曹志洪

中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京市北京東路71號，210008

“碳”是化學(xué)元素“C”（Carbon）的中文名稱，左旁“石”表示它不是金屬元素?？梢姟疤肌弊质乾F(xiàn)代化學(xué)傳入我國時創(chuàng)造和流行的漢字。

碳元素（C）在周期表的序數(shù)是 6，原子量為12。石墨、金剛石、足球烯（C60）等是碳單質(zhì)同素異形體。含C元素的化合物種類、數(shù)量極其繁多：從最簡單的含一個C的一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2），碳酸（H2CO3），碳酸氫銨（NH4HCO3）及碳酸鹽等各種無機物,到只含一個C元素的甲烷（CH4），甲酸（CH2O2），尿素[CO (NH2)2]等各種有機物；而含兩個及以上C元素結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的所有生命物質(zhì)是生物多樣性的根本所在。

而“炭”這個漢字在我國使用數(shù)千年了,如木炭、竹炭、骨炭等早就出現(xiàn)在技術(shù)和文學(xué)著作中。如“賣炭翁，伐薪燒炭南山中.....夜來城外一尺雪，曉駕炭車輾冰轍。” ,這是唐代大詩人白居易所作、千百年來眾口傳誦的詩。經(jīng)現(xiàn)代分析技術(shù)測定這些“炭”是一類化學(xué)成分不純、性質(zhì)不恒定但含碳（C）元素很高的有機炭（生物炭）?！疤俊睙o論是竹的或木的歷來都是用以取暖、燒烤的。現(xiàn)今市場上仍然有用古窯技術(shù)燒制的竹炭或果木炭供應(yīng)，除了傳統(tǒng)的用作燒烤或火鍋燃料外，更有作為冰箱除臭劑，房屋裝修后室內(nèi)空氣凈化劑（甲醛吸附劑）等新品面市，甚至還有食品級竹炭在餅干、面包、花生、藥劑中添加的產(chǎn)品等。

黑炭（Black carbon）是自然的生物炭，在土壤、底泥（河流、湖泊、海洋沉積物）中廣泛存在[1]，如我國7000年前馬家浜時期的古水稻土[2-3]和50年～2000年時間序列水稻土[4]以及亞馬孫流域的黑土里都有發(fā)現(xiàn)[5-6]，認(rèn)為含有大量黑炭是這類土壤肥力常新、可持續(xù)利用的原因之一。這些黑炭的成因是多次的森林火災(zāi)、或年復(fù)一年的焚燒秸稈（火耕）時有部分有機質(zhì)不完全燃燒所致[2-7]。埋藏古水稻土層黑炭含量達(dá)2.0～3.3 g/kg，明顯高于其他土層[3-4]。

現(xiàn)今推崇和本文所說的“生物炭”則是指利用廢棄的有機物經(jīng)厭氧熱解后形成的一類難溶性、高度芳香化、非常穩(wěn)定、富含碳素的固態(tài)物質(zhì)[5-7]。

筆者就制備生物炭的原料與工藝，生物炭的組分、結(jié)構(gòu)和特性，生物炭與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物炭與氣候變化和全球生態(tài)安全、生物炭與環(huán)境保護(hù)和土壤修復(fù)、生物炭應(yīng)對抗生素泛濫、煙草行業(yè)生物碳的研究與應(yīng)用進(jìn)展等方面做一綜述。

1 原料與制備工藝

1.1 原料

歷史上燒炭的原料主要是“伐薪”獲得的，就是在竹林或樹林里選擇莖圍合適的竹子、樹木，砍伐加工成適宜的形狀，就地風(fēng)干待用。一般是在山坡上挖一個炭窯燒出來的。好的原料才能燒制出燃燒值高、外觀漂亮、有竹、木、果清香氣味的炭、使用時干凈、舒適，才會受到市場歡迎。本文討論的生物炭當(dāng)然不是、也不允許直接砍伐全球都要嚴(yán)格保護(hù)的森林（或木或竹）為原料的。否則不僅毀壞了地球的肺，也引起水土流失，毀了生態(tài)環(huán)境、并與必須使用林木的產(chǎn)業(yè)競爭資源。

土壤學(xué)界所推崇的，氣候變化科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)界贊同的，也逐漸被社會認(rèn)可的現(xiàn)代生物炭產(chǎn)業(yè)，必須是利用各種有機廢棄物為原料制備生物炭及其延伸產(chǎn)品、并最終歸還土壤、實現(xiàn)生態(tài)循環(huán)，使土地資源可持續(xù)利用。這是變廢為寶、保護(hù)地球、實踐“綠水青山就是金山銀山”的壯舉。

現(xiàn)將各類廢棄有機物—生物炭的原料介紹如下：

（1）農(nóng)作物秸稈：2009年全國農(nóng)作物秸稈總量為8.4億噸[8-9]（按多數(shù)秸稈風(fēng)干后的含水量15%左右計）。其中玉米秸稈占32.3%，稻草25%，麥秸18.3%，棉稈3.2%等。但農(nóng)作物秸稈呈零星分布，體積大，收集和運輸?shù)某杀竞芨?，雖有環(huán)境和社會效益，沒有政策性補助和先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備、降低收集和運輸成本，那么以秸稈為原料的生物碳企業(yè)都難以為繼。

（2）畜禽排泄物：隨著我國城鄉(xiāng)人民生活水平的提高，對肉，奶，蛋的需求不斷增加，畜禽養(yǎng)殖業(yè)呈蓬勃發(fā)展、畜禽排泄物也急劇攀升，2008年總排放量達(dá)到30億噸[10-11]。養(yǎng)殖方式從原來的散養(yǎng)為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧s、專業(yè)、規(guī)?；B(yǎng)殖場為主。出于市場需求新鮮食品和運輸成本考慮，大部分規(guī)?；B(yǎng)殖場都分布在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的東部地區(qū)[11]。這里本來耕地不足，畜禽糞便的環(huán)境風(fēng)險更大：是水體、土壤和大氣的主要污染物之一，還含有重金屬和大量抗生素及超級細(xì)菌，對人類健康威脅更是嚴(yán)重。畜禽糞尿（不必干濕分離）與輔料混合經(jīng)厭氧熱解制備生物炭循環(huán)利用是安全可行的處置辦法（詳見本文第六節(jié)）。在國家還沒有出臺嚴(yán)禁畜禽糞便經(jīng)普通發(fā)酵做堆肥還田的政策和條例前，養(yǎng)殖企業(yè)是不會自覺地采用生物炭技術(shù)的。

（3）生活污泥：是生活污水處理廠殘留物，由有機殘片、細(xì)菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的復(fù)雜、非均質(zhì)混合物。一般情況下處理1萬噸生活污水可產(chǎn)生含水率80%的污泥5～8噸，按平均計2018年全國生活污泥產(chǎn)量可3658萬噸[12]。目前污泥的處置方法是：填埋，堆肥，自然干燥和焚化。2016年全國這4種處理分別占為73%，16.9%，6.7%和3.4%[12]。顯然是不可持續(xù)的了，因為已沒有土地供繼續(xù)填埋，其他三種辦法會導(dǎo)致重金屬、抗生素的二次污染。制備生物炭應(yīng)則是安全可行的。

（4）生活垃圾：根據(jù)中國再生資源回收利用協(xié)會2017-06-21公布的資料，全國城鄉(xiāng)生活垃圾年產(chǎn)生量達(dá)4.28億噸（按每人每天產(chǎn)生垃圾1.13公斤計）。其中城市為2.58億噸，農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)為1.7億噸，垃圾分類必須在全國推廣和堅決執(zhí)行，以除去金屬、小電器、玻璃、陶瓷、磚瓦等，剩下的主要是動植物殘渣—廚余垃圾，果皮，廢紙，塑料袋，包裝盒（箱），及少量的衣物和家具等。現(xiàn)在處置的方法主要是填埋、發(fā)電（焚燒）等，但對大氣的二次污染很嚴(yán)重，受到所在地群眾的反對。若把有機垃圾組分在密閉的制炭爐內(nèi)熱解成生物炭，理論和實踐上證明沒有二次污染問題。

（5）其他：農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)品，園林廢棄物，果園更新及修剪的的樹干和枝葉，菌菇產(chǎn)業(yè)的廢棄物，食品、飲料、制糖、榨油、中藥業(yè)下腳料等等。總量沒有可靠的統(tǒng)計，但在特定的地域、場區(qū)，有幾萬噸到幾十萬噸不等。不少已經(jīng)作為生物質(zhì)顆粒的原料，把還沒利用的那些制備生物炭是可行的。

綜上，生物炭是利用有機廢棄物為原料的，是變廢為寶社會效益和生態(tài)效益為主的環(huán)保產(chǎn)業(yè)。因此，必須盡量減少原料收集的成本，才有微利和持續(xù)經(jīng)營的可能。各級政府在管理政策的優(yōu)惠和財經(jīng)上補助是生物炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

1.2 工藝和設(shè)備

無論是古代傳統(tǒng)的燒炭窯、還是現(xiàn)代生物炭的工藝在理論上都是厭氧環(huán)境下有機質(zhì)的熱解過程：利用有機質(zhì)本身的熱能在厭氧條件下燃燒，有部分變成灰，一半左右變?yōu)樘俊?/p>

工藝：傳統(tǒng)燒炭（木或竹）的工藝是：在自然生長的樹林或竹林里選擇粗細(xì)適宜的樹木或竹子：伐薪—截短 （或劈開）—風(fēng)干—裝進(jìn)炭窯—點火燒炭—并立即封門（暗燒）—冷卻幾天后—出窯—炭 （成品）。是不連續(xù)生產(chǎn)的。

現(xiàn)代規(guī)模的生物炭燒制工藝有間歇式[13-14]和連續(xù)式[15-17]兩類。

間歇式工藝：原料粉碎過篩—定量輸入炭爐—厭氧熱解—冷卻—出炭。

連續(xù)式工藝：原料粉碎過篩—連續(xù)地定量輸入炭化爐—厭氧熱解—連續(xù)出炭（冷卻）—成品包裝。

物料在內(nèi)腔被熱解成炭，將收集的焦油和可燃?xì)怏w在線輸入外腔作為能源，理論上原料本身產(chǎn)生的能量可以完成炭化，啟動時點火升溫要用生物質(zhì)顆粒為外部能量，在連續(xù)運行狀態(tài)下不再需要再補充更多的外部能量。同時還有200℃左右的余氣可用于烘干等其他需求。冷卻水是循環(huán)使用的。除了冒出無色水氣外無任何有害氣體或污水排放。

現(xiàn)代生物炭熱解溫度還有低溫烘培（200～300℃）[14]和中高溫（400～700℃）[15,17]熱解兩類。工藝、原料相同、熱解溫度不同，生物炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也有差異[18-20]。

生物炭的產(chǎn)率取決于原料組成、進(jìn)料和出料的速度。快速、高溫能得到30%的生物炭（20%的合成氣和50%的生物油）。而慢速分解可以產(chǎn)生50%的炭和較少的可燃?xì)怏w和生物油。從節(jié)省能源看，連續(xù)式比間歇式更好。

設(shè)備：土窯燒制木炭的設(shè)備簡單，可在山坡挖掘出立式的炭窯或在平地上挖掘出臥式的地窯都行，加上封門用的防火水泥版或石板等。

現(xiàn)代生物炭連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備主要由三部分組成：炭化爐（燃燒室和炭化室），煙氣凈化，原料粉碎、混合和傳送系統(tǒng)和成品冷卻、傳輸及包裝系統(tǒng)。目前市場上有很多類型、產(chǎn)能不一的成套設(shè)備供應(yīng)。生物炭企業(yè)可根據(jù)處理物料的外觀、含水量多寡，規(guī)模等選擇合適的型號和配套系統(tǒng)。浙江華騰牧業(yè)有限公司的養(yǎng)豬場使用中科院城市環(huán)境研究所研制的小型（3噸／日生物碳）連續(xù)生產(chǎn)的生物碳爐，運轉(zhuǎn)3年來穩(wěn)定可靠。

2 生物炭的組分、結(jié)構(gòu)和特性

2.1 生物炭的組分

生物炭由65%～95%（wt）碳，3%～20%由鉀、磷、鈣、鎂、硅、錳、鋅等氧化物和含氮化合物組成的灰分，少量的揮發(fā)分等三部分組成[5-7,18-21]。因原料及熱解溫度不同而有差異。例如含碳量是木質(zhì) > 草質(zhì) > 畜禽糞便 > 生活污泥；炭化溫度低的 > 溫度高的； 而灰分含量則反之：污泥 > 畜禽糞便 > 草質(zhì)的 > 木質(zhì)的，而且是溫度高的 > 溫度低的。

筆者的合作團(tuán)隊用豬糞與不同輔料（1∶1.5）混合制備生物炭，混合后原料含水量分別是：（豬糞+礱糠）27%，（豬糞+稻草）48%，（豬糞+木屑）36%，（豬糞+竹屑）47%，而純豬糞為 67%。炭化爐中部溫度為640℃，運行穩(wěn)定，溫度變化較小。原料輸送螺旋的頻率為9.5Hz，炭化爐進(jìn)料螺旋頻率為16.0Hz，炭化爐運行頻率為40.0Hz。各種生物炭的pH值，含水率，及各組分（元素）的含量見表1。

結(jié)果表明，雖然原料含水率差異較大，但生物炭含水率變化不大，在3%～5%之間；pH值都呈堿性?；炝仙锾勘燃冐i糞生物炭pH值高，而混料生物炭的灰分含量較純豬糞炭的低；其中添加木屑和竹屑的生物炭灰分低于添加礱糠和稻稈的；生物炭含碳量則以豬糞+竹屑和豬糞+木屑的高。這都與輔料（稻草，竹屑，木屑）本身的含碳量和燃燒值高低有關(guān)：因為純豬糞、草本（稻草）含碳量和燃燒值比木質(zhì)化程度高的竹屑和木屑的要低。生物炭含氮量以純豬糞炭最高，添加稻桿和竹屑的比添加木屑和礱糠的高；炭化過程的濃縮富集是生物炭磷鉀含量比其原料的高原因。

表1 不同配比豬糞生物炭的pH *及組分Tab.1 pH and composition of pig manure biochar with different component proportions

生物炭含有一定氮、磷、鉀、硫等植物必須的養(yǎng)分，所含鉀素和磷素的有效性應(yīng)與其原料中的區(qū)別不大。氮素在炭化過程中有些損失，殘留的氮素形態(tài)也有變化、其有效性應(yīng)比原料中的氮素要低。

分析表明生物炭的C/N 比很高，例如：純豬糞炭為16.0，豬糞稻桿炭為 55.5，豬糞竹屑炭為94.4，豬糞木屑炭 為98.1，當(dāng)然是微生物難以立即利用的氮素形態(tài)為主。所以生物碳中的氮素對作物的有效性應(yīng)比它原料中的氮要低。這就是為什么僅靠生物炭本身的氮素等養(yǎng)分是滿足不了作物需求的。只有在極度貧瘠的土壤上，單獨施生物炭才可能有一定肥效，產(chǎn)量也不會高。一般必須通過與其他肥料配合，再加上生物炭具有的保持土壤養(yǎng)分、水分、促進(jìn)通氣、改良土壤結(jié)構(gòu)及激發(fā)微生物活力等多種功能的綜合作用下，效果會比不加生物炭單獨使用有機肥或有機無機復(fù)合肥的好的多（詳見本文第三部分：農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的效果）。

2.2 生物炭的結(jié)構(gòu)

生物炭主要有碳素組成，具有洋蔥狀、開放性的孔隙，是呈蜂窩狀由大、中、小孔構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)。因制備生物炭原料、溫度、厭氧條件、進(jìn)料速度等不同而有差異，其結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)多樣性（圖1）。生物炭表面有大量芳香族官能團(tuán)為主的含氧基團(tuán)，多孔結(jié)構(gòu)使其有巨大的比表面積和吸附性能，這是生物炭天然的的物理化學(xué)特性[6-7,17-20,23-24]。

不同豬糞生物炭的紅外譜圖（圖2）表明在3420 cm-1出現(xiàn)的寬峰為-OH（羥基）的特征峰，是來源于原料中碳水化合物及水的羥基。在1604 cm-1的峰是芳香環(huán)中C=C（烯鍵），C=O（羰鍵）的伸縮振動以及-COO-（羧基鍵）的反對稱伸縮振動。1446 cm-1處的吸收峰為碳水化合物和脂肪族化合物中-CH2基（亞甲基）的剪式變形振動及脂肪族和木質(zhì)素中-CH3（甲基）的和C-H（季甲基）的不對稱變形振動?？梢姼髫i糞生物炭中有機官能團(tuán)含量很豐富。純豬糞炭（粉紅色線）中存在的2932 cm-1為-CH2（亞甲基）的和C-H（季甲基）的反對稱伸縮振動，2847 cm-1為-CH3（甲基）的和-CH2（亞甲基）的及C-H（季甲基）的對稱伸縮振動。這兩個峰僅在純豬糞炭中，說明其有機質(zhì)含量更高。

圖1 生物炭的電鏡照片1由呂豪豪和楊生茂，張進(jìn) 等提供。Fig.1 Electron micrograph of biochar

圖2 各種豬糞生物炭的紅外譜圖 2由呂豪豪和楊生茂提供。Fig.2 Infrared spectrum of various pig manure biochars

2.3 生物炭的物理、化學(xué)特性

如前所述生物炭具有的多孔結(jié)構(gòu)故容重很低，空隙率高，存在大小不一的孔隙，使其既有持水孔隙，也有通氣孔隙。這些物理特性是生物炭在土壤中既能保水、也保持通氣，滿足土壤中植物根系、小動物和微生物等對水、氧氣、和營養(yǎng)的需求。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)使其比表面積很大，如600 ℃ 熱解的櫟樹炭和竹炭的比表 面積分別為154.6 m2/g和137.7 m2/g，棉 稈炭的比表面積達(dá)到 224.12 m2/g。生物炭的多孔特性和巨大的比表面積使其有很高的吸附性能，木屑生物炭的比表面積是普通木炭的2.5～3倍，吸附能力是普通木炭的10倍以上。

生物炭含一定的灰分，其表面又有豐富的堿性基團(tuán)，所以一般都呈堿性，pH值為7.1～12之間,這因原料，炭化溫度及炭化時間等不同而有差異[6-7,17-20,23,24]。

表2是雞糞與不同輔料配比的原料在600 ℃ 熱解下連續(xù)生產(chǎn)的生物炭的理化性質(zhì)。輔料是木屑、稻草（粉碎后）、礱糠、竹屑4種，雞糞及各種輔料的含水量分別是84.15，11.46，10.21，8.95，7.99%。結(jié)果表明，雞糞與等量（1∶1）竹屑、稻草、礱糠混合燒制生物炭其持水孔隙率、通氣孔隙率，CEC等指標(biāo)均以由竹屑、稻草兩種輔料混合的較好，而與礱糠混合的稍差。可能與礱糠含大量硅有關(guān)。雞糞與兩倍木屑混合燒制的生物炭雖也有不錯的性能，但成本比其他的要高。

3 農(nóng)業(yè)應(yīng)用的效果

天賜陽光，雨水，空氣，萬物得以土中生。土壤學(xué)家認(rèn)為一切有機物及其廢棄物都是土壤產(chǎn)出的。即使是人造纖維、塑料等合成的有機物都是石油或媒化工的延伸產(chǎn)品，本質(zhì)上也是遠(yuǎn)古的植物或動物轉(zhuǎn)化而來。為了維護(hù)土壤可持續(xù)利用和綠色發(fā)展、確保人類恒久生存，不論是自然的還是人工合成的有機廢棄物都必須科學(xué)地循環(huán)歸還給土壤。這樣才能有‘綠水青山’的生態(tài)環(huán)境、潔凈新鮮的空氣，也才會有‘金山銀山’的收獲。

通過制做堆肥—讓作物的殘茬、畜禽糞便、死亡的動植物遺體和生活垃圾等等經(jīng)過堆漚、發(fā)酵、腐熟，然后將堆肥施于土地，或者把秸稈有機物作為生活燃料、將’草木灰’作灰肥施于土地，這就是上世紀(jì)70年代前我國傳統(tǒng)的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式—基本上還是’有機農(nóng)業(yè)’。盡管當(dāng)時的產(chǎn)量不很高，但數(shù)千年來既維持了一定的地力、也養(yǎng)活了幾億中國人?，F(xiàn)今農(nóng)村有煤炭液化氣做生活燃料，既沒人把秸稈作為生活燃料，也沒有農(nóng)民愿意通過艱苦勞動去節(jié)制和使用有機堆肥。買化肥或商品有機肥用是常態(tài)?？墒?，當(dāng)今的畜禽糞便既含有重金屬也有大量抗生素和抗性基因，沿用傳統(tǒng)的堆肥技術(shù)制備的’商品有機肥’，最高的發(fā)酵溫度超一般不過75℃，即使有達(dá)到100℃的，能殺死常見的病菌、寄生蟲卵和雜草種籽，解決不了重金屬、更不能殺滅抗生素和抗性基因。所以，繼續(xù)使用現(xiàn)由有的‘商品有機肥’必然會對土壤、水體和大氣造成二次污染，經(jīng)食物鏈，威脅和危害人畜的健康[25-28]。只有把有機廢棄物制備成生物炭歸還土地，才是解決有機廢棄物重金屬和抗生素污染的科學(xué)選擇[29]。

表2 雞糞與不同輔料配比燒制的雞糞生物炭的理化性質(zhì)Tab.2 Physical and chemical properties of pure chiken manure and calcined chicken ma-nure biochar with different component proportions

3.1 增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)，改良土壤

生物炭以其致密的多孔結(jié)構(gòu)，豐富的表面官能團(tuán)，大量的表面電荷，強大的吸附功能作為農(nóng)業(yè)土壤的改良劑和肥料使用已有不少報道。有直接把生物炭歸還土壤做肥料的，例如古代中國農(nóng)民直接將稻草在田間焚燒，把灰和炭留在田間稱謂“火耕”，來年春天直接用水漫灌再撒播水稻種子叫做“水褥”[2-4]。亞馬孫河流域的先民也是從森林大火過后土地的肥力提高或“火耕刀種”中得到啟發(fā)，使用焚燒林草后得到的‘黑炭’直接施于土地，年復(fù)一年地逐漸形成肥沃的黑土“Terra Prota”[5-7,24]。看來對古代貧瘠的土壤直接使用生物炭是有提高肥力和改良土壤作用的。

近年來的文獻(xiàn)表明，生物炭直接作為肥料使用的僅50%有增產(chǎn)效應(yīng)，30%沒有什么影響，而20%則是減產(chǎn)的[29]。如前所述，生物炭雖然含有少量氮素和較高的磷和鉀，但其C/N 比高，所以氮素作用有限。這就是只有十分貧瘠的土壤上，或缺磷鉀的土壤上才會有一定效果。當(dāng)然，其CEC很高的特性、有吸附養(yǎng)分、水分和促進(jìn)通氣等功能的綜合作用下也會起到一定增產(chǎn)效果的。作物的產(chǎn)量與使用生物炭的方法、時間、氣象條件和病蟲災(zāi)害及作物本身都有關(guān)系，增產(chǎn)或減產(chǎn)都不是單一因子決定的。生物炭直接使用對酸性土壤具有提高土壤 pH的顯著效果 、但對堿性土壤pH則影響不大，對無結(jié)構(gòu)、板結(jié)、透水通氣性差的土壤具有十分明顯的改善效果，大大促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成和激發(fā)微生物的活力。由于其很大的比表面積和強的CEC，提高土壤保水保肥的作用尤為突出[29-35]。進(jìn)而也提高了肥料利用效率，減少化肥流失量，具有防治面源污染的作用。

將生物炭與有機肥或無機肥相配合制成生物炭有機肥或生物炭有機無機復(fù)合肥、或根據(jù)特定土壤和作物配制成專用肥料使用，那就能使兩者相得益彰，增產(chǎn)、提質(zhì)和改良土壤的效果更佳，維持效益的時間更長、而且投入的成本更低[29-35]。根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)自身制作精品的要求，浙江華騰牧業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的‘佳華牌生物炭有機肥’，獲得了‘國環(huán)認(rèn)證’、是適用于有機農(nóng)業(yè)的生物炭有機肥，質(zhì)優(yōu)價惠，三年來已經(jīng)在長三角地區(qū)的有機蔬菜、有機食品農(nóng)場廣泛應(yīng)用，取得了可喜的生態(tài)、社會效益和一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 生物炭提高有機肥和復(fù)合肥效果的機理

生物炭有機肥或生物炭有機無機復(fù)合肥比普通的有機肥、有機無機肥的效果更好，學(xué)界認(rèn)為其機理是生物炭具有的一系列物理、化學(xué)、生物學(xué)特性，使其有調(diào)節(jié)土壤酸度，降低土壤容重；增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)并改善其穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)風(fēng)化率；提高土壤陽離子交換量，改善土壤保肥保水能力，減少土壤水分和養(yǎng)分的流失；提供土壤微生物優(yōu)良居所，激發(fā)土壤微生物活力和多樣性，提升土壤固氮能力；增加土壤磷鉀含量、促進(jìn)土壤磷有效性等功效，充分顯示其作為土壤改良劑和肥料組分的強大潛力[29-36]。

4 生物炭的固碳減排及污染土壤的修復(fù)

生物碳在農(nóng)林業(yè)上可直接或做為肥料組分歸還土壤，實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)、既可提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，同時也游改善土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)、提高土壤肥力質(zhì)量、實現(xiàn)可持續(xù)利用的功效。氣候變化學(xué)界則普遍認(rèn)為生物炭技術(shù)是固碳減排應(yīng)對氣候變化的利器，土壤與環(huán)境科學(xué)界認(rèn)為生物炭是修復(fù)重金屬等無機物、農(nóng)藥和石油等有機物污染土壤與場地、及抗生素和抗性基因等生物污染土壤和場地的修復(fù)劑。

4.1 固碳減排

生物炭的制備過程把光合作用產(chǎn)物（有機廢棄物）的30%～50%轉(zhuǎn)化為炭，歸還土壤后其大部分可長期封存于土壤中，固定了大量本應(yīng)排放的二氧化碳和其他溫室氣體：這是因為有機廢棄物堆放在地表自然風(fēng)化腐解過程（如堆肥制作時的發(fā)酵）、直接填埋后、或?qū)⒍逊适┤胪寥篮蠖家^續(xù)被微生物分解在釋放出養(yǎng)分的同時并不斷排放二氧化碳、甲烷和氮氧化物等溫室氣體的。生物炭施入土壤后，不僅其本身可長期保存，并以強大的吸附性能和多孔結(jié)構(gòu)，可將原土壤有機質(zhì)分解所產(chǎn)生的溫室氣體吸附保留住，減少了溫室氣體排放。生物炭“生命周期分析”表明，生物炭技術(shù)是固碳減排最有效、經(jīng)濟(jì)、和可行的，是’碳負(fù)性’（Carbon negtive）的。估計生物炭本身減少向大氣排放的二氧化碳每年就達(dá)幾十億噸。因此生物炭技術(shù)是目前解決全球氣候變化問題的利器[6-7,36-41]。

雖然然也有專家認(rèn)為在一定條件下，土壤中的生物炭也會繼續(xù)分解排放二氧化碳的[42]，筆者認(rèn)為其數(shù)量很少，不可與生物炭技術(shù)固碳減排的正效應(yīng)相提并論。

4.2 土壤修復(fù)

2018年12月5日是世界土壤日，由中國科學(xué)院土壤研究所、中國土壤學(xué)會等在南京召開了以土壤污染防治為主題的“第一屆全國土壤修復(fù)大會”。與會的專家、學(xué)者、企業(yè)代表和各級領(lǐng)導(dǎo)達(dá)1800余人。與會者的積極性、發(fā)言或提交的論文、參加展覽的盛況是空前的，也有一些外國廠商進(jìn)場參與，證明國內(nèi)外對中國土壤修復(fù)市場的重視和關(guān)心。很多報告、論文（墻報）和展品都提及或展示了生物炭在土壤修復(fù)上的作用機理、技術(shù)及效果，相關(guān)的產(chǎn)品也是耳目一新。

4.2.1 重金屬污染

生物炭制備過程的溫度達(dá)400～600℃，厭氧熱解反應(yīng)本身對有機廢棄物（如污泥、畜禽排泄物，垃圾等）所含的重金屬可起到鈍化和減量作用[20-21]。生物炭施入土壤后改變了土壤酸度、提高了pH，加上其表面有大量含氧功能團(tuán)也對重金屬起的鈍化作用，使土壤重金屬的活性大大降低；生物炭強大的吸附功能對重金屬起到吸附固定作用，能延緩或阻止植物對重金屬的吸收，從而實現(xiàn)了安全生產(chǎn)[5-6,20-21,43-48]。在重金污染場地的修復(fù)中生物炭也被廣泛地使用。

4.2.2 有機污染

農(nóng)田使用農(nóng)藥、除草劑、殺蟲劑后殘留在土壤和植株的葉、果上，有機污染物嚴(yán)重地威脅到食物鏈的安全和人畜的健康。石化企業(yè)，油庫，加油站、農(nóng)藥廠，有機化工廠等搬遷留下的有機污染場地更是城市土地開發(fā)利用面臨的嚴(yán)重問題。生物炭對這些有機污染物有較好的修復(fù)效果[49-52]。

4.2.3 抗生素和超級細(xì)菌污染

自青霉素問世并有效治療肺結(jié)核以來，抗生素在治愈以及防治傳染病上的貢獻(xiàn)，是人類醫(yī)學(xué)史上具有里程碑意義的成就。但是，隨著抗生素的大量生產(chǎn)、使用、甚至濫用，抗生素和抗性基因（耐藥性）污染已經(jīng)成為一個全球性突出的環(huán)境健康問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)大量使用抗生素導(dǎo)致大型養(yǎng)殖場周邊土壤中微生物抗性基因ARG(s)的增加[53]。

2013年我國抗生素使用總量達(dá)到16.2萬噸，52%用于養(yǎng)殖業(yè)（飼料添加劑和防病抗病注射等），畜禽吸收利用的只是很少部分，有70%～90%最終被排出體外。畜禽糞污是抗生素和抗性基因最大的攜帶者。傳統(tǒng)發(fā)酵堆制的‘商品有機肥’含有大量的抗生素和抗性基因，施入土壤和流失到水體，勢必誘導(dǎo)出大量對抗生素具有抗性基因的新微生物?？股剡M(jìn)入土壤不僅可破壞土壤微生物的生態(tài)平衡，也會富集在植物體內(nèi)進(jìn)入食物鏈；隨著滲透、流失等進(jìn)入水體。環(huán)境中抗生素所帶來的生態(tài)風(fēng)險、對人畜健康的威脅實際上比重金屬、農(nóng)藥等無機物和有機物污染的風(fēng)險更大，是不容忽視的人類安全問題。

2015年在我國首先發(fā)現(xiàn)對黏菌素具有耐藥性的基因“mcr-1”—即‘超級細(xì)菌’，接著世界各地也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)[54-56]，世界各地的豬雞牛羊肉均有抗生素和抗性基因檢出，國外市場的麥當(dāng)勞和肯塔基等已開始禁用含抗生素和抗性基因的畜禽產(chǎn)品。2017年復(fù)旦大學(xué)關(guān)于江浙滬兒童普遍暴露于多種抗生素威脅的報告稱：1000多幼兒和小學(xué)生的血樣中100%地檢出多種抗生素存在，有些是給畜禽用的！中科院廣州地化所抗生素研究團(tuán)隊發(fā)表的全國抗生素污染圖，認(rèn)為我國餐桌上的雞鴨魚肉蛋全部淪陷。

超級細(xì)菌—“mcr-1”的出現(xiàn)預(yù)示著人類最后防線的失守，世衛(wèi)組織前總干事陳馮富珍表示：醫(yī)學(xué)將有‘回到黑暗時代的風(fēng)險’。英國政府認(rèn)為到2050年超級細(xì)菌將導(dǎo)致全球1000萬人死亡，超過癌癥的死亡率。

宋宏彬團(tuán)隊首次報道了在豬糞中檢出了對多粘菌素類藥物耐藥的福氏志賀菌株，介導(dǎo)多粘菌素耐藥基因mcr-1是通過質(zhì)粒結(jié)合轉(zhuǎn)移的方式水平轉(zhuǎn)移至其他腸道菌[55]，沈建忠團(tuán)隊通過多年跟蹤研究，探明了mcr-1在家禽產(chǎn)業(yè)鏈可沿著“孵化場-養(yǎng)殖場-屠宰場-超市”這一鏈條傳播，含有該基因的細(xì)菌可被蒼蠅等環(huán)境媒介攜帶污染食物鏈,表明養(yǎng)殖場的排泄物是臨床耐藥菌的最初來源[56]。

如何從源頭解決畜禽排泄物攜帶的抗生素、抗性基因的問題？有人認(rèn)為可以通過簡單的堆肥發(fā)酵或使用‘特殊的微生物’來消除[57-59]，筆者以為這是很值得商榷的。在這些試驗研究中，雖然有些抗生素抗性基因是減少了，當(dāng)然沒有也不可能是全部被消除,因為堆肥的溫度無論如何不能達(dá)到完全消除抗生素和抗性基因高溫要求。所以使用畜禽糞便有機肥越多，土壤中的抗生素抗性基因含量也就越高[60]。其二，即使發(fā)酵后確實消除了一些抗生素抗性基因，那么肯定是產(chǎn)生了更強大的耐某些抗生素抗性基因的新物種或新基因。這種抗性更強的新微生物或新抗性基因?qū)θ诵蠛蜕鷳B(tài)系統(tǒng)健康和安全的威脅豈不是更大嗎？

研究證明，在 400℃中溫下燒制的雞糞生物炭中雖然大多數(shù)抗生素抗性基因已被殺死，但仍有一些耐高溫的抗性基因存在；只有到600℃以上燒制的生物炭中才完全消除了抗生素抗性基因（論文送待發(fā)表）。

因此，畜禽排泄物、生活污泥、醫(yī)院和藥廠的廢棄物、生活垃圾等攜帶有抗生素和抗性基因的有機廢棄物都應(yīng)該也只能通過燒制生物炭再循環(huán)利用才是安全的。中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心的朱永官團(tuán)隊用豬糞生物炭有機肥與普通豬糞堆肥為對照的三年田間試驗結(jié)果證明：使用豬糞生物炭有機肥處理的土壤、地下水和植株中均沒有測到抗生素抗性基因，而對照（普通堆肥）處理的土壤、地下水和植株中則有較高含量[61]。

5 煙草行業(yè)對生物碳的研究與應(yīng)用

在國家現(xiàn)行的專賣體制下，煙草行業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)仍有重要的貢獻(xiàn)。我國煙草生產(chǎn)（烤煙種植和卷煙生產(chǎn)）及供銷都是在國家煙草專賣局和中國煙草總公司統(tǒng)一部署計劃下開展的。全國有植煙面積約100萬公頃以上，這些煙田的土壤改良、肥力提升、連作障礙的治理，煙草秸稈的科學(xué)處置，及植煙土壤和煙株、煙葉重金屬、農(nóng)藥污染的防治等都與生物炭技術(shù)和生物炭產(chǎn)品有密切關(guān)系。竹木炭進(jìn)一步用蒸汽處理制成‘活性炭’，其用途更廣泛，如吸附，脫色，除臭，污水處理和煙氣脫硫等等?；钚蕴刻砑釉诰頍煘V嘴中，用以吸附主流煙氣的有害物質(zhì)、提高卷煙安全性的研究和實踐曾是熱門課題之一[62-65]。國家煙草專賣局還制訂了活性炭在卷煙中的使用標(biāo)準(zhǔn)[66]。

5.1 烤煙秸稈、復(fù)烤廠廢棄物的制備生物炭

2015年我國約有107萬公頃烤煙生產(chǎn)面積，按烤煙秸稈生物產(chǎn)量每公頃2250～3000 kg計，全國每年有烤煙秸稈300萬噸[67]，煙草秸稈有較高的營養(yǎng)成分和有機質(zhì)，但直接還田的很少，因為它在田間不易腐爛（煙草纖維素很難被微生物分解），更攜帶有各種病蟲害而影響后季的烤煙生產(chǎn)。田間焚燒秸稈被嚴(yán)格禁止，大部分煙草秸稈只好拋撒在路邊、渠道或河濱。雖然國家局及各地的煙草公司都鼓勵將烤煙秸稈經(jīng)傳統(tǒng)發(fā)酵法制備有機肥，并在一些地市示范，可是制作成本高達(dá)1350元/噸，僅秸稈的收集費用就是750元/噸，顯然是不可能長期經(jīng)營的[67]。曾有利用煙桿制取優(yōu)質(zhì)活性碳的報道[68]，那么烤煙秸稈制作生物炭更是可行的，只是與制做煙桿有機堆肥一樣存在著收集和運輸成本高的問題。

初步調(diào)查認(rèn)為，卷煙企業(yè)中適合制備生物炭的有機廢棄物是不多的，無需考慮。主要是打葉復(fù)烤廠中剔除的無使用價值的煙葉（霉?fàn)€煙葉、青煙、嚴(yán)重烤紅煙葉），將把煙加工為片煙過程中形成的長梗，短梗、梗末和煙末等有機廢棄物的數(shù)量是較大的。如無更有價值的去路，則是制備生物炭的合適原料。因為這是集中在復(fù)烤廠的，又相當(dāng)干燥，既沒有收集和運輸?shù)馁M用，也不需要烘干就可直接制備生物炭。這種資源究竟多大，是否需要制備生物炭？

如果打葉復(fù)烤的出片率為60%～70%，長短梗、梗末和煙末為23%～35%，另有5%～7%的水分和烤耗。那么2018年全行業(yè)復(fù)烤投料為174.4萬噸左右，以煙梗比例（含長梗，短梗和梗末）平均15%～20%，煙末比例0.6%計算，那么煙梗約為35萬噸，煙末為1萬噸左右。

當(dāng)然，復(fù)烤企業(yè)也是分散在各地的，每個企業(yè)承擔(dān)的復(fù)烤煙葉數(shù)量也大小不一，其廢棄物料數(shù)量也各異。例如：

某工業(yè)企業(yè)A，2017年投料量為207.5萬擔(dān)，無使用價值煙葉0.25%，共0.52萬擔(dān)；長短煙梗12.33%，共25.58萬擔(dān)；煙灰 1.58% 共為3.28萬擔(dān)，三者合計29.38萬擔(dān)。

復(fù)烤廠B，2017年投料53.78萬擔(dān)，無使用價值煙葉0.09%，共0.05萬擔(dān)；長短煙梗7.62%，共4.1萬擔(dān)；煙灰 1.64% 共0.88萬擔(dān)。三者合計5.03萬擔(dān)。

復(fù)烤公司C，2018年投料100萬擔(dān)，碎片比例0.5%，0.5萬擔(dān)。長短梗都要運回中煙公司，廢棄煙梗比例約5%左右，則是5.0萬擔(dān)。兩者合計5.5萬擔(dān)。

打葉復(fù)烤廠D，把煙加工為片煙，出片率為65%左右，煙梗率約為25%，煙末10%。產(chǎn)生的煙梗少量用于配方和薄片、梗片的生產(chǎn)，很大部分由復(fù)烤廠自行處理：有燃燒作為能源的，有制生物碳或有機肥的，也有提取煙堿的。如有丟棄，復(fù)烤廠讓下游公司處理煙梗，則還要支付處理費約200元／噸。

當(dāng)然，即使是同一個復(fù)烤廠，每年的廢棄料也不同?；蛞驗榧夹g(shù)進(jìn)步，或制薄片、梗片的需求量不同而有變化。所以要選擇合適的企業(yè)和地點，開發(fā)煙草行業(yè)的生物炭才可行。

煙草行業(yè)建設(shè)第一個生物炭企業(yè)和生物炭基肥工程研究中心的是貴州省畢節(jié)市煙草公司[69]，足見該公司的領(lǐng)導(dǎo)人是有創(chuàng)新思維和前瞻考慮的，是屬于敢于擔(dān)當(dāng)和‘第一個批吃螃蟹’的人，值得點贊。該生物炭企業(yè)當(dāng)初設(shè)計目標(biāo)主要是利用畢節(jié)地區(qū)最大的烤煙生產(chǎn)基地威化縣大面積煙田所廢棄的大量煙草秸桿，以及畢節(jié)復(fù)烤廠的廢棄煙梗等為原料的。但是在經(jīng)營一段時間后煙桿收集和運輸?shù)睦щy還是出現(xiàn)了，僅靠復(fù)烤廠的煙梗煙末滿足不了原設(shè)計的生物炭產(chǎn)量的。于是轉(zhuǎn)而使用一些本地農(nóng)副產(chǎn)品加工企業(yè)的下腳料（如酒廠的酒糟、菇場的菌菇包等）才能維持運行。畢節(jié)地區(qū)煙桿生物炭有機肥或生物炭有機無機復(fù)合肥等產(chǎn)品在烤煙生產(chǎn)上的效果還是明顯的。

5.2 生物炭在烤煙生產(chǎn)上的應(yīng)用

生物炭直接使用或通過與其它有機肥、無機肥配合使用作為煙草專用肥料或植煙土壤的改良劑、重金屬和農(nóng)藥污染植煙土壤的修復(fù)劑等自2010年前后開始就有文獻(xiàn)報道[69-82]，現(xiàn)敘述于后。

5.2.1 對烤煙產(chǎn)質(zhì)量的影響

盆栽和大田的試驗證明，無論生物炭是單獨使用，還是生物炭與其他有機肥或無機肥配合使用，都能顯著促進(jìn)烤煙植株地上和地下部分的生長，增加煙草干物質(zhì)積累，提高煙葉產(chǎn)量；植煙土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化（通氣和透水、空隙擴大，提高根際土壤pH），改善了土壤的生物學(xué)特性。提高了氮肥利用率，促進(jìn)了烤煙生長過程中鉀的吸收,提高烤后煙葉的含鉀量；降低了打頂后烤煙對磷、氮元素的吸收效率；對烤后煙葉品質(zhì)（兩糖比，鉀氯比，燃燒性等更佳）亦有顯著的正面影響[69-74]，因而可以適當(dāng)降低化肥的用量，為實現(xiàn)農(nóng)村農(nóng)業(yè)部和生態(tài)環(huán)境保護(hù)部提出的減肥目標(biāo)做貢獻(xiàn)。

5.2.2 植煙土壤的改良

生物炭單獨或與有機肥、無機肥配合使用，生物炭本身的堿性，以及吸附土壤中的H+質(zhì)子和AL+3離子，提高了強酸性植煙土壤（尤其是根際土壤）pH，減少了烤煙對重金屬離子的吸附及其毒性，有利于烤煙的正常生長;生物炭增強了土壤保肥保水性能，提高持水效率（土壤含水率、毛管持水量都有增加），減少了氮磷養(yǎng)分的流失，有利于控制水體面源污染；生物炭調(diào)節(jié)了土壤呼吸速率，改善了植煙土壤的生物學(xué)特性，提高了土壤有機質(zhì)含量和活性，改善了土壤碳庫質(zhì)量；擴大土壤微生物多樣性和土壤酶活性，提高了土壤氮磷鉀養(yǎng)分的有效性[75-78]，生物炭對煙區(qū)土地整治后的土壤微生物具調(diào)控效應(yīng)，以加速土壤熟化[79]。

5.2.3 植煙土壤重金屬污染的修復(fù)

生物炭單獨使用，或與有機、無機肥配施，提高植煙土壤特別是根際土壤的pH，降低重金屬的活性，同時其強大的比表面和吸附性能，限制了煙根對重金屬的吸收，抑制了重金屬在煙葉的富集和毒性，從而降低汞，銅，鎘等的危害；保護(hù)了多種酶活性，增強煙株對重金屬的抗性，使煙葉重金屬含量下降，保證了煙株的健康和煙葉的安全[80-82]。

6 結(jié)論與展望

生物炭技術(shù)將廢棄的有機物進(jìn)行安全處理，變廢為寶；生物炭及其延伸產(chǎn)品在循環(huán)經(jīng)濟(jì)和土壤可持續(xù)利用、調(diào)控化肥用量、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與污染場地修復(fù)、固碳減排應(yīng)對全球氣候變化，特別是在消除畜禽糞污攜帶的抗生素和抗性基因?qū)Νh(huán)境安全和人類健康的威脅上的作用和意義是肯定的。生物炭產(chǎn)業(yè)是有利于生態(tài)安全和人類健康的新業(yè)態(tài)，理應(yīng)受到全社會的支持，煙草行業(yè)當(dāng)然也不列外。我國煙草行業(yè)有強大的經(jīng)濟(jì)和科技實力，建議在生物炭技術(shù)上繼續(xù)開展以下幾方面研究與示范：

1）田間煙桿的起桿、打捆、收集的機械化智能化設(shè)備，最大限度地降低成本，實現(xiàn)煙桿生物炭還田；也可為其他作物秸稈收集做貢獻(xiàn)；

2）根據(jù)各煙區(qū)土壤、氣候、烤煙品種特點研究生物碳有機肥和生物炭有機無機專用肥的配方和使用技術(shù)，確保和擴大其正面結(jié)果，防止或減少可能的負(fù)面反應(yīng)；

3）利用復(fù)烤企業(yè)廢棄煙梗制備優(yōu)質(zhì)的煙梗生物炭（應(yīng)保留其煙草特有的香氣），研究其直接在卷煙上使用的新技術(shù)，為卷煙的降焦減害做貢獻(xiàn)等等。

致謝：筆者對中科院南京土壤研究所史學(xué)正研究員的團(tuán)隊、莊舜堯研究員的團(tuán)隊、中科院城市環(huán)境研究所朱永官研究員的團(tuán)隊、汪印研究員的團(tuán)隊、劉超祥研究員的團(tuán)隊；浙江農(nóng)林大學(xué)吳勝春、曹玉成教授的團(tuán)隊，浙江科技學(xué)院張進(jìn)教授的團(tuán)隊，浙江農(nóng)科院楊生茂研究員的團(tuán)隊在生物炭制備、田間試驗、實驗室分析和電鏡照片等方面提供的合作；上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司程森研究員，中國煙草學(xué)報的艾繼濤編輯、四川中煙李東亮研究員和湖南復(fù)烤廠劉洪標(biāo)高工等提供的復(fù)烤廠煙梗（長梗，短梗）和煙末的調(diào)查數(shù)據(jù)；以及浙江省華騰牧業(yè)有限責(zé)任公司在豬糞生物炭的試驗、示范，生產(chǎn)和生物炭有機肥和生物炭有機無機復(fù)合肥的研制及市場化等所做的努力等一并表示衷心的謝誠。沒有上述學(xué)者和單位的支持和幫助，筆者關(guān)于生物炭的研究和本文之撰寫都難以完成。