生物炭让土壤不再贫瘠

在很大程度上，生物炭产品只有在使用生物燃料产品时才具有经济意义。

生物炭可能有助于促进作物生长。来源:盖蒂

150多年来，布鲁克林造船厂建造的船只帮助停止了与非洲的奴隶贸易，铺设了第一条海底电缆，推动了第二次世界大战的结束。现在，纽约市的工厂里挤满了艺术家、建筑师、手工艺者和有机蔬菜种植者。在一个细雨蒙蒙的秋日，本·弗兰纳在一个6000平方米的屋顶农场管理着一片红绿生菜的海洋。

这些植物下面的土壤看起来很普通。弗兰纳抓起一把，仔细检查。棕色土块中间有黑色的小颗粒，是两年前混入土壤中的木炭碎片的残留物。弗兰纳认为，这些富含碳的物质，生物炭，可以帮助作物茁壮成长，甚至增加产量，他希望在未来几年取得突出的成果。

在过去的几年里，越来越多的人在美国出售这种耐用的土壤添加剂。一些估计显示，自2008年以来，年销售额增长了两倍。宾夕法尼亚生物炭公司为弗兰纳的农场提供原材料，批发销售给个人消费者，包括亚马逊和全食。事实上，在瑞典和中国等许多国家，生物炭也被广泛用于农业和城市绿化。

支持者认识到这种土壤改良因子的巨大潜力。生物炭是通过在低氧环境中加热生物材料(农业废弃物，如皮肤)制备的，可以作为生物燃料的副产品制造。因此，许多公司希望同时开发这两种产品，以满足对绿色能源的需求。

此外，科学家们也开始对生物炭感兴趣，他们正在迅速进行实验来测试它的潜力。他们对生物炭颗粒的化学和物理特性如何影响土壤中的水流、去除污染物、改变微生物群落和减少温室气体排放特别感兴趣。他们希望生物炭能帮助全世界的农民，尤其是那些生活在非洲和其他发展中国家的农民，克服贫瘠土壤带来的困难。

纽约康奈尔大学的农业和土壤科学家约翰内斯·莱曼(Johannes Lehmann)表示，不同类型的生物炭“具有减缓影响作物产量的最大土壤健康制约因素的独特潜力，如高度风化和沙质土壤”。

然而，生物炭仍有许多问题。在许多研究中，这种物质实际上减少了产量。此外，部分困难在于生物炭可以在不同的温度和速度下由所有的生物质制成。因此，在整个过程中会产生各种变量和结果。

古代来源

尽管生物炭直到现在才引起农民的注意，但它有着古老的起源。几十万年前，亚马逊盆地的人们已经通过加热有机物质来制造肥沃的土壤——亚马逊黑土。然而，当欧洲国家开始入侵南美洲时，这种做法开始被放弃，其他地区很少有农民经常使用生物炭。

大约10年前，科学家们首次对这种物质产生了浓厚的兴趣。随着对全球变暖的担忧加剧，一些人开始出售生物炭作为在地下储存大量碳的方法。但是随着这种用途逐渐消失，土壤科学家现在正在探索生物炭在农业和消除污染方面的用途。

其中一个特别关注的问题是生物炭如何影响土壤中的水流。科罗拉多大学的生物地球化学家丽贝卡·巴恩斯和他的同事在不同的物质中加入了生物炭，并测试了结果。在沙子中，水可以很快排出，而生物炭平均可以减缓92%的水流。在具有良好保水功能的富含粘土的土壤中，生物炭能使水流加速300%以上。研究人员称，生物炭会改变孔隙(土壤颗粒之间的空间)中水的运动。

“粘土是更扁平的颗粒，而沙子颗粒更光滑，但生物炭不是固定的。因此，不仅在生物炭中，而且在孔隙中也会产生奇怪的路径。”巴恩斯说。她和她的同事指出，这些复杂的通道将有助于减少沙子的排水能力，并提高水流过粘土的速度。

巴恩斯说，这非常有意义，因为即使粘土能保留大量的水，水也很难通过土壤颗粒到达植物的根部。许多研究表明，植物在有生物炭的土壤中比在普通土壤和混合肥料的土壤中生长得更好。

研究人员还梳理了生物炭如何影响土壤中的微生物活动。例如，细菌通常形成一个群落，许多病原体只有在足以克服宿主的免疫反应时才会攻击植物的根。德克萨斯州莱斯大学的地球生物化学家Caroline Masiello和她的合作者发现，生物炭可以通过结合信号分子来抑制这种现象。

“他们会认为他们是孤立的，因为我们切断了‘电话线’。”马西洛说。她说，进一步的研究可能会调整生物炭的这一功能，以减少植物感染。

污染“斗士”

生物炭可能始于农业，但研究人员目前正在寻找其他应用。生物炭可以结合土壤中的重金属，防止它们进入植物和水源。这也引起了美国环境保护署和其他机构的注意。在科罗拉多州阿斯彭附近的霍普煤矿，生物炭于2010年被添加到土壤中，以中和几十年来矿渣的影响，并增加斜坡的保水能力，从而减少污水溢出量。阿斯彭环境中心的研究表明，它也有助于促进贫瘠山坡上的作物生长。

生物炭在净化污水方面也显示出了希望，并且可以作为活性炭的廉价替代品，活性炭通常用于污水处理厂和受有毒化学物质污染的地区。密西西比州立大学退休化学家查尔斯·皮特曼(Charles Pittman)表示，生物炭具有相对较大的表面积，甚至可以在水中延伸得更远，从而为污染物的结合提供了更多空间。他提到，那些缺乏综合水处理系统的国家可能特别受益于这种污染补救方法。它还有助于去除传统水处理系统无法消除的抗生素和化学废物。

科学家们甚至开发了使用生物炭处理石油和天然气钻井液的潜力，并将其作为印刷调色剂和油漆产品的一种成分。"还有其他市场尚未完全开发."农业部农业研究所的土壤科学家Kurt Spokas说。

然而，专家警告说，目前还不清楚这种处理技术是否经济，尤其是在农业领域。贫瘠的土壤和贫困通常是相伴而生的。加州大学伯克利分校的安德鲁·克莱恩-德罗斯奇在展示了肯尼亚的作物增长后，研究了生物炭在同一社区的经济可行性。"在提供了一个粗略的价格后，我们发现很少有人愿意购买生物炭."他说。

生物炭的价格范围很广，但在美国，有些产品的售价为每公斤3美元，这相当于某些肥料的价格，比许多混合肥料的价格还要高。在很大程度上，生物炭产品只有在使用生物燃料产品时才具有经济意义。

然而，如果需求继续增长，人们可能会质疑生物炭生产对环境的影响。一个重要的问题是原材料的选择。中国倾向于使用农业废弃物，而美国的一些研究人员甚至提倡使用动物粪便，但这些并不是大规模生产生物炭的最有效方法。此外，木材的使用将刺激森林砍伐，阻碍土地使用。"有一个非常重要的问题:什么是原材料的可持续性？"英国牛津大学印度可持续发展中心的研究主任阿尔弗雷德·加霍恩-哈迪说。

快速发展的行业

随着消费者兴趣的增长，这种讨论可能会越来越多，这种情况在世界各地正在慢慢发生。北京负责瑞典斯德哥尔摩的森林规划和保护？据谢恩伯伦说，从2009年开始，这座城市就开始使用生物炭来促进当地植被的生长，他认为生物炭促进了这座城市最健康的树木的生长。去年9月，纽约彭博慈善基金会授予斯德哥尔摩100万欧元启动一个城市项目，将住宅花园垃圾，甚至食物残渣和污水转化为生物炭。

回到布鲁克林，弗兰纳继续照料他的庄稼。莴苣和胡萝卜站在雨中。他穿着黄色雨衣在田野里小心翼翼地走着。他相信生物炭在很长一段时间内对土壤有益，因为它们有助于保持养分和水分。“这些都非常重要，尤其是在排水良好的土壤中，比如绿色屋顶。这些通常会很快丢失。”他说。

但是在向他的农场添加更多这些黑色颗粒之前，他仍然需要观察作物在未来几年对它们的反应。像研究生物炭的科学家一样，他渴望知道这种物质是否会实现它的光明前景，或者最终会像许多其他可能的材料一样黯然失色。(张张)

中国科学新闻(2015-029第三版国际版)

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