近年來，一種效果持久的土壤添加劑在美國大受青睞。這種碳含量很高的物質(zhì)被稱作生物炭(biochar)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年起，這種土壤添加劑銷量每年遞增3倍。其中，美國賓夕法尼亞州Biochar生物炭公司是已經(jīng)成為行業(yè)的代表性企業(yè)。這家公司每天源源不斷地為很多農(nóng)場主提供原料，銷售方式不僅包括批發(fā)渠道，而且已經(jīng)開始通過亞馬遜和WholeFoods有機(jī)食品連鎖超市直接零售。

如今中國、瑞典等亞洲和歐洲國家都已經(jīng)在農(nóng)業(yè)和城市綠化中使用這種生物炭。

新技術(shù)重祭“老法寶”

生物炭是通過在低氧環(huán)境中加熱生物質(zhì)(如麩皮等農(nóng)作物廢料)制成的，是一種在生產(chǎn)生物燃料時的副產(chǎn)物。

隨著人們對清潔能源的重視程度不斷提高，科學(xué)家對生物炭也產(chǎn)生了濃厚的興趣，大量測試其前景的研究正迅速涌現(xiàn)。他們尤其感興趣的問題是，生物炭顆粒的化學(xué)和物理特質(zhì)是如何影響水在土壤中的滲透、污水處理、微生物群落結(jié)構(gòu)以及溫室氣體排放。科學(xué)家希望生物炭可以給全世界的農(nóng)民帶來福音，尤其是非洲和其他發(fā)展中國家和地區(qū)，因?yàn)槟抢锏耐寥劳重汃ぁ?/p>

約翰尼斯·萊曼是美國康奈爾大學(xué)的農(nóng)作物和土壤學(xué)家。他認(rèn)為不同類型的生物炭“對某些最重要的土壤屬性——通常與作物產(chǎn)量相關(guān)——有獨(dú)特的調(diào)節(jié)作用，例如土壤的風(fēng)化和沙化程度”。

人們對生物炭還有很多疑問，特別是是否廉價且有效。在有些研究中，生物炭甚至讓農(nóng)作物產(chǎn)量降低了。造成這個問題的原因之一是，用于生產(chǎn)生物炭的生物質(zhì)各種各樣，而且生產(chǎn)時的溫度和速度也不固定，導(dǎo)致生產(chǎn)出的生物炭質(zhì)量不一，進(jìn)而對農(nóng)作物的影響也不盡相同。

盡管農(nóng)民們最近才開始接觸生物炭，但實(shí)際上生物炭有著悠久的歷史。千百年前，生活在亞馬孫河流域的人們就通過加熱有機(jī)物制造出了生物炭，并用它造就了被稱為“亞馬孫黑土”的肥沃土壤。但在歐洲殖民者入侵南美后，這項(xiàng)技術(shù)漸漸被人遺忘，其他地方的農(nóng)民則沒有使用生物炭的習(xí)慣。

活水增肥兼固碳氮

10年前，科學(xué)家們開始對生物炭產(chǎn)生了興趣。當(dāng)時，人們開始關(guān)注全球變暖問題，一部分人期望可以用生物炭將大量碳元素封存在地下?，F(xiàn)在，雖然這個想法已經(jīng)漸漸淡出人們的視野，但土壤學(xué)家卻開始探索將生物炭用于農(nóng)業(yè)以及治理污染。

生物炭如何影響土壤中水的滲透?麗貝卡·巴恩斯是美國科羅拉多大學(xué)斯普林斯分校的生物地球化學(xué)家。她和同事在不同土質(zhì)中摻入生物炭，然后測試水的流動性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水在沙土中通常滲透得很快，但添加生物炭后，水流動的速度降低了約92%;水分在富含黏土的土壤中一般不易流動，但添加生物炭后，水流動的速度提高了3倍多。研究人員認(rèn)為，土壤顆粒之間的間隙是水流的通道，而生物炭改變了水通過這些間隙的方式。

巴恩斯說：“黏土一般是扁平的顆粒，而沙一般是圓形的顆粒。但生物炭卻沒有固定形狀，因此不僅在自身內(nèi)部產(chǎn)生了復(fù)雜的通路，還在土壤空隙中產(chǎn)生了復(fù)雜的通路。”她和同事認(rèn)為，正是這些復(fù)雜的通路使水分在沙中的滲透減緩、在黏土中的流動加快。

巴恩斯認(rèn)為這意義重大，因?yàn)楸M管黏土可以貯存大量水分，但這些水分要穿透土粒抵達(dá)植物根部卻很費(fèi)力。一些研究表明，與普通土壤或是僅添加了堆肥的土壤相比，添加了生物炭的土壤能讓植物長得更好。

研究人員還試圖弄明白生物炭是如何影響土壤中微生物活動的。微生物通常以群落的形式發(fā)揮作用。比如，許多細(xì)菌只有在數(shù)目大到可以克服宿主免疫反應(yīng)時，才會對植物的根部進(jìn)行攻擊。卡羅琳·馬謝洛是美國萊大學(xué)的生物地球化學(xué)家。她和同事發(fā)現(xiàn)，生物炭可以與細(xì)菌細(xì)胞分泌的用于調(diào)節(jié)細(xì)菌活動的信號分子結(jié)合，從而抑制病菌對植物的侵害。

馬謝洛解釋道：“細(xì)菌會感覺不到其他個體的存在，因?yàn)榧?xì)菌之間的‘通話線路’被切斷了。”她還說，下一步研究人員將利用生物炭的這一功能，幫助植物減少感染。

還有一些研究人員正在探索，如何利用生物炭減少農(nóng)田中一氧化二氮(一種溫室氣體)的排放。2014年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的土壤學(xué)家劉曉雨和同事發(fā)表論文稱，在玉米田和麥田中加入生物炭后，一氧化二氮的排放量在接下來5個作物季(3年時間)持續(xù)減少。

在其他研究中，也發(fā)現(xiàn)了生物炭可以減少一氧化二氮排放的現(xiàn)象，但研究人員還不清楚其中的具體原因。劉曉雨說：“使用生物炭可以改善土壤的一些性質(zhì)(例如它可以促進(jìn)植物對鉀的吸收)，提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量。”目前，劉曉雨已經(jīng)從生物炭制造商處籌得了一些科研經(jīng)費(fèi)。

2011年的一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使用生物炭后，農(nóng)作物產(chǎn)量平均提高了10%，該數(shù)值在酸性土壤中更是達(dá)到了14%。生物炭可能在退化或貧瘠的土壤中效果最顯著，因?yàn)樗梢詭椭寥懒糇』镜臓I養(yǎng)成分。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的安德魯·克蘭·德勒施一直在肯尼亞西部研究生物炭在這類退化土壤中的作用。初步結(jié)果顯示，使用生物炭的農(nóng)田平均可增產(chǎn)32%。

應(yīng)用廣泛潛力巨大

2014年6月，世界銀行在一份報(bào)告中指出，生物炭可能是最具潛力的、能幫助發(fā)展中國家農(nóng)民的物質(zhì)。因?yàn)椋锾坎粌H可以改善土壤的性能，還可能成為“氣候智能型”農(nóng)業(yè)(climate-smartagriculture，這種農(nóng)業(yè)能經(jīng)受諸如氣溫升高、降雨減少和土壤貧瘠化等氣候變化的影響)的重要元素。

除了應(yīng)用于農(nóng)業(yè)外，研究人員還嘗試將生物炭應(yīng)用到其他領(lǐng)域。生物炭可以與土壤中的重金屬結(jié)合，使重金屬不容易接觸到植物或進(jìn)入水源。生物炭的這一特性引起了美國環(huán)境保護(hù)局等機(jī)構(gòu)和嘗試改造廢礦的公司的關(guān)注。

2010年，在美國科羅拉多州阿斯彭市附近的霍普礦區(qū)，人們通過在土壤中加入生物炭抵消了累計(jì)數(shù)十年的開礦廢料對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成的負(fù)面影響。據(jù)阿斯彭環(huán)境研究中心稱，那些原本荒蕪的山坡重新長出了植被。

生物炭在清潔污水方面也顯示了巨大的潛力，甚至可以代替活性炭用于污水處理廠及被有毒化學(xué)物污染的地區(qū)，并且比活性炭的成本還低不少。美國密西西比州立大學(xué)的退休化學(xué)教授查爾斯·皮特曼解釋說，生物炭顆粒表面積很大，而且在水中還會增加，巨大的表面積提供了無數(shù)結(jié)合污染物的位點(diǎn)。

皮特曼說，這種治理污染的方法對缺少完備凈水系統(tǒng)的國家尤為有用。生物炭還能去除水中的抗生素和化學(xué)污染物，而這些用傳統(tǒng)的凈水方法很難去除。

科學(xué)家還測試了生物炭能否凈化開采石油或天然氣時使用的液體，以及是否可用它制造打印機(jī)墨粉和其他涂料產(chǎn)品。美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局的土壤學(xué)家?guī)鞝柼?middot;斯波卡斯說：“還有很多市場，人們還沒有完全探索。”

隨著世界各地對生物炭感興趣的消費(fèi)者越來越多，關(guān)于生物炭的討論也會隨之增多。

比約恩·恩布倫負(fù)責(zé)瑞典斯德哥爾摩的城市綠化。他介紹說斯德哥爾摩從2009年就開始使用生物炭來促進(jìn)植被的生長。恩布倫認(rèn)為，近幾年城市樹木長得特別健康，生物炭功不可沒。

2014年9月，來自紐約的慈善組織彭博慈善基金會向斯德哥爾摩市捐資100萬歐元(約120萬美元)，用于一項(xiàng)覆蓋全市的環(huán)保項(xiàng)目，該項(xiàng)目可以把居民的花園廢料、食物垃圾甚至污水轉(zhuǎn)化為生物炭。

價格與原料瓶頸尚待突破

并非所有研究都表明生物炭是一種神奇的物質(zhì)。有些情況下，生物炭甚至?xí)斐赊r(nóng)作物減產(chǎn);還有一項(xiàng)研究認(rèn)為，生物炭會降低一些有助抵御昆蟲和病菌侵襲的植物基因的活性。

萊曼認(rèn)為，這可能是生物炭使用不當(dāng)造成的。他說，在一些發(fā)現(xiàn)生物炭造成減產(chǎn)的研究中，所用的天然土壤本已相當(dāng)肥沃。

另一項(xiàng)研究認(rèn)為，使用錯誤類型的生物炭會對土壤微生物帶來負(fù)面影響，還可能降低土壤的貯碳量。例如，由稻草制得的生物炭在特定土壤中的效果，就與由木頭或糞便制得的生物炭不同。

而且，科學(xué)家并不確定將生物炭用于土壤修復(fù)或其他方面是否有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，特別是在農(nóng)業(yè)方面。

一般來說，貧瘠的土壤往往出現(xiàn)在貧困地區(qū)。在肯尼亞見證了生物炭的增產(chǎn)效果后，克蘭·德勒施又考察了生物炭在當(dāng)?shù)氐氖袌銮熬?，他發(fā)現(xiàn)“即使以成本價出售生物炭，也幾乎沒人購買”。

生物炭的價格參差不齊，在美國，有一些產(chǎn)品的售價達(dá)每千克3美元，和某些化肥差不多，比很多堆肥要貴。從宏觀來看，只有當(dāng)生物燃料產(chǎn)業(yè)有經(jīng)濟(jì)效益時，生物炭產(chǎn)業(yè)才能同樣在市場有一席之地——例如，當(dāng)生物燃料產(chǎn)業(yè)獲得了政府補(bǔ)貼，或因減排政策使得化石燃料價格上漲時。

如果有一天，對生物炭需求激增，人們首先需要關(guān)心的是生產(chǎn)生物炭本身對環(huán)境有何影響。原料的選擇是一個關(guān)鍵問題。中國傾向使用農(nóng)業(yè)廢料，如稻草或麥稈;而一些美國研究者則推薦使用動物糞便。

不過，就大規(guī)模生產(chǎn)而言，這兩種方法都不是最有效的方式。用木頭做原料則可能會導(dǎo)致對森林的過度砍伐。

英國牛津大學(xué)印度可持續(xù)發(fā)展中心的研究主管艾爾弗雷德·蓋索恩·哈迪說：“一個非常重要的問題是，原料是否可持續(xù)獲取?我覺得目前在生物炭研究界，關(guān)于這方面的討論還不夠。”

生物炭到底是像宣稱的那樣神奇，還是會和其他很多所謂的“魔法”物質(zhì)一樣，漸漸變得無人問津?這不光是研究生物炭的科學(xué)家關(guān)心的，也是相關(guān)企業(yè)和使用者關(guān)注的。(本文作者雷切爾·塞爾南斯基是美國科羅拉多州丹佛市的自由科學(xué)撰稿人。翻譯：馬驍驍文字及圖片均由《科學(xué)美國人》中文版環(huán)球科學(xué)授權(quán)刊登，本報(bào)編輯有刪改。更多內(nèi)容請看《環(huán)球科學(xué)》三月刊)