生物炭如何唤醒贫瘠土地

作者 / 雷切尔· 塞尔南斯基

        生物炭是一种富含木炭的土壤添加剂，可以增加农业产量并用于治理污水。目前，科学家正在对这种新型物质进行测试，评估其市场前景……
       生物炭
       近年来，一种效果持久的土壤添加剂在美国大受青睐。这种碳含量很高的物质被称作生物炭(biochar)。
       据统计，2008年起，这种土壤添加剂销量每年递增3倍。其中，美国宾夕法尼亚州Biochar生物炭公司是已经成为行业的代表性企业。这家公司每天源源不断地为很多农场主提供原料，销售方式不仅包括批发渠道，而且已经开始通过亚马逊和WholeFoods有机食品连锁超市直接零售。如今中国、瑞典等亚洲和欧洲国家都已经在农业和城市绿化中使用这种生物炭。
       新技术重祭“老法宝”

       生物炭是通过在低氧环境中加热生物质(如麸皮等农作物废料)制成的，是一种在生产生物燃料时的副产物。
       随着人们对清洁能源的重视程度不断提高，科学家对生物炭也产生了浓厚的兴趣，大量测试其前景的研究正迅速涌现。他们尤其感兴趣的问题是，生物炭颗粒的化学和物理特质是如何影响水在土壤中的渗透、污水处理、微生物群落结构以及温室气体排放。科学家希望生物炭可以给全世界的农民带来福音，尤其是非洲和其他发展中国家和地区，因为那里的土壤往往十分贫瘠。
      约翰尼斯·莱曼是美国康奈尔大学的农作物和土壤学家。他认为不同类型的生物炭“对某些最重要的土壤属性——通常与作物产量相关——有独特的调节作用，例如土壤的风化和沙化程度”。
       人们对生物炭还有很多疑问，特别是是否廉价且有效。在有些研究中，生物炭甚至让农作物产量降低了。造成这个问题的原因之一是，用于生产生物炭的生物质各种各样，而且生产时的温度和速度也不固定，导致生产出的生物炭质量不一，进而对农作物的影响也不尽相同。
       尽管农民们最近才开始接触生物炭，但实际上生物炭有着悠久的历史。千百年前，生活在亚马孙河流域的人们就通过加热有机物制造出了生物炭，并用它造就了被称为“亚马孙黑土”的肥沃土壤。但在欧洲殖民者入侵南美后，这项技术渐渐被人遗忘，其他地方的农民则没有使用生物炭的习惯。
       活水增肥 兼固碳氮

      10年前，科学家们开始对生物炭产生了兴趣。当时，人们开始关注全球变暖问题，一部分人期望可以用生物炭将大量碳元素封存在地下。现在，虽然这个想法已经渐渐淡出人们的视野，但土壤学家却开始探索将生物炭用于农业以及治理污染。
       生物炭如何影响土壤中水的渗透?丽贝卡·巴恩斯是美国科罗拉多大学斯普林斯分校的生物地球化学家。她和同事在不同土质中掺入生物炭，然后测试水的流动性。结果发现，水在沙土中通常渗透得很快，但添加生物炭后，水流动的速度降低了约92%;水分在富含黏土的土壤中一般不易流动，但添加生物炭后，水流动的速度提高了3倍多。研究人员认为，土壤颗粒之间的间隙是水流的通道，而生物炭改变了水通过这些间隙的方式。
       巴恩斯说：“黏土一般是扁平的颗粒，而沙一般是圆形的颗粒。但生物炭却没有固定形状，因此不仅在自身内部产生了复杂的通路，还在土壤空隙中产生了复杂的通路。”她和同事认为，正是这些复杂的通路使水分在沙中的渗透减缓、在黏土中的流动加快。
      巴恩斯认为这意义重大，因为尽管黏土可以贮存大量水分，但这些水分要穿透土粒抵达植物根部却很费力。一些研究表明，与普通土壤或是仅添加了堆肥的土壤相比，添加了生物炭的土壤能让植物长得更好。
      研究人员还试图弄明白生物炭是如何影响土壤中微生物活动的。微生物通常以群落的形式发挥作用。比如，许多细菌只有在数目大到可以克服宿主免疫反应时，才会对植物的根部进行攻击。卡罗琳·马谢洛是美国莱大学的生物地球化学家。她和同事发现，生物炭可以与细菌细胞分泌的用于调节细菌活动的信号分子结合，从而抑制病菌对植物的侵害。
      马谢洛解释道：“细菌会感觉不到其他个体的存在，因为细菌之间的‘通话线路’被切断了。”她还说，下一步研究人员将利用生物炭的这一功能，帮助植物减少感染。
      还有一些研究人员正在探索，如何利用生物炭减少农田中一氧化二氮(一种温室气体)的排放。2014年，南京农业大学的土壤学家刘晓雨和同事发表论文称，在玉米田和麦田中加入生物炭后，一氧化二氮的排放量在接下来5个作物季(3年时间)持续减少。
      在其他研究中，也发现了生物炭可以减少一氧化二氮排放的现象，但研究人员还不清楚其中的具体原因。刘晓雨说：“使用生物炭可以改善土壤的一些性质(例如它可以促进植物对钾的吸收)，提高土壤中有机质的含量。”目前，刘晓雨已经从生物炭制造商处筹得了一些科研经费。
      2011 年的一项调查发现，使用生物炭后，农作物产量平均提高了10%，该数值在酸性土壤中更是达到了14%。生物炭可能在退化或贫瘠的土壤中效果最显著，因为它可以帮助土壤留住基本的营养成分。加利福尼亚大学伯克利分校的安德鲁· 克兰·德勒施一直在肯尼亚西部研究生物炭在这类退化土壤中的作用。初步结果显示，使用生物炭的农田平均可增产32%。
     应用广泛 潜力巨大

      2014 年6 月，世界银行在一份报告中指出，生物炭可能是最具潜力的、能帮助发展中国家农民的物质。因为，生物炭不仅可以改善土壤的性能，还可能成为“气候智能型”农业(climate-smart agriculture，这种农业能经受诸如气温升高、降雨减少和土壤贫瘠化等气候变化的影响)的重要元素。
       除了应用于农业外，研究人员还尝试将生物炭应用到其他领域。生物炭可以与土壤中的重金属结合，使重金属不容易接触到植物或进入水源。生物炭的这一特性引起了美国环境保护局等机构和尝试改造废矿的公司的关注。
       2010 年，在美国科罗拉多州阿斯彭市附近的霍普矿区，人们通过在土壤中加入生物炭抵消了累计数十年的开矿废料对当地环境造成的负面影响。据阿斯彭环境研究中心称，那些原本荒芜的山坡重新长出了植被。
       生物炭在清洁污水方面也显示了巨大的潜力，甚至可以代替活性炭用于污水处理厂及被有毒化学物污染的地区，并且比活性炭的成本还低不少。美国密西西比州立大学的退休化学教授查尔斯· 皮特曼解释说，生物炭颗粒表面积很大，而且在水中还会增加，巨大的表面积提供了无数结合污染物的位点。
       皮特曼说，这种治理污染的方法对缺少完备净水系统的国家尤为有用。生物炭还能去除水中的抗生素和化学污染物，而这些用传统的净水方法很难去除。
       科学家还测试了生物炭能否净化开采石油或天然气时使用的液体，以及是否可用它制造打印机墨粉和其他涂料产品。美国农业部农业研究局的土壤学家库尔特·斯波卡斯说：“还有很多市场，人们还没有完全探索。”
       随着世界各地对生物炭感兴趣的消费者越来越多，关于生物炭的讨论也会随之增多。
       比约恩· 恩布伦负责瑞典斯德哥尔摩的城市绿化。他介绍说斯德哥尔摩从2009 年就开始使用生物炭来促进植被的生长。恩布伦认为，近几年城市树木长得特别健康，生物炭功不可没。
       2014 年9 月，来自纽约的慈善组织彭博慈善基金会向斯德哥尔摩市捐资100万欧元(约120 万美元)，用于一项覆盖全市的环保项目，该项目可以把居民的花园废料、食物垃圾甚至污水转化为生物炭。
     价格与原料瓶颈尚待突破

      并非所有研究都表明生物炭是一种神奇的物质。有些情况下，生物炭甚至会造成农作物减产;还有一项研究认为，生物炭会降低一些有助抵御昆虫和病菌侵袭的植物基因的活性。
      莱曼认为，这可能是生物炭使用不当造成的。他说，在一些发现生物炭造成减产的研究中，所用的天然土壤本已相当肥沃。
      另一项研究认为，使用错误类型的生物炭会对土壤微生物带来负面影响，还可能降低土壤的贮碳量。例如，由稻草制得的生物炭在特定土壤中的效果，就与由木头或粪便制得的生物炭不同。
      而且，科学家并不确定将生物炭用于土壤修复或其他方面是否有经济上的优势，特别是在农业方面。
      一般来说，贫瘠的土壤往往出现在贫困地区。在肯尼亚见证了生物炭的增产效果后，克兰·德勒施又考察了生物炭在当地的市场前景，他发现“即使以成本价出售生物炭，也几乎没人购买”。
       生物炭的价格参差不齐，在美国，有一些产品的售价达每千克3 美元，和某些化肥差不多，比很多堆肥要贵。从宏观来看，只有当生物燃料产业有经济效益时，生物炭产业才能同样在市场有一席之地——例如，当生物燃料产业获得了政府补贴，或因减排政策使得化石燃料价格上涨时。
       如果有一天，对生物炭需求激增，人们首先需要关心的是生产生物炭本身对环境有何影响。原料的选择是一个关键问题。中国倾向使用农业废料，如稻草或麦秆;而一些美国研究者则推荐使用动物粪便。
      不过，就大规模生产而言，这两种方法都不是最有效的方式。用木头做原料则可能会导致对森林的过度砍伐。
      英国牛津大学印度可持续发展中心的研究主管艾尔弗雷德·盖索恩·哈迪说：“一个非常重要的问题是，原料是否可持续获取?我觉得目前在生物炭研究界，关于这方面的讨论还不够。”
      生物炭到底是像宣称的那样神奇，还是会和其他很多所谓的“魔法”物质一样，渐渐变得无人问津?这不光是研究生物炭的科学家关心的，也是相关企业和使用者关注的。

文章来源：企业观察网（原刊载于《科学美国人》）

原文链接：http://www.cneo.com.cn/info/2015-03-17/news_19435.html
图片来源：seachar.org