,1, 孟军1, 金梁2, 郭伟1, 赵洪亮1Study of Straw-Biochar on Utilization Potential, Industry Model and Developing Strategy in Northeast China
ZHANG WeiMing1, CHEN WenFu,1, MENG Jun1, JIN Liang2, GUO Wei1, ZHAO HongLiang1通讯作者:
责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2019-02-25接受日期:2019-04-23网络出版日期:2019-07-16
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Received:2019-02-25Accepted:2019-04-23Online:2019-07-16
作者简介 About authors
张伟明,E-mail: tianyi_zwm@126.com。
摘要
关键词：
Abstract
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张伟明, 陈温福, 孟军, 金梁, 郭伟, 赵洪亮. 东北地区秸秆生物炭利用潜力、产业模式及发展战略研究[J]. 中国农业科学, 2019, 52(14): 2406-2424 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.14.003
ZHANG WeiMing, CHEN WenFu, MENG Jun, JIN Liang, GUO Wei, ZHAO HongLiang.
0 引言
粮食安全是国家经济和社会发展的“基石”,素以“大粮仓”之美誉的东北,是我国重要的商品粮基地,粮食种植面积和产量分别占全国1/5,其中仅东北三省（黑龙江、吉林和辽宁）的粮食产量在2017年就达到11 875万吨,约占全国19.2%（国家发改委,2018）。长期以来,东北地区的粮食生产为保障国家粮食安全、稳定做出了重要贡献。然而,伴随着粮食产量提高也产生了大量秸秆等农业废弃物,遗憾的是这些大量秸秆多以“焚烧、丢弃”等粗放方式处理,造成了严重资源浪费和环境污染。据国家生态环境部卫星监测巡查发现,仅在2017年11月,全国范围内的秸秆焚烧着火点就达1 125个,涉及20个省76个市,东北是重灾区之一;与此同时,我国农业可持续发展也进入“瓶颈”期,有限的耕地资源与现代经济发展用地,人口增长与粮食供应,土壤污染与农产品安全等矛盾日益突出,资源与环境承载力濒临极限。近年来,由于长期、高强度的持续开垦及“掠夺式”生产经营方式,特别是化学肥料、农药等大量不适当使用,导致黑土、棕壤等东北主要农业生产土壤酸化、板结、有机质下降,保水肥能力降低等问题日益突出[1,2]。26年的监测数据表明,东北17个国家级黑土耕地质量监测点的土壤碳氮比呈逐年下降趋势[1],而近20年的东北地区土壤养分变化也表明,土壤有机质、速效钾、pH分别相对降低22.26%、34.47%和0.38%,土壤退化和耕地质量下降已成为制约东北粮食生产和农业可持续发展的关键[3]。因此,如何在实现秸秆等农业废弃物资源循环、高效利用的同时,提升土壤耕地质量,促进农业可持续发展,构建“低碳、循环、可持续”农业发展新模式,是当前农业发展面临的重要问题和严峻挑战。为此,国家农业农村部启动实施了“东北地区秸秆处理行动”等五大绿色农业发展专项行动,这也是国家首次将东北秸秆处理问题列为专项行动之一,凸显了东北秸秆处理的重要性和紧迫性。
东北地区拥有丰富的大宗作物秸秆资源。据不完全统计,仅在2016年东北主要农作物（玉米、水稻和大豆）的秸秆资源量就达到了约13 600万吨。但是,由于受传统农耕思想影响,每至秋末冬初“锋火遍地、霾烟漫天”的秸秆焚烧现象在一些地区仍屡见不鲜,尽管各地出台了一系列 “禁、罚”强势措施,但仍难以从“根源”上奏效。从生态系统物质循环角度,秸秆还田是土壤获得外源物质补充的最直接、简单的方式,利于改良土壤结构、维持土壤地力、提高农田养分利用率[4,5]。但是,由于东北寒冷的气候条件,秸秆直接还田后往往不易腐解,影响次年播种、出苗和保墒,并出现病虫草害增加、产量下降等现象。此外,由于秸秆还田设备研发不足、农机农艺生产不配套、机耕条件限制等因素,也使部分地区的秸秆还田处理受到一定程度的限制。
生物炭（Biochar）的生产与利用是近年新兴的研究热点之一,得到了国内外专家、****的广泛关注和研究认可。生物炭具有多微孔、比表面积大、吸附力强,富含碳（C）及其他养分元素等理化特性,可应用于农业、环境、工业等领域。诸多研究表明,将秸秆等生物质制备为生物炭,施入土壤后可显著降低土壤容重,增加土壤孔隙度,提高土壤温度和养分,激发和促进土壤微生物繁衍,改善土壤微生态环境,并对玉米、水稻、大豆、花生、马铃薯等多种作物的生长发育、产量等具有不同程度的增促效应[6,7,8,9,10,11],秸秆炭化还田已成为一种重要的秸秆还田方式[12]。秸秆炭化还田技术及应用,将从源头上有效破解“秸秆焚烧”等难题,实现秸秆“循环、高效”利用,并兼具改土培肥、固碳减排、增产增收、削减污染等显著经济、生态和社会效益,为秸秆资源化高效利用提供了一条重要、可行性新途径,对促进农业可持续发展,实现乡村振兴具有重要现实意义。
目前,在生物炭基础科学研究、应用技术、产品开发等方面已经取得了一系列研究进展与成果,但产业化发展仍凸显不足,而针对东北地区秸秆综合处理问题,较为系统论述秸秆生物炭利用的资源、技术、潜力及产业化发展模式和战略等方面的研究很少。本研究以近20年东北秸秆资源的调查和统计分析为基础,针对目前东北地区秸秆处理的主要现状及问题,从资源配置、技术应用、市场条件、产业模式、发展战略等方面,明确了东北秸秆生物炭利用的资源基础与发展潜力,综合评述了秸秆炭化利用的制备原理、工艺设备、应用技术、产业市场及发展空间等,在此基础上构建了东北地区秸秆生物炭产业模式,并提出了生物炭产业发展战略建议。旨在为解决东北地区秸秆综合处理和农业生产现实问题,促进生物炭产业健康、稳定发展提供参考。
1 近20年东北地区主要秸秆资源分析
1.1 数据来源与测算方法
综合考量粮食产区代表性、秸秆资源类型、集中度及可利用量等因素,本研究中关于东北地区秸秆资源的统计分析主要以东北三省（黑龙江、吉林、辽宁）为主,作物类型以东北大宗作物（水稻、玉米、大豆）为主。数据主要来源于1996—2016年《黑龙江统计年鉴》《吉林统计年鉴》以及《辽宁统计年鉴》。根据20年（1996—2016）东北三省区农作物种植面积、产量及谷草比等来计算东北三省作物秸秆资源总量。其中,作物谷草比主要参考《农业技术经济手册》;根据东北地区作物产量数据,对近20年秸秆可收集量进行数据统计分析,方法参考中华人民共和国农业部公报（2008;2015）,计算公式为:式中,S为秸秆可收集总产量,Si为第i年作物总产量,Xi为第 i 年作物谷草比,di为第 i 年作物秸秆可收集利用系数
1.2 近20年东北地区主要作物种植面积和秸秆资源量分布
1996—2016年,东北地区主要作物秸秆（水稻、玉米和大豆）的总量均呈增长趋势,以5年为一个时间节点,4个历史阶段平均增长率约13%。到2016年,三省秸秆总量为13 600万吨,其中玉米秸秆总量约8 900万吨,水稻秸秆总量约3 800万吨,占东北三省作物秸秆总量的90%以上,而3种作物种植面积依次为玉米、水稻和大豆（图1）。玉米在实行市场化收购与补贴新机制背景下,与2015年相比,2016年东北地区玉米播种面积有所下降,水稻面积提升,旱改水面积持续增加,秸秆总产出量基本保持在13 000万吨左右。图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图1近20年东北三省主要粮食作物种植面积和作物产量（1996—2016）
Fig. 1The cultivated area and yield of main crops in Northeast China (1996-2016)
东北地区秸秆资源存在明显地域性特点（图2）,总体来看,20年间三省秸秆总量呈现波动式上升趋势,其变化和玉米产量波动范围基本一致,黑龙江省由于水稻面积从2005年开始有增大趋势,因此秸秆的总产出量在后10年受玉米和水稻的影响较大,而吉林、辽宁的秸秆总产量整体受水稻、大豆种植生产的影响较小;辽宁、吉林、黑龙江三省的秸秆主要以玉米和水稻大宗粮食作物为主,20年间随着机械化程度和农业生产力提升,作物产量和秸秆产生量整体呈上升趋势。其中,2016年黑龙江省秸秆产生量表现最高,约占东北地区秸秆总量的65%。黑龙江省从1996年开始,水稻、玉米产量基本稳步上升,至2006年,玉米产量增加23.9%,水稻产量增加79.6%。2006—2014年,玉米产量有所下降,而水稻产量保持平稳上升趋。2014年后,玉米、水稻产量均呈持续上升趋势,至2016年,玉米、水稻产量分别比2006年增加94.9%、91.2%。大豆产量20年间表现平稳,呈缓慢上升趋势。秸秆总体产生量保持快速增长趋势;吉林省,玉米产量从2000年开始,呈持续快速上升趋势,而水稻产量总体缓慢上升,大豆产量表现平稳。至2016年,玉米和水稻秸秆分别占秸秆总量的80.5%和17.2%,秸秆产生量基本与玉米产量变化趋势一致;辽宁省,玉米产量呈波动式上升趋势,水稻产量缓慢上升,大豆产量平稳,秸秆总体产生量相对较少。至2016年,秸秆总产生量为2 300万吨,玉米、水稻秸秆分别占秸秆总量的75.1%、23.0%,20年间辽宁省秸秆产出量变化趋势与吉林省相似,以玉米和水稻大宗作物为主,辽宁、吉林省这两种作物的秸秆产生量均占秸秆总量的95%以上。
图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图220年东北三省主要粮食作物产量和秸秆总量分布（1996—2016）
Fig. 2The straw and yield of main crops in Northeast China (1996-2016)
1.3 近20年东北地区秸秆资源化可利用状况及产炭潜力估算
东北三省秸秆可回收量情况（图3）表明,1996—2016年东北三省秸秆可回收总量保持在700—2 200万吨,呈波动式上升趋势,与玉米秸秆增长趋势基本一致。2016年,东北地区主要作物秸秆可收集利用总量为2 100万吨,与1996年相比,增长112%。其中,玉米和水稻秸秆可收集利用量分别为1 600和300万吨,玉米秸秆占到71%。与2015年相比,2016年玉米秸秆可回收增长量显著减缓,这可能与国家农业农村部对农业种植业结构的调整、优化有关。图3
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图320年东北三省主要粮食作物秸秆可回收量（1996—2016）
Fig. 3The recoverable straw distribution of main crops in Northeast China (1996-2016)
根据20年东北三省主要粮食作物可回收量的统计数据,以年份差为因变量X（预算年份为1996年）,预算年份的秸秆可回收产量为自变量Y,进行了拟合方程比较（指数、线性,幂函数,一元二次函数等）,依据回归系数选取了线性回归方程为估算模型（Y=38.524X+1230.1）。依此趋势估算,至2020年,东北主要粮食作物（水稻、玉米、大豆）的秸秆可回收量将达2 193万吨。若将上述可回收利用秸秆进行炭化,按照平均出炭率约35%计算[6, 13-15],2016年东北三省秸秆生物炭的产出潜力约为735万吨,至2020年,产炭潜力估算可达768万吨。
上述研究结果表明,东北地区秸秆可回收资源量及产炭潜力巨大,东北秸秆生物炭产业发展具有“大量、稳定、可持续”的原材料来源,具备丰富的资源基础条件。
2 秸秆炭化技术及还田理念
2.1 秸秆炭化技术
秸秆炭化技术一般指采用厌氧或缺氧干馏等热解炭化技术,在亚高温条件下（<700℃）将秸秆等农业废弃物制备为富碳产物[7, 12]。在炭化过程中,植物体的纤维素、半纤维素等线性高分子聚合物的C-O-C、C-C键等发生降解,而木质素由苯基丙烷结构单元以C-C和C-O-C键链接成复杂的芳香族聚合物,在受热断裂后形成含苯环自由基,与其他分子或自由基发生缩合反应而生成结构更为稳定的大分子,进而形成炭。炭化过程一般包括半焦芳化缩聚、重整、石墨化,深度脱H和O,依次析出CO2、CO、CH4等过程。一般将热解炭化过程分为4个阶段,即“脱水、热解、石墨化、碳化”,温度分异点分别为250℃、350℃和600℃。在第一阶段,主要是脱水过程和纤维素的轻度解聚。在250—350℃,纤维素完全解聚,伴随着物质损失和无定型碳阵列的形成。其中,在330℃时可观察到芳香碳,高于350℃时,多聚芳香环构成的类石墨片层结构开始在无定型碳阵列的基础上生长。温度高于600℃时,碳化过程开始,非碳原子开始析出片层,石墨结构继续侧向生长,趋于稳定[7, 8, 13-14]。不同研究者所采用的制炭原材料、炭化条件、工艺设备等存在较大差异,导致其研究结果不尽相同。但研究普遍认为,炭化温度、升温速率、停留时间及反应釜规格、预处理手段、气氛控制等工艺参数,是决定生物炭结构及理化特性的主要因素,直接影响生物炭的使用量、应用范围和作用效果[6, 12, 15]。
2.2 秸秆炭化工艺设备
秸秆生物炭的炭化效率、产能及品质取决于炭化工艺设备。根据产能、样式、功能等,炭化设备可分为小型、中型、大型（多联产）,固定式、组合式、可移动式,以及立式（塔式）、卧式等多种类型。国际上,欧美、澳大利亚等国家的炭化工艺设备,多适于大型农场,其产品多应用于高附加值作物,生产系统和设备较为复杂、昂贵,综合生产成本较高,并不适合我国农业国情。而在国内,经过我国专家努力,基于不同生物质种类的秸秆炭化工艺设备已经取得突破性进展。针对秸秆密度小、体积大、质量轻等特点,陈温福院士提出了“分散制炭与集中制炭”相结合的炭化技术解决方案,先后研发出低成本简易炭化炉、可移动组合式环保炭化炉、大型“炭-油-气”多联产设备等多类型、多用途制炭设备,获得了相关国家发明专利并投入市场应用。研发的低成本、可移动式炭化设备,可布置于田间地头,实施简单、机动灵活,无需电力即可炭化,适于分散型秸秆资源,形成分布式制炭网络,从而彻底打破秸秆收储运“瓶颈”问题,使大规模制炭成为可能。而大型多联产设备,则适于交通便利、秸秆资源相对集中的地区,可实现生物炭规模化、批量化生产和炭、油、气的联产联用,显著提升秸秆综合处理效率和量级,是目前国内外少见的以秸秆处理为主、“不挑料”,可实现多类型秸秆“集中、连续、稳定”炭化生产的设备,得到了市场高度认可（图4）。图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图4一种组合式秸秆炭化多联产设备
Fig. 4A combined co-production equipment for straws carbonization
值得关注的是,目前市场上的炭化设备还存在诸多乱象,“炒作概念、以次充好”等现象时有发生,普遍存在“普适性差、效率低、不能连续稳定作业”等突出问题,生产标准混乱、产品质量良莠不齐,不仅严重扰乱了市场秩序、损害了行业形象,也给使用者带来了严重经济损失。市场上一些宣称“通吃”的炭化设备,其实仅适于“果壳类”等特定生物质,难以实现秸秆类生物质的“批量、连续、稳定”炭化生产,综合生产成本较高。客观的说,目前市场上真正可投产运行,实现秸秆“连续、稳定”运行和“低本、高效、环保”的炭化设备依然很少。未来,在炭化设备的“低本高效、集成化、自动化、智能化”及油、气分离关键技术等方面还有待进行深入研究与探索。
2.3 秸秆炭化还田理念
在我国,由陈温福院士率先提出了“秸秆炭化还田”技术理念,其本质是“以秸秆等农林废弃物为原料,采用简易炭化工艺技术制备生物炭,再以生物炭或炭基肥、炭基土壤改良剂等产品形式返还给农田,使耕地质量及生产力得以持续提高、永续利用的技术”,陈院士带领团队创建了“农林废弃生物质炭化综合利用”理论与技术体系,为我国生物炭研究、开发与应用起到了奠基和重要推动作用。秸秆炭化还田理念的提出,为秸秆炭化的本质、目的和属性指明了方向。诸多研究表明,秸秆等生物炭具有改土培肥、固碳减排、促长增产等多重功效[12, 16-20],对东北黑土、棕壤、白浆土等主要土壤结构、物理及化学特性具有明显改良效应,可促进水稻、玉米、大豆、马铃薯等作物生长发育和增产提质[21,22,23,24]。这些研究结果不仅明确了秸秆炭化还田的基本效应,还从时间、空间、使用量、应用效果等多方面证实生物炭具有一定累积效应[21, 25-28],这表明在现行农业生产制度和条件下,秸秆炭化还田是完全可行的,且对农业可持续发展具有重要现实意义。秸秆炭化还田符合农业生态系统物质循环规律,变“碳”为“炭”、以“炭”锁“碳”、补炭（碳）减氮（肥）,实现了“固碳、改土、减肥”等多效并存,在秸秆、环境、耕地永续利用与粮食安全之间架起了一座“绿色、循环、可持续发展”的“桥梁”,可能为战略性解决我国农业发展问题提供重要技术支撑。3 东北地区秸秆生物炭产业发展条件及潜力
3.1 耕地广袤、秸秆资源丰富
东北是我国重要农业生产和商品粮供应基地,这决定了东北农业发展的首要任务,即要优先满足“大粮仓”的基本生产需求,保障耕地数量与质量“红线”。稳定的耕地生产资源是保障粮食生产的关键,同时也为丰富的秸秆资源产生奠定了重要基础条件。东北农业耕地生产以玉米、水稻等大宗作物为主,据粗略保守估算,至2020年东北大宗作物的秸秆可收集资源量就将达到约26 000万吨,而且这一数字还将伴随产量增长而快速提升。大量稳定、可持续的秸秆资源,为东北秸秆生物炭产业发展提供了重要原材料基础和保障,基础资源条件与发展优势良好。3.2 生产条件得天独厚
在长期的农业发展历程中,东北地区形成了规模化、集约化程度相对较高的农业生产布局,大型农场、合作社等生产单位众多,秸秆资源相对集中,交通路网、农业机械化程度等较为发达,这为生物炭产业发展提供了良好的地理条件与生产优势。特别是,与南方一年多季茬口紧、抢收与晾晒时间短、收储时间紧等不同,东北作物种植为一年一季,生长周期相对较长,这为收获后的秸秆晾晒提供了天然“大晒场”,从而解决了秸秆大量、集中收储所必需的“时间与空间”难题。自然风干后的秸秆水分含量少、质量轻,减少了物料运输、烘干处理等收储和处理环节成本,为集中炭化提供了重要基础条件。3.3 产业关键技术成熟
产业技术是制约产业布局与发展的关键,东北生物炭产业技术起步早、发展快。早在2005年,陈温福院士即开始了有关生物炭的基础研究工作,经过不断探索、发展与实践,已在“秸秆收储、炭化制备、生产加工、产品开发及综合利用”等产业技术方面取得了重要进展和突破。在秸秆收储方面,针对东北秸秆资源特点及产业化需求,沈阳农业大学与辽宁金和福农业科技开发股份有限公司在充分考量作物生产、农机农艺及炭化生产需求基础上,研发了炭化专用秸秆捡拾打包机,其特点是秸秆收集效率高、打包（捆）压力大,体积小、方便运输,无需二次拆包即可炭化,使秸秆制炭成本降低、炭化效率提高,为解决原材料供应难题、突破秸秆收储运“瓶颈”,提供了重要技术支撑;在炭化工艺设备方面,通过与企业联合技术攻关,已开发完成大、中、小型兼具,固定与移动式并存,分散与集中制炭兼顾的炭化工艺技术与装备,相关产品已获得国家发明专利并应用于产业实践;在炭基产品开发与应用方面,开发完成包括炭基专用肥、炭基土壤改良剂、炭基育苗基质、炭化生物质煤等系列生物炭产品,获得多项产品发明专利并推向国内外市场。目前,覆盖全产业链条、满足多样化市场需求的产业技术已基本成熟,为生物炭产业健康、稳定发展提供了重要技术支撑。3.4 产业市场潜力与空间大
农业领域,秸秆炭化还田可突破传统秸秆还田的环境条件局限,并充分发挥改土培肥、减肥增效、促长增产、削减污染等多重功效。特别是以系列炭基肥料产品为载体的秸秆炭化还田,“低碳、环保、高效”,具有广阔的市场发展前景。秸秆生物炭产业发展,可能为解决东北黑土退化,土壤酸化、地力下降等农业生产突出问题,提供具有针对性,全面、综合、有效的技术解决方案,在耕地质量提升及中低产田改造等过程中发挥重要作用;环境领域,生物炭作为一种载体吸附材料,可吸附土壤、水体中重金属和养分离子,以及农药等有机污染物等[29,30,31,32,33,34,35],具有“成本低、环保、高效”等特点,为以“秸秆综合利用”为基础,实现“低本高效、环保安全、简便易行”的环境污染治理模式,提供了一条重要、可行性新途径。秸秆生物炭产业发展,将在东北防控农业面源污染、盐碱地改造、削减重金属污染等生态环保领域催生新机遇,撬动巨大市场潜力和发展空间;能源领域,秸秆热解炭化过程中产生的生物炭可制备为“成本低、清洁环保、热值高”的炭化生物质煤,替代传统燃煤进行供热供暖,而经净化、提纯后的混合可燃气,可直接与供暖系统设备对接,用于提供清洁热源,具有“成本低、清洁、无污染”等特点,可在一定程度上解决东北冬季供暖问题。秸秆“炭-气”联产联用技术模式,在广大城镇、乡村具有广阔的发展潜力与空间,一方面可解决棘手的秸秆焚烧、处理难题,另一方面可为冬季供暖提供“低碳、清洁、环保”的替代新能源,有利于减少环境污染、促进农村经济发展,助力扶贫攻坚,推进新农村建设。生物炭技术原理、来源及实现过程,具有明显的“固碳减排”特征,主要在两个方面:其一,秸秆炭化过程本身即是一种“碳负”过程,避免了燃烧产生的CO2等温室气体排放,实现了变“碳”为“炭”;其二,秸秆炭化还田后,其含有的C元素参与土壤碳库组成,是农业生态系统碳汇的重要来源[7, 12],实现了以“炭”锁“碳”。另外,一些研究也表明生物炭在施入土壤后可减少N2O、CH4等温室气体排放,具有一定减排作用。据WOOLF等[36]测算,在不危及人类粮食安全、生存环境及土壤保护的前提下,由于生物质炭化每年减排的温室气体潜力可达目前人类温室气体排放总量的12%,生物炭技术被认为是应对和解决全球气候变化问题的重要、可行性技术措施之一[7],将可能成为全球碳排放交易的重要平台。目前,全球性的碳排放交易已全面展开,秸秆炭化技术很可能为我国争取碳排放交易市场份额,提升全球碳排放市场“话语权”提供重要新途径。据保守估算,仅从减排角度,若将秸秆炭化还田,至2020年可减少碳排放1 966万吨,按照一般性碳排放市场价格9.5美元CDM计算[37],可实现减排价值超过18.677亿美元。无疑,这一市场潜力与空间是巨大的。
3.5 产业发展环境良好
纵观多年来的政府一号文件,国家始终将农业、农村发展放在突出位置。与欧美等国家不同,我国人均占有耕地资源少,粮食供需始终处于紧平衡状态,提升耕地生产力是确保国家粮食安全的关键。在此背景下,实施大规模秸秆炭化还田便成为一种现实选择。生物炭产业建立在“废物利用、物质循环、持续发展”基础上,致力于维持农业生态系统平衡,促进“土壤-环境-作物”和谐共生、永续发展,是迄今难得的全面契合“低碳、环保、可持续”、“绿水青山”、“乡村振兴”等国家重大发展战略的新兴产业。特别是国家实施“东北振兴”、“乡村振兴”等重大发展战略规划,为生物炭产业发展创造了重要历史机遇。近年来,国家相继出台了一系列具体政策措施,如2008年国务院办公厅“关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见”（国办发[2008]105号）,2015年国家发改委“关于进一步加快推进农作物秸秆综合利用和禁烧工作的通知”（发改环资[2015]2651号）,2017年农业农村部“东北地区秸秆处理行动方案”（农科教发[2017]9号）等等。此外,辽宁、吉林、黑龙江也出台了一系列专项地方措施,为秸秆生物炭产业带来了良好发展机遇。综上,东北秸秆生物炭产业在资源基础、产业技术、市场空间、政策环境等方面具有良好的发展条件、空间与潜力,全面契合国家、地方发展战略,为解决秸秆焚烧、综合利用及耕地质量下降等关键问题提供了重要“突破口”,是“功在当代、惠及子孙”的公益性、战略性新兴产业。
4 东北秸秆生物炭产业模式
生物炭产业是涵盖秸秆等原材料收储运、炭化制备、产品开发与应用、市场推广及贸易等诸多环节,涉及收储、生产、加工、制备、开发、应用、推广等过程要素,层级、分工、职能不同的相关产业链条的集合和总称,具有“产业链长、覆盖范围广、交叉领域多”等特点。一般将生物炭产业分为上、中、下游产业,即上游产业,为秸秆等废弃生物质收储运产业,包括原料收集、运输、存储、加工处理等;中游产业,为炭化制备产业,包括炭化工艺技术及装备等;下游产业,主要为炭基产品的开发与应用产业,包括炭基产品的设计、开发、制备、应用及炭化副产物深加工等。东北地区秸秆资源种类丰富,但不同区域在秸秆可收集程度、地理条件、交通运输及经济发展水平等方面存在较大差异。作为新兴产业,不存在“一刀切”的产业模式,应因地制宜、突出重点、灵活选择。经实地调研、专家论证,结合农业资源、产业技术、企业运营、产品应用及市场推广等条件与现状,根据产业链条的独立性、功能性和承接性,总结、提出了基于全产业链的东北秸秆生物炭产业发展模式。
4.1 上游产业——秸秆收储运产业模式
秸秆收储运是生物炭产业“入口”,秸秆收储运的规模、效率是制约生物炭产业发展的关键因素之一。东北地区除农场及农业生产合作社外,多以家庭联产承包制为主,秸秆资源相对分散,秸秆收储运普遍存在“收集难、储运难、成本高”等突出问题。因此,在产业化实施过程中,必须打通秸秆收储运“最后一公里”,打破秸秆“结构性、季节性、区域性”条件限制,建立“稳定、高效”的秸秆收储、流通和运输机制,彻底解决制约秸秆收储运产业发展的关键问题。目前,主要存在以下几种形式的秸秆收储运产业模式。4.1.1 农户—企业模式 主要以农户为主体,在其所拥有的秸秆资源范围内,由农户完成秸秆收储运工作,企业负责定向收购。该模式适用于秸秆资源分散程度高、收集难度大、运输半径小,机械化收储条件差,炭化网点/企业覆盖度较高的地区。
该模式中,农户是秸秆生产、收集和处理活动的主体。对于秸秆资源分散,不适于机械化操作的地区,以农户作为收储运主体,灵活、简便、机动,有利于发挥其自有资源优势,“以点带面”实现分散资源整合。一般在作物收获完成后,由农户根据其时间、地点、人力等条件,自行安排完成秸秆收割、打捆、离田装运等环节,并组织人力、机械等就近运输至秸秆收储点或炭化网点/企业。在具体实施过程中,一般由单体农户或农户联合体（若干农户合作）完成秸秆的收储运,企业（炭化网点/临时收储点）主要负责秸秆计量、收储、加工处理等方面的工作。目前,平均收购价格一般在200—300元/吨,收购、交易方式可采用“以物换钱、以物换物”等多种形式,农户可根据需要灵活选择现金或物品（肥料、农资）等销售回报。
该模式优势是简单易行、机动灵活,减少二次装运及存储成本。对农户方,可获得一定收益,有利于调动其积极性,以点带面解决秸秆回收利用难题。对于企业方,可减少秸秆收储运机械、人力等方面的投入,但在部分地区收购成本相对较高。目前,受限于收购成本、机械、交通、人力等因素,该模式的实施范围和收储规模还相对较小,多与其他方式并存。
4.1.2 企业—农户模式 主要以企业为主体,一般由企业与农户、村屯或乡镇等签订“订单”式秸秆回收协议或合同,并作为实施主体组织人力、专业机械进行秸秆的集中捡拾、打包、打捆、装运等收储运作业活动。该模式适于秸秆资源相对集中、运输半径相对较大（<50 km）,交通、机械化操作便利的地区,一般企业规模相对较大。
该模式以企业为中心,一般由企业根据年度生产计划、市场供需、产品销售等情况,在一定运输半径覆盖区域内,提前与农户、专业合作社或村屯、乡镇等签订“订单式”协议或合同,在秋季收获后根据协议、合同内容,统一组织人员、设备等进行秸秆集中收集、打捆（打包）、运输等作业活动,收储后的秸秆统一管理、存放,用于炭化原材料储备。收储运完成后,根据协议或合同由企业统一以“现金或物品”等形式支付有关费用。该模式优势是企业可根据生产计划进行弹性收储,利于提高企业生产效率、降低生产成本,克服原料供应难等问题,而对于农户而言,省事、省时、省力,并可能获得一定收益,秸秆处理意愿、积极性提高。该模式运行条件下,企业虽增加了部分秸秆收储运的人力、设备和资金投入,但总体收储成本下降,“规模、集约化”生产效益提高。目前,这种企业“订单式”秸秆回收模式,是较大型从业企业普遍采用的方式之一。
4.1.3 农户—专业组织/经纪人—企业模式 以第三方专业组织/经纪人为主体,组织资金、人力、机械等专业化的收集、收购、销售团队,分别对接农户与企业,作为第三方独立完成秸秆收储、运输等有关工作。该模式适于上述两种模式不宜推行的地区,是目前正在探索实践和发展的主要模式之一。
以农户或企业为主体的秸秆收储运模式,需要农户或企业的主体投入,难以兼顾实现双方效益的最大化。因此,引入第三方承接双方需求、实现效益最大化,便成为一种现实选择。专业组织或经纪人,可在不占用企业、农户有关人力、设备、资金等资源的同时,承接农户和企业双方需求,利于提高企业、农户生产效率,实现互利共赢。在实施过程中,一般由专业组织或经纪人根据农户秸秆资源量、企业生产需求、市场供需等情况分别对接企业与农户,与企业、农户（或村屯、乡镇）等分别签订定向销售或收购合同。在企业端,专业组织/经纪人独立组织开展秸秆的收储并运输至企业指定地点,由企业根据检验标准以市场价格定向收购相关秸秆。在农户端,由专业组织/经纪人与农户（或村屯、乡镇）等签订秸秆定向回收合同,根据自有资金、人力、机械等条件,组建包括人力、机械设备（收集、打包、装卸、运输）、临时收储站点、销售等不同职能的秸秆收储运专业团队,对合同约定区域内的秸秆进行集中捡拾、打包（捆）作业,集中装运至收储站点,达到一定数量后发运至企业指定地点,完成秸秆由“农户（农田）—企业（工厂）”之间的所有工作。在目前严格的“秸秆禁烧”高压政策下,专业组织/经纪人形式的秸秆收储运相对灵活,回收价格相对较低。该模式适用范围广、形式灵活,可充分解决农户与企业双方面临的实际问题,提高秸秆收储运效率,实现秸秆收储运产业“规模化、集约化”发展,带动就业、拉动区域经济增长。对于农户,最大程度减轻了秸秆处理压力,省事、省力、省工,农户秸秆收益和主动处理的积极性提高。而对于企业,减少了秸秆收储运有关的人力、机械等成本,利于保障原料生产供应,集中精力发展生产,提高效率、降低成本。
目前,该模式已在一些地区得到了成功运用,但也存在一些问题和不足。首先,从“盈—亏”平衡来看,专业组织/经纪人的收储运成本与售价基本在同一区间内,利润空间相对较小,利润来源在很大程度上依赖于政府补贴,自主赢利及抗风险能力较弱。其次,政府相关法律、法规不健全,扶持力度不够,在资金、场地、运输等方面的专项政策支持不足,“木桶短板”效应依然存在。此外,秸秆收储运体系建设不完善,收储站点少、运营艰难,专业组织/经纪人多处于“单兵作战”状态,规模化、集约化组织优势未充分发挥等,在一定程度上制约了该模式的发展。
综上,秸秆收储运产业发展,“农户是基础,企业是关键,政府是推手”,在模式选择上应坚持“因地制宜、多模式相结合”,使农户受益、企业增收。作为一项公益性产业,政府应推动建设完善的秸秆收储运体系,变“禁、罚”为“补、奖”,以“政策支持、资金补贴”撬动产业发展,以“规模化、集约化”提高组织运行和收储、流通效率,建立覆盖“生产者、用户、组织、场地、资金、市场”等全方位、多角度的专项政策支持,彻底打通秸秆收储运“最后一公里”。通过秸秆收储运产业实施,盘活秸秆存量资源,充分调动各方参与的积极性,使秸秆“资源拥有者、产业参与者、企业生产者、产品使用者”受益,从根源上破解秸秆焚烧、离田处理等难题,带动区域就业和经济、社会发展。
4.2 中游产业—秸秆炭化制备产业模式
炭化制备是生物炭产业发展的核心与关键。基于生物质资源种类、数量、分布、差异及产业化发展的现实条件与需求,陈温福院士提出了“分散制炭与集中制炭”兼容并蓄的秸秆炭化制备产业模式。4.2.1 分散制炭模式 分散制炭模式,一般指在秸秆产地就地、就近制炭,集炭异地深加工,通过相对分散的制炭生产网络降低运输成本,实现秸秆大规模炭化制备与应用,其核心是改变运输模式,将运“秸秆”变为运“炭”,从而大幅降低运输成本、提高制炭效率,最大限度减少秸秆收储运环节成本。
该模式适于秸秆资源相对分散的地区,一般在一定区域范围内,以村、屯为单位设立炭化网络基点,在各基点内完成秸秆就地、就近炭化,再将生物炭由各基点运往工厂,打破分散型秸秆资源的炭化“桎梏”,形成由点及面的制炭网络,提高秸秆炭化生产效率及规模。实施过程中,一般由企业与村屯或乡镇等签订“订单式”合同,由企业提供设备组装、技术培训、调试运行等生产条件,回收生物炭并支付相关费用,村屯或乡镇负责组织人员、场地等运行条件。分散制炭的关键在设备,该模式一般选用中小型、可移动式炭化设备,便于“机动、灵活”处理分散秸秆资源。在陈温福院士带领下,沈阳农业大学率先研发出可移动、环保组合式炭化炉,并获得国家发明专利。该设备优势为炭化效果好,不易发生过火或欠火。原料适应性好,适于多种生物质原料的炭化。装置可移动,不受距离、范围限制,满足就地炭化需求。无需电力等能源消耗,生产成本低。设备安装简单、操作简便。目前,该设备已在炭化网络基点得到成功应用,为彻底解决分散型秸秆资源炭化问题,提供了重要设备技术基础。
采用分散制炭模式,企业可大幅减少原料收储运、炭化成本,保障生物炭产品的原料供应,提高生产效率,农户则大幅度减少了秸秆收储运投入,并可获得一定收益。该模式的产业化组织、运营,将为农民提供一定灵活的就业岗位,增加农民收入。
4.2.2 集中制炭模式 集中制炭模式,一般指在秸秆资源相对集中的地区,采用大型炭化设备进行“集中式、规模化”的炭化制备,满足大量秸秆炭化的现实需求。该模式主要适于秸秆资源集中、交通运输便利,炭化技术装备相对成熟的地区。集中制炭的前提是原材料供应充足,设备炭化效率、产能较高,一般企业生产规模相对较大。
该模式主要以企业为主体,采用大型炭化设备,实现秸秆资源规模化、集中处理。所采用的大型设备按产出形式一般分为批式和连续式。批式设备一般采用传统炭化工艺,设备相对简单、成本低、易实施,但产能有限,不能实现连续性生产。连续式设备一般工艺技术相对复杂,可连续、稳定运行,炭化效率相对较高、产能较大,可实现生物质“炭、油、气”联产联用,是当前乃至未来炭化设备发展的主要方向。
集中制炭模式,利于为企业提供充足的生物炭材料来源,提高炭化效率,促进秸秆资源规模化、集约化利用,带动区域经济和社会发展。
不同地区的秸秆资源呈多元化趋势,应因地制宜、兼容并蓄的采用与本地区相匹配、适宜的炭化模式,科学预测、评估资源存量,选择合适的炭化设备,从而实现秸秆资源的高效化利用。
4.3 下游产业—炭基产品开发与应用产业模式
4.3.1 “炭-肥”利用模式 一般指以生物炭为原料,开发制备为炭基肥料产品,以“肥料化”的产品形式应用于农业生产实践（图5）。生物炭基肥一般以生物炭为基础或载体,根据土壤与作物的养分供求规律,采用物理、化学、微生物学等技术手段或方法,将生物炭与其他化学肥料或有机物料、微生物菌剂等进行科学混配,开发而成的具有广适、专用或特定功能的新型肥料产品。炭基肥的功能核心:一是以“炭”固“碳”,提高土壤有机质含量;二是以生物炭调控土壤酸碱度及水、热、气条件,改良土壤结构及物理特性;三是发挥生物炭吸附特性,通过吸附、固持等作用聚合土壤养分,形成“微域肥力”及“微生物活动”中心,提高土壤肥力水平。通过物理、化学、微生物等多途径,创造有利于作物生长的土壤微生态环境条件,从而达到改土培肥、促长增产的目的。生物炭的肥料化应用,以“轻简化”方式实现秸秆炭化还田,低碳、环保、高效,经济、生态和社会综合效益良好。目前,市场上的炭基肥主要有炭基复混肥、炭基有机肥、炭基生物肥等,不同肥料的成分组成、功能特性及应用对象不同。图5
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图5炭-肥利用产业模式
Fig. 5Biochar-fertilizer industrialization mode
炭基复混肥一般以生物炭为基础,根据土壤与作物养分需求特点,结合测土配方技术,采用物理、化学方法,将生物炭与其他化学养分复合/复混的一种肥料。该肥料具有改土培肥、养分利用率高、促长增产等效果,可在减少化学肥料、人力投入等基础上,实现产投比及经济、生态效益最大化。
炭基有机肥一般指以生物炭为主要原料,通过粉碎、混合、堆沤等处理过程,将生物炭与秸秆、畜禽粪便等其他有机物料充分混合/耦合而制备成的一种肥料。该肥料的特点是,可规避传统有机肥“用量大、起效慢、不可控,与作物养分需求脱节”等生产现实问题,并发挥“缓释、促生、培肥”等多重功效,可在绿色、生态、有机农业生产中发挥积极作用。
炭基生物肥一般指以生物炭为载体,混合、培养、定殖其他功能性微生物菌剂及有机物料,通过工程化扩繁等方法制备而成的一种微生物肥料。炭基生物肥可充分发挥功能微生物的“活化、促生、固氮、解磷钾、抗逆”等活性功能,提高土壤养分释放及作物生理功能,促进作物生长、产量和品质提高。目前,市场上实际推广应用的炭基生物肥还较少,有待进一步开发。
近年来,陈温福院士团队完成了覆盖“多地域、多作物、多功能”的系列炭基肥研发工作,已进入市场化推广应用阶段。多年、多作物、多地区的生产实践表明,系列炭基肥料可在不同程度上降低土壤容重、改良土壤结构、提高土壤肥力,促进玉米、水稻、大豆、马铃薯、花生等作物早发快长和增产提质,同时减少化肥及农药使用量,提高土壤可持续生产力。
目前,炭基肥系列产品已经得到越来越多市场与用户的高度认可。但从实际发展来看,由于标准、体系、监管的缺失和不完善,偷换概念、假冒伪劣、噱头性产品还在一定程度上充斥市场,严重扰乱市场秩序,也给相关企业、用户等带来严重经济损失。因此,应制定规范、加强监管,形成“公平、有序”的市场竞争环境,促进炭基肥产业健康、稳定发展。
4.3.2 “炭-土壤改良剂”应用模式 一般以生物炭为主要成分,根据土壤障碍因子和改良目标,通过材质筛选、工艺优化、改性等技术手段或方法,挖掘生物炭功能特性潜力,获得目标功能炭材料并与其他有机、无机物料科学混配,发挥协同增效作用,从而实现土壤改良/修复。
传统土壤改良技术或产品普遍存在“修复成本高、效果易反弹、次生安全风险高”等不足,难以实现大范围、大面积推广应用。与动辄上万元的土壤改良投入相比,炭基土壤改良剂具有其他改良材料或技术所不具备的优势。一是,原材料来源广、成本低、可再生;二是,功效稳定、可持续、不易反弹。生物炭具有高度稳定性,可在土壤中长期存在并发挥持续作用,材料需投入的数量、周期、次数大幅减少,成本显著降低;三是,次生生态安全风险低、综合效益高。生物炭可通过物理、化学、微生物等多种途径发挥作用,其效应是综合性的,避免了单一环境条件突变而造成的生态失衡与风险增加。
利用生物炭制备炭基土壤改良剂,可能为解决土壤退化,酸化、盐渍化,农业面源污染、重金属污染及农药残留等农业生产现实问题,提供重要、可行性新途径（图6）。但客观来看,鉴于土壤障碍、污染等成因的长期性、特殊性与复杂性,以及土壤类型和施用时间、方式、用量等条件不同,尽管正向效应显著,但从市场化、工程化应用角度,仍需持科学、谨慎态度,在重复、可靠的前期试验基础上,才能进行工程化推广应用。
图6
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图6炭-土壤改良剂应用模式
Fig. 6Biochar-soil amendment industrialization mode
4.3.3 “炭-气”联产能源化利用模式 东北冬季漫长寒冷、供暖期长,燃煤需求量大。长期以来,除城镇采用燃煤集中供暖外,农村多以秸秆、薪柴、散煤等为主要燃料,采用火炕、火炉、土暖气等分散方式取暖,能源效率偏低、污染物排放较高。因此,如何兼顾城镇与乡村供暖需求,发展“清洁、环保”型替代新能源,已成为东北能源结构调整的重要问题。
该模式以生物质炭化多联产技术为核心,以高效“炭-气”联产为主要目标,突出炭、气利用最大效能,实现“低碳、清洁、环保”能源化利用。一般在生物质热解炭化过程中,采用特定调控技术,调节固、液、气相产物比例,使炭、气产出最大化,产出的炭可加工制备为炭化生物质煤,用于日常生活能源及供暖燃料,产出的气可经分离、净化、提纯后直接与锅炉等供暖设备对接,用于冬季供暖。
根据东北农村经济、社会发展现状,结合城乡供暖的差异与需求,调研总结、提出两种适用不同条件的“炭-气”能源化利用模式（图7）。
图7
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图7炭-气联产能源化利用模式
Fig. 7Biochar-gas co-production energy utilization mode
（1）“炭-气”循环供热模式
适于以村、屯为主的农村清洁供暖。由于农村秸秆资源丰富,可就地、就近取材,以村、屯为单位进行秸秆炭-气联产、循环供热,不仅可减少秸秆焚烧及离田处理压力,也可在一定程度上解决农村冬季供暖和日常生活能源问题,有力促进秸秆资源“清洁、环保、高效”利用,打造“低碳、美丽”新农村。
该模式一般以村、屯为单位,采用较大型炭-气多联产设备,在收获后将村、屯范围内的秸秆集中收储,拟定供暖方案后进行分批、定期炭化处理。热解炭化产生的生物炭,制备为炭化生物质煤,具有强度高,储藏、运输方便,残渣少、重量轻、热值高等特点,可替代传统燃煤、天燃气等不可再生能源,用于分散供暖及日常生活能源等;炭化产生的气体经净化、提纯后可作为清洁可燃气,直接输送至管道、锅炉系统等用于燃烧供热及生活能源。“炭-气”循环供热模式,将在很大程度上助力解决秸秆焚烧、离田处理等难题,为北方农村供暖提供“清洁、环保”新能源,对推动建设“村容整洁、低碳环保、生态和谐”的社会主义新农村具有重要现实意义。
（2）“炭-气”联产集中供暖模式
该模式一般适于达到一定人口密度的乡镇社区,或学校、医院等企事业单位。一般采用大型多联产炭化设备,通过定向调控技术,以产气为主、产炭为辅。产出的混合气体,经分离、净化、提纯、增压等过程,形成优质可燃气,可直接输入锅炉供暖系统进行燃烧供热。产出的炭,可用于制备炭化生物质煤作为锅炉辅助燃料,或制备为炭基肥进入农业生产系统。该模式简单、实用,清洁、环保,可大幅降低单位面积供暖成本及污染物排放指标,利于促进乡镇级秸秆资源高效处理,减轻环保压力,推动区域经济、生态和社会发展。
4.3.4 炭化副产物综合利用产业模式 秸秆等生物质在热解炭化过程中,除产出固相（炭）和气相（混合气）物质外,还产生木醋液、焦油类等液相副产物,可通过除尘、冷却、脱焦、过滤、分离、净化等过程收集,经深加工处理后可制备为其他产品或工业原料。炭化副产物综合利用,将进一步延伸生物炭产业链条,提高炭化产品附加值,形成多元化产业格局（图8）。
图8
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图8炭化副产物综合利用产业模式
Fig. 8Charring by-product comprehensive utilization mode
（1）木醋综合利用模式
木醋的主要成分为有机酸、酚类、醇类、酮类等物质,含有K、Ca、Mg、Zn、Mn、Fe等矿物质,此外还含有一些小分子物质[38,39,40]。不同材质、炭化温度、停留时间等炭化条件下产生的木醋液,其物质组成、含量、特性等差异较大,一般认为木醋液的成分复杂、变异性大,生产、品质可控性较差。木醋液经分离、净化、提纯等过程后,可制备为化工原料、添加剂等化工产品或原料。
目前,木醋液的综合利用主要集中在[41,42,43,44,45,46,47]:土壤病虫害防治。木醋液喷洒于土壤中可预防立枯病,起到消毒作用,并对部分有害土壤微生物具有一定抑制作用,达到一定浓度后可杀死根瘤线虫等地下害虫,起到防病、抑菌、杀虫的效果;植物生长调节剂。木醋液所含有的小分子、矿质元素等物质,可作为植物生长调节剂促进种子发芽及作物、蔬菜、果树、花卉等生长发育,亦可用于制造叶面肥、杂草抑制剂等;化工与饲料添加剂。木醋液经净化、提纯、精制等处理过程,可作为健康饮料、饲料等的添加剂,用以改善品质、提高营养;食品处理与保鲜。经净化、提纯后的木醋液,可用于火腿、香肠等食品的灭菌消虫。在食品工业生产中,应用木醋液可提高抗霉、抗菌、抗氧化性,延长食品保鲜期;环境除臭剂。将木醋液用于厕所、家畜舍及鱼市场等场所,可以起到良好的脱臭效果。喷洒在公共卫生间等地方,可快速消除异味,并具有一定消毒作用,保持空气清新。精炼后的木醋液还可作为香水等的组分,起到除汗臭、清新剂等作用,提高体表舒适度。
（2）木焦油综合利用模式
木焦油,亦是炭化过程中产生的副产物,其主要成分为木杂酚油,是一种含烃类、酸类、酚类较高的有机化合物,有烟味、具腐蚀性,但柔和度好、耐老化、耐温度高,经提炼、提纯后可广泛应用于各种工业原料。木焦油经提取后形成的脱杂酚油,根据其特性可用于浮选法精选矿物、杀虫剂、溶剂及燃料等化工原料,其中提取的轻油（含有脂族烃、萜烯及高级酮）可用于制作名贵药材及园艺用喷剂,重油（含有脂族烃及芳族烃、高级酮及高级酚）可用于浸渍木材等。此外,木焦油的提取、精炼物,亦可用作消毒剂、防腐剂等[48,49]。
综上,木醋液和木焦油的应用潜力与发展空间大,可进行深加工用于多领域、多用途的化工原料、添加剂或其他技术产品。但值得说明的是,在秸秆等生物质炭化过程中,木醋、焦油的产量还相对有限,进行工业化集中收集、处理、深加工的设备生产成本还相对较高,处于初级开发阶段。实际炭化运行过程中,一般采取在初步收集处理后,统一交付、销售给其他专业化工厂进行处理。目前,已有技术突破热解炭化固、液、气相产物的分离、收集“瓶颈”,木醋、焦油可全部回收利用,实现循环利用和“零”排放,解决了炭化副产物回收处理难题。
5 东北地区生物炭产业发展战略
5.1 基本原则
基于东北地区的基础条件与资源优势,农业生产定位和经济、社会发展水平,认为东北生物炭产业发展应遵循以下基本原则:（1）坚持“低碳、循环、可持续”指导思想,以大宗农业废弃物的资源化炭化利用为主,因地制宜采用多种模式相结合,实现秸秆等废弃生物质的大面积、规模化、资源化处理与高效利用。
（2）优先以农业领域应用为主,环境、能源领域为辅,以培育和提升耕地质量,改造中低产田,缓控土壤退化,提高耕地与作物可持续生产力为主要方向。
（3）统筹经济、生态和社会效益最大化,适时、适地开展“规模化、集约化、多元化”的秸秆炭化还田工程化和产业化实践。
（4）以保障粮食安全为宗旨,以农业可持续发展为导向,突破产业关键技术“瓶颈”,深入挖掘产业市场内需、潜力与空间,充分发挥产业链条的辐射与带动作用,为促进东北农业、农村振兴提供产业支撑。
5.2 发展战略
东北地区的生物炭产业发展,不仅有国家战略导向的历史机遇,也有农业生产基础、资源与环境条件的现实选择。作为开拓者、先行者之一,东北已在生物炭产业化实施过程中积累了一定丰富理论、技术、应用基础和产业实践经验。但在技术、装备、产品、市场、政策等方面还有待深入完善和提高,基于东北农业生产条件、定位及现状,针对东北生物炭产业发展主要问题,建议如下:（1）加快秸秆收储运社会化服务组织和体系建设,彻底打通产业发展“源头”。
在秸秆集中区分批、集中建设一批秸秆收储站点,解决秸秆收储时间与空间“瓶颈”问题。鼓励、扶持建立专业化的秸秆收储运社会组织或个人,提高秸秆收储运专业化水平。加大政策支持、补贴力度,激发秸秆收储主体的“源动力”,开辟秸秆运输“绿色通道”,对秸秆收储所涉及的土地使用、审批、税收等给予政策倾斜,打通秸秆“运输、流通、交易”渠道,盘活秸秆存量资源。提高秸秆收储运组织、运行效率,以“规模化、集约化”降低成本、提高效率,打破“木桶短板”效应,打通产业发展“源头”。
（2）加强理论、技术与产品创新,突破产业技术关键“瓶颈”。
产业发展的“源动力”在科技,应加强对生物炭基础科学、应用技术、产品开发等方面的研究支持力度,以科技创新引领和驱动产业发展。加强产业技术创新研究,突破秸秆高效收集,低成本、多联产炭化,高附加值产品开发等一些关键技术“瓶颈”,为产业发展提供全面、综合的技术解决方案。组建“稳定、高效”的联合技术攻关平台,为生物炭产业发展提供智力支撑。
（3）加大产业融合力度、深度和广度,加快推进产业科技成果转化“落地”。
目前,很多所谓的“生物炭技术”多流于纸面或处于实验室阶段,很难实现科技成果的转化“落地”。而一些稳定、成熟技术又由于多种原因存在转化壁垒和限制。因此,应打破科技成果转化政策、程序和制度“桎梏”,充分释放科技创新发展活力,让科技真正为产业创新发展服务。破解“技术-市场-用户”共享与发展局限,全方位、深度融合全产业链条,拓宽产业发展路径,扩大产业发展内需,提升产业发展潜力及贡献力,使生物炭产业真正成为“惠民产业”和“朝阳产业”。
（4）激活产业主体,凝聚行业力量,打造领军企业。
产业发展的主体和核心在企业。应多措并举激活、发挥企业在产业孵化、发展过程中的重要“媒介”和推动作用,建立以“科技为引领、企业为核心、市场为导向”的产业发展模式。凝聚行业科技、企业力量,拓展行业发展空间,扶持、打造领军企业,充分发挥示范企业的引领、带动作用。作为新兴产业,政府应针对产业参与主体,在用地、信贷、税收等方面给予专项政策支持,为行业、企业创造宽松、有利的政策和发展环境,激发企业创新发展活力,服务地方经济和社会发展。
（5）规范市场秩序,建立“公平、有序”的市场竞争环境,打造产业集群。
目前,一些假冒伪劣和“噱头性”技术、设备和产品充斥市场,极大干扰、影响了正常的产业市场秩序,政府应规范行业市场行为,加大市场监管、查处力度,建立“公平、有序”的市场竞争环境,推动产业健康发展。以生物炭产业为“核心与纽带”,深度融合产业周边及上下游技术、市场、金融等产业资源与要素,打造优势互补、互联互通的产业集群,提升产业核心竞争力,促进产业市场“繁荣、稳定、可持续”发展。
（6）转变政策导向,变“禁”为“补”,建立补贴、补偿机制,打通产业发展“最后一公里”。
我国政府出台了一系列严格的“秸秆禁烧”管控措施,但在部分地区仍收效甚微,其根本原因在于秸秆“出口”问题未得到充分解决。在政策上,应变“禁”为“补”,充分发挥政策导向作用,调动、激发秸秆处理参与者的积极性、主动性。在资金上,将分散的相关资金、政策凝聚整合为专项政策或基金,加大资金补贴力度,以“经济杠杆”撬动产业发展。此外,生物炭产业的公益性属性和特征鲜明,政府应针对全产业链条,对产业“参与者、生产者、使用者”精准扶持、加大支持力度,建立产业补贴、运输、审批、税收等“绿色通道”,彻底打通生物炭产业发展“最后一公里”。
秸秆生物炭产业发展遵循自然生态系统规律,破解资源与环境承载局限,促进农业资源永续利用,利于实现“物境和谐、丰馈自然”的美好愿景,是一项“功在当代、惠及子孙”的公益性事业、打造“沃土、碧水、蓝天”的战略性新兴产业。
参考文献 原文顺序
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URLMagsci [本文引用: 1]
秸秆还田作为全球有机农业的重要环节, 对维持农田肥力, 减少化肥使用, 提高陆地土壤碳汇能力具有积极作用。秸秆还田主要通过增加土壤有机质和提高氮肥利用率来改善农田生产环境, 获得高农业生产能力。有效的秸秆还田能为土壤中的微生物提供丰富的碳源, 刺激微生物活性, 提高土壤肥力; 同时矿化的秸秆组分能促进土壤氮循环和矿化, 提高氮素有效性。秸秆还田能够促使集约化高氮输入的农田生态系统维持正常的碳氮比例, 减少氮素淋洗损失, 改善土壤结构板结和连作障碍等现象。目前我国农田秸秆还田率不足50%, 与欧美国家高达90%多的秸秆还田率相比, 还具有很大的发展潜力。因此加强我国秸秆还田率能够逐渐改变我国耕地土壤存在的有机质含量和品质下降、氮素损失严重等现象。目前应进一步深入研究秸秆还田对有机质及氮素有效性的影响机制, 并结合长期监测试验, 以及多种秸秆还田技术进行比较研究, 发展适合当地秸秆还田模式, 促进我国农业生态系统的可持续性。
URLMagsci [本文引用: 1]
秸秆还田作为全球有机农业的重要环节, 对维持农田肥力, 减少化肥使用, 提高陆地土壤碳汇能力具有积极作用。秸秆还田主要通过增加土壤有机质和提高氮肥利用率来改善农田生产环境, 获得高农业生产能力。有效的秸秆还田能为土壤中的微生物提供丰富的碳源, 刺激微生物活性, 提高土壤肥力; 同时矿化的秸秆组分能促进土壤氮循环和矿化, 提高氮素有效性。秸秆还田能够促使集约化高氮输入的农田生态系统维持正常的碳氮比例, 减少氮素淋洗损失, 改善土壤结构板结和连作障碍等现象。目前我国农田秸秆还田率不足50%, 与欧美国家高达90%多的秸秆还田率相比, 还具有很大的发展潜力。因此加强我国秸秆还田率能够逐渐改变我国耕地土壤存在的有机质含量和品质下降、氮素损失严重等现象。目前应进一步深入研究秸秆还田对有机质及氮素有效性的影响机制, 并结合长期监测试验, 以及多种秸秆还田技术进行比较研究, 发展适合当地秸秆还田模式, 促进我国农业生态系统的可持续性。
[本文引用: 3]
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DOI:10.1038/447143a [本文引用: 5]
DOI:10.1016/j.geoderma.2018.06.017URL [本文引用: 2]
[本文引用: 1]
DOI:10.1016/S1002-0160(15)30052-7URL [本文引用: 1]
DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2012.23.011URLMagsci [本文引用: 1]
【目的】研究生物质炭对连续两年稻田土壤性质、水稻产量和痕量温室气体排放的影响，为合理施用生物质炭而促进水稻生产可持续的低碳发展提供科学依据。【方法】选择成都平原稻田，2010年布设了施氮与否（0与240 kg N•hm-2）下生物质炭土壤施用（0、20、40 t•hm-2）试验，连续两年观测土壤性质、水稻产量、土壤CH4和N2O排放的变化。【结果】施氮肥条件下，生物质炭连续两年对主要土壤肥力性质表现出改善效应，提高了土壤有机碳、全氮含量和pH，同时降低土壤容重，但对水稻产量影响不显著。生物质炭对CH4排放的影响依氮肥施用而异。不施氮肥下，施用生物质炭提高当季土壤CH4排放（20 t•hm-2用量时），但次年无影响。施用氮肥下，不同用量生物质炭对土壤CH4排放无显著影响，仅40 t•hm-2用量时次年CH4排放有所增加；生物质炭对不施氮肥土壤当季N2O排放无显著影响，并降低次年的排放。然而，施氮肥下，生物质炭连续两年显著降低了土壤N2O的排放，其降幅高达66%。施氮肥条件下，连续两年生物质炭处理降低稻田痕量温室气体的综合温室效应及其水稻生产的碳强度，特别是40 t•hm-2的高用量下。【结论】在连续两年内，稻田采用生物质炭配施氮肥的管理措施对改善土壤性质和稳定水稻产量具有持续效应，高用量生物质炭(40 t•hm-2)显著降低稻田CH4和N2O痕量温室气体排放的综合温室效应和水稻生产的碳强度，且在连续两年内具有稳定的持续性。因此，在当前稻田管理措施下，生物质炭施用量为40 t•hm-2可实现稻田稳产和固碳减排的目标。
DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2012.23.011URLMagsci [本文引用: 1]
【目的】研究生物质炭对连续两年稻田土壤性质、水稻产量和痕量温室气体排放的影响，为合理施用生物质炭而促进水稻生产可持续的低碳发展提供科学依据。【方法】选择成都平原稻田，2010年布设了施氮与否（0与240 kg N•hm-2）下生物质炭土壤施用（0、20、40 t•hm-2）试验，连续两年观测土壤性质、水稻产量、土壤CH4和N2O排放的变化。【结果】施氮肥条件下，生物质炭连续两年对主要土壤肥力性质表现出改善效应，提高了土壤有机碳、全氮含量和pH，同时降低土壤容重，但对水稻产量影响不显著。生物质炭对CH4排放的影响依氮肥施用而异。不施氮肥下，施用生物质炭提高当季土壤CH4排放（20 t•hm-2用量时），但次年无影响。施用氮肥下，不同用量生物质炭对土壤CH4排放无显著影响，仅40 t•hm-2用量时次年CH4排放有所增加；生物质炭对不施氮肥土壤当季N2O排放无显著影响，并降低次年的排放。然而，施氮肥下，生物质炭连续两年显著降低了土壤N2O的排放，其降幅高达66%。施氮肥条件下，连续两年生物质炭处理降低稻田痕量温室气体的综合温室效应及其水稻生产的碳强度，特别是40 t•hm-2的高用量下。【结论】在连续两年内，稻田采用生物质炭配施氮肥的管理措施对改善土壤性质和稳定水稻产量具有持续效应，高用量生物质炭(40 t•hm-2)显著降低稻田CH4和N2O痕量温室气体排放的综合温室效应和水稻生产的碳强度，且在连续两年内具有稳定的持续性。因此，在当前稻田管理措施下，生物质炭施用量为40 t•hm-2可实现稻田稳产和固碳减排的目标。
DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2013.16.003URLMagsci [本文引用: 5]
生物炭以其良好的解剖结构和理化性质，广泛的材料来源和广阔的产业化发展前景，成为当今农业、能源与环境等领域的研究热点。本文综合分析、评述了生物炭在土壤、作物、农田生态系统等领域应用的主要研究进展及其未来保障中国粮食安全的重要意义，从低碳、循环、可持续视角，客观、辩证地探讨了生物炭在农业上的应用价值及其产业化发展前景。生物炭在修复土壤障碍，提升耕地生产性能和作物生产能力，促进农业可持续发展和保障国家粮食安全等方面具有重要现实意义和应用价值，本文结合中国国情，提出了进一步深入研究与开发生物炭产业的方向与建议，旨在为中国生物炭产业的健康发展提供参考。
DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2013.16.003URLMagsci [本文引用: 5]
生物炭以其良好的解剖结构和理化性质，广泛的材料来源和广阔的产业化发展前景，成为当今农业、能源与环境等领域的研究热点。本文综合分析、评述了生物炭在土壤、作物、农田生态系统等领域应用的主要研究进展及其未来保障中国粮食安全的重要意义，从低碳、循环、可持续视角，客观、辩证地探讨了生物炭在农业上的应用价值及其产业化发展前景。生物炭在修复土壤障碍，提升耕地生产性能和作物生产能力，促进农业可持续发展和保障国家粮食安全等方面具有重要现实意义和应用价值，本文结合中国国情，提出了进一步深入研究与开发生物炭产业的方向与建议，旨在为中国生物炭产业的健康发展提供参考。
DOI:10.3390/su10072265URL [本文引用: 2]
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DOI:10.3724/SP.J.1006.2013.01445URLMagsci [本文引用: 1]
<div ><span >为<a name="OLE_LINK2">明确</a>生物炭对水稻根系与产量的效应，探明生物炭在水稻生产上应用的潜力与价值。</span><span >采用盆栽试验研究了生物炭对超级粳稻不同生育期根系生长、形态特征及生理特性的影响。结果表明，土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重，提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延缓根系衰老。根系伤流速率、根系活力和可溶性蛋白在整个生育期内均高于对照，同时维持了较为适宜的根冠比，根系生理功能增强；生物炭处理的水稻产量增加，表现为每穴穗数、每穗粒数、结实率提高，比对照平均增产</span><span >25.28%</span><span >。以每千克干土加</span><span >20 g</span><span >生物炭处理的产量最高，比对照提高了</span><span >33.21%</span><span >。生物炭处理对水稻根系形态特征的优化与生理功能的增强具有一定的促进作用。</span></div>
DOI:10.3724/SP.J.1006.2013.01445URLMagsci [本文引用: 1]
<div ><span >为<a name="OLE_LINK2">明确</a>生物炭对水稻根系与产量的效应，探明生物炭在水稻生产上应用的潜力与价值。</span><span >采用盆栽试验研究了生物炭对超级粳稻不同生育期根系生长、形态特征及生理特性的影响。结果表明，土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重，提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延缓根系衰老。根系伤流速率、根系活力和可溶性蛋白在整个生育期内均高于对照，同时维持了较为适宜的根冠比，根系生理功能增强；生物炭处理的水稻产量增加，表现为每穴穗数、每穗粒数、结实率提高，比对照平均增产</span><span >25.28%</span><span >。以每千克干土加</span><span >20 g</span><span >生物炭处理的产量最高，比对照提高了</span><span >33.21%</span><span >。生物炭处理对水稻根系形态特征的优化与生理功能的增强具有一定的促进作用。</span></div>
DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.01.098URL
DOI:10.1016/j.energy.2017.11.062URL
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DOI:10.1016/j.geoderma.2017.05.029URL
DOI:10.1016/j.geoderma.2016.04.013URL [本文引用: 1]
[本文引用: 1]
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URLMagsci [本文引用: 1]
<p>近年来，生物炭已成为农业、生态修复和环境保护领域的研究热点。一般认为，生物炭具有改善土壤质量、增加土壤碳汇、减少大气CO<sub>2</sub>浓度以及修复污染环境等功能。大量的生物炭施用到土壤后会改变土壤性质，影响重金属和有机污染物在土壤中的环境行为以及它们在环境中的归趋。本文就生物炭对土壤中重金属的吸附-解吸、在土壤中的形态转化、在土壤-植物系统中迁移行为、对有机污染物的吸附挥发及生物有效性进行了概述；在此基础上，扼要分析了当前生物炭应用存在的环境风险等问题，并从生物炭在土壤中的迁移转化及其归趋、生物炭的长期环境效应以及生物炭应用方向等方面进行了展望。</p>
URLMagsci [本文引用: 1]
<p>近年来，生物炭已成为农业、生态修复和环境保护领域的研究热点。一般认为，生物炭具有改善土壤质量、增加土壤碳汇、减少大气CO<sub>2</sub>浓度以及修复污染环境等功能。大量的生物炭施用到土壤后会改变土壤性质，影响重金属和有机污染物在土壤中的环境行为以及它们在环境中的归趋。本文就生物炭对土壤中重金属的吸附-解吸、在土壤中的形态转化、在土壤-植物系统中迁移行为、对有机污染物的吸附挥发及生物有效性进行了概述；在此基础上，扼要分析了当前生物炭应用存在的环境风险等问题，并从生物炭在土壤中的迁移转化及其归趋、生物炭的长期环境效应以及生物炭应用方向等方面进行了展望。</p>
DOI:10.1007/s12665-017-7125-4URL [本文引用: 1]
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DOI:10.1080/02757540.2017.1404992URL [本文引用: 1]
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DOI:10.1271/bbb.60317URL [本文引用: 1]
DOI:10.1002/jsfa.2015.95.issue-6URL [本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
DOI:10.1111/ahe.2004.33.issue-1URL [本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.jep.2011.04.009URL [本文引用: 1]
URLMagsci [本文引用: 1]
<P><FONT face=Verdana>【目的】初步探究木醋液对根结线虫2龄幼虫的抑制作用,以及木醋液及其配剂对根结线虫病的田间防治效果。【方法】采用浸渍法测定不同稀释浓度的木醋液对根结线虫2龄幼虫抑制作用,根据实验室测定结果设计小区试验,进行木醋液及其配剂对石榴根结线虫病、番茄根结线虫病的大田防治。【结果】不同稀释浓度的木醋液对4种常见根结线虫的2龄幼虫均有抑制作用,随着稀释倍数的增加,抑制作用减小。木醋液稀释浓度为150倍处理72 h时,北方根结线虫、花生根结线虫、南方根结线虫、爪哇根结线虫的校正死亡率分别达到了76.3%、78.４%、77.9%和72.2%。木醋液和木醋液配剂对石榴根结线虫病有较好的防治效果,防治效果分别达到了63.9%和50.5%。木醋液和木醋液配剂对番茄根结线虫病的防治效果,寻甸分别为54.1%和28.6%,个旧的为27.8%和19.6%。【结论】初步证明木醋液对根结线虫2龄幼虫有抑制作用,对石榴根结线虫病和番茄根结线虫病有防治效果,对防治根结线虫病有研究价值、应用价值和开发前景。<BR></FONT></P>
URLMagsci [本文引用: 1]
<P><FONT face=Verdana>【目的】初步探究木醋液对根结线虫2龄幼虫的抑制作用,以及木醋液及其配剂对根结线虫病的田间防治效果。【方法】采用浸渍法测定不同稀释浓度的木醋液对根结线虫2龄幼虫抑制作用,根据实验室测定结果设计小区试验,进行木醋液及其配剂对石榴根结线虫病、番茄根结线虫病的大田防治。【结果】不同稀释浓度的木醋液对4种常见根结线虫的2龄幼虫均有抑制作用,随着稀释倍数的增加,抑制作用减小。木醋液稀释浓度为150倍处理72 h时,北方根结线虫、花生根结线虫、南方根结线虫、爪哇根结线虫的校正死亡率分别达到了76.3%、78.４%、77.9%和72.2%。木醋液和木醋液配剂对石榴根结线虫病有较好的防治效果,防治效果分别达到了63.9%和50.5%。木醋液和木醋液配剂对番茄根结线虫病的防治效果,寻甸分别为54.1%和28.6%,个旧的为27.8%和19.6%。【结论】初步证明木醋液对根结线虫2龄幼虫有抑制作用,对石榴根结线虫病和番茄根结线虫病有防治效果,对防治根结线虫病有研究价值、应用价值和开发前景。<BR></FONT></P>
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