科技：現(xiàn)狀與需求

廢棄物治理與農(nóng)業(yè)的雙重壓力

隨著我國城鎮(zhèn)化推進(jìn)和工業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)村種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)日益分離，農(nóng)民耕地管理投入日益弱化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物脫離了生物質(zhì)的自然循環(huán)過程，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)庫不斷損耗而肥力消減，同時(shí)大量生物質(zhì)廢棄物成為農(nóng)業(yè)環(huán)境的污染源和溫室氣體的排放源。我國農(nóng)業(yè)面臨耕地土壤酸化、板結(jié)、失墑，以及化肥、農(nóng)藥大量使用等問題，農(nóng)藥和抗生素殘留流失于環(huán)境。秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物未得到有效利用，大量直接焚燒加劇了大氣污染。在國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略框架下，土壤的可持續(xù)管理與廢棄物資源化循環(huán)成為相輔相成的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的出路。因此，中國比世界上任何一個(gè)國家都需要這種既能處置廢棄物資源又能培肥土壤的生物質(zhì)炭科技與工程。

從廢棄物治理走向生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)

對(duì)生物質(zhì)炭的深入研究催生了生物質(zhì)廢棄物炭化與生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，初步形成了以熱裂解為基礎(chǔ)的生物質(zhì)工程與產(chǎn)業(yè)。2017?年?4?月，農(nóng)業(yè)部將秸稈炭化還田列為全國秸稈資源化綜合利用的十大模式之一。2017年8月，秸稈工業(yè)化生產(chǎn)與炭基肥生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)通過鑒定，被環(huán)保企業(yè)作為產(chǎn)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化而商業(yè)化推廣。2017?年?11月底，國家能源局和環(huán)保部發(fā)布通知，明確支持生物質(zhì)炭化和炭基肥生產(chǎn)作為煤電生物質(zhì)能源耦合聯(lián)產(chǎn)的新模式。秸稈年處理量?1.5?萬噸，生物質(zhì)炭年產(chǎn)?5?000?噸，生物質(zhì)炭基肥年產(chǎn)?2?萬噸的生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行并快速商業(yè)化推廣（圖?3）。

這一套生產(chǎn)系統(tǒng)與多種形式的秸稈收儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)合后可以形成秸稈年處理量?1?000?萬噸，生產(chǎn)生物質(zhì)炭?350?萬噸，炭基肥?1?200?多萬噸的新型生物質(zhì)炭基產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)值將達(dá)到?300—400

億元。這一套集廢棄物處理、能源利用與肥料生產(chǎn)為一體的系統(tǒng)形成了一個(gè)巨大產(chǎn)業(yè)集群，將成為農(nóng)業(yè)源實(shí)體經(jīng)濟(jì)的新增長點(diǎn)，也提出了科技、工程、管理和金融融合服務(wù)的新需求。

生物質(zhì)科技與工程學(xué)科發(fā)展支撐土壤提升及綠色農(nóng)業(yè)

生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)業(yè)一方面服務(wù)于土壤肥力提升和生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，另一方面為我國生物質(zhì)炭科技與工程提供了極好的發(fā)展機(jī)遇。這個(gè)學(xué)科涉及土壤改良、污染治理、肥料創(chuàng)新和新能源開發(fā)等多個(gè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來說，生物質(zhì)科技與工程將服務(wù)于從原料、產(chǎn)品、規(guī)模和模式優(yōu)化熱裂解系統(tǒng)及產(chǎn)品創(chuàng)新。同時(shí)，設(shè)備、產(chǎn)品和模式的系列化、區(qū)域化、標(biāo)準(zhǔn)化，需求生物質(zhì)科技與工程提供全鏈?zhǔn)疆a(chǎn)業(yè)支持與服務(wù)。生物質(zhì)科技和工程業(yè)也展現(xiàn)了土壤改良及可持續(xù)管理的廣闊發(fā)展空間。不同成因低產(chǎn)土壤改良、生產(chǎn)力恢復(fù)與提升的普適性生物質(zhì)炭產(chǎn)品及施用技術(shù)，不同農(nóng)區(qū)作物或生產(chǎn)模式的土壤改良-作物施肥雙效炭基肥設(shè)計(jì)與新施肥模式，重金屬污染農(nóng)田治理、鹽堿土改良與快速利用、礦山廢棄土地的快速恢復(fù)與肥力重構(gòu)等都是針對(duì)生物質(zhì)炭可持續(xù)土壤改良與管理的服務(wù)需求和技術(shù)發(fā)展方向。

生物質(zhì)炭土壤可持續(xù)改良的基礎(chǔ)研究工作亟待發(fā)展

生物質(zhì)炭的土壤過程及其生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)的整合研究與機(jī)理認(rèn)識(shí)一直是近?10?年國際土壤學(xué)界的研究熱點(diǎn)。以往國際上的基礎(chǔ)研究偏重于對(duì)土壤原有有機(jī)碳穩(wěn)定與否的考量，例如曾經(jīng)十分紛繁的激發(fā)效應(yīng)與土壤碳更新加快的爭議^[13]。越來越多的田間試驗(yàn)已經(jīng)證明了生物質(zhì)炭促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的保持和降低非?CO₂溫室氣體排放的巨大作用^[7,14]。相反，生物質(zhì)炭在農(nóng)田增碳、促氮、鈍化、增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的多效應(yīng)偶聯(lián)特征及其調(diào)節(jié)，其持效性及其影響因素都認(rèn)識(shí)不足。其關(guān)鍵問題在于對(duì)生物質(zhì)炭-土壤-植物-生物的相互作用的深入剖析。田間試驗(yàn)中經(jīng)常觀察到植物健康與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而生物質(zhì)炭如何賦予了土壤-植物系統(tǒng)的抗性（System Acquainted Resistance，SAR，或稱“系統(tǒng)穩(wěn)定性”），其形成機(jī)制和不同土壤-植物系統(tǒng)的表現(xiàn)特征，已成為生物質(zhì)炭土壤可持續(xù)管理和生態(tài)農(nóng)業(yè)的前沿科學(xué)問題。

從生物質(zhì)炭改良土壤提升肥力的農(nóng)業(yè)文明實(shí)踐出發(fā)，以有機(jī)廢棄物炭化還田為核心的生物質(zhì)科技與工程性學(xué)科領(lǐng)域已經(jīng)顯現(xiàn)光明前景。這一新領(lǐng)域不僅解決農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物處置問題，而且直接服務(wù)于快速提升土壤肥力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)固碳減排，以促進(jìn)土壤可持續(xù)管理。隨著我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的快速推進(jìn)，工程技術(shù)和基礎(chǔ)研究的融合發(fā)展勢(shì)在必行。以生物質(zhì)炭熱裂解為核心的生物質(zhì)科技與工程將成為新的學(xué)科領(lǐng)域，同時(shí)也需要整合已有的科學(xué)技術(shù)和資金投入。建議著力加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)炭-土壤-植物-生物相互作用的基礎(chǔ)研究，解決生物質(zhì)炭生態(tài)農(nóng)業(yè)的系統(tǒng)健康和可持續(xù)性的前沿科學(xué)問題。（作者：卞榮軍、陸海飛、鄭聚鋒、程琨、李戀卿、張旭輝、潘根興   南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究、三聚農(nóng)業(yè)生物質(zhì)工程中心   《中國科學(xué)院院刊》供稿）

相關(guān)文章