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生物碳

生物碳,是由有機(jī)垃圾,如動物糞便,動物骨頭,植物根莖,木屑和麥秸稈等加工而成的一種多孔碳。這些構(gòu)成生物碳的有機(jī)垃圾被稱為“生物量”。很多科學(xué)家冠以生物碳“黑色黃金”的美譽(yù)。

   1簡介

  在佐治亞大學(xué)農(nóng)業(yè)大道附近,有一臺非常獨特的機(jī)器。這臺機(jī)器猶如一個錦囊,蘊(yùn)藏著解決多個環(huán)境危機(jī)的辦法,比如溫室效應(yīng),能源危機(jī),以及食品和水資源短缺。作為國際上少數(shù)幾個致力于探尋碳源循環(huán)利用途徑的科學(xué)家,Brian Bibens驕傲地說:“這臺制造加工生物碳的設(shè)備,是我們研究成果的結(jié)晶。”

  Brian Bibens是“生物碳”領(lǐng)域的專家。所謂生物碳,是由有機(jī)垃圾,如動物糞便,動物骨頭,植物根莖,木屑和麥秸稈等加工而成的一種多孔碳。這些構(gòu)成生物碳的有機(jī)垃圾被稱為“生物量”。在提煉生物碳時,Brian Bibens將生物量裝在八角形的金屬桶內(nèi)以高溫加熱。在熱化學(xué)效應(yīng)下,生物量被高溫分解,成為可用做肥料的類似于碳球狀的物質(zhì)。很多科學(xué)家冠以生物碳“黑色黃金”的美譽(yù)。

  由植物形成的,以固定碳元素為目的的木炭被稱為“生物碳”。土地中自然存在大量的碳元素,但是這些碳是不穩(wěn)定的,受氣候影響會釋放二氧化碳。而生物碳則可以固定碳元素長達(dá)幾百年。更重要的是,其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品,對人們具有很大的吸引力。生產(chǎn)中,大約1/3原料變?yōu)樯锾迹?/3變?yōu)榭捎糜诎l(fā)電的物質(zhì),另1/3則形成原油。因此科學(xué)家表示:“生物碳使我們能夠一次性解決三個重大危機(jī):氣候變化危機(jī),能源危機(jī),以及食品和水資源危機(jī)。”

  地球本身擁有一個碳循環(huán)系統(tǒng),碳可以被植物,土地,海洋和其他自然過程沉積下來。然而這些系統(tǒng)目前已經(jīng)嚴(yán)重超負(fù)荷了。據(jù)統(tǒng)計,2000到2007年,全球環(huán)境體系共沉積了48億噸人類排放的碳,然而仍然有40億噸的剩余。而生物碳每年可以沉積10到20億噸碳元素。它的這種神秘的、獨一無二的特性,使其成為研究氣候變化最熱門的領(lǐng)域。

  2歷史

  生活在巴西亞馬遜河流域的人們長期使用一種特殊的肥料。這種肥料來源于當(dāng)?shù)?,具有極強(qiáng)的恢復(fù)貧瘠土壤肥力的能力。當(dāng)?shù)厝税阉Q為“印第安人的黑土壤”。它多產(chǎn)、肥沃,與當(dāng)?shù)叵∈?、貧瘠的土壤形成鮮明的對比。這種黑土壤在一些地區(qū)可以延綿幾公頃,但是目前還沒有人知道這些神秘的黑土壤到底是什么。有人猜測它是火山巖,或者是古代湖泊的沉積物,又或者是很久以前植被腐爛后的殘留物。但很少有人會認(rèn)為它是人為制造而成的。

  現(xiàn)代研究證明,黑土壤是2500年,甚至6000年以前由生活在亞馬遜流域的人們制造的。一般認(rèn)為,他們使用的材料包括動物糞便,魚,動物骨頭和植物廢物。但是生產(chǎn)黑土壤最關(guān)鍵的原料,也是黑土壤之所以呈現(xiàn)黑色的原因,是木炭的使用。

  黑土壤中的木炭可以使土壤肥力維持一個世紀(jì)之久。幾個世紀(jì)以來,生活在南美亞馬遜流域的人們都靠這些原生態(tài)材料制造“黑土壤”來肥沃土地。幾千年過去了,那兒的土壤不需耕耘灌溉,依舊十分肥沃。

  佐治亞大學(xué)的科學(xué)家Steiner解釋道: “千百年過去,這個區(qū)域依舊沃土依然,那是因為土壤中富含碳元素。” 因此,生物碳這一科學(xué)概念的提出,使人們看到了無需砍伐森林也可開拓農(nóng)耕地的希望。

  但在生物碳科技大規(guī)模投入運用之前,該技術(shù)仍進(jìn)一步改良和完善。工廠可向全球各地農(nóng)場購買農(nóng)耕廢料。這也是生物碳制造蘊(yùn)含的一大商機(jī)。

  3優(yōu)點

  生物碳可以保護(hù)環(huán)境。鑒于其高含碳量和多孔的特性,它不僅可提高土壤蓄水儲養(yǎng)的能力,還可保護(hù)土壤中的微生物。它像一個地下碳水槽,鎖住二氧化碳,最終達(dá)到增加作物產(chǎn)量的效果。

  美國國家海洋與大氣局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,從20世紀(jì)80年代開始,大氣中的二氧化碳含量就以驚人的速度攀升。八十年代的二氧化碳含量以每年百萬分之一點五的速度上漲,而自2000年以來,這個速度被改寫至每年百萬分之二.

  而生物碳則可吸收有機(jī)物質(zhì)腐爛時釋放至大氣的二氧化碳;并幫助植物有效儲存其光合作用所需的二氧化碳。通過這兩種方式,生物碳起到了潔凈空氣的作用。

  Christoph Steiner是生物碳領(lǐng)域的學(xué)科帶頭人。他說:“土地中自然存有大量的碳元素,但是這些碳是不穩(wěn)定的,受氣候影響會釋放二氧化碳。而生物碳則可以固定碳元素長達(dá)幾百年。因此,充分利用生物碳可降低大氣中二氧化碳的含量。”

  根據(jù)美國國家航空宇航局的科學(xué)家James Hansen的研究,如果生物碳可在全球范圍內(nèi)有效使用,那么大氣中的二氧化碳含量可在50年內(nèi)降低百萬分之八。

  生產(chǎn)生物碳過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品,對環(huán)境保護(hù)能源生成也是大有益處的。生成過程中約1/3原料變?yōu)樯锾迹?/3可被再加工用于發(fā)電,另1/3則可成為原油。生產(chǎn)時釋放出的氣體可被用于發(fā)電,而其他一些副產(chǎn)品可用于制藥。

  生物碳是面向未來的,低成本,可持續(xù)性的環(huán)保能源。而它的起源則可追溯到幾千年前。

  4解之謎

  關(guān)于生物碳,還有許多未解之謎。例如,為什么它能改善土壤?目前人類還不知道確切的原因??茖W(xué)家認(rèn)為,這可能是許多因素共同決定的。木炭結(jié)構(gòu)疏松,有利于營養(yǎng)素的儲藏,就好像海綿能夠保存許多水一樣。另外,生物碳可以代替人工氮肥。而氮肥釋放的氮氧化物比二氧化碳對溫室效應(yīng)的影響要高300多倍。

  但是也有人指出,任何期望僅靠生物碳就能解決施肥問題的人都是錯誤的。生物碳并不足以像黑土壤一樣作用于貧瘠的土地。黑土壤包含了許多其他來源的營養(yǎng)素,其中包括豐富的磷元素。毋庸置疑,生物碳在儲存這些營養(yǎng)素上扮演了重要的角色,保證了植物根莖營養(yǎng)的供給。但前提是這些營養(yǎng)素必須由其他途徑獲得。目前為止還沒有人能夠成功地復(fù)制黑土壤。

  然而,即使現(xiàn)在生物碳的效果并不完全滿足人們的期望,它仍然是對付氣候變化的重要手段。因為在眾多降低大氣碳水平的方法中,很少有像生物碳這樣既簡單又廉價的。

  但是大量應(yīng)用生物碳還有一些問題需要解決。首先,人們需要開發(fā)一個生產(chǎn)生物碳的模型,確保它既能降低溫室氣體,又能簡單方便的在不發(fā)達(dá)國家的農(nóng)場中應(yīng)用。此外,發(fā)達(dá)國家大型農(nóng)場的運營模式也需要進(jìn)行調(diào)整,從而提高人們收集和處理廢物的積極性,而這經(jīng)常需要給與經(jīng)濟(jì)上的刺激。相反,發(fā)展中國家也許更需要科學(xué)的管理方法和技術(shù)。這些經(jīng)濟(jì)和交流方面的問題,是制約生物碳使用的真正阻力。


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