农作物秸秆、畜禽粪便、加工下脚料等农业废弃物,处理起来一直让人头疼。其实,它们是放错了位置的资源,可以就地还田,化作春泥更护花,也可以堆沤发酵,转化成营养丰富的有机肥……
其中,秸秆等生物质材料在缺氧条件下热裂解而成的富碳产物,称为生物炭。福建科技人员便是引入炭化工艺,探索生物炭在农业领域的应用。“黑化”,让农业废弃物迎来重生,它们和常规肥料双剑合璧后就成了炭基肥,拥有改善土壤结构、培育土壤肥力、增加土壤碳储量等多重技能,成为绿色低碳农业舞台上的“大主角”。
烟秆何去何从
光泽县寨里镇桥亭村烟农邱希财种了半辈子烤烟,也和烟秆周旋了半辈子。
“在福建,广大烟区普遍采取烟稻水旱轮作模式,也就是每年7月烟叶采收后,无缝衔接种一季晚稻。”邱希财说,在水稻插秧前,必须处理好烤烟秸秆。一般来说,一株烟秆1米多高,一亩烟田能产生1100多株烟秆,鲜重1吨左右。
这么多烟秆何去何从?
过去,邱希财家的烟田不过六七亩,烟秆大都堆放在田埂边,听之任之。但随着机械化程度提升,烟田面积已增加至上百亩。这么多烟秆如果焚烧,会产生大量有害气体、粉尘等,且造成火患。因此,普遍的做法是整地时用拖拉机将烟秆就地粉碎还田。
这种方式看起来经济环保,但也有风险。
“烤烟连续种植多年后,容易滋生青枯病等土传病害,造成连作障碍。”邱希财说,烟稻轮作本是通过水淹减少病害发生,但如果将带有病原菌的秸秆直接还田,会增加下一季烤烟染病风险,影响产量和品质。此外,在水热条件不足的地区,秸秆还田后分解速度较慢,土壤容易出现大量空隙,后茬作物种子与土壤接触不足,将导致种子发芽率降低,无形中增加用种成本。
2019年,光泽县入选全国首个“无废城市”建设试点县。探索农作物秸秆、鸡粪等农业废弃物资源化利用新渠道,是其中“无废农业”板块重要建设内容之一。在这样的背景下,当地引进了以王成己为代表的省农科院专家团队。
王成己长期从事土壤碳循环与气候变化、生物炭农学与环境效应研究。“农业虽是温室气体排放源之一,却也有着巨大的碳汇潜力。”他说,在“双碳”背景下,具有强大固碳能力的生物炭,成为研究热点。早在2009年,王成己所在团队便开展生物炭在农业领域的应用研究,并在山地果茶园中示范推广。如今,他将这一技术应用到了烟田。
“黑化”的烟秆
从烟秆到生物炭,如何华丽变身?
“烟秆首先要自然风干,将水分控制到30%以下,而后机械粉碎,送入炭化炉,历经无氧热裂解。”光泽君和再生能源科技发展有限公司技术负责人蔡梅水说,炭化是生产生物炭的核心环节。处于缺氧环境的农作物秸秆在高温裂解作用下,水分、杂质等“灰飞烟灭”,成为可燃性气体,经回收循环后回到起点,循环为炭化炉提供热能;含碳有机物则在高温作用下不断富集,最终形成粉状、颗粒状、块状的生物炭。其间,氮、磷、钾等养分也得到适度保留。
人们生活中常见的烧烤炭、活性炭、烟花引线炭等,都是炭化的产物,只不过其炭化温度和时长有所不同。
“温度太低,时间太短,炭化程度不够;反之,碳的富集程度高,但其他养分可能大量流失。”王成己说,为了匹配最合适的炭化工艺,研究团队历经多次试验,最终确定了烟秆生物炭最理想的技术方案,也就是在450℃条件下,持续烧制大约2个小时。目前,这一技术已实现从实验室到工厂规模化生产的转变,一次可以炭化50吨烟秆。
“黑化”之后的烟秆,最终归宿是土壤。这些黑不溜秋的炭块或炭粉骨骼惊奇,有独特的空隙结构和较大的比表面积——即在相同质量下,拥有更大的表面空间。这意味着,它们融入土壤后,便具有不可小觑的吸附能力,能够牢牢锁住土壤中的水分和养分,为土壤微生物提供充足的生存空间。在光泽烟叶产区,传统肥料利用率只有不到30%。生物炭恰恰可以保水保肥,从而大大减少化肥用量。
从内涵上看,生物炭小小身躯,却犹如一个丰盈的碳库,将空气中的二氧化碳以有机碳的形式封存其中,为植物生长提供丰富碳源。此外,生物炭中还含有氮、磷、钾、钙、镁等植物生长所必需的营养元素。在稳定的化学结构加持下,它们在土壤中的分解速度极慢,能夜以继日为土壤固本培元。为了把生物炭打造成“六边形战士”,农业专家还通过科学配比,让生物炭与不同的肥料喜结连理,为不同作物量身定制炭基肥,放大其培肥土壤功效。
今年,王成己团队在邱希财家开辟了3亩试验田,让炭基肥产品与不同肥料同台竞技,结果不负众望。“使用烟秆生物炭和炭基肥后,提升了烟田肥力,促进烤烟提质增效,同时还可减少化肥用量20%至30%。”王成己说。
如何接住“泼天的富贵”
随着生产工艺的突破,烟秆生物炭产业化应用加速推进,正迎来“泼天的富贵”。
“光泽是全国优质烟叶重点产区。”南平市烟草公司光泽分公司烟叶办负责人池国胜说,去年该县烟叶种植面积3.44万亩,每年产生废弃烟秆约2.9万吨。早前,光泽县启动烟秆生物炭肥开发利用与农田土壤健康保育项目。按照计划,2023年至2025年,该县将回收废弃烟秆3.75万亩,通过生产烟秆生物炭等方式,实现农业废弃物资源化利用。值得一提的是,光泽是全国重要的白羽肉鸡养殖基地,年产鲜鸡粪超50万吨。在光泽,烟秆与鸡粪,曾经的两大废弃物,成为炭基肥黄金组合。
尽管炭基肥效果不俗,但作为新生事物,在推广过程中难免遭遇水土不服。最大的障碍在于成本居高不下。
王成己算了一笔账:“15亩烟田产出的烟秆原料,才能烧出1吨生物炭。光是收集、运输、晾晒、粉碎,一亩烟秆所需要的人工成本就需要200多元。”农户若使用烟秆生物炭部分替代传统肥料,每亩要增加数百元的用肥成本。
在他看来,生物炭成本居高不下的背后,是农业生产机械化水平较低。目前,烤烟生产,尤其是采收环节,还极大依赖人工作业,适用于南方山地丘陵地区的专用烟秆采收设备仍是稀缺品。有感于此,光泽县正通过科企协作,研发新型烟秆拔秆机,以期在产业前端降本增效。
福建省烟草科学研究所研究员唐莉娜则建议,引入社会化服务模式,通过在产地建设小型炭化炉的方式,就近为农民提供烟秆炭化服务。但局限性在于,烤烟生产具有很强的季节性,炭化工厂难以全年可持续运营。因此,应当拓宽生物炭原料来源。实际上,在农业领域,毛竹、木材加工下脚料、农作物秸秆、畜禽粪便等,几乎“万物皆可炭化”。
农业碳汇交易,则为生物炭创造了更多应用场景。
所谓农业碳汇交易,就是将农业固碳减排贡献量化后,参与市场交易,以抵消生产生活中的碳排放。在这方面,福建早有探索。2022年7月,南靖县完成了全国首单农田碳汇交易。该项目通过采取秸秆还田、减施化肥、增加有机肥施用量,实现土壤增碳。2024年12月,惠安县又完成了全国首单土壤改良农业碳汇交易。该项目探索出了“牡蛎养殖—废壳利用—土壤改良—碳汇交易”的新模式。
王成己认为,生物炭对于壮大土壤碳库,收效显著。若能通过农业碳汇交易,以市场方式反哺低碳农业,提高农民以生物炭替代化肥的积极性,可有效推进生物炭基产品在农业领域的应用,同时为基于生物炭的碳汇产品开发和交易提供广阔前景。
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