一種水稻秸稈熱解生物炭固碳潛力估算方法
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作者；張毅
我國是世界上秸稈產(chǎn)量最豐富的國家之一，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，2007-2009年中國秸稈量年均為7.35億t，其中大約21%被直接焚燒，不僅是資源的浪費，同時也增加了溫室氣體排放。水稻是我國主要的糧食作物，在我國所有糧食作物中，水稻種植面積最大，產(chǎn)量最多，通過高效利用水稻秸稈資源增加農(nóng)業(yè)固碳能力對我國應(yīng)對溫室效應(yīng)具有重要意義。
生物炭( biochar)是黑碳(black carbon)的一種，專指由各種生物質(zhì)材料（作物秸稈、木屑、動物糞便等）在無氧或缺氧條件下，經(jīng)低溫《700℃)裂解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化的、抗分解能力極強的固態(tài)物質(zhì)，是一種富含碳元素的有機連續(xù)體。由于生物炭自身碳含量較高并表現(xiàn)出一定的化學(xué)或生物學(xué)惰性，應(yīng)用于土壤后其所具有的碳匯功能成為了近年來的研究熱點。通過對一些有關(guān)生物炭的研究結(jié)果進行歸納，不難發(fā)現(xiàn)，生物炭可以作為一種土壤調(diào)理劑，也是一種碳封存載體，同時，在熱解生產(chǎn)生物炭過程中將會產(chǎn)生部分高熱量的能源物質(zhì)（生物油與生物氣），可以作為可更新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)煤炭等化石燃料的燃燒，減少溫室氣體排放�？梢妼U棄秸稈轉(zhuǎn)化為生物炭后還田具有廣闊的應(yīng)用前景，但是這種資源利用模式的固碳潛力并沒有大規(guī)模的田間試驗與長期試驗數(shù)據(jù)作為支撐，因此我們通過收集整理已公開的數(shù)據(jù)以評估計算這種模式的固碳潛力，希望能對秸稈資源熱解生物炭模式的推廣提供一定參考。
本文通過生命周期評價(life cycle assessment，LCA)方法，評估“水稻秸稈一生物炭一還田”整個過程的固碳潛力，以中國2012年全年焚燒的水稻秸稈為原料，假設(shè)將所有被焚燒的水稻秸稈均轉(zhuǎn)化為生物炭，并還田處理，對整個過程中的C元素循環(huán)進行定量評估，計算這種秸稈利用模式的固碳潛力。
1 材料與方法
1.1 評估方法
生命周期評價( life cycle assessment，LCA)是一種適宜用來對生物炭生產(chǎn)及應(yīng)用過程中的CO2平衡狀況進行考察的方法。本文擬采用LCA方法評估我國水稻秸稈轉(zhuǎn)化為生物炭并還田這一過程的碳平衡情況，評估范圍從水稻秸稈熱解為生物炭開始，至作物收獲結(jié)束。評估固碳潛力范圍中主要由以下三方面組成：(l)生物炭生產(chǎn)制備過程中的能量平衡，即生產(chǎn)能量投入與能源物質(zhì)產(chǎn)出的差值；(2)生物炭進入土壤后對C元素的封存能力，即生物炭在土壤中的穩(wěn)定性；(3)生物炭還田的農(nóng)業(yè)效益，即通過促進作物生
長而額外捕獲大氣中的CO2(圖1)。
1.2 數(shù)據(jù)來源
本文中相關(guān)計算數(shù)據(jù)參考《中國農(nóng)業(yè)年鑒2013》與已發(fā)表的文獻內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果，如相似研究有多個結(jié)果則取平均值，評估范圍中水稻秸稈生物炭制備產(chǎn)率與元素含量部分數(shù)據(jù)由課題組實驗室內(nèi)測定。
2 結(jié)果與分析
2.1 水稻秸稈焚燒總量
水稻作物總量根據(jù)《巾國統(tǒng)計年鑒2013》及相關(guān)省市自治區(qū)糧食作物總產(chǎn)量數(shù)據(jù)得到，水稻秸稈生物量根據(jù)谷草比計算，全國露天焚燒秸稈量通過收集各省市的秸稈焚燒比例獲得。
盡管現(xiàn)在國家政策不允許焚燒秸稈，但是仍有相當(dāng)一部分秸稈被露天焚燒，2001-2010年中國糧食作物平均每年秸稈露天焚燒量為1.13x108 t．約占糧食作物秸稈總量的21.6%，其中被焚燒水稻秸稈0.41x108 t，占糧食作物秸稈每年平均焚燒量的36.2%，水稻秸稈全年總產(chǎn)量的23.06%，見表1。
根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2013》，中國2012年水稻種植面積達到3.013 7x107 hm2，水稻產(chǎn)量為20 423.6x104t，國內(nèi)水稻草谷比通常取值為0.756，結(jié)合2001-2010年年均水稻秸稈焚燒比例23.06%，計算得到2012年中國露天焚燒水稻秸稈總量為3 560.52x104 t。
2.2 制備生物炭過程中的能量平衡
生物炭制備過程中將會有生物炭、生物油和生物氣3種產(chǎn)物，不同的原料與制備工藝參數(shù)對生物炭等產(chǎn)物的產(chǎn)率影響巨大，秸稈有機組分中纖維素和半纖維素是形成生物炭的主要來源，在不同的秸稈中這2種組分構(gòu)成比例差異顯著，同時熱解溫度與壓力、升溫速度等都對生物炭、生物油和生物氣產(chǎn)率具有顯著影響，根據(jù)主產(chǎn)品不同主要分為3種熱解方式：慢速裂解（主產(chǎn)品生物炭）、快速裂解（主產(chǎn)品生物油）與氣化裂解（主產(chǎn)品生物氣），不同的裂解工藝有不同的主副產(chǎn)品產(chǎn)率（表2），其中在慢速熱解條件下生物炭、生物油與生物氣產(chǎn)率分別為35%、30%和35%。
慢速熱解中副產(chǎn)品是生物油與生物氣，他們均具有一定的熱值，分別為17 MJ/kg和6 MJ/kg。大部分研究認為生物油在現(xiàn)時技術(shù)條件下并不適于發(fā)電，但是可以用作熱解過程中的能量來源。本文中假設(shè)制備過程中的生物油用作熱解過程中的能源，生物氣用作發(fā)電，根據(jù)發(fā)電效率換算為被抵消的煤炭燃燒產(chǎn)生CO2排放量，并計算對應(yīng)減少的CO2排放量，如表3所示。計算得到每年水稻秸稈轉(zhuǎn)化為生物炭過程中產(chǎn)生的生物氣總量，可以提供電力生產(chǎn)值7.27x109kW·h，每年可減少燃煤燃燒以避免排放的CO2釋放量為7.78x106 t。
2.3 生物炭制備、產(chǎn)率與固碳率計算
如上文所述不同的升溫速度、熱解溫度和熱解時間對生物炭產(chǎn)率影響顯著，根據(jù)主產(chǎn)品產(chǎn)率不同可以分為3種熱解方式：慢速裂解（主產(chǎn)品生物炭）、快速裂解（主產(chǎn)品生物油）與氣化裂解（主產(chǎn)品生物氣）。本文中生物炭由課題組采用慢速裂解方式在實驗室內(nèi)燒制完成。
生物炭制備方法：將洗凈風(fēng)干粉碎后的水稻秸稈碎屑裝入反應(yīng)器中，置于馬弗爐（KSW-4b-llA，湖北英山縣建力電爐制造有限公司）中，采用限氧控溫炭化法，以5℃/min升至目標(biāo)溫度500℃，在目標(biāo)溫度下停留4h，關(guān)閉馬弗爐，待溫度自然冷卻至室溫后，馬弗爐中反應(yīng)器中固體物質(zhì)即為生物炭。
生物炭產(chǎn)率的計算公式：
式(1)中，η表示生物炭產(chǎn)率，m表示反應(yīng)器中生物炭質(zhì)量，M表示加熱前秸稈質(zhì)量。
生物炭固碳率計算公式：
式(2)中，CS表示生物炭固碳率，CBC表示生物炭含碳百分比率。
根據(jù)課題組試驗結(jié)果得到水稻秸稈生物炭產(chǎn)率為34.9%。經(jīng)過紅外光譜分析得出其元素構(gòu)成（表4）。類似試驗結(jié)果顯示在500℃、4h條件下制備的水稻秸稈生物炭，其產(chǎn)率為32. 14% -34.23% ，與本課題組較接近。在本文中選用本課題組的水稻秸稈生物炭的含碳量結(jié)果為44.15%(表4)，計算得到生物炭產(chǎn)量為1.24 x 107t（表5）。
2.4 生物炭對土壤碳循環(huán)影響與土壤封存
在亞馬遜運河流域發(fā)現(xiàn)的生物炭能夠在土壤中保存上千年之久，但是也有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭進入土壤后刺激了土壤本體有機碳礦化，本身也將分解礦化，將會增加溫室氣體排放，可見生物炭對碳元素的封存能力和生物炭、土壤性質(zhì)關(guān)系密切，不同的生物炭添加到不同的土壤中其結(jié)果差異巨大。
生物炭還田碳封存能力計算主要參考已發(fā)表文獻數(shù)據(jù)得到，研究顯示生物炭輸入稻田土壤將會抑制土壤本體有機碳礦化，水稻秸稈加入土壤后將抑制土壤有機碳礦化，CO2釋放量降幅達到41.05%，但是生物炭在土壤中會發(fā)生部分降解，稻殼生物炭經(jīng)過約3a分別在好氧和厭氧條件下的培養(yǎng)，有4.4%和8.5%被礦化成CO2，推測生物炭抑制土壤呼吸作用是通過代替土壤本體有機碳分解而產(chǎn)生的，所以生物炭對碳元素的封存能力即是生物炭在土壤中穩(wěn)定部分，研究顯示生物炭中約有20%不穩(wěn)定部分是容易分解的，本文采用這個結(jié)果作為計算數(shù)據(jù)，得到生物炭土壤封存固碳潛力為9.94x106 t，換算為CO2排放當(dāng)量為36.45x106 t，見表6。
2.5 生物炭應(yīng)用的農(nóng)業(yè)效應(yīng)固碳潛力估算
生物炭富含有機碳，可以增加土壤有機質(zhì)[冽，腐殖質(zhì)含量，從而能提高土壤的養(yǎng)分吸持能力及持水容量，其本身較高的pH能有效中和酸性土壤，同時，生物炭本身的孔隙結(jié)構(gòu)能改善土壤物理性質(zhì)，保護土壤中有益微生物等。一般研究認為生物炭進入土壤后將促進農(nóng)作物生長，但是也有研究顯示在高量生物炭添加情況下農(nóng)作物產(chǎn)量將會下降，不同的生物炭添加量對作物生長有顯著影響。
來自巴西亞馬遜河地區(qū)的田間試驗表明在土壤中施人生物炭(11 t/hm2準比例)，2年4個生長季后水稻和高粱產(chǎn)量累積增加了約75%，假設(shè)生物炭按照標(biāo)準比例添加，作物增產(chǎn)率為( 37.5% )/a，水稻含碳量由《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟手冊（修訂本）》查詢得到。計算生物炭應(yīng)用促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)固碳量為0.94x106 t，換算為CO2排放當(dāng)量為3.46x106 t（表7）。
3 結(jié)論
根據(jù)LCA評估方法估算，將中國2012年焚燒的水稻秸稈全部投入熱解生產(chǎn)生物炭模式的總固碳潛力，達到了47.69x106 t，其潛力值主要由3個部分組成：(1)生產(chǎn)過程中的能量物質(zhì)代替化石燃料燃燒將減少排放7.78x106 t：(2)生物炭能長期穩(wěn)定的存在于土壤中，土壤封存36.45x106 t；(3)增加作物生長固碳3.46x106 t，以上固碳潛力全部用CO2排放當(dāng)量表示。估算結(jié)果顯示每熱解1t水稻秸稈將固定1.34 t的CO2。其中生物炭土壤封存固碳潛力占比最大，達到總固碳潛力的78.4%，生物炭對農(nóng)作物促進作用固碳潛力最小，僅為總固碳潛力的7.3%。
4 討論
國內(nèi)外大部分研究計算得到的結(jié)果顯示每熱解1t原料將封存0.25-1.3 t CO2，本文估算結(jié)果略大于其最高值。這可能是因為大部分研究通常以農(nóng)業(yè)作物和林業(yè)作物等所有廢棄物質(zhì)為原材料熱解生產(chǎn)生物炭，并未具體到某一種作物秸稈，另外，本文中并未將原料收集、運輸與還田等機械燃油消耗考慮在內(nèi)，這是因為我國現(xiàn)在水稻種植分布區(qū)域以南方為主，水稻生產(chǎn)越來越向優(yōu)勢區(qū)域集中，目前南方稻區(qū)約占我國水稻播種面積的94%，但是生物炭制備廠家并未協(xié)同發(fā)展，以形成規(guī)�；a(chǎn)，運輸?shù)瘸杀静荒艽_定，因此未計人生物炭固碳潛力計算。
計算發(fā)現(xiàn)每熱解1 t水稻秸稈物質(zhì)能固定1.34 t的CO2，其固碳潛力巨大，因此認為通過熱解農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)材料（如秸稈等）生產(chǎn)生物炭可以作為一種應(yīng)對全球氣候變化的可行方案，適于在其他類似農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)材料如玉米、小麥等主要糧食作物秸稈中推廣應(yīng)用。5摘 要：中國是世界秸稈資源最豐富的國家之一，2007-2009年年均產(chǎn)量達到7.35億t，其巾約有21%秸稈露天焚燒，不僅是資源浪費，同時也加劇了溫室效應(yīng)。據(jù)估計農(nóng)田土壤固碳潛力占自然固碳潛力巨大，通過合理的土壤管理措施可以增加土壤固碳能力60%-70%，
高效利用秸稈資源就是其中很有效的一種管理方式。生物炭是廢棄生物質(zhì)材料熱解產(chǎn)生的一類碳含量極高并具有一定的化學(xué)或生物學(xué)惰性的混合物，應(yīng)用于土壤后其所具有的碳匯功能成為了近年來的研究熱點。文章以2012年巾國露天焚燒的水稻秸稈為原料，采用生命周期評價方法對水稻秸稈熱解生產(chǎn)生物炭并還田過程的固碳潛力進行評估，結(jié)果顯示”水稻秸稈一生物炭一還田”模式固碳潛力主要分為3個部分：(l)代替化石燃料燃燒排放7.78xl06t；(2)土壤封存36.45xl06t；(3)增加作物生長固碳3.46xl06t，CO2總固定量為47.69x106t。
計算得到每熱解1t水稻秸稈將固定1.34 t的CO2。根據(jù)評估結(jié)果認為熱解水稻秸稈生產(chǎn)生物炭具有巨大的固碳潛力，這種模式可以推廣處理農(nóng)業(yè)廢棄秸稈資源，以應(yīng)對日益加劇的溫室效應(yīng)。
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