生物炭讓土壤不再貧瘠

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150多年來，美國布魯克林造船廠建造的船舶幫助停止了與非洲的奴隸交易、鋪設了首條海底電纜和推動了第二次世界大戰的結束。現在，這個位于紐約城的工廠充滿了藝術家、建筑師、手工藝品制造者和有機蔬菜種植者。在一個小雨綿綿的秋日，Ben Flanner在一個6000平方米的屋頂農場，管理著一片紅色和綠色的生菜海。

這些植物下方的土壤看上去很普通，Flanner抓起一小把，仔細審視。棕色土塊中間有小小的黑色顆粒，這是兩年前混入土壤的木炭碎片的殘留物。Flanner認為，這些富含碳的物質——生物炭，有助于作物茁壯成長，甚至可能增加產量，他希望在未來幾年能得到傲人的成績。

在過去幾年，整個美國出售這種持久土壤添加物的人越來越多，一些估算數據顯示，自2008年以來，年銷售額增至3倍。為Flanner的農場提供原料的一家賓夕法尼亞州生物炭公司既批發銷售，也面向個人消費者，銷售點也包括亞馬遜和全食超市。實際上，瑞典和中國等許多國家在農業和城市綠化領域也在廣泛使用生物炭。

支持者認識到了這種土壤增強因子的巨大潛力，生物炭是在低氧環境中加熱生物材料（外皮等農業廢棄物）制備而成，可以作為生物燃料的副產品進行制造，因此許多公司希望同時發展這兩種產品，以迎合更加綠色的能源形式的需求。

而且，科學家也開始對生物炭感興趣，他們迅速展開實驗測試其潛力。他們尤其感興趣的是生物炭顆粒的化學和物理特性如何影響水流過土壤，移除污染物、改變微生物群落和減少溫室氣體排放。他們希望生物炭能幫助全世界的農民，尤其是那些生活在非洲和其他發展中國家的人，克服貧瘠土壤帶來的難題。

紐約州康奈爾大學農業和土壤科學家Johannes Lehmann表示，不同類型的生物炭“有著獨一無二的潛能，可以減緩影響作物產量的土壤健康最大限制條件，例如高度風化和沙質土壤”。

但生物炭仍然存在許多問題。在許多研究中，這種物質實際上會減少產量。另外，部分困難集中在生物炭能以不同的溫度和速度利用所有生物質制成，因此，在整個過程中，會產生各種變量和結果。

古老源頭

盡管直到目前才吸引了農民的注意，但生物炭有著古老的淵源。數十萬年前，亞馬遜流域的居民就已經通過加熱有機物制造肥沃的土壤——亞馬遜黑土。但當歐洲國家開始入侵南美洲時，這種實踐活動開始被遺棄，而且其他地區很少有農民常規使用生物炭。

大約10年前，科學家首先對這種物質產生濃厚的興趣，隨著對全球變暖擔憂的加劇，作為將大量碳封存到地下的一種方法，一些人開始兜售生物炭。但隨著這種用途的淡出，土壤學家現在開始探索將生物炭用于農業和消除污染。

其中一個特殊關注點是，生物炭如何影響水在土壤中的流動。科羅拉多大學生物地球化學家Rebecca Barnes及其同事將生物炭添加到不同物質中，測試了產生的結果。在沙子中，水能夠非常快速地排出，生物炭能平均減緩水分流動92%。在保水功能好的富含黏土的土壤里，生物炭能加速水分流動超過300%。研究人員表示，生物炭會改變水在孔隙空間（土壤顆粒間的空隙）內的運動。

“黏土更多為扁平的顆粒，而沙土顆粒更加圓滑，但生物炭是沒有定型的，因此，不止在生物炭內會產生奇妙的路徑，在孔隙空間中也會產生特殊通路。”Barnes說。她和同事指出，這些復雜的通路會幫助降低沙土的排水能力，并提高水流過黏土的速度。

Barnes表示，這非常有意義，因為即便黏土能夠保留大量水分，這些水分也很難通過土壤顆粒到達植物根系。許多研究顯示，與普通土壤和添加了混合肥料的土壤相比，植物在添加了生物炭的土壤中生長地更好。

研究人員還梳理了生物炭如何影響土壤中的微生物活性。例如，細菌通常能形成一個群落，許多病原菌只有當有足夠數量克服宿主的免疫反應時，才會攻擊植物根系。得克薩斯州萊斯大學地球生物化學家Caroline Masiello及其合作者發現，生物炭能通過捆綁信號分子抑制這種情況。

“它們會認為自己是孤立的，因為我們把‘電話線切斷了。”Masiello說。她表示，進一步研究有可能調整生物炭的這種功能，以降低植物感染。

污染“斗士”

生物炭可能開始于農業領域，但研究人員目前正在尋找其他應用。生物炭能夠束縛土壤中的重金屬，以避免它們進入植物和水源。這也引起了美國環境保護局等機構的關注。在科羅拉多州阿斯彭附近的希望礦山，人們在2010年向土壤中添加了生物炭，以中和數十年來礦渣產生的影響，并增加斜坡的保水量，從而減少污水溢流的數量。阿斯彭環境中心研究顯示，它還有助于促進貧瘠山坡上的作物生長。

生物炭還在清理污水方面顯示出希望，或許可以充當活性炭的廉價替代品，后者通常被用于污水處理廠和被有毒化學物質污染的地區。密西西比州立大學退休化學家Charles Pittman表示，生物炭有相對較大的表面積，在水中甚至能延展更多，這就為污染物束縛提供了更多空間。他提到，那些缺乏全面水處理系統的國家或尤其能從這種污染修復方法中獲益。它還有助于幫助移除傳統水處理系統難以消除的抗生素和化學廢物。

科學家甚至開發利用生物炭用于處理石油和天然氣鉆井液體以及作為印刷增色劑和油漆產品成分的潛能。“還有其他的市場沒有完全被開發出來。”農業部農業研究所土壤學家Kurt Spokas說。

但專家警告稱，目前尚不清楚這種處理技術是否經濟，在農業領域尤為如此。土壤貧瘠和貧困通常相伴而生。在展示了肯尼亞作物增產后，加州大學伯克利分校的Andrew Crane-Droesch考察了生物炭在相同社區的經濟可行性。“開出大致價格后，我們發現幾乎沒有人愿意購買生物炭。”他說。

生物炭的價格變化范圍十分廣泛，但在美國，一些產品售價每千克3美元，能與某些肥料相媲美，并高過許多混合肥料的價格。就大范圍而言，只有當生物燃料制品有用武之地時，生物炭產品才具有經濟意義。

但如果需求不斷上漲，人們可能會質疑生物炭生產帶來的環境影響。一個重要關注點是原料的選擇。中國傾向于使用農業廢棄物，而美國一些研究人員甚至力推動物雜肥，但這些都不是大規模生產生物炭的最有效方法。而且使用木材將刺激森林砍伐和妨礙土地使用。“有一個非常重要的問題：原料的可持續性是什么？”英國牛津大學印度可持續發展中心研究主任Alfred Gathorne-Hardy說。

迅速發展的行業

“生物炭原料可持性是什么？”的討論可能會隨著消費者的興趣增長，這在世界各地正緩慢地發生。瑞典斯德哥爾摩林木規劃和保護的一位負責人表示，自2009年以來，這座城市一直在使用生物炭推動當地植被的生長，他相信這促進了該市最健康樹木的生長。2014年9月，紐約彭博慈善基金會獎勵斯德哥爾摩100萬歐元啟動一項城市項目，將住宅花園廢棄物，甚至食物殘渣和下水道污物轉化為生物炭。

回到布魯克林區，Flanner繼續照顧著自己的作物。萵苣和胡蘿卜在雨中站立著，他穿著黃色雨衣小心地走在田間。他認為，在長時間內，生物炭將對土壤有好處，因為它們有助于保持營養鹽和水分。“這些都非常重要，尤其是在綠色屋頂這樣排水良好的土壤中。這些通常很快就會失去。”他說。

但在將更多這種黑色顆粒添加到他的農場中之前，他還需要在未來幾年觀察作物對其的反應情況。就像研究生物炭的科學家一樣，他渴望了解這種物質將實現光明的許諾，還是像其他許多可能的材料那樣最終黯然失色。