生物炭

生物炭基肥料特性及农业应用

技术背景

世界秸秆年产量20亿吨左右，我国秸秆产量在7亿吨以上，位列世界秸秆年产量之首。近年来，随着农业生产方式的转变和农村生活条件的改善，我国秸秆资源处于高消耗、高污染、低产出状态。秸秆作为全球最大的可再生资源，它的开发与利用对于发展绿色生态农业建设、保护全球生态平衡、减少环境污染具有重要意义。

北京三聚环保新材料股份有限公司作为一家知名的以环保技术为核心的上市公司，积极响应国家号召，以技术创新为先导，开展商业模式创新、品牌创新和管理创新，践行“天蓝、水清、地沃、人善”的发展理念,与南京农业大学潘根兴教授团队强强联合，成功研发、转化、集成并升级出具有技术先进性、适应市场经济性、符合绿色生态农业发展的“秸秆炭化还田、土壤改良技术”。这一技术目前属于世界领先水平，非常适合我国当前农业发展的现状，2017年被农业部列为重点推介的秸秆农用十大模式之一。

秸秆生物质经集中收集—打包—造粒后，经低温限氧热裂解，生成生物质炭、生物质气和木醋液。生物质气作为系统燃料可供循环利用，木醋液含有大量有机养分并具有杀虫功能，与N、P、K等营养元素复配到生物质炭中，经造粒后制成生物炭基肥料和土壤改良剂。生物质炭即具有丰富的纳米孔隙结构，又保留了秸秆中丰富的氮磷钾速效养分和多种高活性有机质。采取测土配比氮、磷、钾，量体裁衣生产的生物炭基肥料，施用后既对作物生长好，可以保肥保水、杀虫灭菌，实现作物的增产提质增收，更重要的是对土地好，可以降低化肥和农药的使用量，改善土壤结构，修复土壤板结，提升土壤中有机质含量，有助于农业产业的可持续发展。

生物炭基肥料特性

针对各农作物生长特点研发的有机无机复合肥

富含大量有机质及作物所需的氮、磷、钾营养元素，并含有钙、镁、铁、硅、锌、铜等多种中微量元素，营养均衡，全方位提供作物生长所需养分。

1、纳米孔隙结构，保肥缓释、长效高效

独创性的炭化工艺生产的生物质炭具有丰富的纳米孔隙结构，吸附、保蓄养分能力强，缓慢释放养分，有效避免氮素损失，延长肥效，提高养分利用率。

2、持续改善土壤结构，养土保墒，增强作物免疫力

调整炭和化肥比例，有效改良土壤，优化土壤团聚体结构，增进保墒与抗逆，促进土壤微生物环境健康，提高作物自身免疫力。

3、因土配方施肥技术，提高产量，改善品质

因地制宜，根据土壤中营养元素的丰缺情况，定制肥料及施肥方案，提高农作物产量和品质，降低化肥用量，节约资源，改善环境。

农业应用效果

2016年，三聚环保已在内蒙古兴安盟、黑龙江兴凯湖、江苏宿迁、湖北荆门等多地开展了玉米、水稻、红小豆等三聚炭肥的种植对比试验，均取得了明显的效果。

1. 河南卫辉玉米试验:

施普通肥（NPK养分含量45%）平均亩产659.07公斤，施三聚炭肥（NPK养分含量40%）平均亩产699.57公斤，各三聚炭肥的玉米试验田增产15-72公斤/亩，平均增产40公斤/亩

2. 黑龙江兴凯湖农场水稻试验

施生物炭基肥料的水稻地上部生物量比施普通肥高50%，地下部生物量比施普通肥高26.8%。普通肥平均亩产619公斤，三聚炭肥平均亩产659公斤。与施普通肥相比，三聚炭肥平均增产40公斤/亩，粗蛋白增加14.20%。

3. 内蒙古红小豆试验

在红小豆生长期间，遭遇74天持续干旱，减产严重。施三聚炭肥的植株整体发育相对较好，地上部植株长势好，地下部根系发达，作物抗旱能力强。施普通肥平均亩产25公斤，施三聚炭肥平均亩产40公斤。与施普通肥相比，三聚炭肥增产60%。

2017年，三聚环保继续通过“秸秆炭化技术、测土配方施肥技术”，在全国范围内广泛开展三聚炭肥农业示范基地，发展品牌农业，以示范田为样板，通过测土配方施肥技术定制作物专用肥，逐步实现农业生产的标准化、规模化、产业化和市场化，大幅度提升农产品附加值，保持土壤健康发展。截止目前，三聚炭肥试验田已经覆盖了黑龙江、内蒙古、宁夏、河北、河南等13个省份，涵盖了小麦、玉米、水稻、花生、甜菜、土豆等14种作物。

合作方式

合资建厂、技术支持、技术服务

本平台旨在积极推进生物化工领域的产业链-创新链-资金链的融合发展：

为科研团队搭建高端学术平台、承办行业峰会、推广科技成果等；

为企业开展最新科研项目导入，情报分析、知识产权分析等；

为项目投资、园区提供前期调研、可行性研究报告、产业园区规划等；

为投资者提供市场调研报告、技术评估报告、可研规划等。

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中国石油和化学工业联合会生物化工与生物质能源专业委员会：

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什么叫生物炭法（PACT法）？

有些难以生物降解的制药废水，其生化处理出水中的COD要达到国家一级排放标准（100mg/L）以下是比较困难的，因此生化处理出水应再采用颗粒活性炭吸附处理技术以保证出水达标是不可缺少的。但是，颗粒活性炭吸附处理法有一个致命的弱点即处理成本太高，其根本原因是颗粒活性炭吸附处理COD的动态吸附容量在10%左右（重量百分比），即一吨活性炭只能吸附处理废水中的COD在100公斤左右。由于颗粒活性炭再生困难，处理成本高，因此颗粒活性炭处理技术的应用推广在国内还并不普遍。那么是不是可以开发一种新的技术，这种技术可以大幅度地提高活性炭的动态吸附容量，有效地降低废水的处理成本呢？

由杜邦公司最先开发的生物炭法工艺（PowderedActivatedCarbonTreatmentProcess）就是这种新技术的代表之一。生物炭法简称“PACT法”，或“PACSBR生化法”，被国外认为是最有发展前途的新型的废水生化处理工艺，

在生化进水中（或在曝气池内）投加粉末活性炭与回流的含炭污泥一起在曝气池内混合，从污泥浓缩池中排出的剩余污泥进污泥脱水装置。在曝气池内，活性污泥附着于粉末活性炭的表面，由于粉末活性炭巨大的比表面积及其很强的吸附能力，提高了污泥的吸附能力，特别在活性污泥与粉末活性炭界面之间的溶解氧和降解基质浓度有了很大幅度的提高，从而也提高了COD的降解去除率。一般来说在PACT系统内，活性炭吸附处理COD的动态吸附容量在100-350%（重量百分比），即一公斤粉末活性炭可吸附去除1.0-3.5公斤COD。而且，PACT法能处理生物难以降解的有毒有害的有机污染物质。

根据我们的工程调试经验，直接在SBR好氧生化池内定期（每15-30天）定量投加粉末活性炭可以获得很好的处理效果。其实粉末活性炭和颗粒活性炭的吸附处理机理是一样的，不过在在SBR生化池内投加粉末活性炭更具有以下几个优点：

节约投资成本；

操作灵活方便；

活性炭利用率高；

可避免颗粒活性炭易长生物膜导致堵塞，影响出水速率的缺点：

在粉末活性炭--活性污泥系统中，活性污泥附着于粉末活性炭的表面，由于粉末活性炭巨大的比表面积及其较强的吸附能力，在活性污泥与粉末活性炭界面间的溶解氧和降解基质浓度有了很大幅度的提高，从而也提高了COD的降解去除率。一般来说，COD的去除（视废水的种类）可以提高10-40%；

由于废水中的有毒有害有机物质被粉末活性炭所吸附，因此废水中有毒有害物质的浓度可以稳定在一个较低的水平，从而保证了生化处理系统的正常运行；

对于防止氨氮指标反弹，保证出水氨氮指标达标具有很好的效果。

我们曾用PAC-SBR法处理***厂生产废水，结果表明：PAC-SBR法有着比较显著的处理效果，生化处理出水达到了国家一级排放标准。

对于***公司的废水处理系统来说，如果SBR生化出水不能达到排放标准的话，我们也可以在SBR生化池内投加少量粉末活性炭以提高生化处理效率，保证生化处理出水可以达到规定的排放标准。

近期以来，碳肥概念已经火爆了整个市场，各种碳肥产品粉墨登场，特别是以前市场上常见的氨基酸、黄腐酸、腐植酸等产品现在也被被包装成各类碳肥产品进行销售，而生物炭基肥产品由于其推出市场时间不久，大家对其功能与特性尚不是很了解，常常与腐植酸类产品混淆。因此，碳宝在这里对这两种产品进行解读，详细谈谈其中的差别，利于消费者进行选择。

一

生物炭与腐植酸的联系与区别

首先，虽然两类产品都富含碳，但来源与制备方法以及产品性质均有差异。

生物炭（Biochar）是以作物秸秆等农林植物废弃生物质为原料，在无氧或低氧条件下，400-700℃裂解得到的稳定的固体富碳的产物。从概念中可以看出，生物炭产品在我们日常生活中并不少见。我们冬季取暖以及野外烧烤所用的木炭、竹炭、机制炭以及工业上常用的活性炭等产品，均属于生物炭的一种，它属于人为通过物理化学方法所制备的富碳产物。从组成成分上来说，生物炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，一般含有60%以上的C元素，含有的其它元素主要有H、O、N、S以及丰富的矿质元素等。生物炭长期应用在人们的生产生活中，然而把其应用到农业生产中，则是近年来才得到大家的重视。这一应用的提出源于对亚马逊流域印第安人留下的黑土地的增产效果。目前科学界普遍认为生物炭在农业上的应用对促进土壤固碳、改善土壤健康、提高作物品质具有重要的意义。

生物炭产品的品质受生物质材料、制备技术等方面的影响。一般来说，良好的生物炭制品在制备完成后，其在土壤中的应用主要的功能成分由三部分组成：稳定的支架碳、小分子的有机碳以及吸附的丰富矿质元素。其中，支架碳是生物炭的主体，主要是由单质碳或类似石墨结构的芳香碳组成。这一部分碳的可溶性极低，溶沸点极高，具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构，因此使生物炭具备了极强的吸附能力和抗氧化能力。这一部分碳结构保留了原生物质的细微孔隙结构（如下图所示），具有较大的比表面积，因此具有强烈的吸附性，能够吸附重金属、农残等污染物，从而减少植物对这些污染物的吸收；这些孔隙还能吸附植物一时不能利用的氮素养分，后期再缓慢地释放供给植物，从而提高氮肥的利用率；同时，这部分支架碳也可以吸收水分子进入小孔中，当干旱发生时，小孔可以保护水分子不被迅速的蒸发，从而有了保持水分的效果。另外，这部分支架碳也能为一些有益菌提供生长繁殖的空间，犹如庇护所一般让有益菌免受外在环境的胁迫，从而促进有益菌在植物根系的定植，提高微生物菌肥的效果。

图1竹制生物炭扫描电子显微镜图像。a：竹制生物炭横切面；b：竹制生物炭纵切面。

第二部分是生物炭在制备过程中的一些小分子的有机碳，这部分碳是生物炭中的活性成分。它们被吸附在支架碳上，能够被植物和微生物所利用，被植物直接吸收利用可以促进植物生长；被微生物利用可以促进微生物的繁殖。一般生物炭肥料使用后马上表现出的效果往往是由这部分小分子碳所提供的。

第三部分是生物炭中包含的矿质元素成分。由于生物炭是从植物煅烧而成的，植物中所含有的一些Ca、Mg、K、Si等大中量营养元素和Fe、Mn、Cu、Zn等微量元素均保留在生物炭中，在施入土壤后可以补充土壤中的矿物质养分。另外，由于这部分营养元素一般以碱性形式存在，因此，也具有改良土壤酸性的作用。

因此，我们从以上介绍中可以看出，生物炭产品所具有的保水保肥、改良土壤和促进植物生长的效果是由于生物炭所固有的性质所决定的。特别是在目前我国土壤面临的土壤酸化、肥料利用率低、重金属污染风险问题上，生物炭肥料产品将会发挥重要的作用。

介绍完了生物质炭产品，我们再来了解下腐植酸类产品的情况。腐植酸(Humic acid)是植物遗骸经过微生物的分解和转化，以及地球物化反应等一系列过程形成和积累起来的一类有机物质。目前市场上常见的腐植酸类产品主要有两种来源，一种是从风化煤中提取的矿源腐植酸，一种是从秸秆类物质中提取的生化腐植酸，其中以矿源腐植酸为主。腐植酸总体上是一类大分子的含碳化合物的混合物，呈现弱酸性。但由于在提取时的工艺不同，呈现产品的pH也各有差异。其中，既能溶于碱、酸和水的组分，稀溶液呈黄色或棕黄色的物质被称为黄腐酸，又叫富里酸（Fulvic acid），其分子量比较小，具有一定的生物活性；而溶于碱但不溶于酸的，被称为腐植酸（Humic acid），其分子量要大于黄腐酸；而在酸碱中均不能溶解的部分，被称为胡敏素（Humin)。在不做特殊说明的情况下，我们把这三类物质均称为腐植酸类物质。黄腐酸类产品由于其中包含的小分子有机碳物质较多、易溶于水、活性较强、具有一定的生物刺激功能，因此常被作为功能成分开发特种肥料。而一般市场上常见的腐植酸肥料则包含了黄腐酸、腐植酸和胡敏素三种成分。

腐植酸类物质的组成元素成份和生物炭类似，也是C、H、O、N、S等元素组成，其中含碳率也较高，有的可达到60%以上。应该说，腐植酸产品与生物炭均为富碳产物，这两类产品在功能上存在一定的相似性。如两类物质都存在一定的小分子有机碳，具有刺激作物生长的功能；两类物质都具有吸附缓冲性能，可以吸附养分、增加养分利用率等等。然而它们虽然元素成分相似，但两者组成结构上存在较大差异，由此导致的功能差异也很多。

首先，我们看，腐植酸不含有单质碳成分，不具有生物炭的支架碳的孔隙结构，其对养分、水分等的吸附作用是由其含碳化合物所决定的，这些就导致腐植酸化合物的稳定性较生物炭差。一方面，微生物可以通过生物作用分解这些腐植酸类的化合物，造成腐植酸在土壤中的损失；另一方面，土壤耕作、水肥的施用也会导致腐植酸的氧化分解。而生物炭的碳支架稳定性程度极高，可以在土壤中存续几百甚至上千年，从而能保证其对土壤修复效果的长期稳定。因此，在土壤中使用腐植酸物质往往在刺激作物生长上作用显著，但在改良土壤、提高土壤有机质等改良土壤的长效性上要弱于生物炭。

另外，在矿质养分上两类产品也存在差异。由于腐植酸在生产过程中，一般采用碱溶酸析法进行提取，因此一些风化煤中的矿质元素并不能被碱溶出，纯品的腐植酸含有的矿质元素的含量较低；但生物炭完整的保留了所有植物中所含有的矿质元素，从而元素的丰富度上要高于腐植酸产品。因此，从产品性质上看，生物炭适于开发为基肥产品，长期稳定的大量施用，从而保证土壤的持续健康；而腐植酸类产品更适于作为肥料助剂与化肥产品共同配合使用，从而发挥其促进化肥肥效，刺激作物生长的作用。

另外，生物炭产品能长期促进土壤有机质的积累。这主要是由于生物炭支架碳的稳定性，以及其吸附其他有机物质的能力，从而能促进土壤中有机质的长期增加。而腐植酸产品稳定性较弱，虽然能短期促进土壤有机质的增加，但在中长期来说效果不显著。特别是一些小分子的黄腐酸物质，由于其分子量小，更容易被微生物分解利用。因此在促进土壤有机质上更弱于生物炭产品。

二

生物炭与腐植酸肥料商品种类与特点

在上文中介绍了生物炭与腐植酸的区别，这里再和大家介绍下目前市场上开发的肥料产品情况。

首先，我们来看生物炭肥料产品。由于国内生物炭的研究开发时间较短，市场上的产品种类并不多见，特别是由于生物炭原料的来源的限制、制备技术以及成本问题，商品化的产品价格一般为高端产品。目前市场上的主流生物炭肥料产品主要有二类。第一类是时科生物科技（上海）有限公司等企业开发的生物炭基有机肥类的产品。其主要是将生物炭以一定比例与高品质的生物有机肥产品进行配比，开发出的含有生物炭、腐殖质和有益微生物菌的生物肥料。这一类的生物炭基肥料产品主要的作用是修复改良土壤为其特色，兼顾了生物炭和腐植酸两类物质的优点，对目前中国主要的酸化土壤、盐渍化土壤等具有显著的修复作用。长期使用能显著提高土壤有机质，促进土壤养分平衡，降低重金属、有机污染物的吸收。这类产品在提高作物品质上的效果比较显著。但该类产品的矿质营养成分较低，需配合高含量矿质元素的化肥进行使用。

图片：时科碳基肥产品

第二类产品是将生物炭与传统化肥进行复合，生产的生物炭基复合肥产品。这类产品的特点是以促进肥料的利用率为主，兼顾改良土壤的效果。这类产品在我国东北三省销售较多。今年4月1日，生物炭基肥料的行业标准（NY/T3041-2016）开始实施，助推了炭基复合肥产业的发展。然而，受限于生物炭产能问题，这类产品在市场上并不多见。

图片：沈阳生物炭联盟成立照片

腐植酸类肥料产品由于其发展时间较长，产品品种较多。其中比较常见的有以腐植酸料为主的腐植酸钾、黄腐酸钠、腐植酸铵等产品。也有腐植酸铵与过磷酸钙、钾肥或微量元素混合的腐植酸复合肥料产品，或者腐植酸与尿素复配的腐植酸尿素产品等；还有一类是以黄腐酸产品与一些矿质元素复配的冲施肥和叶面肥产品等。这些产品主要是以提升肥料的功能性和养分利用率主要特点。

三

生物炭肥与有机营养

总之，无论是生物炭基肥料还是腐植酸类肥料，在产品合格的情况下，对土壤修复和作物生长均具有较好的效果。但当前部分企业为了提高产品价格，赚取超额利润，对产品进行虚假宣传、夸大功效。特别是一些黄腐酸、腐植酸肥料的厂家，常常夸大部分小分子活性碳的功能，把它们的生物刺激功能偷换概念为碳素营养，大肆炒作碳营养、有机营养等概念，引起消费者认知混乱，笔者在这里有必要进行澄清。

应该来说，无论是生物炭还是腐植酸类物质，其中均包含有大量的小分子有机碳。这类物质具有一些类激素的生物刺激功能，在提高植物根系生长、促进叶绿素合成、增加作物抗逆性上有显著功效。由于这些小分子碳的种类繁多，其对植物生长的作用功能机制在学术界尚未完全明了。但是，这类小分子有机碳其主要作用是对植物生长的调控、刺激功能，起到的是生物信号的作用，而非营养的功能。

我们知道，植物是自养生物，通过光合作用吸收空气中的CO2，合成糖类物质供给植物生长所需。因此，虽然植物组成中C确实为第一元素，但植物碳的供给主要来自于空气。而无论是黄腐酸、生物炭产品中包含的小分子碳，虽然也能被植物吸收，但作用量是极少的，并不是植物碳骨架的主要供给者，更不能称为有机碳营养。

从常识也可以看出，植物生长需要大量的碳元素，而一些黄腐酸等小分子碳类物质供给量极少，不可能提供植物整个生育期的需碳量。另外，这些小分子碳的另一个重要功能是供应土壤中微生物的生长，作为微生物的营养成分存在。而微生物生长会促进土壤理化性质的改善，进而促进了植物的生长。因此，小分子碳在土壤中的功能是多样的，其对作物直接和间接的作用都有，不能仅认为其被植物直接吸收发挥功能。

四

生物炭基肥料的市场概况

目前，由于市场上的生物炭基肥料尚处于起步阶段，市场上开发的肥料产品比较少。但随着生物炭产品市场的崛起，一些企业也开始打生物炭肥的旗号以劣充好，假冒伪劣的现象频发，这就要求我们消费者具备辨别碳肥产品的能力。笔者在这里对生物炭基肥产品的市场进行介绍，帮助消费者识别好的炭基肥产品。

生物炭基肥料的生产的第一步是生物质炭的生产。由于当前我国生物质炭收集、储运的困难，以及工业化、连续化生产生物质炭的技术尚未完全成熟，生物炭的整体产能不高，炭原料的价格也处于高位。因此，在肥料行业中使用生物炭配方的肥料产品整体上应该为高端产品。目前，一些肥料产品标“生物炭肥料”字样，但价格低端的，一般均为假冒产品。

另外，市场上也有一些企业，主要是一些生物质能源公司，把生物发电的废弃物作为生物炭肥料产品进行销售。这一类的产品主要是一些草木灰成分，含碳量较低，并不具备真正生物炭基肥料的吸附功能。因此这类产品在应用效果上并不明显，这也是值得当前市场上需要注意的。

还有，一些企业采用的炭化原料并非为生物质源，而是一些畜禽粪便，其炭化程度也不高，重金属含量常有超标风险，因此存在一些产品质量问题，这些都需要消费者进行识别。

责任编辑：天天向上