一种水稻秸秆热解生物炭固碳潜力估算方法

作者；张毅

    我国是世界上秸秆产量最丰富的国家之一，据调查统计，2007-2009年中国秸秆量年均为7.35亿t，其中大约21%被直接焚烧，不仅是资源的浪费，同时也增加了温室气体排放。水稻是我国主要的粮食作物，在我国所有粮食作物中，水稻种植面积最大，产量最多，通过高效利用水稻秸秆资源增加农业固碳能力对我国应对温室效应具有重要意义。

  生物炭( biochar)是黑碳(black carbon)的一种，专指由各种生物质材料（作物秸秆、木屑、动物粪便等）在无氧或缺氧条件下，经低温《700℃)裂解炭化产生的一类高度芳香化的、抗分解能力极强的固态物质，是一种富含碳元素的有机连续体。由于生物炭自身碳含量较高并表现出一定的化学或生物学惰性，应用于土壤后其所具有的碳汇功能成为了近年来的研究热点。通过对一些有关生物炭的研究结果进行归纳，不难发现，生物炭可以作为一种土壤调理剂，也是一种碳封存载体，同时，在热解生产生物炭过程中将会产生部分高热量的能源物质（生物油与生物气），可以作为可更新能源代替传统煤炭等化石燃料的燃烧，减少温室气体排放。可见将废弃秸秆转化为生物炭后还田具有广阔的应用前景，但是这种资源利用模式的固碳潜力并没有大规模的田间试验与长期试验数据作为支撑，因此我们通过收集整理已公开的数据以评估计算这种模式的固碳潜力，希望能对秸秆资源热解生物炭模式的推广提供一定参考。

  本文通过生命周期评价(life cycle assessment，LCA)方法，评估“水稻秸秆一生物炭一还田”整个过程的固碳潜力，以中国2012年全年焚烧的水稻秸秆为原料，假设将所有被焚烧的水稻秸秆均转化为生物炭，并还田处理，对整个过程中的C元素循环进行定量评估，计算这种秸秆利用模式的固碳潜力。

1  材料与方法

1.1 评估方法

  生命周期评价( life cycle assessment，LCA)是一种适宜用来对生物炭生产及应用过程中的CO2平衡状况进行考察的方法。本文拟采用LCA方法评估我国水稻秸秆转化为生物炭并还田这一过程的碳平衡情况，评估范围从水稻秸秆热解为生物炭开始，至作物收获结束。评估固碳潜力范围中主要由以下三方面组成：(l)生物炭生产制备过程中的能量平衡，即生产能量投入与能源物质产出的差值；(2)生物炭进入土壤后对C元素的封存能力，即生物炭在土壤中的稳定性；(3)生物炭还田的农业效益，即通过促进作物生

长而额外捕获大气中的CO2(图1)。

1.2  数据来源

  本文中相关计算数据参考《中国农业年鉴2013》与已发表的文献内相关研究结果，如相似研究有多个结果则取平均值，评估范围中水稻秸秆生物炭制备产率与元素含量部分数据由课题组实验室内测定。

2  结果与分析

2.1  水稻秸秆焚烧总量

  水稻作物总量根据《巾国统计年鉴2013》及相关省市自治区粮食作物总产量数据得到，水稻秸秆生物量根据谷草比计算，全国露天焚烧秸秆量通过收集各省市的秸秆焚烧比例获得。

  尽管现在国家政策不允许焚烧秸秆，但是仍有相当一部分秸秆被露天焚烧，2001-2010年中国粮食作物平均每年秸秆露天焚烧量为1.13x108 t．约占粮食作物秸秆总量的21.6%，其中被焚烧水稻秸秆0.41x108 t，占粮食作物秸秆每年平均焚烧量的36.2%，水稻秸秆全年总产量的23.06%，见表1。

  根据《中国统计年鉴2013》，中国2012年水稻种植面积达到3.013 7x107 hm2，水稻产量为20 423.6x104t，国内水稻草谷比通常取值为0.756，结合2001-2010年年均水稻秸秆焚烧比例23.06%，计算得到2012年中国露天焚烧水稻秸秆总量为3 560.52x104 t。

2.2  制备生物炭过程中的能量平衡

  生物炭制备过程中将会有生物炭、生物油和生物气3种产物，不同的原料与制备工艺参数对生物炭等产物的产率影响巨大，秸秆有机组分中纤维素和半纤维素是形成生物炭的主要来源，在不同的秸秆中这2种组分构成比例差异显著，同时热解温度与压力、升温速度等都对生物炭、生物油和生物气产率具有显著影响，根据主产品不同主要分为3种热解方式：慢速裂解（主产品生物炭）、快速裂解（主产品生物油）与气化裂解（主产品生物气），不同的裂解工艺有不同的主副产品产率（表2），其中在慢速热解条件下生物炭、生物油与生物气产率分别为35%、30%和35%。

  慢速热解中副产品是生物油与生物气，他们均具有一定的热值，分别为17 MJ/kg和6 MJ/kg。大部分研究认为生物油在现时技术条件下并不适于发电，但是可以用作热解过程中的能量来源。本文中假设制备过程中的生物油用作热解过程中的能源，生物气用作发电，根据发电效率换算为被抵消的煤炭燃烧产生CO2排放量，并计算对应减少的CO2排放量，如表3所示。计算得到每年水稻秸秆转化为生物炭过程中产生的生物气总量，可以提供电力生产值7.27x109kW·h，每年可减少燃煤燃烧以避免排放的CO2释放量为7.78x106 t。

2.3  生物炭制备、产率与固碳率计算

  如上文所述不同的升温速度、热解温度和热解时间对生物炭产率影响显著，根据主产品产率不同可以分为3种热解方式：慢速裂解（主产品生物炭）、快速裂解（主产品生物油）与气化裂解（主产品生物气）。本文中生物炭由课题组采用慢速裂解方式在实验室内烧制完成。

  生物炭制备方法：将洗净风干粉碎后的水稻秸秆碎屑装入反应器中，置于马弗炉（KSW-4b-llA，湖北英山县建力电炉制造有限公司）中，采用限氧控温炭化法，以5℃/min升至目标温度500℃，在目标温度下停留4h，关闭马弗炉，待温度自然冷却至室温后，马弗炉中反应器中固体物质即为生物炭。

  生物炭产率的计算公式：

  式(1)中，η表示生物炭产率，m表示反应器中生物炭质量，M表示加热前秸秆质量。

  生物炭固碳率计算公式：

  式(2)中，CS表示生物炭固碳率，CBC表示生物炭含碳百分比率。

  根据课题组试验结果得到水稻秸秆生物炭产率为34.9%。经过红外光谱分析得出其元素构成（表4）。类似试验结果显示在500℃、4h条件下制备的水稻秸秆生物炭，其产率为32. 14% -34.23% ，与本课题组较接近。在本文中选用本课题组的水稻秸秆生物炭的含碳量结果为44.15%(表4)，计算得到生物炭产量为1.24 x 107t（表5）。

2.4  生物炭对土壤碳循环影响与土壤封存

  在亚马逊运河流域发现的生物炭能够在土壤中保存上千年之久，但是也有研究结果发现生物炭进入土壤后刺激了土壤本体有机碳矿化，本身也将分解矿化，将会增加温室气体排放，可见生物炭对碳元素的封存能力和生物炭、土壤性质关系密切，不同的生物炭添加到不同的土壤中其结果差异巨大。

  生物炭还田碳封存能力计算主要参考已发表文献数据得到，研究显示生物炭输入稻田土壤将会抑制土壤本体有机碳矿化，水稻秸秆加入土壤后将抑制土壤有机碳矿化，CO2释放量降幅达到41.05%，但是生物炭在土壤中会发生部分降解，稻壳生物炭经过约3a分别在好氧和厌氧条件下的培养，有4.4%和8.5%被矿化成CO2，推测生物炭抑制土壤呼吸作用是通过代替土壤本体有机碳分解而产生的，所以生物炭对碳元素的封存能力即是生物炭在土壤中稳定部分，研究显示生物炭中约有20%不稳定部分是容易分解的，本文采用这个结果作为计算数据，得到生物炭土壤封存固碳潜力为9.94x106 t，换算为CO2排放当量为36.45x106 t，见表6。

2.5  生物炭应用的农业效应固碳潜力估算

  生物炭富含有机碳，可以增加土壤有机质[冽，腐殖质含量，从而能提高土壤的养分吸持能力及持水容量，其本身较高的pH能有效中和酸性土壤，同时，生物炭本身的孔隙结构能改善土壤物理性质，保护土壤中有益微生物等。一般研究认为生物炭进入土壤后将促进农作物生长，但是也有研究显示在高量生物炭添加情况下农作物产量将会下降，不同的生物炭添加量对作物生长有显著影响。

  来自巴西亚马逊河地区的田间试验表明在土壤中施人生物炭(11 t/hm2准比例)，2年4个生长季后水稻和高粱产量累积增加了约75%，假设生物炭按照标准比例添加，作物增产率为( 37.5% )/a，水稻含碳量由《农业技术经济手册（修订本）》查询得到。计算生物炭应用促进农业增产固碳量为0.94x106 t，换算为CO2排放当量为3.46x106 t（表7）。

3  结论

  根据LCA评估方法估算，将中国2012年焚烧的水稻秸秆全部投入热解生产生物炭模式的总固碳潜力，达到了47.69x106 t，其潜力值主要由3个部分组成：(1)生产过程中的能量物质代替化石燃料燃烧将减少排放7.78x106 t：(2)生物炭能长期稳定的存在于土壤中，土壤封存36.45x106 t；(3)增加作物生长固碳3.46x106 t，以上固碳潜力全部用CO2排放当量表示。估算结果显示每热解1t水稻秸秆将固定1.34 t的CO2。其中生物炭土壤封存固碳潜力占比最大，达到总固碳潜力的78.4%，生物炭对农作物促进作用固碳潜力最小，仅为总固碳潜力的7.3%。

4  讨论

  国内外大部分研究计算得到的结果显示每热解1t原料将封存0.25-1.3 t CO2，本文估算结果略大于其最高值。这可能是因为大部分研究通常以农业作物和林业作物等所有废弃物质为原材料热解生产生物炭，并未具体到某一种作物秸秆，另外，本文中并未将原料收集、运输与还田等机械燃油消耗考虑在内，这是因为我国现在水稻种植分布区域以南方为主，水稻生产越来越向优势区域集中，目前南方稻区约占我国水稻播种面积的94%，但是生物炭制备厂家并未协同发展，以形成规模化生产，运输等成本不能确定，因此未计人生物炭固碳潜力计算。

  计算发现每热解1 t水稻秸秆物质能固定1.34 t的CO2，其固碳潜力巨大，因此认为通过热解农业废弃生物质材料（如秸秆等）生产生物炭可以作为一种应对全球气候变化的可行方案，适于在其他类似农业废弃生物质材料如玉米、小麦等主要粮食作物秸秆中推广应用。5摘  要：中国是世界秸秆资源最丰富的国家之一，2007-2009年年均产量达到7.35亿t，其巾约有21%秸秆露天焚烧，不仅是资源浪费，同时也加剧了温室效应。据估计农田土壤固碳潜力占自然固碳潜力巨大，通过合理的土壤管理措施可以增加土壤固碳能力60%-70%，

高效利用秸秆资源就是其中很有效的一种管理方式。生物炭是废弃生物质材料热解产生的一类碳含量极高并具有一定的化学或生物学惰性的混合物，应用于土壤后其所具有的碳汇功能成为了近年来的研究热点。文章以2012年巾国露天焚烧的水稻秸秆为原料，采用生命周期评价方法对水稻秸秆热解生产生物炭并还田过程的固碳潜力进行评估，结果显示”水稻秸秆一生物炭一还田”模式固碳潜力主要分为3个部分：(l)代替化石燃料燃烧排放7.78xl06t；(2)土壤封存36.45xl06t；(3)增加作物生长固碳3.46xl06t，CO2总固定量为47.69x106t。

计算得到每热解1t水稻秸秆将固定1.34 t的CO2。根据评估结果认为热解水稻秸秆生产生物炭具有巨大的固碳潜力，这种模式可以推广处理农业废弃秸秆资源，以应对日益加剧的温室效应。