你听说过生物炭吗?对大多数园丁来说,这是一个新名词,包括我在内。我看到一篇关于生物炭(Biochar)的英文文章,其中将这种肥料描述为一种能将沙漠转变为伊甸园的奇迹。这让我感到好奇。我立刻去寻找关于生物炭的有效性研究。结果发现相关研究不多,因此我几乎能够查阅到所有涉及改良土壤的研究(关于生物炭在应对全球变暖影响方面的研究我没有纳入此次综述)。
什么是生物炭?
生物炭是一种经过特殊处理的木炭,用于改善土壤肥力。木炭在农业中传统上被西非的土著人民使用,根据一些不太可靠的资料,亚马逊的热带森林中也有使用。有人提出假说,生物炭能够显著提高土壤的产量,同时降低地球大气中的二氧化碳含量。
生物炭如何改善土壤?
简单来说:
- 添加生物炭可以改善土壤的物理和化学性质(pH值从3.9提高到5.1,阳离子交换容量从7.41提高到10.8 cmol(+)kg^−1,阳离子含量从6.40%提高到26.0%,和生物量(MBC)从835提高到1262 mg/kg-1)。
- 土壤颗粒的加权平均直径(MWD)从2.6 cm增加到4.0 cm;
- 侵蚀速度降低了50%以上。数据是在施用5%生物炭的总土壤质量的情况下获得的 ( CATENA Soil Science ,中国,2013年)
生物炭的晶体结构
有证据表明,早在哥伦布前期,亚马逊地区的农民所改良的土壤仍然肥沃,并且含有高达35%的有机碳以生物炭的形式存在。2000年前通过生物炭人工富集的土壤能保持更多的水分和植物易于吸收的养分。亚马逊黑土terras preta的肥料成分被推测为:木炭+骨头+粪便(关于亚马逊土壤及其哥伦布前的生物炭的更多信息可以在 这里 找到)。
生物炭是一种超多孔材料,其保水效果可与珍珠岩相媲美。其孔隙为土壤生物提供了健康的栖息环境,添加生物炭可能是“地球改造”的一个阶段。生物炭中的碳非常稳定,可以在土壤中保持数千年,结合并保持微量元素和矿物质,直到通过共生细菌将其释放给植物的根系。在多雨地区,这种特性对于肥料来说是无价的,同时也能防止侵蚀和地下水的污染。
生物炭如何生产?
国际生物炭倡议组织(International Biochar Initiative)为生物炭设定的生态标准称其生产过程为“将农业废物转化为土壤增强剂”。生物炭还可以通过自然火灾或人为的热解过程产生:
“有机废物,如木屑和树枝,农业副产品, 在无氧的室内焚烧,生成油、合成气体和类似木炭的固体残留物。其高孔隙度的木炭充当有害化学物质和化合物的过滤器,能够吸附并传递有益养分。” 耶鲁大学森林与环境研究院
生物炭的简史
没有历史背景的介绍是不完整的。木炭在西非地区始终是与肥料并行的第二大土壤形成元素。这一点通过在利比里亚和加纳对七百年前土壤的广泛人类学研究得以证实 ( 1 )。
“非洲黑土”是通过添加厨房废物、骨头、灰烬和粪便而人工创建的。没有这些成分,大多数西非地区的农业是无法进行的。有趣的是,亚马孙地区和非洲的居民在发现木炭作为肥料时是完全独立的——亚马孙农民早在2500年前就开始将其施用于土壤,而非洲农民则是在大约700年前开始。这或许说明了生物炭的黑色和结构吸引了古代人至关重要的简单逻辑——“以类似的方式治愈类似的事情”……
生物炭科学研究数据
奥地利的生物炭田野研究
目前,生物炭被视为一种前景广阔的地球工程理念,因此大规模研究更多地与通过生物炭生产来抵消温室气体排放有关,同时还包括完善其生产过程中的热解工艺:在燃烧过程中释放的气体和油可以实际上用作启动热解反应的燃料。但仍然缺乏植物-土壤生态系统级别的实验,实验室中无法完全模拟这些生态系统的反馈。因此,几乎所有的数据都具有相当的推测性。
支持生物炭的人主要指出两个优点:能够以稳定的形式储存碳,防止有机物中的二氧化碳逸入大气,以及富化土壤。然而,关于第二个优点的良好田野研究并不多。尽管如此:
没有人质疑生物炭能够保水、降低土壤酸度、改善氧气可及性并为土壤微生物提供理想的栖息条件。
几乎没有研究考察生物炭对养分流失的影响。
二氧化碳的捕获也是有证据支持的。生物炭的生产显然降低了大气中的二氧化碳含量:当植物腐烂时,它们释放出二氧化碳,最终被其他植物吸收,这样循环往复。生物炭稳定了这些正在腐烂的物质及其伴随的二氧化碳,将其在土壤中保藏数百年甚至数千年。这一想法具有潜在的巨大潜力,有助于减缓全球变暖,吸引了一大批生物炭的支持者(也有反对者,因为经济潜力和“相对有用性”仍需证明)。
所有的田野研究结果都显得过于“模糊”。每种土壤和气候条件需要特定的生物炭施肥浓度。在某些情况下,根本不需要施用。化学成分因原料和热解条件而异。丰产通常出现在不适合农业的地区,但需要施用灰烬和有机添加剂(!)。土壤状况越好,收获的成果往往越微薄。为了让生物炭发挥作用,需要通过添加堆肥和肥料引入P、K、Ca和Mg(Terra Preta土壤是由植物残渣和人类生活废物混合后碳化形成的)。
实证数据实在太少。以下是一些我认为有用的田野研究结果。2007年,在老挝的稻田中研究了生物炭:土壤的水分传导性得到了改善,在低磷条件下产量提高,但氮的可及性下降,导致需要额外施加氮肥( 2 )。
德国生物化学家的 农业和营养科学研究所、土壤生物地球化学 中有一篇关于堆肥和生物炭协同作用的精彩出版物。文章中关于黑色肥料的持久性的信息尤其有用——材料的主要结构具有高抗降解性(约3000年),这使得不必像其他土壤改良剂那样每年施用。同时,文章还指出,根据制备温度和原料的不同,生物炭的质量也有差异(从草本植物中获得的、在低温250-400°C下加工的生物炭比硬木和高温处理的生物炭更好地矿化碳)。
生物炭来源 - 草本植物
在最大的生物炭 元分析 中有一个警告:
关于生物炭的许多说法过于乐观,潜在的农业和环境效益被故意夸大。
一位航空工程师在TEDx演讲中提倡使用生物炭。
承诺还是标准?
幸运的是,全球推行生物炭的问题与我们无关。我们只需像在非洲一样提高花园土壤的肥力。在这个阶段出现了问题。我们暂时不知道:
- 最终的pH值是多少;
- 根据原料和制作方法,特定生物炭的化学性质;
- 在哪些土壤上使用特定产品效果更好;
- 它在土壤中稳定到何种程度(目前仅有理论和间接数据);
- 生物炭的生产是否对环境造成的危害大于可能的益处,还有许多类似的问题。
我们目前不知道什么是好的生物炭。 生产生物炭的公司已经在全球范围内达到了几百家,但仍然没有标准。因此,他们给我们承诺的结果看起来确实像是“金子般的财富”,而配方中的剂量往往仅限于制造商的想象力和贪婪。目前,还没有为生物炭制定的规范性法律框架或国家标准(ГОСТ)。要制定这些标准,需要依据正常的田野和实验室研究,而这类研究非常少,所有已发表的试验都表明科学家们强调需要进一步的研究和数据的澄清。
根据大约100种具有不同原料和生产过程的生物炭样本,提出了以下元素的阈值:O/C <0.4 和 H/C <0.6(Schimmelpfennig & Glaser, 2012)。将生物炭直接与土壤混合,而不添加有机添加剂,是不被采用且毫无意义的,但生产商在生物炭的包装上并没有提到这一点。
根据2013年在《Plos One》科学期刊上进行的元分析得出的结论:
- 生物炭的研究仍是一个非常年轻的领域,这体现在缺乏标准和研究主题领域的不均匀分布上。
- 需要根据气候、土壤成分和碳生产方式进行肥料稳定性的田野试验。
- 我们仍然不知道生物炭的生产、运输和施用对生态系统整体的影响。
- 关于生物炭对环境益处的乐观陈述与关于其行为和影响的有限研究形成了鲜明对比。
- 目前缺乏实证数据支持关于将生物碳施入土壤显著减缓气候变化或在综合指标评估下提供一般生态益处的说法。
生物炭的缺点,由瑞士联邦理工学院的约翰·西克教授提出:
- 在某些情况下,由于生物炭对水分和养分的吸附,作物的产量可能会下降,从而降低这些资源对农业作物的可用性。已有研究表明,生物炭会延缓种子的发芽。
- 对农药和除草剂的吸附可能会降低其效果。
- 某些生物炭可能成为污染物的来源,例如重金属、挥发性有机化合物、多环芳香烃和溶解性有机碳。
- 用于生物炭生产的植物残留物(如茎、叶和种荚)的去除,可能会导致土壤整体状况恶化,减少土壤微生物的数量,破坏内部养分的循环。
- 阳离子交换能力的增加依赖于土壤组成:在高粘土或有机物质含量高的土壤中,增幅最小。对于普通土壤,施用生物碳的意义不大。
- 在高pH(碱性)土壤中,提升pH值并不理想,因为农业作物只能忍受特定范围的土壤pH。
我对生物炭没有任何个人偏见。如有需要,可以在后院自己制作:
额外文献
通过以下链接,您可以查看原始科学论文,里面包含完整的研究设计、图表、计算和结论。
Effect of biochar on soil physical properties in two contrasting soils: An Alfisol and an Andisol . Geoderma Volumes 209–210, November 2013, Pages 188-197.
Recent developments in biochar as an effective tool for agricultural soil management: a review . Journal of the Science of Food and Agriculture, 96(15), 4840–4849.
最新的2018年综述 Review of biochar application to agricultural soils to improve soil conditions and fight pollution .