簡介
生物炭 生物炭不是一般的木炭，是一種碳含量極其豐富的木炭。它是在低氧環境下，通過高溫裂解將木材、草、玉米稈或其它農作物廢物碳化。這種由植物形成的，以固定碳元素為目的的木炭被科學家們稱為“生物炭”。它的理論基礎是：生物質，不論是植物還是動物，在沒有氧氣的情況下燃燒，都可以形成木炭。
生物炭是一種經過高溫裂解“加工”過的生物質。裂解過程不僅可以產生用於能源生產的氣體，還有碳的一種穩定形式——木炭，木炭被埋入地下，整個過程為“碳負性”（carbon negative）。
生物炭幾乎是純碳，埋到地下後可以有幾百至上千年不會消失，等於把碳封存進了土壤。生物炭富含微孔，不但可以補充土壤的有機物含量，還可以有效地保存水分和養料，提高土壤肥力。事實上，之所以肥沃的土壤大都呈現黑色，就是因為含碳量高的緣故。
英國環保大師詹姆斯·拉夫洛克稱，生物炭是減輕災難性氣候變化的唯一希望。
研究人員也表示，生物炭也能提高農業生產率，減少對碳密集肥料的需求。木炭碎料的孔洞結構十分容易聚集營養物質和有益微生物，從而使土壤變得肥沃，利於植物生長，實現增產的同時讓農業更具持續性。更妙的是，它把碳鎖定在生物群內，而非讓它排放到空氣中。
研究成果
印第安黑土 一直以來人們都在尋求固定二氧化碳從而減少其排放的辦法。科學家表示，幾百年前，亞馬遜印第安人用來提高土壤肥力的生物炭(biochar)，在現代世界可以幫助減緩全球氣候變化，大規模生產生物炭可吸收大量溫室氣體。相關研究報告發表在《環境科學與技術》周刊上。
進行此項研究的凱莉·羅伯茨和同事指出，生物炭不是一般的木炭，是一種碳含量極其豐富的木炭。它是在低氧環境下，通過高溫裂解將木材、草、玉米稈或其它農作物廢物碳化。早在幾百年前，亞馬遜印第安人就會將生物炭和有機質摻入土中，創造出肥沃的黑土，今天這種木炭被稱為生物炭（biochar），用植物廢料，而非森林裡的樹木製成。木炭碎料的孔洞結構十分容易聚集營養物質和有益微生物，從而使土壤變得肥沃，利於植物生長，實現增產的同時讓農業更具持續性。更妙的是，它把碳鎖定在生物群內，而非讓它排放到空氣中。
這項研究涉及生物炭的“生命周期分析”，它的形成過程對減緩全球變暖所起的作用，以及使用它可能產生的影響。研究結果表明，製造生物炭是一種固定二氧化碳的經濟可行的方式，不僅固化了樹木和作物內已吸收的二氧化碳，其產物“生物碳”保存在土壤中，幾千年都不會發生變化，生產可再生能源的同時，還提高了土壤肥力，提高農作物產量。生物炭可以被埋入廢棄煤礦，或耕種時埋入土壤中。生物炭填埋還有利於改善土壤排水系統，並將80%左右的諸如一氧化氮和甲烷等溫室氣體封存在土壤中，阻止其排放到大氣中。
製作生物炭的現代方法是在低氧環境下用高溫加熱植物垃圾，使其分解。日前，氣候專家找到了更清潔環保的方式，進行工業規模二氧化碳固定，利用巨型微波熔爐將二氧化碳封存在“生物炭”中，然後進行掩埋。這種特製“微波爐”將成為戰勝全球變暖的最新利器。因此，該技術每年可以減少向空氣中排放幾十億噸二氧化碳。日前不少人將生物炭技術視為目前為止解決氣候變暖問題的“尚方寶劍”，一種“氣候變化減緩”戰略和恢復退化土地的方式。有些專家甚至聲稱，生物炭可吸收如此多的二氧化碳，以至地球能恢復到工業化之前的二氧化碳水平。
前景
碳捕捉 植物的腐爛自然而然會令土壤中含有大量的碳元素。但是這些碳相對而言是不穩定的，受氣候影響很大。一旦遇到像農耕這樣的變化，土壤就會釋放出二氧化碳。這使得它們既是碳源、又是碳匯。因此，用土壤來鎖定碳元素的想法對氣候學家而言沒有絲毫的吸引力。
生物炭與土壤鎖碳的不同之處在於，生物炭可以穩定地將碳元素鎖住長達數百年。其中的碳元素被礦化後很難再分解。更重要的是，除了它所具備的土壤改良功能外，其生產過程中產生的一些副產品更是具有很高的經濟吸引力。
生產過程中，大約1/3轉化為生物炭，1/3轉化為可用於燃燒發電的合成氣，還有1/3則形成原油替代品。這種替代品雖然無法用作運輸燃料，但卻可以用來製造塑膠。因此澳大利亞著名的探險家、自然學家提姆·富蘭納瑞認為生物炭的這些特性“使我們能夠同時解決三四
個重大危機：氣候變化危機，能源危機，以及食品和水資源危機。”使用生物炭不僅能夠使土壤肥沃，還能夠幫助土壤保持水分。
能有效減少空氣中碳含量據全球碳計畫統計，2000到2007年，人類排放到大氣中的二氧化碳中每年有54%，約48億噸，被陸地和海洋中的碳匯（例如森林和海洋中的浮游生物等）所吸收。然而每年仍然有大約40億噸的剩餘的碳需要我們想辦法去降低或者吸收。此外，由於陸地和海洋的變暖，天然碳匯的吸收量正在下降，這就意味著我們要么付出更大的努力減少空氣中的碳含量，要么停止向空氣中排放碳。
康奈爾大學的約翰內斯·萊曼是生物炭的堅定支持者，2009年4月份，他出版了新書《用生物炭管理環境》，他樂觀地估計，生物炭每年最多可以吸收10億噸溫室氣體，超過2007年排放總量85億噸的10%。 生物炭的這種富有潛力、獨一無二、甚至有些神秘的特性使其成為研究氣候變化最熱門的新興領域之一。
用生物炭鎖定碳的理念已經贏得像詹姆斯·拉夫洛克這樣重量級科學家的支持。詹姆斯·拉夫洛克是一位特立獨行的科學家。他的蓋亞假說最近又重新開始風靡。”
而康奈爾大學的科學家們正在萊曼的帶領下，研究如何將碳從富含生物炭的土壤中剝離出來；英國愛丁堡大學建立了生物炭研究中心；其他歐洲國家也緊隨其後；加拿大、澳大利亞等國家也紛紛開展了相關的研究項目。一些公司也踏上旅途，開始尋找使生物炭的生產進入商業化的渠道。
生產方式
高溫分解製造生物炭
生物炭 用傳統方法大規模工業化生產木炭不切實際。研究人員將目光投向了“高溫分解”法——在500℃到600℃的高溫下，將有機物質置於缺氧狀態下，對其有控制地進行高溫分解。除了獲得木炭，高溫分解還能夠生成合成氣和 液態焦油等副產品，這兩種副產品都能用做發電或取暖的燃料。
生物炭的產量取決於高溫分解過程的快慢。快速高溫分解能夠得到20%的生物炭、20%的合成氣和60%的生物油。而慢速高溫分解可以產生50%的木炭和少量的油。英國管理與可持續發展研究所認為，由於現代高溫分解裝置能夠完全使用合成氣運轉，產出的能量是所需能源成本的3到9倍。變廢為寶可得生物炭
很多其他材料也可以製造木炭，諸如農業產生的大量動植物廢料——麥稈、種殼、糞便等；人類製造的垃圾——比如下水污泥或其他生活垃圾都能派上用場。 使用垃圾廢料生產生物炭還有雙重減碳的效果。如果任垃圾肥料腐爛，它們會產生甲烷。甲烷也是一種溫室氣體，其對溫室效應的影響是二氧化碳的二十多倍。
但是，難點在於如何經濟有效地收集這些廢料。克里斯·古德爾在《拯救地球的十種技術》中寫道：“在全球範圍內，大規模組織生物炭生產和固碳等活動，讓農民因將生物炭埋入土壤而得到報酬，實施起來有點難度。”
此外，也需要給農戶們配備新設備來處理這些廢料。對於城市廢品處理來說，關鍵是將可以變為炭的有機廢品從其他垃圾中分離出來，並且還要證明這樣做比掩埋廢料更經濟有效。
管理與可持續發展研究所建議，炭的生產可以採用小規模和工業化相結合的方式，如果稍加改進，就能夠在城市、鄉村甚至貧困地區經濟有效地生產生物炭。
他們提出了三種可行的方式。其一是集中化——某一地區的所有生物質廢料都被送到中央處理廠進行集中處理，目前美國和加拿大的公司普遍採用這種方式；其二是非集中化的方式——每個農戶或小型農戶聯合體擁有屬於自己的技術含量相對較低的高溫分解爐。
第三種是一種流通的方法：一輛裝有高溫分解設備的合成氣動力車走鄉串戶，將制好的生物炭給農戶使用，將生物油收集起來，送到精煉廠將其變成可供車輛使用的液態生物燃料，這種方法可能更為可行。
管理與可持續發展研究所指出，在巴西，甘蔗的頂部一般在田間就地焚燒，而制糖產生的甘蔗渣可以被有效地轉化為生物炭。據估計，巴西每年收穫4億6千萬噸甘蔗，其中約2億3千萬噸可以用來進行高溫分解製造生物炭。
質疑
生物炭 美國康奈爾大學農業與生命科學學院教授約翰納斯·雷曼（Johannes Lehmann）曾經出版了一本書，詳細講述了生物炭的優缺點。在他看來，完全不必把氣候變化引入生物炭領域，僅靠其提高土壤肥力的優點，以及處理垃圾的能力，就足以讓老百姓主動採用這項技術。 不過，也有人認為使用“生物炭”固碳只是某些人一廂情願的“美好願望”而已，根本無法實現，而且還可能對地球帶來無法估量的災難。
針對當前爭議激烈的“生物炭”問題，來自英國、美國、義大利、墨西哥、德國等國家的126個社會團體3月26日聯名發表宣言：《生物炭，人類、土地和生態系統的新威脅》，在宣言中，他們明確表示反對“生物炭”，認為其對土地、人類和生態系統構成新的巨大威脅。
在宣言中，他們寫道：不少人將在土壤中添加木炭得到生物炭看作一種“減緩氣候變化”的策略，並且將其看作一種使土地重新煥發生機的方式。還有人認為，這種方式可以吸收大量二氧化碳，讓地球恢復到工業化之前的二氧化碳濃度。其實，這些說法都站不住腳，也是不可行的。 宣言指出，如果大規模地生產生物炭，可能需要億萬公頃的土地（主要是植樹），同時也會大大改變全球的土地結構和生態系統，造成的後果無法估量。
《生物炭，人類、土地和生態系統的新威脅》，指出，在背後推動生物炭發展的“國際生物炭組織”是一個遊說集團，主要由生物炭和農業燃料新興公司以及學者組成，該遊說組織提出的要求沒有科學依據，他們在世界各地遊說推廣生物炭，其中涉及許多與商業利益相關的陰謀。
另外也有人擔心，國際生物組織提出的經濟刺激將促進生物炭工業化的發展，由此可能導致不好的後果：一些公司除了僅僅利用廢物外，還會降低土壤的質量或者加速砍伐森林。
第一，沒有持久而嚴格的證據表明，木炭能使土壤更為肥沃。據《金融時報》報導，愛丁堡大學的西蒙·沙克利說：“可能是多個因素共同作用的結果：木炭的多孔結構使它能像海綿一樣保存水分和水中營養物質，這正是貧瘠的土壤所匱乏的。另外，其多孔結構使它成為許多重要菌種繁殖的‘溫床’。”
土壤學講師薩蘭·索西表示，印第安黑土使巴西貧瘠的土壤變得肥沃，然而僅靠生物炭自身無法做到這一點。沙克利認為：“印第安黑土中的其他物質含有另外的營養成分。例如富含磷元素的骨骼等（磷元素是植物茁壯生長所不可缺少的）。生物炭將這些營養成分黏附在一起。確保它們能夠被植物的根部吸收，但這些養分不是生物炭提供的。”
該宣言指出，工業木炭與“亞馬遜黑土”差異很大，“亞馬遜黑土”是土著居民在數百年甚至數千年的時間變遷中創造的。生物炭公司和研究人員還無法重造“亞馬遜黑土”。沙克利補充道：“至今還沒有人能夠成功地複製出印第安黑土。”另外，工業木炭生產以損失有機物為代價，而這些有機物為生產腐質土壤所必需，因此，如果用來生產生物炭，可能得不償失。
第二，現在還不清楚土壤中的木炭是否是某種“碳匯”。
在很多情況下，在土壤中添加木炭會刺激微生物分解非生物炭的有機物質，科學家已經證明，這會增加土壤中的碳損失。雖然很多木炭可以在土壤中保存很久，但並非總是如此，很多微生物也能夠分解木炭。
生物炭在土壤表面可能會向大氣排放出“黑色的煙霧”，這也會加劇溫室效應，但是，如果將木炭埋在深層土壤里，可能會改變或者破壞土壤的結構，導致二氧化碳釋放進大氣中。因此，宣稱土壤中的生物炭能夠成為“永久的碳匯”站不住腳。
另外，旨在幫助企業遏制碳排放的節碳基金研發總監伯特·德勒左那強調說，很難證明碳可以在土壤中保存數百年。即便最新發現生物炭具有改善土壤的功效，但我們所掌握的技術證據還遠遠無法為生物碳的發展繪製出一份宏偉而燦爛的藍圖。
第三，要達到生物炭支持者們設定的目標至少需要使用5億公頃土地。現在，為了紙漿、造紙工業和農業燃料的工業化而單一種植的速生林和其他原料，已經產生了嚴重的社會和環境問題，加劇了氣候變暖，對生物炭的大量新需求將大大惡化這些問題。
同時也會帶來一定的風險：未來，生物炭的大肆擴展可能促進專為生產生物炭而設計的轉基因樹種的發展，也可能擴展速生林的種植範圍，這兩種結果都將帶來非常嚴重的生態影響。
第四，產生木炭和能源的高溫分解過程可能讓土壤和空氣遭受危險，同時也會增加化石燃料的燃燒以及威力強大的溫室氣體一氧化二氮的排放。
節碳基金研發總監伯特·德勒左那擔心，把生物炭看作生物質加熱後的主要產物可能沒有抓住問題的要害。
節碳基金正在緊鑼密鼓地大力發展高溫分解工廠，但其目的是用生物質生產液態運輸燃料，生物炭僅僅是快速高溫分解工藝過程中產生的用途尚有爭議的副產品而已。
德勒左那表示：“生產液態運輸燃料對減排非常重要，而生物炭是否有同樣的作用，尚不得而知。”他還認為，鼓勵小型農場用傳統的低技術含量方法製造生物炭可能比僅僅焚燒或者扔掉這些植物產生更多溫室氣體。
實踐
德國賓根的污水處理廠中，傳送帶將半乾的污水流送入鋼容器中，空氣中散布著污泥成熟的氣味。污水通過容器變成閃亮的黑色顆粒，接著在經過這種短暫的生態“鍊金術”處理之後，污物最終變成了木炭，埋藏於地下。將碳封存，防止其進入大氣。 該技術的支持者表示，該方式儲存碳非常有效。未來的全球氣候協定中，應該包括生物炭這種技術。
埋藏生物炭還可以提高土壤肥力，因為其蜂窩狀顆粒成為水分和肥料的儲存庫。英國東南地區的洛桑即將開始田間試驗，評估生物炭對土壤結構和水分的好處。澳大利亞、美國和德國的實驗已經顯現出一些成果，特別是在其他土壤貧瘠的地區。
生物炭受到了關注氣候變化人士的支持。賓根生物炭工廠設計工程師海爾馬特·葛波爾（Helmut Gerber）表示，他設計的高溫裂解設備，原本是為了解決污物灰燼堵塞常規鍋爐的問題。
通常情況下，污水處理是溫室氣體的重要來源，廢物經焚化（可產生更多排放）產生的粉灰用於建築行業。在賓根，10％的污水流被輸入試驗性的高溫裂解工廠，工廠用最少的氧氣加熱廢物，分離出一氧化碳和甲烷，之後燃燒再為高溫裂解過程提供熱量。
“碳負性”過程經過計算，污物中60％的碳可以封存在木炭中，木炭埋藏在地下，預計能在1000年或更長時間裡，防止碳進入大氣。由於污物最初來自能從大氣中去除二氧化碳的植物，所以整個過程稱為“碳負性”。
像其他地區正在開發的工廠一樣，賓根的高溫裂解工廠可以轉變任何碳基物質，其中包括塑膠。這意味著高溫裂解可以從農業廢物、食品廢物和生物質中獲取能量。但問題是，它比以常規方式燃燒生物質產生的能量少。
殼牌石油公司開展顯示出對生物炭作為碳儲存機制的濃厚興趣。生物炭能夠捕捉生物質中一半的碳，釋放1/3的潛在能量。 儘管益處多多，生物炭的進展還是面臨著很大的障礙，比如以低廉的價格完善和傳播該技術等等。此外，目前金融系統主要資助從生物質和廢物中生產能量，對碳儲存技術的支持甚少；生物炭需要全球範圍的鼓勵政策。
正在進行的生物炭土壤益處研究是該技術中一個關鍵問題。多孔的生物炭能夠吸引蟲子，捕捉可能從土壤中流失的養分，減少對碳密集肥料的需求。美國紐約康奈爾大學（Cornell University）研究認為，掩埋生物炭可能讓土壤儲存有機碳的能力增加一倍。澳大利亞的研究表明，生物炭可以減少土壤排放溫室氣體一氧化二氮。德國拜羅伊特大學（University of Bayreuth）的新研究顯示，生物炭可以使貧瘠土壤中的植物生長加倍。拜羅伊特大學研究人員布魯諾·格拉澤（Bruno Glaser）博士表示：“生物炭研究始於1947年。但是直到上個世紀80年代，生物炭一直才被人們想起。現在，關於生物炭的效果有很多令人興奮的發現。”格拉澤博士正在德國北部研究生物炭作用於貧瘠土壤的效果。
英國紐卡斯爾大學（Newcastle University）大衛·曼寧（David Manning）教授同樣也是生物炭的支持者。他說，通過實施正確的激勵措施，生物炭封存的碳數量有可能達到航空業排放量。
生物炭高溫裂解爐已經開發出來，將在開發中國家使用。今年12月，各國將在丹麥哥本哈根展開談判，商議2012年之後的全球氣候協定。宏都拉斯和幾個非洲國家正努力讓生物炭成為新協定中的氣候變化減緩手段和適應性技術。
生物碳作用
科學家將目光轉向生物炭，萌發了創造“技術土壤”的構想，希望通過提高土壤固有的有機碳儲量，解決目前氣候變化、能源以及食品和水資源危機。
近年來，隨著全球氣候變化，溫室氣體排放，耕地土壤退化，人類生存的環境和空間日趨嚴峻，但是目前採取的措施大多是頭疼醫頭腳疼醫腳，自然生態系統的自我恢復循環還是“卡殼”。
中國工程院院士、瀋陽農業大學陳溫福教授在第五屆全國農業環境科學學術研討會上，向學者和公眾介紹了以生物炭創造“技術土壤”的構想。
生物炭到底是什麼
一百多年前，有西方學者曾在書中記載過巴西亞馬遜河流域存在一種黑色、肥沃的土壤，早期歐洲殖民者將其稱為“印第安黑土”。
上世紀60年代，荷蘭科學家宋布魯克在巴西亞馬遜河流域，發現一片神奇黑色土地，區域內的植物生長茂盛健壯。通過研究發現，這種土壤是一個巨大而穩定的有機質庫，其中來源於生物質“黑炭”的有機碳含量高達35%。
陳溫福告訴告訴記者，生物炭就是把生物質放在缺氧和一定溫度條件下熱裂解乾餾形成的富碳產物，它有較大的孔隙度和比表面積，較強的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力，因此可廣泛套用於土壤改良、肥料緩釋劑、固碳減排等。
生物炭不僅可以大幅提高土壤肥力，在貧瘠的土壤上培育出肥沃的高碳庫土壤，最直接的效應就是明顯提高農作物產量和品質，還可以間接地減少化肥、農藥等化學品的施用量。最關鍵是把碳有效地吸附固化在生物炭中間，減少了溫室氣體的排放，以及對石油製品的依賴。目前已知一噸生物質可以固定0.726噸二氧化碳。
生物炭在解決全球生態環境安全與農業可持續發展等方面的作用已獲得普遍認可，被學術界譽為“黑色黃金”，許多國家成立專門機構來研究生物炭理論與套用前景。2009年，陳溫福院士帶領的團隊在國內率先開展了生物炭研究。
把惹禍的秸稈變成神奇的生物炭
在我國，生物炭還有一個更加直觀的作用——秸稈的資源化再利用。
我國糧食連續9年實現大豐收，而這背後則是秸稈的大豐收。據國家發改委的統計，目前我國農作物秸稈可收集量約為7億噸。每到收穫季節，作物秸稈堆積如山。
如果將這些秸稈、食用菌渣還田，無疑是增加土壤輸入、遏制土壤退化、改善耕地質量的有效措施。但是，由於我國現行的土地政策將生產單元分割的過小，不利於秸稈還田機械的使用。迥異的氣候條件也使秸稈還田適用範圍受到限制，致使目前我國秸稈還田量還不到1/3，被燒掉或廢棄的量卻超過50%。焚燒秸稈排放的大量溫室氣體和煙塵，導致空氣品質下降、誘發城市陰霾、影響航班起降等一系列環境問題。
我國的秸稈利用主要是還田、制肥料、制飼料、做基料養菌和做原料造紙及制板材等5種途徑。
但是，陳溫福認為首選的應是直接還田和做肥料還田。取之於土還之於土，不僅可以改良土壤保障糧食安全，還能實現可持續發展。
經過5年研究，陳溫福院士團隊已經研發出適合我國秸稈還田的生物炭製備綜合利用理論與技術體系，為了將秸稈製成“生物炭”，他還發明了半封閉式亞高溫缺氧乾餾制炭新工藝，制炭成本低，易推廣。通過對秸稈在低於450℃條件下對生物質進行亞高溫乾餾炭化，生物質炭化過程中，大約1/3轉化為生物炭，其餘轉化為可燃燒的合成氣和原油替代品。
生物炭構建的“技術土壤”有啥用
在展示的圖片中記者看到，在顯微鏡下觀察，生物炭就像一塊孔狀不規則的海綿。如用竹子加工生產竹炭，含炭量高達70%至80%，表面積達到每克140至180平方米。你能想像嗎，把1克竹炭的所有孔隙進行平面切割，折合總面積竟然有一個中等戶型的房子那么大！
擁有如此高的表面積，生物炭理所當然地成為了科學家構建“技術土壤”的首選添加物。
陳溫福為我們描繪了生物炭作用路徑：作為土壤結構改良劑或者製成各種炭基肥料，起到提高土壤質量，增加作物產量，改善品質的作用；或者作為土壤污染修復劑等，起到減少污染的效果。直接回歸土壤，可增加土壤碳封存約40%至50%。來自全球碳計畫統計，每年人類排放到大氣中的二氧化碳中有54%約48億噸，被陸地和海洋中的碳匯所吸收。剩餘的約40億噸碳則需要人類想辦法去降低或者吸收。此外，由於全球氣候的變暖，天然碳匯的吸收量正在下降，這就意味著我們要么付出更大的努力減少空氣中的碳含量，要么停止向空氣中排放碳。
在幾年的實驗中，陳溫福用各種農作物秸稈進行了生物炭製備及利用探索，施用生物炭后土壤容重明顯變小了，土質更疏鬆了；土壤有機質含量增加；部分作物有增產效果。
比如在馬鈴薯試驗中，施用炭肥的地塊產量達6012斤/畝，比對照田增產18.8%，中薯、大薯比例更是比對照田高出32.2%和56.9%，差異顯著。
陳溫福算了一筆賬：如果是以秸稈還田形式，一年7億噸秸稈利用50%，就能得到1億噸生物炭，在不增加農民投入情況下，以生物炭肥和土壤改良劑的形式，實現秸稈炭化還田改土。如果以生產炭化生物質煤，一年14億噸農林廢棄物利用50%，就能得到2.1億噸生物炭，相當於1.5億噸標煤價值1102億元。
