2009年10月5日 星期一

對生物碳之重新審思



試想存在著一個可以增加雙倍或三倍農作物產量的簡單農業土壤改良劑,而在同一時間,還能減少所需要的肥料。除了能減少大量土壤養分的流失,如果此神奇物質還可以大量地減少溫室氣體呢?這種革命性的物質的確存在,而且不是甚麼高科技的產品,也不是甚麼小說裡的情節,這物質的使用甚至於可以追溯到哥倫布到達之前的南美洲。

這物質的成分就是木炭,在農業範疇內也就是所謂的生物碳(Biochar)或者稱之為農業碳(Agrichar),如果越來越多的科學家和企業家與農民以及政府政策的決策者都能臣服於此物質,那麼這種能持久存在的碳形式將會尋找出一條滲透到全世界土壤裡的途徑。 "生物碳具有巨大的潛力,” 澳大利亞Macquarie University 的John Mathew表示:"當大規模的擴大使用,可以從大氣中清除億萬噸的碳 "他補充道。

農業碳的好處就得從它的兩個特性說起,康奈爾大學的土壤科學家Johannes Lehmann表示。首先它能使植物生長良好,其次它本身是非常穩定能持久存在於數百年如果不是千百年都不會改變其形態。 " 生物碳能用來解決一些最急迫的環境問題—例如:我們歷年來所面臨的土壤退化,糧食安全,使用農業化學品造成的水污染,與氣候變化等等問題 "他說。

但是要能實現生物碳具有的這些潛力還須要進行更深入的研究。 "我們需要得到生物碳對農藝以及碳捕獲與隔離之潛力可靠的數據,”在美國愛荷華州立大學的生物可循環質能計劃辦公室主任Robert Brown表示:" 生物碳具有的功能都是真實的,但是在目前這些功能卻都很難被量化 " 。

對生物碳進行深入研究的動力似乎也正在聚集中,今年舉辦了第一次針對生物碳的國際研討會,撥款給生物碳研究更多的經費,研究計畫也從溫室擴大到了田野。

負向思考
在傳統黑煙窯製作的木炭可以減少溫室氣體的排放量的這麼一個概念,可能看起來與直覺相違背,但是熱裂解生物物質的技術使得所生產出的生物碳相對的乾淨。這熱裂解的過程是獨一無二的,因為它能從大氣中移除更多的碳相較於熱裂解的過程中所釋放出的。在碳核算的術語中,這一過程將碳數由中性值轉變為負數值的碳。

這又是如何來達成的:首先植物成長過程中的生物質量之增加是來自於它吸收了大氣中二氧化碳來進行光合作用而轉變成生物質量。在熱裂解的過程裡少量的這種碳被釋放到空氣中而其餘的碳則被是捕獲與隔離形成能長時間存在並且被鎖定住的生物碳之形式。因為大氣中二氧化碳的碳含量已經藉由光合作用與熱裂解而被轉換為固定之生物碳的形式,整個淨過程就是大氣中的碳數量減少而成為負值。

生物碳的先驅日本大阪技術研究所的Makoto Ogawa和他的同事的計算結果,發表在Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change ( 2006, 11, 429-444 )雜誌,他們認為即使在製造生物碳的熱裂解過程中允許碳排放,將廢棄的生物質量轉換為生物碳仍然可捕獲與隔離20-50 %的原本存在於生物質量中的總碳量。

熱裂解過程其實只是一個技術較為先進的悶燒的形式,它涉及在受控制的低含氧量的條件下進行生物質量的燃燒之過程。而傳統的大大小小熱裂解設施以各種不同的方式進行操作並且生產出各種不同的能源產品,包括生物油脂和氣體產物,而其中生物碳僅是熱裂解過程的一個副產品。
生物碳的倡導者表示,目前所使用的大多數熱裂解方法,主要的目標是在於製造出極大量的能源產品而不是專注於製造生物碳。如何使用熱裂解過程來製造出優化的生物碳,在過去並非是一個優先的項目,但是這種的研究正在形成之中。

今年5月美國 Dynamotive(Dynamotive能源系統公司的子公司)和Heartland BioEnergy兩家公司,已經開始在美國愛荷華州玉米種植帶的三個條狀的玉米田中將12.7噸的生物碳進行現場實地的影響作用之測試。美國 Dynamotive的加拿大母公司公司已經開發出一種快速熱解過程,能製造高品質的生質油。

生物碳不僅具有可以提高玉米20 %的產率的潛力,另外我們還相信這項實地測試會提供生物碳還具有可以顯著地改善水質的證據,如果真的得到證實這會產生十分深遠的有利結果,Heartland BioEnergy公司的農民和農業部門顧問Lon Crosby表示。他預測,農民使用生物碳後將減少化肥使用量,並因此會產生較少的田地裡的氮和磷的排放流量。

以美國威斯康辛州麥迪遜市為基地的BEST Energies公司發展出了一個緩慢的熱裂解過程。該公司在今年6月從澳大利亞的新南威爾士州,收到超過225,000美元的研究經費,來繼續從事研究生物碳在地表的碳捕獲與隔離和農業溫室氣體減排的作用。該公司的澳大利亞子公司已經生產少量的生物碳並在澳大利亞新南威爾士州的Wollongbar農業研究所用來作現場實地的試驗。

另外一項在美國的一億美元研究經費也正在撥款的管道中。美國聯邦參議員Ken Salazar(D-Co)他是一位美國參議院農業委員會的成員,正在發起一項農業法案的修正案,將經費用在研究將生物碳的使用推向商業化市場。

黑金
激勵這項研究的農業聖杯是源自於亞馬遜森林地區的 " terra preta de indio” 一種肥沃的黑土,即使其周圍土壤養份都很差但是這片黑色土壤其肥沃度卻能持續生產高產量的作物。以碳測定方式進行的年代測定,顯示出目前的這片生物碳所形成的土壤已經延續了數千年之久。 研究者認為,該地區的原始居民清理森林領域時,將砍伐下來的樹木以悶燒的方式處理而形成了這片生物碳區域。

在日本使用木炭作為土壤改良劑有著悠久的歷史,而最近的農業試驗還展示了生物碳的其他有益的特性,對於許多作物包括玉米和甘蔗均具有增加其產量的功能。這些實驗主要集中於印尼,菲律賓,澳大利亞,南美和亞洲的貧脊土壤區域。

加入生物碳後的土壤其ph值普遍會提高,伴隨氮總量與磷總量的增加,促進作物的根系發育,提供更有利於真菌和微生物寄生環境,改善土壤陽離子交換量,並降低鋁含量。這是條大有希望的道路,但科學家目前尚不知道如何大量生產出品質一致的高品質生物碳。

幾種類型的生物碳已經被測試過,但更需要進行系統性的調查,以確定不同種類的生物碳的特色與其影響。在許多情況下,科學家們可能還不知道原料的確切組成成份以及在悶燒的過程中之溫度和氧的用量與含量。 "這些數據未必被測量或者記錄過,他們有時甚至於無法進行評估。舉例來說,在傳統燒窯裡隨著不同時間和位置其溫度都不相同,Lehmann表示。

"我們需要一個可比擬於在過去的一個世紀用來發展化肥的類似研究工作,以提供在這個世紀發展生物碳所需要的基本科學資訊 " Lehmann說。

溫室氣體減排器
一些最吸引人的研究工作需要環繞在生物碳似乎具有的減少一氧化二氮和甲烷的排放之能力,而這兩種氣體是具有強大的溫室效應。

一氧化二氮的溫室氣體效應是數百倍於二氧化碳。而在農業應用的氮肥是它的一個主要來源,並且對此一直難以進行控制。

初步研究結果顯示,使用生物碳作為土壤改良劑似乎具有減少一氧化二氮與甲烷的排放,而甲烷它的溫室氣體效應是23倍強於二氧化碳。在2005年美國農業部舉辦的溫室氣體和碳附著研討會上,來自於International Development Research Centre的 Marco Rondon和他的同事告訴與會人士,在南美洲哥倫比亞田間和溫室裡所進行的試驗顯示,當生物碳添加入一個飼草場後,一氧化二氮的排放量分別減少80 %而甲烷的排放量則被完全壓制,而Wollongbar Agricultural Institute的Lucas Van Zwieten和他的同事們也觀察到了類似的初步結果,Lehmann的研究團隊在溫室和田間進行的研究數據也顯示出同樣的結果。Lehmann表示,可能的解釋,包括生物碳對充水孔隙空間,硝化作用的速率,以及微生物群落結構的影響。

追逐碳的配額度
生物碳的倡導者認為,開啟生物碳這物質的經濟潛力的關鍵,在於讓它具有碳配額的資格或享有其他獎勵減少溫室氣體排放的措施之資格。 " 這並不是說使用生物碳的實際好處不是那麼重要, " Brown說," 但是就執行層面所須要的推動力量而言,關鍵就在於溫室氣體的鼓勵政策 "。

相較於植樹活動,從理論上說地球表面的生物碳存儲容量幾乎是無窮的,現有的農地就可以容納今天所有人為產生在大氣中的2 00000000噸的二氧化碳,根據英國生物質量公司BioJoule的生態企業家Mike Mason的評估。森林樹木中儲存的二氧化碳一把火就可能將它們重新釋放到大氣中,而利用地下岩層存儲二氧化碳也能會洩漏回大氣中。

但在目前的京都議定書中,土壤循環並不被視為一個可行的二氧化碳捕獲與隔離機制。在GY Associates一家專門從事永續發展公司工作的John Gaunt,一直在與Lehmann和他的同事規劃要如何來進行可以促進生物碳帳戶誕生的碳交易計劃。在今年春天於美國拉斯維加斯所舉行的Power- Gen Renewable Energy and Fuels會議上,他們發表了所計算出的生物碳捕獲與隔離在經濟上達成具有吸引力的切入點時機,那就是當二氧化碳的排放量在芝加哥氣候交易所 (Chicago Climate Exchange)從目前的交易價4美元/噸,達到37美元/噸的時候。

Mathew擺了一包生物碳在他的辦公桌子上,因為他認為這是地球未來的關鍵。他認為現在正是讓個別國家來提倡熱裂解和生物碳的時候。京都協議的設限和碳交易方式是無法讓大氣中二氧化碳水平迅速與大幅度下降的。而生物碳的方式卻可以直接藉由大氣中的光合作用之威力進行生物轉化捕獲與隔離碳來解決全球暖化問題 " 。

(本文譯自:Environmental Science & Technology, Sep. 1, 2007, pp. 5932 - 5933)
http://www.niea.gov.tw/epaper/epeper_detail.asp?C_ID=193