生物炭與污染土壤修復(fù)及煙草行業(yè)的研發(fā)進(jìn)展

曹志洪

中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京市北京東路71號(hào)，210008

“碳”是化學(xué)元素“C”（Carbon）的中文名稱(chēng)，左旁“石”表示它不是金屬元素?？梢?jiàn)“碳”字是現(xiàn)代化學(xué)傳入我國(guó)時(shí)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(lèi)、數(shù)量極其繁多：從最簡(jiǎn)單的含一個(gè)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(wú)機(jī)物,到只含一個(gè)C元素的甲烷（CH4），甲酸（CH2O2），尿素[CO (NH2)2]等各種有機(jī)物；而含兩個(gè)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(gè)漢字在我國(guó)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(mài)炭翁，伐薪燒炭南山中.....夜來(lái)城外一尺雪，曉駕炭車(chē)輾冰轍。” ,這是唐代大詩(shī)人白居易所作、千百年來(lái)眾口傳誦的詩(shī)。經(jīng)現(xiàn)代分析技術(shù)測(cè)定這些“炭”是一類(lèi)化學(xué)成分不純、性質(zhì)不恒定但含碳（C）元素很高的有機(jī)炭（生物炭）?！疤俊睙o(wú)論是竹的或木的歷來(lái)都是用以取暖、燒烤的?，F(xiàn)今市場(chǎng)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(jí)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(guó)7000年前馬家浜時(shí)期的古水稻土[2-3]和50年～2000年時(shí)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(lèi)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(shí)有部分有機(jī)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(shuō)的“生物炭”則是指利用廢棄的有機(jī)物經(jīng)厭氧熱解后形成的一類(lèi)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(duì)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(shù)林里選擇莖圍合適的竹子、樹(shù)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(gè)炭窯燒出來(lái)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(shí)干凈、舒適，才會(huì)受到市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(huì)認(rèn)可的現(xiàn)代生物炭產(chǎn)業(yè)，必須是利用各種有機(jī)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(shí)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(shí)踐“綠水青山就是金山銀山”的壯舉。

現(xiàn)將各類(lèi)廢棄有機(jī)物—生物炭的原料介紹如下：

（1）農(nóng)作物秸稈：2009年全國(guó)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(jì)）。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(yùn)輸?shù)某杀竞芨?，雖有環(huán)境和社會(huì)效益，沒(méi)有政策性補(bǔ)助和先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備、降低收集和運(yùn)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(guó)城鄉(xiāng)人民生活水平的提高，對(duì)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(lái)的散養(yǎng)為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧s、專(zhuān)業(yè)、規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)為主。出于市場(chǎng)需求新鮮食品和運(yùn)輸成本考慮，大部分規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)都分布在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的東部地區(qū)[11]。這里本來(lái)耕地不足，畜禽糞便的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)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(jí)細(xì)菌，對(duì)人類(lèi)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(jiàn)本文第六節(jié)）。在國(guó)家還沒(méi)有出臺(tái)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(huì)自覺(jué)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(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無(wú)機(jī)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(wàn)噸生活污水可產(chǎn)生含水率80%的污泥5～8噸，按平均計(jì)2018年全國(guó)生活污泥產(chǎn)量可3658萬(wàn)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(guó)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?yàn)橐褯](méi)有土地供繼續(xù)填埋，其他三種辦法會(huì)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(guó)再生資源回收利用協(xié)會(huì)2017-06-21公布的資料，全國(guó)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(jì)）。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(lèi)必須在全國(guó)推廣和堅(jiān)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(dòng)植物殘?jiān)獜N余垃圾，果皮，廢紙，塑料袋，包裝盒（箱），及少量的衣物和家具等?，F(xiàn)在處置的方法主要是填埋、發(fā)電（焚燒）等，但對(duì)大氣的二次污染很?chē)?yán)重，受到所在地群眾的反對(duì)。若把有機(jī)垃圾組分在密閉的制炭爐內(nèi)熱解成生物炭，理論和實(shí)踐上證明沒(méi)有二次污染問(wèn)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(shù)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?？偭繘](méi)有可靠的統(tǒng)計(jì)，但在特定的地域、場(chǎng)區(qū)，有幾萬(wàn)噸到幾十萬(wàn)噸不等。不少已經(jīng)作為生物質(zhì)顆粒的原料，把還沒(méi)利用的那些制備生物炭是可行的。

綜上，生物炭是利用有機(jī)廢棄物為原料的，是變廢為寶社會(huì)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(yíng)的可能。各級(jí)政府在管理政策的優(yōu)惠和財(cái)經(jīng)上補(bǔ)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(wú)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(jī)質(zhì)的熱解過(guò)程：利用有機(jī)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(zhǎng)的樹(shù)林或竹林里選擇粗細(xì)適宜的樹(shù)木或竹子：伐薪—截短 （或劈開(kāi)）—風(fēng)干—裝進(jìn)炭窯—點(diǎn)火燒炭—并立即封門(mén)（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(lèi)。

間歇式工藝：原料粉碎過(guò)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(guò)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(xiàn)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(dòng)時(shí)點(diǎn)火升溫要用生物質(zhì)顆粒為外部能量，在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下不再需要再補(bǔ)充更多的外部能量。同時(shí)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(wú)色水氣外無(wú)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(lèi)。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?？焖?、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(jiǎn)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(mén)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(chǎng)上有很多類(lèi)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(hào)和配套系統(tǒng)。浙江華騰牧業(yè)有限公司的養(yǎng)豬場(chǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)3年來(lái)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(duì)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(yùn)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(yùn)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(jiàn)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?yàn)榧冐i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(guò)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(guò)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(duì)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(mǎn)足不了作物需求的。只有在極度貧瘠的土壤上，單獨(dú)施生物炭才可能有一定肥效，產(chǎn)量也不會(huì)高。一般必須通過(guò)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(huì)比不加生物炭單獨(dú)使用有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥的好的多（詳見(jiàn)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(kāi)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(lái)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(dòng)以及-COO-（羧基鍵）的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)。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(dòng)及脂肪族和木質(zhì)素中-CH3（甲基）的和C-H（季甲基）的不對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)?？梢?jiàn)各豬糞生物炭中有機(jī)官能團(tuán)含量很豐富。純豬糞炭（粉紅色線(xiàn)）中存在的2932 cm-1為-CH2（亞甲基）的和C-H（季甲基）的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，2847 cm-1為-CH3（甲基）的和-CH2（亞甲基）的及C-H（季甲基）的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)。這兩個(gè)峰僅在純豬糞炭中，說(shuō)明其有機(jī)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(mǎn)足土壤中植物根系、小動(dòng)物和微生物等對(duì)水、氧氣、和營(yíng)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(shù)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(shí)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?？赡芘c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(cuò)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(yáng)光，雨水，空氣，萬(wàn)物得以土中生。土壤學(xué)家認(rèn)為一切有機(jī)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(jī)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(dòng)物轉(zhuǎn)化而來(lái)。為了維護(hù)土壤可持續(xù)利用和綠色發(fā)展、確保人類(lèi)恒久生存，不論是自然的還是人工合成的有機(jī)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(huì)有‘金山銀山’的收獲。

通過(guò)制做堆肥—讓作物的殘茬、畜禽糞便、死亡的動(dòng)植物遺體和生活垃圾等等經(jīng)過(guò)堆漚、發(fā)酵、腐熟，然后將堆肥施于土地，或者把秸稈有機(jī)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(guó)傳統(tǒng)的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式—基本上還是’有機(jī)農(nóng)業(yè)’。盡管當(dāng)時(shí)的產(chǎn)量不很高，但數(shù)千年來(lái)既維持了一定的地力、也養(yǎng)活了幾億中國(guó)人。現(xiàn)今農(nóng)村有煤炭液化氣做生活燃料，既沒(méi)人把秸稈作為生活燃料，也沒(méi)有農(nóng)民愿意通過(guò)艱苦勞動(dòng)去節(jié)制和使用有機(jī)堆肥。買(mǎi)化肥或商品有機(jī)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(jī)肥’，最高的發(fā)酵溫度超一般不過(guò)75℃，即使有達(dá)到100℃的，能殺死常見(jiàn)的病菌、寄生蟲(chóng)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(jī)肥’必然會(huì)對(duì)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(jī)廢棄物制備成生物炭歸還土地，才是解決有機(jī)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(qiáng)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(bào)道。有直接把生物炭歸還土壤做肥料的，例如古代中國(guó)農(nóng)民直接將稻草在田間焚燒，把灰和炭留在田間稱(chēng)謂“火耕”，來(lái)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(guò)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(lái)對(duì)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(lái)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(méi)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(huì)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(huì)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(shí)間、氣象條件和病蟲(chóng)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(duì)酸性土壤具有提高土壤 pH的顯著效果 、但對(duì)堿性土壤pH則影響不大，對(duì)無(wú)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(qiáng)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(jī)肥或無(wú)機(jī)肥相配合制成生物炭有機(jī)肥或生物炭有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥、或根據(jù)特定土壤和作物配制成專(zhuān)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(shí)間更長(zhǎng)、而且投入的成本更低[29-35]。根據(jù)國(guó)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(jī)肥’，獲得了‘國(guó)環(huán)認(rèn)證’、是適用于有機(jī)農(nóng)業(yè)的生物炭有機(jī)肥，質(zhì)優(yōu)價(jià)惠，三年來(lái)已經(jīng)在長(zhǎng)三角地區(qū)的有機(jī)蔬菜、有機(jī)食品農(nóng)場(chǎng)廣泛應(yīng)用，取得了可喜的生態(tài)、社會(huì)效益和一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 生物炭提高有機(jī)肥和復(fù)合肥效果的機(jī)理

生物炭有機(jī)肥或生物炭有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥比普通的有機(jī)肥、有機(jī)無(wú)機(jī)肥的效果更好，學(xué)界認(rèn)為其機(jī)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(jī)質(zhì)風(fēng)化率；提高土壤陽(yáng)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(wú)機(jī)物、農(nóng)藥和石油等有機(jī)物污染土壤與場(chǎng)地、及抗生素和抗性基因等生物污染土壤和場(chǎng)地的修復(fù)劑。

4.1 固碳減排

生物炭的制備過(guò)程把光合作用產(chǎn)物（有機(jī)廢棄物）的30%～50%轉(zhuǎn)化為炭，歸還土壤后其大部分可長(zhǎng)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?yàn)橛袡C(jī)廢棄物堆放在地表自然風(fēng)化腐解過(guò)程（如堆肥制作時(shí)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(shí)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(zhǎng)期保存，并以強(qiáng)大的吸附性能和多孔結(jié)構(gòu)，可將原土壤有機(jī)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(jì)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(wèn)題的利器[6-7,36-41]。

雖然然也有專(zhuān)家認(rèn)為在一定條件下，土壤中的生物炭也會(huì)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(guó)科學(xué)院土壤研究所、中國(guó)土壤學(xué)會(huì)等在南京召開(kāi)了以土壤污染防治為主題的“第一屆全國(guó)土壤修復(fù)大會(huì)”。與會(huì)的專(zhuān)家、學(xué)者、企業(yè)代表和各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)達(dá)1800余人。與會(huì)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(guó)廠商進(jìn)場(chǎng)參與，證明國(guó)內(nèi)外對(duì)中國(guó)土壤修復(fù)市場(chǎng)的重視和關(guān)心。很多報(bào)告、論文（墻報(bào)）和展品都提及或展示了生物炭在土壤修復(fù)上的作用機(jī)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(guò)程的溫度達(dá)400～600℃，厭氧熱解反應(yīng)本身對(duì)有機(jī)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(duì)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(qiáng)大的吸附功能對(duì)重金屬起到吸附固定作用，能延緩或阻止植物對(duì)重金屬的吸收，從而實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)[5-6,20-21,43-48]。在重金污染場(chǎng)地的修復(fù)中生物炭也被廣泛地使用。

4.2.2 有機(jī)污染

農(nóng)田使用農(nóng)藥、除草劑、殺蟲(chóng)劑后殘留在土壤和植株的葉、果上，有機(jī)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(kù)，加油站、農(nóng)藥廠，有機(jī)化工廠等搬遷留下的有機(jī)污染場(chǎng)地更是城市土地開(kāi)發(fā)利用面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。生物炭對(duì)這些有機(jī)污染物有較好的修復(fù)效果[49-52]。

4.2.3 抗生素和超級(jí)細(xì)菌污染

自青霉素問(wèn)世并有效治療肺結(jié)核以來(lái)，抗生素在治愈以及防治傳染病上的貢獻(xiàn)，是人類(lèi)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(gè)全球性突出的環(huán)境健康問(wèn)題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)大量使用抗生素導(dǎo)致大型養(yǎng)殖場(chǎng)周邊土壤中微生物抗性基因ARG(s)的增加[53]。

2013年我國(guó)抗生素使用總量達(dá)到16.2萬(wàn)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(jī)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(shì)必誘導(dǎo)出大量對(duì)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(huì)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(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、對(duì)人畜健康的威脅實(shí)際上比重金屬、農(nóng)藥等無(wú)機(jī)物和有機(jī)物污染的風(fēng)險(xiǎn)更大，是不容忽視的人類(lèi)安全問(wèn)題。

2015年在我國(guó)首先發(fā)現(xiàn)對(duì)黏菌素具有耐藥性的基因“mcr-1”—即‘超級(jí)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(guó)外市場(chǎng)的麥當(dāng)勞和肯塔基等已開(kāi)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(bào)告稱(chēng)：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(duì)發(fā)表的全國(guó)抗生素污染圖，認(rèn)為我國(guó)餐桌上的雞鴨魚(yú)肉蛋全部淪陷。

超級(jí)細(xì)菌—“mcr-1”的出現(xiàn)預(yù)示著人類(lèi)最后防線(xiàn)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(shí)代的風(fēng)險(xiǎn)’。英國(guó)政府認(rèn)為到2050年超級(jí)細(xì)菌將導(dǎo)致全球1000萬(wàn)人死亡，超過(guò)癌癥的死亡率。

宋宏彬團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了在豬糞中檢出了對(duì)多粘菌素類(lèi)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(guò)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(duì)通過(guò)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(chǎng)-養(yǎng)殖場(chǎng)-屠宰場(chǎng)-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(chǎng)的排泄物是臨床耐藥菌的最初來(lái)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(wèn)題？有人認(rèn)為可以通過(guò)簡(jiǎn)單的堆肥發(fā)酵或使用‘特殊的微生物’來(lái)消除[57-59]，筆者以為這是很值得商榷的。在這些試驗(yàn)研究中，雖然有些抗生素抗性基因是減少了，當(dāng)然沒(méi)有也不可能是全部被消除,因?yàn)槎逊实臏囟葻o(wú)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(jī)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(shí)消除了一些抗生素抗性基因，那么肯定是產(chǎn)生了更強(qiáng)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(qiáng)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(jī)廢棄物都應(yīng)該也只能通過(guò)燒制生物炭再循環(huán)利用才是安全的。中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心的朱永官團(tuán)隊(duì)用豬糞生物炭有機(jī)肥與普通豬糞堆肥為對(duì)照的三年田間試驗(yàn)結(jié)果證明：使用豬糞生物炭有機(jī)肥處理的土壤、地下水和植株中均沒(méi)有測(cè)到抗生素抗性基因，而對(duì)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(duì)生物碳的研究與應(yīng)用

在國(guó)家現(xiàn)行的專(zhuān)賣(mài)體制下，煙草行業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)仍有重要的貢獻(xiàn)。我國(guó)煙草生產(chǎn)（烤煙種植和卷煙生產(chǎn)）及供銷(xiāo)都是在國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)局和中國(guó)煙草總公司統(tǒng)一部署計(jì)劃下開(kāi)展的。全國(guó)有植煙面積約100萬(wàn)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(shí)踐曾是熱門(mén)課題之一[62-65]。國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)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(guó)約有107萬(wàn)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(jì)，全國(guó)每年有烤煙秸稈300萬(wàn)噸[67]，煙草秸稈有較高的營(yíng)養(yǎng)成分和有機(jī)質(zhì)，但直接還田的很少，因?yàn)樗谔镩g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(chóng)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(guó)家局及各地的煙草公司都鼓勵(lì)將烤煙秸稈經(jīng)傳統(tǒng)發(fā)酵法制備有機(jī)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(fèi)用就是750元/噸，顯然是不可能長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)的[67]。曾有利用煙桿制取優(yōu)質(zhì)活性碳的報(bào)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(jī)堆肥一樣存在著收集和運(yùn)輸成本高的問(wèn)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(jī)廢棄物是不多的，無(wú)需考慮。主要是打葉復(fù)烤廠中剔除的無(wú)使用價(jià)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(guò)程中形成的長(zhǎng)梗，短梗、梗末和煙末等有機(jī)廢棄物的數(shù)量是較大的。如無(wú)更有價(jià)值的去路，則是制備生物炭的合適原料。因?yàn)檫@是集中在復(fù)烤廠的，又相當(dāng)干燥，既沒(méi)有收集和運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)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(zhǎng)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(wàn)噸左右，以煙梗比例（含長(zhǎng)梗，短梗和梗末）平均15%～20%，煙末比例0.6%計(jì)算，那么煙梗約為35萬(wàn)噸，煙末為1萬(wàn)噸左右。

當(dāng)然，復(fù)烤企業(yè)也是分散在各地的，每個(gè)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(wàn)擔(dān)，無(wú)使用價(jià)值煙葉0.25%，共0.52萬(wàn)擔(dān)；長(zhǎng)短煙梗12.33%，共25.58萬(wàn)擔(dān)；煙灰 1.58% 共為3.28萬(wàn)擔(dān)，三者合計(jì)29.38萬(wàn)擔(dān)。

復(fù)烤廠B，2017年投料53.78萬(wàn)擔(dān)，無(wú)使用價(jià)值煙葉0.09%，共0.05萬(wàn)擔(dān)；長(zhǎng)短煙梗7.62%，共4.1萬(wàn)擔(dān)；煙灰 1.64% 共0.88萬(wàn)擔(dān)。三者合計(jì)5.03萬(wàn)擔(dān)。

復(fù)烤公司C，2018年投料100萬(wàn)擔(dān)，碎片比例0.5%，0.5萬(wàn)擔(dān)。長(zhǎng)短梗都要運(yùn)回中煙公司，廢棄煙梗比例約5%左右，則是5.0萬(wàn)擔(dān)。兩者合計(jì)5.5萬(wàn)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(jī)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(fèi)約200元／噸。

當(dāng)然，即使是同一個(gè)復(fù)烤廠，每年的廢棄料也不同?；蛞?yàn)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(diǎn)，開(kāi)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(gè)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(jiàn)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(gè)批吃螃蟹’的人，值得點(diǎn)贊。該生物炭企業(yè)當(dāng)初設(shè)計(jì)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(yíng)一段時(shí)間后煙桿收集和運(yùn)輸?shù)睦щy還是出現(xiàn)了，僅靠復(fù)烤廠的煙梗煙末滿(mǎn)足不了原設(shè)計(jì)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(chǎng)的菌菇包等）才能維持運(yùn)行。畢節(jié)地區(qū)煙桿生物炭有機(jī)肥或生物炭有機(jī)無(wú)機(jī)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(guò)與其它有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥配合使用作為煙草專(zhuān)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(kāi)始就有文獻(xiàn)報(bào)道[69-82]，現(xiàn)敘述于后。

5.2.1 對(duì)烤煙產(chǎn)質(zhì)量的影響

盆栽和大田的試驗(yàn)證明，無(wú)論生物炭是單獨(dú)使用，還是生物炭與其他有機(jī)肥或無(wú)機(jī)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(zhǎng)，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(kuò)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(zhǎng)過(guò)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(duì)磷、氮元素的吸收效率；對(duì)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(shí)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(dú)或與有機(jī)肥、無(wú)機(jī)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(qiáng)酸性植煙土壤（尤其是根際土壤）pH，減少了烤煙對(duì)重金屬離子的吸附及其毒性，有利于烤煙的正常生長(zhǎng);生物炭增強(qiáng)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(jī)質(zhì)含量和活性，改善了土壤碳庫(kù)質(zhì)量；擴(kuò)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(duì)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(dú)使用，或與有機(jī)、無(wú)機(jī)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(shí)其強(qiáng)大的比表面和吸附性能，限制了煙根對(duì)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(qiáng)煙株對(duì)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(jī)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(chǎng)地修復(fù)、固碳減排應(yīng)對(duì)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(lèi)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(lèi)健康的新業(yè)態(tài)，理應(yīng)受到全社會(huì)的支持，煙草行業(yè)當(dāng)然也不列外。我國(guó)煙草行業(yè)有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力，建議在生物炭技術(shù)上繼續(xù)開(kāi)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(jī)械化智能化設(shè)備，最大限度地降低成本，實(shí)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(diǎn)研究生物碳有機(jī)肥和生物炭有機(jī)無(wú)機(jī)專(zhuān)用肥的配方和使用技術(shù)，確保和擴(kuò)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(duì)中科院南京土壤研究所史學(xué)正研究員的團(tuán)隊(duì)、莊舜堯研究員的團(tuán)隊(duì)、中科院城市環(huán)境研究所朱永官研究員的團(tuán)隊(duì)、汪印研究員的團(tuán)隊(duì)、劉超祥研究員的團(tuán)隊(duì)；浙江農(nóng)林大學(xué)吳勝春、曹玉成教授的團(tuán)隊(duì)，浙江科技學(xué)院張進(jìn)教授的團(tuán)隊(duì)，浙江農(nóng)科院楊生茂研究員的團(tuán)隊(duì)在生物炭制備、田間試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)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(guó)煙草學(xué)報(bào)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(zhǎng)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(yàn)、示范，生產(chǎn)和生物炭有機(jī)肥和生物炭有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥的研制及市場(chǎng)化等所做的努力等一并表示衷心的謝誠(chéng)。沒(méi)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(xiě)都難以完成。