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☉生物碳—黑色黃金 

生物碳質(zhì)指生物質(zhì)在缺氧條件下燃燒或熱解產(chǎn)生的含碳物質(zhì),其中含有碳化組分(黑碳)和非碳化組分(天然有機質(zhì)),其來源廣泛(如秸稈焚燒和森林大火),大量積累于土壤等環(huán)境,對土壤中有機污染物的遷移轉化及生物有效性產(chǎn)生重要影響。

☉生物碳-歷史 

生活在巴西亞馬遜河流域的人們長期使用一種特殊的肥料。

這種肥料來源于當?shù)兀哂袠O強的恢復貧瘠土壤肥力的能力。當?shù)厝税阉Q為“印第安人的黑土壤”。它多產(chǎn)、肥沃，與當?shù)叵∈琛⒇汃さ耐寥佬纬甚r明的對比。這種黑土壤在一些地區(qū)可以延綿幾公頃，但是目前還沒有人知道這些神秘的黑土壤到底是什么。有人猜測它是火山巖，或者是古代湖泊的沉積物，又或者是很久以前植被腐爛后的殘留物。但很少有人會認為它是人為制造而成的。  

現(xiàn)代研究證明，黑土壤是2500年，甚至6000年以前由生活在亞馬遜流域的人們制造的。一般認為，他們使用的材料包括動物糞便，魚，動物骨頭和植物廢物。但是生產(chǎn)黑土壤最關鍵的原料，也是黑土壤之所以呈現(xiàn)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維持一個世紀之久。幾個世紀以來，生活在南美亞馬遜流域的人們都靠這些原生態(tài)材料制造“黑土壤”來肥沃土地。幾千年過去了，那兒的土壤不需耕耘灌溉，依舊十分肥沃。

佐治亞大學的科學家Steiner解釋道： “千百年過去，這個區(qū)域依舊沃土依然，那是因為土壤中富含碳元素?！?因此，生物碳這一科學概念的提出，使人們看到了無需砍伐森林也可開拓農(nóng)耕地的希望。    

☉生物碳-優(yōu)點 

近年來，科學家研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，減少對碳密集肥料的需求。其中，木炭碎料的孔洞結構更能容易的聚集營養(yǎng)物質(zhì)和有益微生物，從而使土壤變得肥沃，利于植物生長，實現(xiàn)增產(chǎn)的同時讓農(nóng)業(yè)更具持續(xù)性。更令人驚奇的是，生物炭能夠把碳鎖定在生物群內(nèi)，而非讓它排放到空氣中。

英國環(huán)保大師詹姆斯拉夫洛克稱，生物炭是減輕災難性氣候變化的唯一希望。這些優(yōu)點使其日益成為科學家研究的熱點之一。 

⊙生物碳的概念

生物碳是一種碳含量極其豐富的木炭。它是在低氧環(huán)境下，通過高溫裂解將木材，草，玉米稈或其他農(nóng)作物廢物碳化，即在沒有氧氣的情況下燃燒，最終形成木炭這種碳的穩(wěn)定形式。

土地中自然存有大量的碳元素，但是這些碳是不穩(wěn)定的，受氣候影響會釋放二氧化碳。而生物碳則可以固定碳元素長達幾百年。因此，充分利用生物碳可降低大氣中二氧化碳的含量。

生物碳基本上都是純碳，埋藏在地下可以幾百年甚至上千年都不會消失，這就相當于把碳封存在土壤中。 

同時，生物碳中有許多微孔，這就為聚集營養(yǎng)物質(zhì)和有益微生物創(chuàng)造了條件。生物碳的這一特點，使其不但能夠補充土壤的有機物含量，同時還能有效地保存水分和養(yǎng)料，提高土壤的肥力。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境氣候都是有益的。 

生物碳可以保護環(huán)境。鑒于其高含碳量和多孔的特性，它不僅可提高土壤蓄水儲養(yǎng)的能力，還可保護土壤中的微生物。它像一個地下碳水槽，鎖住二氧化碳，最終達到增加作物產(chǎn)量的效果。   

美國國家海洋與大氣局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從20世紀80年代開始，大氣中的二氧化碳含量就以驚人的速度攀升。八十年代的二氧化碳含量以每年百萬分之一點五的速度上漲，而自2000年以來，這個速度被改寫至每年百萬分之二！ 

而生物碳則可吸收有機物質(zhì)腐爛時釋放至大氣的二氧化碳；并幫助植物有效儲存其光合作用所需的二氧化碳。通過這兩種方式，生物碳起到了潔凈空氣的作用。 

Christoph Steiner是生物碳領域的學科帶頭人。

他說：“土地中自然存有大量的碳元素，但是這些碳是不穩(wěn)定的，受氣候影響會釋放二氧化碳。而生物碳則可以固定碳元素長達幾百年。因此，充分利用生物碳可降低大氣中二氧化碳的含量?！?  

根據(jù)美國國家航空宇航局的科學家James Hansen的研究，如果生物碳可在全球范圍內(nèi)有效使用，那么大氣中的二氧化碳含量可在50年內(nèi)降低百萬分之八。   

生產(chǎn)生物碳過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，對環(huán)境保護和能源生成也是大有益處的。生成過程中約1/3原料變?yōu)樯锾迹?/3可被再加工用于發(fā)電，另1/3則可成為原油。生產(chǎn)時釋放出的氣體可被用于發(fā)電，而其他一些副產(chǎn)品可用于制藥。

★生物碳-未解之謎 

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關于生物碳，還有許多未解之謎。例如，為什么它能改善土壤？

當前的研究表明，土壤施用一定量的生物碳后，一方面，酸性土壤的通過提高pH 值從而土壤肥力得到增強，另一方面，借助其陽離子吸附從而使土壤營養(yǎng)物質(zhì)的持有量得到增加。與此同時，土壤中的微生物群落組成情況和數(shù)量也會改變，因此也就間接地對此土壤上生長的植物產(chǎn)生了影響。

大部分的國外研究成果顯示，在土壤中添加生物碳會增加土壤微生物量，土壤中的微生物群落組成結構和土壤酶活性會有明顯的變化。同時，研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭后，微酸性土壤和堿性土壤中的微生物量碳含量能夠得到提升。

其實，生物碳的使用一直伴隨著人類的農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程，而對生物碳的研究，早在20世紀80年代國外就已經(jīng)有了一定的進展，但其農(nóng)田土壤中的研究對象主要為增加農(nóng)作物產(chǎn)量，如日本在1994年就有研究報道關于生物碳對柑橘生長的影響。

另外，隨著生物碳施加量的增多，土壤重要酶活性的持續(xù)時間會有一定地延長，當施加高量（5%)生物碳時，土壤酶活性在50d仍能保持峰值。

目前，科學界普遍認為生物碳在農(nóng)業(yè)上的應用對促進土壤固碳、改善土壤健康、提高作物品質(zhì)具有重要的意義。

生物碳產(chǎn)品的品質(zhì)受生物質(zhì)材料、制備技術等方面的影響。一般來說，良好的生物碳制品在制備完成后，其在土壤中的應用主要的功能成分由三部分組成：穩(wěn)定的支架碳、小分子的有機碳以及吸附的豐富礦質(zhì)元素。

其中，支架碳是生物碳的主體，主要是由單質(zhì)碳或類似石墨結構的芳香碳組成。這一部分碳的可溶性極低，溶沸點極高，具有高度羧酸酯化、芳香化結構和脂肪族鏈狀結構，因此使生物碳具備了極強的吸附能力和抗氧化能力。

這一部分碳結構保留了原生物質(zhì)的細微孔隙結構（如下圖所示），具有較大的比表面積，因此具有強烈的吸附性，能夠吸附重金屬、農(nóng)殘等污染物，從而減少植物對這些污染物的吸收；這些孔隙還能吸附植物一時不能利用的氮素養(yǎng)分，后期再緩慢地釋放供給植物，從而提高氮肥的利用率；同時，這部分支架碳也可以吸收水分子進入小孔中，當干旱發(fā)生時，小孔可以保護水分子不被迅速的蒸發(fā)，從而有了保持水分的效果。另外，這部分支架碳也能為一些有益菌提供生長繁殖的空間，猶如庇護所一般讓有益菌免受外在環(huán)境的脅迫，從而促進有益菌在植物根系的定植，提高微生物菌肥的效果。

圖1竹制生物碳掃描電子顯微鏡圖像。a：竹制生物碳橫切面；b：竹制生物炭縱切面。

第二部分是生物碳在制備過程中的一些小分子的有機碳，這部分碳是生物炭中的活性成分。它們被吸附在支架碳上，能夠被植物和微生物所利用，被植物直接吸收利用可以促進植物生長；被微生物利用可以促進微生物的繁殖。一般生物碳肥料使用后馬上表現(xiàn)出的效果往往是由這部分小分子碳所提供的。

第三部分是生物碳中包含的礦質(zhì)元素成分。由于生物碳是從植物煅燒而成的，植物中所含有的一些Ca、Mg、K、Si等大中量營養(yǎng)元素和Fe、Mn、Cu、Zn等微量元素均保留在生物碳中，在施入土壤后可以補充土壤中的礦物質(zhì)養(yǎng)分。另外，由于這部分營養(yǎng)元素一般以堿性形式存在，因此，也具有改良土壤酸性的作用。

因此，我們從以上介紹中可以看出，生物碳產(chǎn)品所具有的保水保肥、改良土壤和促進植物生長的效果是由于生物炭所固有的性質(zhì)所決定的。特別是在目前我國土壤面臨的土壤酸化、肥料利用率低、重金屬污染風險問題上，生物碳肥料產(chǎn)品將會發(fā)揮重要的作用。