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“生物炭”真牛逼!科学重大发现!!!

☉生物碳—黑色黄金


生物碳质指生物质在缺氧条件下燃烧或热解产生的含碳物质,其中含有碳化组分(黑碳)和非碳化组分(天然有机质),其来源广泛(如秸秆焚烧和森林大火),大量积累于土壤等环境,对土壤中有机污染物的迁移转化及生物有效性产生重要影响。

☉生物碳-历史



生活在巴西亚马逊河流域的人们长期使用一种特殊的肥料。



这种肥料来源于当地,具有极强的恢复贫瘠土壤肥力的能力。当地人把它称为“印第安人的黑土壤”。它多产、肥沃,与当地稀疏、贫瘠的土壤形成鲜明的对比。这种黑土壤在一些地区可以延绵几公顷,但是目前还没有人知道这些神秘的黑土壤到底是什么。有人猜测它是火山岩,或者是古代湖泊的沉积物,又或者是很久以前植被腐烂后的残留物。但很少有人会认为它是人为制造而成的。  


 

现代研究证明,黑土壤是2500年,甚至6000年以前由生活在亚马逊流域的人们制造的。一般认为,他们使用的材料包括动物粪便,鱼,动物骨头和植物废物。但是生产黑土壤最关键的原料,也是黑土壤之所以呈现黑色的原因,是木炭的使用。


黑土壤中的木炭可以使土壤肥力维持一个世纪之久。几个世纪以来,生活在南美亚马逊流域的人们都靠这些原生态材料制造“黑土壤”来肥沃土地。几千年过去了,那儿的土壤不需耕耘灌溉,依旧十分肥沃。

   

佐治亚大学的科学家Steiner解释道: “千百年过去,这个区域依旧沃土依然,那是因为土壤中富含碳元素。” 因此,生物碳这一科学概念的提出,使人们看到了无需砍伐森林也可开拓农耕地的希望。  


☉生物碳-优点


近年来,科学家研究发现,生物炭能够提高农业生产率,减少对碳密集肥料的需求。其中,木炭碎料的孔洞结构更能容易的聚集营养物质和有益微生物,从而使土壤变得肥沃,利于植物生长,实现增产的同时让农业更具持续性。更令人惊奇的是,生物炭能够把碳锁定在生物群内,而非让它排放到空气中。



英国环保大师詹姆斯拉夫洛克称,生物炭是减轻灾难性气候变化的唯一希望。这些优点使其日益成为科学家研究的热点之一。

⊙生物碳的概念


生物碳是一种碳含量极其丰富的木炭。它是在低氧环境下,通过高温裂解将木材,草,玉米秆或其他农作物废物碳化,即在没有氧气的情况下燃烧,最终形成木炭这种碳的稳定形式。


土地中自然存有大量的碳元素,但是这些碳是不稳定的,受气候影响会释放二氧化碳。而生物碳则可以固定碳元素长达几百年。因此,充分利用生物碳可降低大气中二氧化碳的含量。


生物碳基本上都是纯碳,埋藏在地下可以几百年甚至上千年都不会消失,这就相当于把碳封存在土壤中。

同时,生物碳中有许多微孔,这就为聚集营养物质和有益微生物创造了条件。生物碳的这一特点,使其不但能够补充土壤的有机物含量,同时还能有效地保存水分和养料,提高土壤的肥力。对于农业生产和环境气候都是有益的。


生物碳可以保护环境。鉴于其高含碳量和多孔的特性,它不仅可提高土壤蓄水储养的能力,还可保护土壤中的微生物。它像一个地下碳水槽,锁住二氧化碳,最终达到增加作物产量的效果。  

美国国家海洋与大气局的统计数据显示,从20世纪80年代开始,大气中的二氧化碳含量就以惊人的速度攀升。八十年代的二氧化碳含量以每年百万分之一点五的速度上涨,而自2000年以来,这个速度被改写至每年百万分之二!


而生物碳则可吸收有机物质腐烂时释放至大气的二氧化碳;并帮助植物有效储存其光合作用所需的二氧化碳。通过这两种方式,生物碳起到了洁净空气的作用。

 


Christoph Steiner是生物碳领域的学科带头人。


他说:“土地中自然存有大量的碳元素,但是这些碳是不稳定的,受气候影响会释放二氧化碳。而生物碳则可以固定碳元素长达几百年。因此,充分利用生物碳可降低大气中二氧化碳的含量。”  

根据美国国家航空宇航局的科学家James Hansen的研究,如果生物碳可在全球范围内有效使用,那么大气中的二氧化碳含量可在50年内降低百万分之八。  

生产生物碳过程中产生的副产品,对环境保护和能源生成也是大有益处的。生成过程中约1/3原料变为生物碳,1/3可被再加工用于发电,另1/3则可成为原油。生产时释放出的气体可被用于发电,而其他一些副产品可用于制药。


★生物碳-未解之谜


关于生物碳,还有许多未解之谜。例如,为什么它能改善土壤?


当前的研究表明,土壤施用一定量的生物碳后,一方面,酸性土壤的通过提高pH 值从而土壤肥力得到增强,另一方面,借助其阳离子吸附从而使土壤营养物质的持有量得到增加。与此同时,土壤中的微生物群落组成情况和数量也会改变,因此也就间接地对此土壤上生长的植物产生了影响。


大部分的国外研究成果显示,在土壤中添加生物碳会增加土壤微生物量,土壤中的微生物群落组成结构和土壤酶活性会有明显的变化。同时,研究发现添加生物炭后,微酸性土壤和碱性土壤中的微生物量碳含量能够得到提升。


其实,生物碳的使用一直伴随着人类的农业发展历程,而对生物碳的研究,早在20世纪80年代国外就已经有了一定的进展,但其农田土壤中的研究对象主要为增加农作物产量,如日本在1994年就有研究报道关于生物碳对柑橘生长的影响。


另外,随着生物碳施加量的增多,土壤重要酶活性的持续时间会有一定地延长,当施加高量(5%)生物碳时,土壤酶活性在50d仍能保持峰值。



目前,科学界普遍认为生物碳在农业上的应用对促进土壤固碳、改善土壤健康、提高作物品质具有重要的意义。



生物碳产品的品质受生物质材料、制备技术等方面的影响。一般来说,良好的生物碳制品在制备完成后,其在土壤中的应用主要的功能成分由三部分组成:稳定的支架碳、小分子的有机碳以及吸附的丰富矿质元素。


其中,支架碳是生物碳的主体,主要是由单质碳或类似石墨结构的芳香碳组成。这一部分碳的可溶性极低,溶沸点极高,具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构,因此使生物碳具备了极强的吸附能力和抗氧化能力。


这一部分碳结构保留了原生物质的细微孔隙结构(如下图所示),具有较大的比表面积,因此具有强烈的吸附性,能够吸附重金属、农残等污染物,从而减少植物对这些污染物的吸收;这些孔隙还能吸附植物一时不能利用的氮素养分,后期再缓慢地释放供给植物,从而提高氮肥的利用率;同时,这部分支架碳也可以吸收水分子进入小孔中,当干旱发生时,小孔可

图1竹制生物碳扫描电子显微镜图像。a:竹制生物碳横切面;b:竹制生物炭纵切面。


第二部分是生物碳在制备过程中的一些小分子的有机碳,这部分碳是生物炭中的活性成分。它们被吸附在支架碳上,能够被植物和微生物所利用,被植物直接吸收利用可以促进植物生长;被微生物利用可以促进微生物的繁殖。一般生物碳肥料使用后马上表现出的效果往往是由这部分小分子碳所提供的。


第三部分是生物碳中包含的矿质元素成分。由于生物碳是从植物煅烧而成的,植物中所含有的一些Ca、Mg、K、Si等大中量营养元素和Fe、Mn、Cu、Zn等微量元素均保留在生物碳中,在施入土壤后可以补充土壤中的矿物质养分。另外,由于这部分营养元素一般以碱性形式存在,因此,也具有改良土壤酸性的作用。


因此,我们从以上介绍中可以看出,生物碳产品所具有的保水保肥、改良土壤和促进植物生长的效果是由于生物炭所固有的性质所决定的。特别是在目前我国土壤面临的土壤酸化、肥料利用率低、重金属污染风险问题上,生物碳肥料产品将会发挥重要的作用。


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