从秸秆到生物质炭肥料-----我所土壤有机质研究走进生物质产业化案例

土壤有机质是土壤肥力及生态系统功能的关键物质,来源于生态系统生命代谢废弃物残留。土壤有机质储存且稳定于土壤,既能起到捕获锁定大气二氧化碳而减少温室气体排放,从而减缓全球气候变化,又能促进土壤团聚而形成土壤团聚体结构,改善农作物生长而增产优质,从而有利于全球食物安全。因此土壤有机质管理被认为是土壤可持续管理的核心。但是,全球土壤,特别是中国和亚非发展中国家,土壤普遍缺失有机质,且高强度农业利用下有机质损耗成为全球趋势。

15年来,通过国家基金委数个重点项目、教育部基础研究重大项目和博士点优先领域重点项目的经费支持,通过国家外专局引智计划支持,与国际顶尖研究团队英国Aberdeen大学Pete Smith教授、美国Colorado州立大学Keith Paustian教授、意大利Naples Federico II大学的Alesandro Piccolo教授的紧密合作,研究阐明了中国农田土壤有机质储存现状及土地利用下的变化趋势,阐明了有机质对农田生产力及其稳定性的控制及其生物物理、生态系统及农业管理的调控效应,揭示了良好管理下有机质提升对于土壤团聚体形成稳定、土壤有机质的分子转化与稳定过程和土壤-植物-微生物相互作用的多界面稳定机制,明确了土壤团聚体发育是土壤固碳及有机质功能作用的关键驱动,提出了促进土壤结构发育的有机质提升与管理路径;进而认识到如何增进土壤中结构性有机质的储量及稳定是保证土壤可持续固碳及促进农田生产力的科学关键。这些研究被应用于IPCC农业固碳减排的可选方案和管理依据,先后参与了IPCC第四次评估报告、第五次评估报告的编写,特别是土壤有机质管理结合到农业温室气体计量和固碳减排技术途径,在我国推介了土壤增碳作为固碳减排应对气候变化的战略,并应用于我国第二次、第三次农业减缓气候变化对策战略选择。

从有机质的土壤功能机理和有机质结构性作用出发,这一研究进而与国际生物质炭研究相碰接。2006以来,生物质炭的研究成为国际土壤有机质研究的新热点,而生物质炭恰恰提供了快速提升土壤有机质而增进土壤固碳和生态系统功能的有效途径。2010-2015年间,在国家外专局引智计划-111计划、高端外国文教专家引智计划支持下,聘请了国际生物质炭权威专家-美国康奈尔大学Johannes Lehmann教授, 澳大利亚New South Wales大学的Stephen Joseph教授作为团队兼职教授,全面发展与国际先驱研究团队的合作,结合科技部农业科技支撑计划和农业部行业专项计划,先后开展了秸秆生物质炭生产技术、生物质炭农业应用技术研究,与长三角地区先进环保装备企业合作,集成创新了秸秆热解生物质炭生产制造技术及设备制造技术、生物质炭农田土壤改良、生物质炭基肥研制及应用等先进技术,提出了生物质炭高产高效减肥减排技术、生物质炭重金属污染农田(特别是南方镉污染稻田)可持续治理技术、生物质炭盐碱土快速改良技术及生物质炭基有机无机复合缓效肥技术等四大类农业生物质炭技术,构建了秸秆-生物质炭-绿色农业技术体系,创新发明了养分含量38%的固体炭基肥,液体有机肥、叶面调理剂、生物质炭种子包衣剂等产品技术系列,2012年炭基肥得到国家发改委中小企业振兴计划资助投入工业化生产,2012年成功举办生物质炭绿色农业国际研讨会,组建了中国生物质炭绿色农业协作网。当年,土壤有机质-生物质炭-绿色农业相关技术通过教育部鉴定。2013年提出的秸秆生物质炭绿色农业技术列入首批33项国家关键低碳技术目录,2013年列入科技部农业科技成果转化计划。同年,农田固碳减排技术研究及应用获教育部科技进步二等奖。

为国家秸秆治理服务,秸秆生物质炭技术快速应用于秸秆资源化综合利用。2012-2015年列为国家绿色能源示范县计划,2015年以来纳入国家秸秆综合利用示范计划。经过数年的试验和中试,集成构建了秸秆生物质热解分离、分质和分值利用的绿色工程技术,合作研发了各类不同原料和工艺的生物质炭化生产设备,实现了秸秆能源、养分和有机质资源有效分离和生物质炭和木醋液的增值利用,创新制备秸秆生物质炭纳米炭基肥、高产优质速效液体有机肥,集成构建了生物质炭化、分质利用、多联产增值的秸秆资源化工业产业技术路线(图1),进一步开发了大规模秸秆炭化生产线与生物质炭系列产品的生物质绿色工程技术体系(图2),实现了从秸秆废弃物治理到生物质制造业的转型,正在发展为一个全新的以秸秆炭化为核心的炭化设备制造业和生物质能源-生物质肥料-生物质材料-多产品联产并举的生物质新产业。

 

1 秸秆炭化:生物质热解与产物的分离及分值利用原理与途径

 

这一技术以热解、分离、分质为核心,去除药残、钝化重金属、富集有机质、回收养分而达到秸秆生物质全循环的安全、低碳、绿色秸秆资源化产业化路径。2016年,北京三聚环保新材料有限公司与南京农业大学全面合作,在石化行业协会支持下成立了秸秆生物质高效利用工程技术研究中心,升级改造了大型秸秆热解生物质炭化生产线(图3),完成年处理秸秆3万吨的大规模秸秆生物质产业的工程化模式组装配套,并运作商业化市场推广,全面推进秸秆生物质产业化。直至20174月,已在东北、新疆、河南、山东、湖北和江苏合作兴建秸秆生物质企业近20家,计划到2020年达到年处理秸秆500万吨以上,产值200亿元以上。这一秸秆生物质产业化技术在2016年上海投资者大会上、农业部全国农村能源与生态环境工作会议、江西省绿色发展高峰论坛等会议上作了特邀报告介绍推介。2016年,这一技术参加了“2016年全国双创周北京会场”活动,受到了张高丽、刘延东、郭金龙等中央领导的现场观摩和高度评价。20175月,这一产业化模式被农业部公布为秸秆资源化利用十大模式之一。



 

图2 秸秆处理的生物质制造业产业结构与产品


 

 图3 本技术转化的北京三聚秸秆生物质炭化工业生产线及主要产品炭基肥与土壤改良剂

 

秸秆生物质炭研究和技术发展走过了引进-创新-升级-领先的历程。通过引智技术的消化吸收和集成创新,秸秆生物质炭生产与农业应用技术以及在国际上占有优势地位,国际机构评价中国生物质炭引领世界2013年,在欧洲生物质炭计划会议上作特邀报告介绍,并纳入该计划的科学培训会推介,还受邀在柏林土壤周活动中作为土壤质量培育技术专门对社会人士进行推介。2013年始,作为国际生物质协会的培训活动,在中国连续举办农业生物质炭生产、监测与应用培训,2015年,作为非英语国家唯一代表,首次入选国际生物质炭协会董事局;2015年,介入联合国全球生物质炭项目,并承担首期参与国培训。2015年,被授予国家引智成果示范单位。2016年作为亚专计划资助项目,承担我国政府资助的对东盟国家的农业培训与技术推广。2016年,被授予江苏省引智成果示范推广基地。2017年,第二次中国东盟生物质炭可持续农业国际研讨会将于1118-21日在南京召开(国际生物质炭协会董事会等国际权威科学家和国际生物质炭科技政策及产业界人士将与会交流,热忱欢迎各界人士与会)。目前,本所正在布局生物质产业向传统废弃物处理产业的融合,努力支撑一个全覆盖的生物质废弃物到生物质材料的产业转型。

 



| 发布时间:2017.06.21    来源:    查看次数: