第27卷第2期农业工程学报V ol.27 No.2
2011年2月Transactions of the CSAE Feb. 2011 1 生物炭生产与农用的意义及国内外动态 何绪生1，耿增超1※，佘雕1，张保健2，高海英1（1．西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100；2．西北农林科技大学机电工程学院，杨凌 712100）
摘 要：近年来，生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受重视。生物炭在土壤中能够保持数百年至数千年，实现碳的封存固定，生物炭还可以改善土壤理化性质及微生物的活性，培肥土壤肥力，延缓肥料养分释放，降低肥料及土壤养分的损失，减轻土壤污染。生物质的热裂解及气化均可产生生物炭，但是慢速热裂解和热水炭化工艺的生物炭产率最大，同时还可获得生物油及混合气，生物油及混合气可升级加工为氢气、生物柴油或化学品，这有助于减轻对化石能源或原料的依赖。生物炭的生产及农用是碳减排的过程，废弃生物质生产生物炭及其农用的效益是多赢的。国外在废弃生物质热裂解生产生物炭及农用方面做了许多研究工作。中国在生物质热裂解获得生物能源方面做了较多工作，但对生物炭的生产及农用重视不够。今后，中国应以废弃生物质生产生物炭，并将生物炭农用作为生物能源、环境及农业可持续发展的战略。
关键词：碳，排放控制，生产，生物炭，废弃生物质，农用，动态
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.02.001
中图分类号：TK6，X71，S15 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-02-0001-07
何绪生，耿增超，佘 雕，等. 生物炭生产与农用的意义及国内外动态[J]. 农业工程学报，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
近年来，biochar一词不断地出现在科学期刊及媒体中，Biochar是bio-charcoal的缩写，是指生物有机材料（生物质）在缺氧及低氧环境中经热裂解后的固体产物，大多为粉状颗粒，2007年在澳大利亚第一届国际生物炭会议上取得的统一命名，主要施用于农林业土壤。国内将biochar译为生物炭、生物质炭、生物质焦，为简便起见，本文称之为“生物炭”。生物炭是粉状颗粒化的木炭，是活性炭的生产原料之一，在性质和特征上三者具有相似性，均属于黑炭（black carbon），黑炭涵盖了生物质略微炭化到燃烧后黑烟颗粒的炭化物质，包括自然野火或人为烧荒燃烧植物、化石燃料不完全燃烧形成的碳物质，黑炭对全球碳循环起着较大的作用[1]。
目前全球对生物炭的科学研究重视源于对亚马逊盆地中部黑土（Terra Preta de Indio）的认识，在哥伦布进入南美大陆之前，南美洲土著人就用木炭作为改良当地高风化淋溶土壤的主要材料，这种黑土至今是全球最肥沃的土壤之一。然而，在20世纪80年代以前，全球关于生物炭的科学研究论文仅有寥寥数篇[2]，也尚未充分认
收稿日期：2010-02-11 修订日期：2010-02-23
基金项目：林业局“948”项目（2009-4-64）；农业部“948项目”（2010-Z19）；陕西省攻关项目（2010K02-12-1）
作者简介：何绪生（1962－），男，副教授，博士，主要从事废弃物肥料资源化利用、新型肥料与产业化研究。陕西省杨凌示范区台城路3号西北农林科技大学资源环境学院，712100。Email：hexiao2001bj@yahoo
※通信作者：耿增超（1962－），男，陕西人，教授，主要从事农林废弃物资源化利用及森林土壤的研究。陕西省杨凌示范区台城路3号西北农林科技大学资源环境学院，712100。Email：gengzengchao@sina 识到生物炭的重要性。20世纪80年代，虽然日本人用生物炭作为盆景植物土壤的改良剂及作为生物菌肥的载体，并有研究论文发表[3]。但是全球真正科学认识生物炭开始于20世纪90年代中期。为了应对气候变暖，在寻求更有效降低大气二氧化碳浓度及化石燃料碳排放的技
术过程中，科学家从Terra Preta研究中认识到了生物炭作为二氧化碳俘获和碳封存剂的重要性，从此有关生物炭改良土壤及改善肥料性能及效益的研究日益增多，全球关于生物炭的期刊科研论文数从2000年的2篇左右上升到2009年约80篇以上，且仍呈增长趋势。在google 搜索引擎上以biochar关键词搜索（截止2010年10月31日）可搜到约15.1万条结果。“生物炭”搜索到211万条结果，这充分说明生物炭成为全球科学研究和媒体关注的焦点。
图1 有关生物炭研究的科学论文统计
Fig.1 Statistic of scientific papers involving biochar rearches
农业工程学报2011年2
1 生物炭与碳减排
众所周知，现有的化石能源利用过程是一个碳排放过程，全球每年因化石能源利用而排放的二氧化碳相当于60多亿t碳[4]，二氧化碳是全球气候变暖温室效应的主要因素之一。因此，二氧化碳减排对减缓全球气候变暖意义重大。为了实现二氧化碳减排，俘获化石燃料燃烧排放的二氧化碳，并通过地质工程方法将其加压贮存在地下或海洋底部是碳减排途径之一，但是即使将目前现有化石燃料燃烧排放的二氧化碳以这种方式俘获和封存，其至多是碳中和过程[5]。但是，俘获和封存所有化石燃料排放的二氧化碳是不切实际的，也是耗资浩瀚的工程，几乎不产生经济效益。虽然生物能源可减少对化石能源的依赖，也是最容易利用的新能源，但是，生物能源技术仅是碳中和的技术，因为通过生物光合作用固定大气二氧化碳形成的生物有机物（也称为生物质）在转化为能源物质利用后仍会将二氧化碳释放到大气中，生物能源既不降低也不升高大气中的二氧化碳浓度。然而，以玉米生产乙醇的生物能源会危及粮食安全，而纤维素生产乙醇的技术使用大量化学试剂、污染风险大，生物质利用率低。而以生物质（主要是废弃生物质）慢速热裂解技术生产生物炭，同时可联产生物能源和化学品（生物油及合成气升级加工）。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长达百年至数千年，生物炭是稳定的碳固定载体，将生物炭作为土壤改良剂和肥料增效载体施入土壤可实现碳的固定及二氧化碳减排。因此，废弃生物质热裂解生产生物炭及农用是一项碳减排的技术（图2）。Woolf等[8]指出，在不危及人类粮食安全、生存环境及土壤保护的情况下，生物炭每年减排温室气体数量达目前人类温室气体排放总量的12%。因此，生物炭固碳潜力是巨大的。遗憾地是，截止目前生物炭尚未被列入联合国气候框架中的碳支付名单中。为此全球许多科学家和企业家正在努力，力求将其列入碳减排技术和产品名单中。
图2 生物炭农用的碳减排过程
Fig.2 Carbon-negative process for using of biochar in agriculture 2 生物炭农用与多赢战略
以生物炭农业应用为核心，可以解决农业、能源、环境及气候的多方面的问题，是一举多赢的战略（图3）。
图3 生物炭的一举多赢性
Fig.3 Multi-win technology for biochar
2.1 生物炭与农业
生物炭富含有机碳，可以增加土壤有机碳含量[9]，以及土壤有机质[10]或腐殖质含量，从而可提高土壤的养分吸持容量及持水容量[11-12]。
生物炭含有一定量的矿质养分，可增加土壤中矿质养分含量，如磷、钾、钙、镁、及氮素[13]，特别
是畜禽粪便生物炭具有较高矿质养分[14]，生物炭通常对养分贫瘠土壤及沙质土壤的一些养分补充作用较明显[15]。
生物炭大多呈碱性，或者具有较大石灰当量值，可以作为石灰替代物，通过提高土壤碱基饱和，降低可交换铝水平，消耗土壤质子而提高酸性土壤pH值[9,15-16]，因此，可改良酸性土壤一些养分的有效性[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质土壤的持水量，从而改善土壤持水能力[17-18]。
生物炭具有离子吸附交换能力及一定吸附容量，其可改善土壤的阳离子或阴离子交换量，从而可提高土壤的保肥能力[19]。生物炭对土壤阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）或保肥能力的改善取决生物炭的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及化学反应性，因此，生物炭可作为肥料缓释载体，可延缓肥料养分在土壤中的释放，降低肥料养分的淋失及固定等损失，提高肥料养分利用率[21-22]。生物炭基肥料在其养分释放完后，仍可发挥土壤改良剂的作用。
生物炭的孔隙结构及水肥吸附作用使其成为土壤微生物的良好栖息环境，为土壤有益微生物提供保护，
特别是菌根真菌，促进有益微生物繁殖及活性，增强泡囊丛枝菌根菌（vesicular-arbuscular mycorrhizae，V AM）对植物的侵染[23-25]。生物炭可作为微生物肥料接种菌的载体，增加接种菌在土壤中存活率及对植物的侵染[22,26-27]。
生物炭用于农业可改良和培肥土壤，提高土壤作物生产率，促进土壤可持续利用及作物增产，促进农业可持续发展。
第2期何绪生等：生物炭生产与农用的意义及国内外动态 3
2.2 生物炭与环境
以废弃生物质热裂解生产生物炭，还可以获得生物油和混合气[28-29]，并可进一步升级加工为氢气及化学品[30-31]，增加废弃生物质的附加值，从而可促进废弃生物质利用，实现对废弃生物质的有效管理[32-33]。
生物炭可延缓肥料养分的释放，增加对土壤养分的吸附交换，可降低土壤养分淋失损失[34-35]，减轻水域环境富营养化。
生物炭可增加对重金属[36-37]、农药[38]、除草剂[39]及石油污染物[40]的吸附，降低植物的吸收，同时由于生物炭提高微生物活性，活性增强的微生物促进土壤中有害物的降解及失活。
生物炭可将生物质固定的二氧化碳以生物炭形式固定于土壤，并影响土壤碳、氮转化，降低土壤温室气体（CO2，CH4及N2O）排放[41-42]，有利于减缓气候变暖。
生物炭可以用于处理污水，净化水质，从而改善水质量及水域美观[43]。
2.3 生物炭与能源
废弃生物质热裂解生产生物炭过程中还可获得混合气及生物油[28-29]，生物油或混合气经过蒸汽催化重整分离可得到氢气副产品[30]，氢气可作合成氨原料，也可作氢能源。生物油精炼可得到生物柴油燃料，生物油也可升级加工为工业化学品[31]。因此，废弃生物质热裂解生产生物炭产生的生物能源及化学品可降低对化石能源或原料的依赖，可降低化石原料的碳排放。
总之，生物炭是多功能、多用途的材料，既可以用作能源，也可作为还原剂，还可农用作为土壤改良剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂。虽然生物炭作燃料可能会产生较大的经济收益，但是用作能源的生物炭燃烧后仍会将生物质固定的碳释放到大气中，这只能是碳中和过程。然而，生物炭的农用（土壤施用）无疑是功能最大化的用途，也是碳减排的技术或过程。生物炭作为土壤改良剂或肥料增效载体使用，不但对土壤起到改良培肥作用，还可增强土壤环境降解功能，并促进作物增产，降低肥料损失，提高肥料利用率，减少土壤肥料养分损失的环境危害。最重要的是生物炭在土壤中可长期固定生物质固定下来的碳，可降低大气二氧化碳浓度，有减缓气候变暖的重要作用。生物炭农用将会产
生长远的经济、生态及社会效益。因此，全球应将废弃生物质生产生物炭并农用作为生物炭生产及利用的长期战略。3 生物炭生产与原料
3.1 生物炭生产与热裂解
传统木炭是采用土窑、砖窑或钢制窑生产的，是隔绝氧气的闷燃烧，是慢速热解过程，目的是取得最大产量的木炭。然而，工业热裂解是生物炭生产的主流方向，热裂解是在缺氧气或有限供氧气环境中热分解有机材料，生物质在不同温度及升温速度下热裂解都可产生生物炭（图4），只是生物炭的产量、性质及特征有所不同，而慢速热裂解工艺的生物炭产率最大[44]。生物质热裂解除了获得生物炭外，还可获得生物油及合成气，这些都可进一步升级加工为氢气、生物柴油或其他化学品[45]。快速热裂解（fast pyrolysis）或闪速热裂解（flash pyrolysis）及气化以获得生物油或混合气等生物能源为主，这也是目前大部分生物质热裂解与气化研究与开发的主要兴趣所在，但其生物炭产率偏低[45-47]。生物质及生物质基前体（碳水化合物）在高温水蒸汽（160℃＜T＜220℃及高压作用处理后的炭化是热水炭化或热水热裂解，也称为湿法热裂解，其生物炭产率很高[23,48]，但生物炭挥发有机物含量高。热裂解通常都是采用热能直接或间接加热生物质，而微波热裂解是采用微波能对生物质加热，由于微波加热速度较慢，温度较低，蒸汽驻留时间长[49-51]，因此微波热裂解是典型慢速热裂解，但原料颗粒度较大，可用于生产大颗粒生物炭。此外，微波热裂解需要生物质具有一定的含水量，才可获得较佳的加热效率。热裂解装置或设备制造简单，成本低，适于在生物质原材料地附近建设小型热
裂解厂[52]。
生物炭生产工艺及工艺参数决定或影响生物炭的特征或性质，高温热裂解比低温热裂解的生物炭具有较高pH[54]、灰分含量[55]，生物学稳定性[56]及含碳量[55,57]，但高温热裂解保留原生物质中的碳要比低温热裂解要少[57]。而生物炭的孔隙度及比表面积、CEC是在一定温度范围内热裂解方可获得最大值[13,54]。生产生物炭的原料生物质种类及预处理也影响生物炭的性质或特征。通常木本植物生物炭具有较高的含碳量及较低灰分含量，而草本植物及禾本科植物生物质生产的生物炭具有较高灰分含量及较低的含碳量。而畜禽粪便生产的生物炭具有高的灰分含量及低的含碳量[13]。酸碱处理或添加化学品后的生物质生产的生物炭的特征或性质显著不同于未处理生物质生产的生物炭[58-59]，这是设计生产所需目标性质或特征生物炭的基础。
表1 生物炭产率与生产工艺的关系
Table 1 Relationship between the yield of biochar and its manufacturing technique
裂解方法温度加热速率蒸汽残留时间原料粒度生物炭生物油/% 气体/%
慢速热裂解 400～660℃低加热速率＞5～30 min 不严格35% 30 35 中速热裂解 400～550℃中等加热速率 10～20 s 较严格20% 50 30 快速热裂解 400～550℃，＞204℃ 1000℃/s 1～2 s ＜2 mm 12% 7
5 13 闪速热裂解 1050~1300℃ 1000℃/s ＜1 s ＜0.2 mm 10～25% 50～75 10～30 气化 750～1 500℃ 100～200℃/min 10～20 s ＜6 mm 10%或焦油 5 85
水热炭化160～220℃/300～350℃，
12-20 MPa热水
—
无蒸汽残留，约1～12h
处理时间或30 min
含水量高的原料
如畜禽粪便，微藻
37%～60%
5～20（溶解在
工艺水中）
2～5
注：表1引自文献[45, 47, 53]。
农业工程学报 2011年
4
图4 生物炭生产与利用(根据国际生物炭倡导组织网站资料翻译和修改)
Fig.4 Production and utilization of biochar(according to the website of international biochar initivative)
3.2 生物炭生产原料
在生物炭研究的初期，利用耕地种植用于生产生物炭的原料作物或营造速生林作为生物炭生产原料的思路一度很盛行，但是这种思路很快受到许多人的质疑，因为集约化种植作物或营林会加剧土壤肥力耗竭，甚至会加剧地球荒漠化[60]。但近年来以废弃生物质作为生物炭生产原料的思路得到重视（图4），许多企业及研究人员积极研究废弃生物质生产生物炭的技术及设备。废弃生物质包括初级农林生产剩余物，如农作物秸秆、穗芯、种壳、果核、果皮、林木采伐废枝、果树修剪及换代枝条等。农林次级剩余物，如甘蔗渣、甜菜渣、果渣（苹果渣、梨渣、桃渣、草莓渣，猕猴桃、葡萄籽和皮），菜籽粕、棉籽粕、葵花粕、大豆粕、造纸黑液等。生物利用及转化废弃物，如畜禽粪便、发酵渣（沼气渣、味精渣、酒糟（高粱渣、大麦渣））、菌菇栽培废基质等。据估计，全球废弃生物质资源量可达1
400亿t [32]，这是一个可再生和取之不尽的资源。尽管废弃生物质的收集及运输存在一些困难，但是固定厂房热裂解可用于利用大型养殖场、榨汁厂（如甘蔗糖厂、果汁厂）及易于长距离运输的废弃生物质，而热裂解移动设备可用于零散及难以长距离运输的废弃生物质资源热裂解利用。以废弃生物质生产生物炭不但可获得生物炭，也可获得生物能源或化学品，使废弃生物质附加值提高，还可提高对废弃生物质的利用和管理，有助于解决废弃生物质弃置、焚烧、随意排放的环境污染问题。
4 国内、外动态与方向
4.1 国外动态
全球有关生物炭的国际组织、地区组织、协会及学会、企业、研究机构网站已逾千家，这为生物炭的知识传播和研究交流提供了很好的平台，推动了全球生物炭的研究、生产与推广，推动了生物炭测试方法标准化[60]。 全球有数百个大专院校、公司和企业开展生物质热裂解转化生物炭的研究、小试及中试，有些单位具有中试车
间、示范厂。个别单位拥有生物炭移动生产设备，如美国佛吉尼亚理工大学，加拿大西安大略大学等。美国、加拿大、澳大利亚等国家的生物炭研究与中试工艺先进。美国爱普利瑞达公司的生物炭与肥料联产工艺是最先进的工艺之一。在全球生物质热裂解研究与开发企业中，大部分以生物能源为中心，生物炭是副产物，甚至将生物炭作为能源物质使用。虽然以生物质热裂解获取生物能源的技术是
碳中和技术，但由于生物能源生产需要能源植物，种植能源植物又会改变土地利用方式，导致能源作物与粮食生产争夺土地，且能源植物生长快、产量高，易于导致土壤肥力衰竭，不利于土壤可持续利用及农业可持续发展。而以废弃生物质热裂解生产生物炭为主导产品，并将生物炭作为土壤改良剂和肥料缓释载体是全球气候问题可持续的、综合的解决方案。但目前全球仅有少数企业以生产生物炭为主导产品。有理由相信，随着对生物炭固碳、土壤改良及肥料增效研究深入及推广，这种状况会逐渐改变。
全球有关生物炭的会议已经举办过多次，最著名的国际生物炭倡导组织（international biochar initivative ，IBI ）自2007年在澳大利亚召开第一届会议至今，已召开了3届。许多国家也成立了全国生物炭学会，一些国家还成立了地区协作研究网络、工作组，并相继召开了有关生物炭的研究及示范专题会议。中国也于2010年6月12日在中国农大成立了中国生物炭网络中心。这些为生物炭名词统一、测试内容及测试方法、生物炭质量标准制定、相关政策制定及立法起着积极的作用。IBI 向联合国气候变化公约及联合国沙漠治理委员会提交了建议报告，建议将生物炭作为气候变化控制及适用性工具，并为将生物炭列入碳减排贸易产品进行着积极的努力[62]。 4.2 国内动态与方向
中国具有丰富的废弃生物质资源，且由于地理跨度大，生物质种类具有较大差异，如林木、果树及水果废弃生物质具有多样性。中国每年仅作物秸秆可达8亿t 之多[63]。然而，中国废弃生物质利用率较低，尤其生物
第2期何绪生等：生物炭生产与农用的意义及国内外动态 5
炭生产尚在起步。
中国生物炭的科学研究是伴随着中国生物能源研究而开展的。20世纪90年代中期沈阳农业大学从荷兰引进了一套生物质热裂解装置，之后国内许多大学，研究院所开展了生物质热裂解的研究[64-66]，但大多以生产生物能源为主，生物炭为副产物，并且大多数将生物炭用作燃料，特别是机制炭。中国竹炭研究较为先进，主要用于空气净化剂和纺织品中[67-69]。近年来通过与国外合作研究与交流，中国生物炭农用研究开始起步，并举办过涉及生物炭的学术会议，并且对生物炭改良土壤、肥料增效的研究获得了一些初步结果[21,70]。但是，中国对废弃生物质热裂解生产生物炭工艺及参数与生物炭性质、特征缺乏系统研究；对生物炭性质和特征对全国不同生态区不同土壤的改良效果缺乏系统的、长期的研究；对生物炭与肥料复合及肥料效益改善也缺乏系统研究；对生物炭的碳固定及碳减排的作用还未足够重视。因此，中国应尽快转化生物质（尤其是废弃生物质）利用观念或方向，尽快转向以生物炭为主导产品，并将其农用的观念及方向来，加强全国生物炭联合研究，促进生物炭多赢效益的发挥，促进中国废弃生物质综合利用，土壤可持续利用及农业可持续发展。
5 结 论
目前，全球面临气候变暖、环境污染、化石能源资源枯竭及碳排放、以及土壤功能退化的诸多问题，
而工业热裂解废弃生物质生产生物炭，并将生物炭农用于土壤可为这些问题提供综合的、平衡的解决方案。然而，目前生物炭商业化的生产与农用尚不多见，因此，中国应加强生物炭的研究及开发，为上述问题的综合解决提供技术和产品。
[参 考 文 献]
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