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生物炭能够拯救世界吗?

来源:资源网 2009-05-14 14:13

 巴西亚马逊盆地的农民很久以前就发现了一种特殊的肥料,这是一种产于当地、能使贫瘠的土地神奇般恢复生机的腐殖物质。他们将它成袋的买回来,或者掘地三尺地把它挖掘出来,然后将其铺撒在田间。其肥效可以维持很长一段时间。

当地人称它terra preta do indio。从字面上讲,就是“印第安黑土”。它稠密、多产、肥沃,与当地稀松、贫瘠的土壤形成了鲜明的对比。(这看起来似乎很矛盾,但是雨林土壤的养分含量很低。这就是为什么当地农民为了耕地,需要不断地砍伐森林的原因。因为经过数年的耕作,土地的产量就会大幅度地减少,人们不得不另辟耕地。)某些地区黑土的储量绵延数公顷。但是到目前为止,还没有人真正了解这种神秘的黑色沃土到底是什么。有人猜测它是火山灰,有人则认为它是古代湖泊的沉积物,还有人认为它是很久以前植被腐烂的残留物。但很少有人会认为它是人类的产物。

现代研究证明,黑土是哥伦布发现美洲之前亚马逊盆地农业文明遗留下来的少数遗迹之一。它是由2500多年前,也许甚至是6000年以前生活在亚马逊流域的人们制造出来的。虽然土壤贫瘠,但是这种自制的土壤却让这里的文明得以传承,并使当地的农业得以发展。一般认为,他们制造这种土壤所使用的原材料包括常见的粪便、鱼类、动物骨骼、和植物废料。但是,黑土的关键原料是木炭,这也是黑土之所以呈现黑色的原因。

爱丁堡大学社会学讲师西蒙?沙克利说道:“这种东西非常神奇。60年代荷兰的科学家发现它之后,我们才开始对它有所了解。他们在土壤贫瘠的地区发现了这种黑色的土壤,它在当地被当作肥料施入田间。它源于刀耕火种时代的农业,是各种有机废物在土壤中发酵了成百上千年的产物。而且,它似乎的确能长久地使土壤变得肥沃多产,这一点真是非常的特别。”

 

现在,亚马逊的这一古老产物已经成为气候变化专家们研究的焦点。黑土中木炭所具有的粘着性可以使肥效维持一个世纪之久。科学家们从中得到启发,作为碳的一种形式,木炭是动植物燃烧后的残留物质。如果它可以长期完整地保存在土壤中而不被分解成二氧化碳(CO2),那么为什么不能用这种方法来锁住更多的碳元素呢?

这种由植物形成的,以固定碳元素为目的的木炭被科学家们称为“生物炭”。它的理论基础是:生物质,不论是植物还是动物,在没有氧气的情况下燃烧,都可以形成木炭。通过把大气中的CO2分离出来能够对气候改变产生巨大的影响。

植物的腐烂自然而然会令土壤中含有大量的碳元素。但是这些碳相对而言是不稳定的,受气候影响很大。一旦遇到像农耕这样的变化,土壤就会释放出二氧化碳。这使得它们既是碳源、又是碳汇。因此,用土壤来锁定碳元素的想法对气候学家而言没有丝毫的吸引力。更有甚者,它还招来了许多骂名。一些农户为了趁机获利,声称他们的土地达到了碳信用额的标准,从而将那些原本计划用于支持风力发电厂或太阳能电站的资金收入囊中。

生物炭的不同之处在于,木炭可以稳定地将碳元素锁住长达数百年。其中的碳元素被矿化后很难再分解。更重要的是,除了它所具备的土壤改良功能外,其生产过程中产生的一些副产品更是具有很高的经济吸引力。

生产过程中,大约1/3转化为生物炭,1/3转化为可用于燃烧发电的合成气,还有1/3则形成原油替代品。这种替代品虽然无法用作运输燃料,但却可以用来制造塑料。因此澳大利亚著名的探险家、自然学家提姆·富兰纳瑞认为生物炭的这些特性“使我们能够同时解决三四个重大危机:气候变化危机,能源危机,以及食品和水资源危机。”使用生物炭不仅能够使土壤肥沃,还能够帮助土壤保持水分。

究竟生物炭在改变世界碳平衡中能发挥多大作用?毋庸置疑,生物炭的需求量是非常大的。每年,诸如燃烧矿物燃料、砍伐森林、将绿地变为农田等人类活动会向大气层排放大约80亿到100亿吨的二氧化碳。这其中大部分的二氧化碳对气候不会构成威胁。自然界本身拥有的碳循环系统可以吸收空气中的二氧化碳,然后这些二氧化碳再被植物、土壤、海洋和其他自然过程中的“碳汇”重新释放出来。但是,这些循环系统目前已经严重地超载。因此,大气中的二氧化碳含量正在逐渐升高。 目前,含量已达到百万分之387。是过去65万年,甚至2000万年间最高的。

据全球碳计划统计,2000到2007年,人类排放到大气中的二氧化碳中每年有54%,约48亿吨,被陆地和海洋中的碳汇,例如森林和海洋中的浮游生物等,所吸收。然而每年仍然有大约40亿吨的剩余的碳需要我们想办法去降低或者吸收。此外,由于陆地和海洋的变暖,天然碳汇的吸收量正在下降,这就意味着我们要么付出更大的努力减少空气中的碳含量,要么停止向空气中排放碳。

虽然各国政府正主张 “低碳经济”,全球温室气体排放仍然保持快速增长。据气候学权威组织政府间气候变化专门委员会(IPCC)预计,如果想要避免气候变化所带来的灾难性影响,温室气体排放增长就必须在2015年到2020年间达到其峰值 。然而根据目前的估算,这是无法实现的,除非我们能够找到简单廉价地从大气中吸收二氧化碳的方法,以及比现行的再生技术能更快地在全世界推广的清洁电力技术。 

根据早期对生物炭潜力的估计,仅靠这一神奇物质自身就能实现为防止全球进一步变暖所需要降低的碳排放。据康奈尔大学的约翰内斯·莱曼等人估算,生物炭每年能够从大气中吸收55亿到95亿吨的碳。但是,沙克利却认为这些估算是建立在不切实际的假设基础之上的,他们假设生物炭可以非常容易地在全球范围内生产。他还强调:“近期的趋势显示,人们正在逐渐摒弃那些天文数字。我觉得现在大家更多地是认为每年能吸收掉碳的数量在10亿到20亿吨左右。”

沙克利认为,尽管与之前的天文数字相比,现在的数字似乎有些让人失望,但是作为单一手段,它的潜力还是很大的。英国东安格利亚大学 地球系统学教授提姆?兰登同样认为:“这当然不是一个小数目。也许恰恰这就是我们所需要的量,另外还有它唾手可得的附带效益。这是一个双赢的方法。”如果同时开展森林保护和森林再造、增加可再生能源的份额、并大力推广节约能源等一系列减碳技术,世界或许能够实现为了防止气候灾害而保持“碳平衡”所需要降低的排碳量。

生物炭的这种富有潜力、独一无二、甚至有些神秘的特性使其成为研究气候变化最热门的新兴领域之一。用生物炭来实现碳截存的理念已经赢得像詹姆斯·拉夫洛克这样重量级科学家的支持。詹姆斯·拉夫洛克是一位特立独行的科学家。他的盖亚假说最近又重新开始风靡。”

在莱曼的带领下,康奈尔大学的科学家们正在研究如何将碳从富含生物炭的土壤中分离出来。英国爱丁堡大学建立了生物炭研究中心;其他欧洲国家也紧随其后,加拿大、澳大利亚等国家也纷纷开展了对这个项目的研究。一些公司也开始寻找使生物炭的生产进入商业化的渠道。

木炭当然不是新生事物。数千年来,它一直被人类主要用作燃料。它的制造过程很简单:将木材、稻草、或者农作物的废弃物在缺氧的情况下燃烧。传统工艺中,采用将土覆盖在点燃的生物质上使之长时间无焰燃烧的方法。 现代化的窑炉虽然提高了效率,但基本原理还是相同的。

然而,生物炭还有很多未解之谜。例如,它改善土壤的效力从何而来?爱丁堡大学的西蒙?沙克利对此的回答是:“答案是:我们还不清楚。有可能是多个因素共同作用的结果。木炭的多孔结构使它能够像海绵一样保存水分和溶解在水分中的营养物质。这正是贫瘠的土壤所缺失的。还有,(它的多孔结构)使它为许多重要菌种的繁殖提供了有利的物质环境。”

东安格利亚大学的提姆?兰登补充道,生物炭的另一个优点就是它可以代替人造氮肥。而氮肥释放的一氧化二氮对温室效应的影响要比二氧化碳高出三百多倍。而且,生物炭没有毒性。目前还没有人提出它能带来什么重大的隐患。”

但是土壤学讲师萨兰·索西却提醒大家,任何相信仅靠生物炭就能解决土壤肥力问题的想法也许是受到了误导; 印第安黑土使巴西贫瘠的土壤变得肥沃,然而仅靠生物炭自身是无法达到这种效果的。沙克利认为:“印第安黑土中的其它物质还含有另外的营养成分。例如富含磷元素的骨骼等。”(磷元素是植物茁壮生长所不可缺少的)。毫无疑问,生物炭扮演着把这些养分结合到一起的角色,从而确保它们能够被植物的根部吸收。但是,这些养分的供给却需要通过其他渠道。沙克利还补充道:“至今还没有人能够成功地复制出印第安黑土。”

用传统木炭的制造工艺来大规模工业化生产“黑土”是不切实际的。研究人员正在用裂解的方法取而代之。这是一种在500℃到600℃的高温下,使有机物质在隔绝氧气的条件下进行受控高温分解的方法。

裂解的方法还能够生成合成气和液态焦油等副产品。这两种副产品都能够作为燃料用于发电或者取暖。

生物炭的产量取决于裂解过程的速度。快速裂解能够得到20%的生物炭、20%的合成气和60%的生物油。而慢速裂解可以产生50%的木炭和相对而言很少量的油。英国国家非粮食作物中心(NNFCC)的阿德里安·希格森强调:“慢速裂解相对而言容易很多,而且更经济。”管理与可持续发展研究所(IGSD)认为,由于现代裂解装置都能够完全使用合成气运转,因此它的产量是所需能源成本的三到九倍。

那么,用什么来制造木炭呢?砍伐森林吗?从控制气候变化的角度来看,这简直就是疯了。其实很多其他材料可以用来制造木炭,包括农业生产产生的大量植物和动物废料,如麦秆、种壳、粪便等;甚至还有人类垃圾,比如说下水污泥、或者一些生活垃圾都能派上用场。

用垃圾废料生产炭的方法还有双重减碳的作用。如果任其腐烂,这些垃圾废料就会产生甲烷。甲烷也是一种温室气体,其对温室效应的影响要比二氧化碳高出二十多倍。但是,难点在于如何收集这些废料,并且这种方法实行起来还要在经济上很划算。这需要对农户进行大量地劝说工作,让他们认识到不怕麻烦地收集废料,并且将它们变成木炭,是有经济效益的。此外,或许还需要给他们配备新的设备来处理这些废料。对于城市废品处理来说,关键的问题是如何将可以变为炭的有机废品从其他垃圾中分离出来,并且还要证明这样做要比掩埋废料的方法更为经济和有效。

管理与可持续发展研究所建议,炭的生产可以采用小规模和工业化相结合的方式。如果稍加改进,就能够在城市、乡村、甚至贫困地区进行既经济又有效地生物炭生产。建议包括三种可行的体系。第一种是集中化的体系:某一地区的所有生物质废料都被送到中央处理厂进行处理;第二种体系是非集中化的体系:每个农户或者一个小型农户联合体拥有他们自己的技术含量相对较低的裂解炉。

第三种体系提供了一种流动的变通方式。一辆装有裂解设备的合成气动力车走乡串户,将制好的生物炭还给农户使用,而将生物油收集起来,送到精炼厂将其变成可供车辆使用的液态生物燃料。管理与可持续发展研究所以巴西的甘蔗工业为例进行了说明,他们的做法是:甘蔗的顶部一般在田间就地焚烧,而制糖压榨后的甘蔗渣可以被有效地变为生物炭。据估计,每年收获的4亿6千万吨甘蔗中,差不多有2亿3千万吨可以用来进行裂解。

一些企业正在着手解决这些问题,并且试图将生物炭商品化,从而使之成为解决气候问题、土壤问题和能源问题的良方。

已被摩根大通收购的碳补偿企业Climate Care的创始人麦克·梅森却略带感慨地说,虽然他一直在考虑将他大部分的时间花在周游非洲观赏大象上,但是,气候变化问题关系重大,他不能坐视不管。为此,他组建了新的企业Biojoule。该企业一直致力于研究如何将生物炭进行商业转化的问题。加拿大安大略省的达茂能源公司(Dynamotive)一直在它的一间木制品加工厂推行生物炭的转化,并且每天能够产生多达130吨的生物油。总部位于澳大利亚的Crucible Carbon公司估计,如果使用他们的技术,用生物炭固碳的成本能达到每吨13美元(折合20澳元)。

虽然逻辑上不存在错误,但是其他人对该产品的绝对收益仍然保持观望的态度。由英国政府投资,旨在帮助企业遏制碳排放的节碳基金研发总监伯特·德勒左那对此表示担忧。他认为,把生物炭看作是生物质加热后的主要产物有可能没有抓住问题的关键。

节碳基金正紧锣密鼓地大力发展裂解工厂,但是却是以用生物质生产液态运输燃料为主。生物炭仅仅是快速裂解工艺过程中产生的用途尚有争议的副产品而已。德勒左那表示:“生产液态运输燃料对减排来说也非常重要。而生物炭是否具有同样的作用,我们还不知道。”他还认为,事实上,鼓励小型农场用低技术含量的传统方法来制造生物炭有可能会比焚烧或者扔掉这些植物产生更多的温室气体排放。

德勒左那还强调:“这一理论还无法得到证实,你需要能够证明它可以存在于土壤中数百年。但是,要证明这一点却很困难。”

节碳基金不允许申请其资助的企业将裂解产生的副产品生物炭计入他们的减碳额中。德勒左那表示:“即便最新发现生物炭具有改善土壤的功效,我们所掌握的能够有力支持生物炭技术的论据还是远远不够的。”

弗兰纳里对此表示异议,他认为:“木炭中至少一半的碳在500年后还是被锁定的。这个经古生物学家采用放射性碳定年法测定后的结论早就被众人所知了。”

尽管生物炭目前并不能完全满足人们赋予它的期望,它仍然是对付气候变化的重要手段。美国前副总统、环保主义者阿尔·戈尔指出,指望只寻找到一副灵丹妙药就能够彻底解决气候变化的问题,这本身就属于误入歧途。他认为,这世上或许根本就不存在某种灵丹妙药,不可能仅凭借某一种措施就能够彻底解决气候变化的问题,但是却一定“存在着有效的解决方案”。只有减排或锁碳等手段多管齐下,人类才能将大气中的碳含量降低到安全线以下。而在众多可行的方法中,很少有像生物炭这样既简单又廉价的。

康奈尔大学的约翰内斯·莱曼则指出:“生物炭锁碳技术在科学手段上不需要任何根本性的突破,而且其背后的生产技术不仅稳定而且简单易行,适合在世界上很多国家推广。”

但是,没人会怀疑推广这项技术需要付出的巨大努力。问题是双重的:首先,针对贫困国家,要开发出一种不但能够可靠降低温室气体排放,而且简单易行、能够在小规模农庄推广的生物炭生产模式;其次,对于发达国家而言,则需要改变大型企业的商业模式,使他们意识到废料收集和处理是一个聊胜于无的好方法。

美国的大型农商企业也许是开展这项变废为宝计划的最直接也是最适合的对象了。但是,在他们能够理解这么做的必要性之前,似乎还需要动用一些经济鼓励措施。而对发展中国家的贫困农民而言,他们很乐意接受农业方面的建议以及用生物炭使他们的土地恢复活力的技术。可是,问题是怎样才能将这种方法送到他们每个人中间?这一点太难了。

经济问题和沟通问题将是制约生物炭项目的真正阻力,这两个问题曾导致许多减碳措施资本化的失败。这其中包括简单易行的改造非洲和印度地区柴炉的方案:只要对非洲和印度地区使用的柴炉稍加改造,就能够降低生火做饭所带来的室内空气污染,从而避免数百万人的健康受到威胁;还包括采用可再生能源这样更复杂、更有挑战性的措施。因此,人们需要付出大量的努力来避免生物炭项目重蹈其他气候问题解决方案的覆辙。(生物谷Bioon.com)

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