近年來，一種效果持久的土壤添加劑在美國大受青睞。這種碳含量很高的物質被稱作生物炭(biochar)。

據(jù)統(tǒng)計，2008年起，這種土壤添加劑銷量每年遞增3倍。其中，美國賓夕法尼亞州Biochar生物炭公司是已經成為行業(yè)的代表性企業(yè)。這家公司每天源源不斷地為很多農場主提供原料，銷售方式不僅包括批發(fā)渠道，而且已經開始通過亞馬遜和WholeFoods有機食品連鎖超市直接零售。

如今中國、瑞典等亞洲和歐洲國家都已經在農業(yè)和城市綠化中使用這種生物炭。

新技術重祭“老法寶”

生物炭是通過在低氧環(huán)境中加熱生物質(如麩皮等農作物廢料)制成的，是一種在生產生物燃料時的副產物。

隨著人們對清潔能源的重視程度不斷提高，科學家對生物炭也產生了濃厚的興趣，大量測試其前景的研究正迅速涌現(xiàn)。他們尤其感興趣的問題是，生物炭顆粒的化學和物理特質是如何影響水在土壤中的滲透、污水處理、微生物群落結構以及溫室氣體排放?？茖W家希望生物炭可以給全世界的農民帶來福音，尤其是非洲和其他發(fā)展中國家和地區(qū)，因為那里的土壤往往十分貧瘠。

約翰尼斯·萊曼是美國康奈爾大學的農作物和土壤學家。他認為不同類型的生物炭“對某些最重要的土壤屬性——通常與作物產量相關——有獨特的調節(jié)作用，例如土壤的風化和沙化程度”。

人們對生物炭還有很多疑問，特別是是否廉價且有效。在有些研究中，生物炭甚至讓農作物產量降低了。造成這個問題的原因之一是，用于生產生物炭的生物質各種各樣，而且生產時的溫度和速度也不固定，導致生產出的生物炭質量不一，進而對農作物的影響也不盡相同。

盡管農民們最近才開始接觸生物炭，但實際上生物炭有著悠久的歷史。千百年前，生活在亞馬孫河流域的人們就通過加熱有機物制造出了生物炭，并用它造就了被稱為“亞馬孫黑土”的肥沃土壤。但在歐洲殖民者入侵南美后，這項技術漸漸被人遺忘，其他地方的農民則沒有使用生物炭的習慣。

活水增肥兼固碳氮

10年前，科學家們開始對生物炭產生了興趣。當時，人們開始關注全球變暖問題，一部分人期望可以用生物炭將大量碳元素封存在地下。現(xiàn)在，雖然這個想法已經漸漸淡出人們的視野，但土壤學家卻開始探索將生物炭用于農業(yè)以及治理污染。

生物炭如何影響土壤中水的滲透?麗貝卡·巴恩斯是美國科羅拉多大學斯普林斯分校的生物地球化學家。她和同事在不同土質中摻入生物炭，然后測試水的流動性。結果發(fā)現(xiàn)，水在沙土中通常滲透得很快，但添加生物炭后，水流動的速度降低了約92%;水分在富含黏土的土壤中一般不易流動，但添加生物炭后，水流動的速度提高了3倍多。研究人員認為，土壤顆粒之間的間隙是水流的通道，而生物炭改變了水通過這些間隙的方式。

巴恩斯說：“黏土一般是扁平的顆粒，而沙一般是圓形的顆粒。但生物炭卻沒有固定形狀，因此不僅在自身內部產生了復雜的通路，還在土壤空隙中產生了復雜的通路。”她和同事認為，正是這些復雜的通路使水分在沙中的滲透減緩、在黏土中的流動加快。

巴恩斯認為這意義重大，因為盡管黏土可以貯存大量水分，但這些水分要穿透土粒抵達植物根部卻很費力。一些研究表明，與普通土壤或是僅添加了堆肥的土壤相比，添加了生物炭的土壤能讓植物長得更好。

研究人員還試圖弄明白生物炭是如何影響土壤中微生物活動的。微生物通常以群落的形式發(fā)揮作用。比如，許多細菌只有在數(shù)目大到可以克服宿主免疫反應時，才會對植物的根部進行攻擊?？_琳·馬謝洛是美國萊大學的生物地球化學家。她和同事發(fā)現(xiàn)，生物炭可以與細菌細胞分泌的用于調節(jié)細菌活動的信號分子結合，從而抑制病菌對植物的侵害。

馬謝洛解釋道：“細菌會感覺不到其他個體的存在，因為細菌之間的‘通話線路’被切斷了。”她還說，下一步研究人員將利用生物炭的這一功能，幫助植物減少感染。

還有一些研究人員正在探索，如何利用生物炭減少農田中一氧化二氮(一種溫室氣體)的排放。2014年，南京農業(yè)大學的土壤學家劉曉雨和同事發(fā)表論文稱，在玉米田和麥田中加入生物炭后，一氧化二氮的排放量在接下來5個作物季(3年時間)持續(xù)減少。

在其他研究中，也發(fā)現(xiàn)了生物炭可以減少一氧化二氮排放的現(xiàn)象，但研究人員還不清楚其中的具體原因。劉曉雨說：“使用生物炭可以改善土壤的一些性質(例如它可以促進植物對鉀的吸收)，提高土壤中有機質的含量。”目前，劉曉雨已經從生物炭制造商處籌得了一些科研經費。

2011年的一項調查發(fā)現(xiàn)，使用生物炭后，農作物產量平均提高了10%，該數(shù)值在酸性土壤中更是達到了14%。生物炭可能在退化或貧瘠的土壤中效果最顯著，因為它可以幫助土壤留住基本的營養(yǎng)成分。加利福尼亞大學伯克利分校的安德魯·克蘭·德勒施一直在肯尼亞西部研究生物炭在這類退化土壤中的作用。初步結果顯示，使用生物炭的農田平均可增產32%。

應用廣泛潛力巨大

2014年6月，世界銀行在一份報告中指出，生物炭可能是最具潛力的、能幫助發(fā)展中國家農民的物質。因為，生物炭不僅可以改善土壤的性能，還可能成為“氣候智能型”農業(yè)(climate-smartagriculture，這種農業(yè)能經受諸如氣溫升高、降雨減少和土壤貧瘠化等氣候變化的影響)的重要元素。

除了應用于農業(yè)外，研究人員還嘗試將生物炭應用到其他領域。生物炭可以與土壤中的重金屬結合，使重金屬不容易接觸到植物或進入水源。生物炭的這一特性引起了美國環(huán)境保護局等機構和嘗試改造廢礦的公司的關注。

2010年，在美國科羅拉多州阿斯彭市附近的霍普礦區(qū)，人們通過在土壤中加入生物炭抵消了累計數(shù)十年的開礦廢料對當?shù)丨h(huán)境造成的負面影響。據(jù)阿斯彭環(huán)境研究中心稱，那些原本荒蕪的山坡重新長出了植被。

生物炭在清潔污水方面也顯示了巨大的潛力，甚至可以代替活性炭用于污水處理廠及被有毒化學物污染的地區(qū)，并且比活性炭的成本還低不少。美國密西西比州立大學的退休化學教授查爾斯·皮特曼解釋說，生物炭顆粒表面積很大，而且在水中還會增加，巨大的表面積提供了無數(shù)結合污染物的位點。

皮特曼說，這種治理污染的方法對缺少完備凈水系統(tǒng)的國家尤為有用。生物炭還能去除水中的抗生素和化學污染物，而這些用傳統(tǒng)的凈水方法很難去除。

科學家還測試了生物炭能否凈化開采石油或天然氣時使用的液體，以及是否可用它制造打印機墨粉和其他涂料產品。美國農業(yè)部農業(yè)研究局的土壤學家?guī)鞝柼?middot;斯波卡斯說：“還有很多市場，人們還沒有完全探索。”

隨著世界各地對生物炭感興趣的消費者越來越多，關于生物炭的討論也會隨之增多。

比約恩·恩布倫負責瑞典斯德哥爾摩的城市綠化。他介紹說斯德哥爾摩從2009年就開始使用生物炭來促進植被的生長。恩布倫認為，近幾年城市樹木長得特別健康，生物炭功不可沒。

2014年9月，來自紐約的慈善組織彭博慈善基金會向斯德哥爾摩市捐資100萬歐元(約120萬美元)，用于一項覆蓋全市的環(huán)保項目，該項目可以把居民的花園廢料、食物垃圾甚至污水轉化為生物炭。

價格與原料瓶頸尚待突破

并非所有研究都表明生物炭是一種神奇的物質。有些情況下，生物炭甚至會造成農作物減產;還有一項研究認為，生物炭會降低一些有助抵御昆蟲和病菌侵襲的植物基因的活性。

萊曼認為，這可能是生物炭使用不當造成的。他說，在一些發(fā)現(xiàn)生物炭造成減產的研究中，所用的天然土壤本已相當肥沃。

另一項研究認為，使用錯誤類型的生物炭會對土壤微生物帶來負面影響，還可能降低土壤的貯碳量。例如，由稻草制得的生物炭在特定土壤中的效果，就與由木頭或糞便制得的生物炭不同。

而且，科學家并不確定將生物炭用于土壤修復或其他方面是否有經濟上的優(yōu)勢，特別是在農業(yè)方面。

一般來說，貧瘠的土壤往往出現(xiàn)在貧困地區(qū)。在肯尼亞見證了生物炭的增產效果后，克蘭·德勒施又考察了生物炭在當?shù)氐氖袌銮熬?，他發(fā)現(xiàn)“即使以成本價出售生物炭，也幾乎沒人購買”。

生物炭的價格參差不齊，在美國，有一些產品的售價達每千克3美元，和某些化肥差不多，比很多堆肥要貴。從宏觀來看，只有當生物燃料產業(yè)有經濟效益時，生物炭產業(yè)才能同樣在市場有一席之地——例如，當生物燃料產業(yè)獲得了政府補貼，或因減排政策使得化石燃料價格上漲時。

如果有一天，對生物炭需求激增，人們首先需要關心的是生產生物炭本身對環(huán)境有何影響。原料的選擇是一個關鍵問題。中國傾向使用農業(yè)廢料，如稻草或麥稈;而一些美國研究者則推薦使用動物糞便。

不過，就大規(guī)模生產而言，這兩種方法都不是最有效的方式。用木頭做原料則可能會導致對森林的過度砍伐。

英國牛津大學印度可持續(xù)發(fā)展中心的研究主管艾爾弗雷德·蓋索恩·哈迪說：“一個非常重要的問題是，原料是否可持續(xù)獲取?我覺得目前在生物炭研究界，關于這方面的討論還不夠。”

生物炭到底是像宣稱的那樣神奇，還是會和其他很多所謂的“魔法”物質一樣，漸漸變得無人問津?這不光是研究生物炭的科學家關心的，也是相關企業(yè)和使用者關注的。(本文作者雷切爾·塞爾南斯基是美國科羅拉多州丹佛市的自由科學撰稿人。翻譯：馬驍驍文字及圖片均由《科學美國人》中文版環(huán)球科學授權刊登，本報編輯有刪改。更多內容請看《環(huán)球科學》三月刊)