北極星固廢網訊:日常生活的便捷化和農業生產技術的自動化把人類從原始的繁重勞動中解放出來，與高水準的生活生產方式相伴而生的，是廢棄物益發膨脹的產量；廢棄物處理處置技術的日臻成熟改變不了這個過程消耗能源、汙染環境的事實，而以資源化的眼光看待這些秸稈、糞便、生活垃圾，卻可以為它們謀一條低耗高效的新出路。
廢物變身——生物炭的製備與特性
生活、生產活動中絕大部分廢棄物是生物有機材料，即生物質，含有豐富的有機質和養分，具有可再生性。將生物質置於缺氧或絕氧環境中，在相對較低的高溫下（<700℃）熱裂解後生成的固態產物就是生物炭，也被科學家冠以「黑色黃金」的美譽。生物炭以高度富碳為標誌，主要含有C、H、O、S、N等元素及灰分物質，此外還保留了原料中的Ca、Mg、K、Si、Fe、Mn、Cu、Zn等元素，元素組成受原材料和熱解溫度影響。
生物炭呈鹼性，表面含較多羧基、羰基、酚羥基、內酯基等含氧官能團；表面電荷密度高，陽離子交換量高（CEC）；生物惰性和化學穩定性強，不易降解；具有多孔結構，孔隙可按大小分為大孔隙（>50 nm）、小孔隙（<0.9nm）和微孔隙（<2nm）。
不同功率水平和生物質負荷下製備的木屑生物炭的掃描電鏡圖片1
生物炭的孔隙結構、大比表面積和高表面電荷密度決定了其具有良好的吸附能力，尤其對陽離子吸附能力強，其吸附機理主要包括表面吸附機制、分配作用機制、聯合作用機制以及其他微觀機制2，其中最主要的是表面吸附機制，指通過化學鍵結合（如生物炭表面MgO晶體吸附磷酸根生成磷酸鐵，沉澱於生物炭表面和孔隙內3，不可逆吸附）或靜電吸引結合（表面負電荷高，具有較高的陽離子交換量和吸附容量）進行吸附。另外，生物炭的小孔隙結構（<0.9nm）能夠降低土壤養分的滲漏速度，延緩水溶性離子的溶解遷移時間，加強對移動性強、易淋溶流失養分的吸附，在離子吸附過程中起主導作用。
廢物利用——生物炭的功能
生物炭雖「出身」於廢棄物，但由於其性能強大，在水質淨化、土壤改良、促進植物生長等方面都有不俗的表現。
水質淨化
控制水體富營養化的關鍵在於控制氮磷，常用手段中，吸附法是一種快速、高效、無二次汙染、低成本、可回收的方法，而生物炭可以作為吸附劑吸附氮磷：生物炭通過靜電吸引結合來吸附氨氮，對磷的吸附則通過化學鍵結合機制。研究表明3，以小麥秸稈為原材料的生物炭對水中氨氮的去除率隨溫度的升高和投加量的增加而上升，最適pH在8左右；對磷的去除率隨溫度的升高而下降，隨投加量的增加而上升，最適pH在7左右。
土壤修復
生物炭對土壤的理化性質和微生物群落都會產生影響：1）提高土壤pH，作為改良劑中和酸性土壤4；2）加深土壤顏色，降低土壤表面反射率，促進土壤升溫5；3）調控土壤水分分布狀況，提高土壤持水能力；4）提高土壤孔隙度，促進土壤轉化為團聚體結構，增加對氮磷的吸附，減少養分流失，持留重金屬、農藥等有毒複合物，控制農業面源汙染6；5）提高土壤有機質、全氮、全磷、有效氮、速效磷的含量，直接、快速補充土壤有機碳，保持土壤肥力；6）對地表徑流的產流時間起到微弱的延遲作用，提高土壤的抗蝕性2。
生物炭的多孔結構及吸附的營養物質為土壤微生物群落提供了合適的棲息環境，修復土壤生態系統健康，提高了微生物的數量和活性，尤其是與氮循環相關的微生物。生物炭吸附土壤中可溶的自由態酚類化合物，減輕其對硝化細菌的抑制作用，促進硝化過程，增加土壤中固氮微生物數量，減少氮的反硝化作用，減少氮素流失；此外，生物炭還能促進土壤中與氮利用相關的酶活性2。
作物提質
施入農田後的生物炭吸收並保留了營養物質，通過陽離子交換來緩慢釋放並被植物利用,提高肥料利用率；施加生物炭後，土壤的抗張力強度和容重會顯著下降，孔隙度隨之增大，土壤中水分、空氣和養分增多，有利於植物根系的生長與延伸，促進作物養分吸收2；施入生物炭的土壤中作物根部微生物的繁殖能力增強，微生物群落結構發生變化，對作物生理生化過程均產生重要影響7，促進種子萌發和苗期生長，增大作物的株高和莖粗8，與肥料同施可提高作物產量9；促進植物根系增長及植物激素的產生，提高抗冷和抗旱能力。
肥料增效
除了直接使用，還可以以生物炭為基質，添加不同有機和無機成分製備生物炭基肥。生物炭基肥含豐富的腐植酸、蛋白質、核酸等有機質（>40%），氮、磷、鉀養分（N>6%，P2O5>2.3%，K2O>2.5%），以及Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、B等中、微量元素，營養全面，一次施肥可以滿足作物對多種元素的需求，彌補長期施用無機肥的不足。
生物炭基肥適用於各種農作物土壤，可用作基肥、追肥，或與其它化肥配合使用。施用300kg/ha生物炭基肥，小麥可增產10%左右，玉米可增產12%左右，水稻可增產8-12%，並節約氮肥30%-50%，農業減排明顯；生物炭還能有效防治病害，抑制病原微生物生長，例如對菸草的黑脛病、根黑腐病、根結線蟲病等防治效果達到70%以上，可少施或不施農藥。
逆襲的「黑金」——生物炭的未來
生活、生產過程中產生的生物性廢棄物都具有製備生物炭的潛能，在以資源化為導向的廢棄物綜合處理過程中，生物炭的生產和使用可以作為非常重要的一環，既能解決生活、生產垃圾的無害化處置問題，還能通過農業種植實現最終的消納，打通鄉村生活生產物質能量的循環路徑，對於鄉村生活衛生條件和農業生產技術的改善都具有重要意義。
但生物炭的實際應用仍存在一些現實問題：1）生物炭的土壤添加比重雖小，但密度小、體積大，實際添加量仍十分客觀，需驗證其經濟可行性，探討應用的必要性；2）生物炭顆粒細小，應用後難以與水或土壤有效分離，易隨水遷移導致二次汙染；3）生物炭的土壤改良作用機理研究仍然存在盲區，其正面影響可能是添加過程對土壤造成的擾動導致的土壤密度、結構、孔隙度、保水性的改變；4）不同原料及製備條件與生物炭結構和性能的相關性尚不明確；5）長期受雨水淋洗和酸雨浸泡後生物炭會發生不同程度的老化和酸化，其對土壤或作物的有利影響是否具有持續性尚不清楚；6）多數農業從業者只在意短期利益，不關心土壤質量和生產發展的可持續性，導致化肥、農藥用量不減，另一方面，人們對生物炭、活性炭以及植物灰分的概念易混淆，對新事物接受度較低。
針對現存問題，關於生物炭的進一步研究可以從以下方面加強：1）推進功能化生物炭複合材料的研發，通過生物炭改性技術解決顆粒小、易遷移的問題，提升吸附性能；2）利用電鏡掃描、X射線衍射等微觀分析技術研究不同種類生物炭的吸附特徵和機理，篩選具有高效吸附能力的生物炭種類和規格；3）加深對生物炭肥用機理的了解，確定其最佳用量和頻率，考察田間尺度的長期影響。
考古學家在亞馬遜河流域發現，雨林中最肥沃的地塊往往是古人類曾聚居的地方，農作物殘餘和食物殘渣沒有造成嚴重的破壞，反而被製成生物炭滋養了原本貧瘠的土壤。這說明，人類的介入並不一定給大自然帶來破壞，充分挖掘廢棄物潛在的回用價值反而能化「幹戈」為「玉帛」，讓「黑土」逆襲變成「黑金」。
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