生物炭概念的內涵及語詞辨析

盛奎川 楊生茂

(1 浙江大學生物系統工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058；2 浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；3浙江省生物炭工程技術研究中心，浙江 杭州 310021)

早在2007年，美國康奈爾大學Lehmann教授在《Nature》上撰文指出，木質纖維類生物質經相對低溫的熱解處理，得到的炭產物可施入并封存于土壤中，對固碳減排、土壤改良以及作物生長具有促進作用[1-3]。這種炭產物的英文名稱為biochar。十多年來，國內學術界關于biochar的中文表述比較混亂，對于其概念的語詞如何規范存在爭議。有的學者主張用“生物質炭”，認為“生物炭”用詞是不嚴謹、不恰當，甚至不科學的，并建議改名；有的學者則認為“生物炭”用詞準確、精煉，是恰當的。國內學術界關于“生物炭”與“生物質炭”的爭議和分歧長期存在，至今仍缺乏科學的思辨和統一的認識，在一定程度上影響了生物炭科學知識的傳播、科技成果的推廣應用以及新學科的開拓，甚至影響到國內相關標準的起草與制訂、企業產品的命名及銷售、媒體的宣傳報道和同行的交流等。

專業術語的用詞是否恰當、貼切，不同學者持有不同觀點。尤其是對于新興學科或者研究領域，對其核心詞語理解出現爭議、爭論都不足為奇。真理越辯越明，通過思辨、爭論，存在的分歧有可能消除，認識可能趨于一致，即使觀點不能統一，也可求同存異。若不討論、不爭論，一些不正確的觀點有可能長期存在，導致概念混亂現象長期得不到糾正，學術界同行的分歧和矛盾也就可能長期存在，因而不利于開展正常的科技交流與合作，甚至會對本學科領域的發展產生一定的負面影響。我們既要把握概念的用詞是否準確、貼切，更要關注概念的科學屬性，即概念的內涵和外延。因為科學概念的形成并非一成不變，隨著科技的發展和人們認識水平的提高，科學概念的內涵和外延也會發生改變。筆者查閱了部分國內外學者發表的關于biochar的英文論文，發現有些涉及biochar概念內涵和外延的說法存在問題[4-6]，而國內部分作者未經深入辨析就直接引用，容易誤導讀者，造成生物炭領域的概念混亂或邏輯錯誤。鑒于此，本文旨在通過梳理關于biochar(生物炭)概念的發展、演變及其內涵與語詞、定義與劃分等方面存在的邏輯問題，對本學科的發展發揮積極的推動作用。

1 生物炭的涵義及語詞

1.1 生物炭的語詞

漢語中“炭”“木炭”等文字古已有之。關于“炭”的成語有“坐于涂炭”“雪中送炭”“生靈涂炭”等。唐朝詩人白居易的《賣炭翁》中開頭兩句“賣炭翁，伐薪燒炭南山中。滿面塵灰煙火色，兩鬢蒼蒼十指黑。”生動描寫了中唐時期底層勞動人民“伐薪、燒炭”的艱辛，也反映了古代燒炭原料主要是薪柴、木材等林業生物質原料的事實。千百年來，木炭的主要用途是作為人們生活中炊事、燒烤和冬天取暖等的燃料。但木炭還另有用途，如1971年考古發現，長沙馬王堆漢墓密閉的棺槨外面塞填了5 000 kg木炭，因木炭具有一定的防潮吸水作用，加上木炭外面又用微晶高嶺土密封，使馬王堆女尸千年不腐，得以完整保存[7]。可見，在中國古代，木炭既可作為生活燃料，也可用作功能性防腐材料。中國古代勞動人們的智慧是豐富的、創新力是驚人的，但很遺憾這種木炭的制備工藝、技術及其應用大多未能記錄和流傳下來。利用儀器分析方法可知，木炭中主要成分是“碳”。碳是一種非金屬元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。“木炭”“煤炭”和“泥炭”等漢字中“炭”由來已久，應當寫成“炭”而不是“碳”。利用現代工業分析法可知，木炭、煤炭中含有一定量的揮發分和灰分，不是純凈的碳物質。因此，國內一些學者將biochar翻譯成“生物碳”[8]或“生物質碳”[9]等中文語詞是不恰當的。

為推動國家通用語言文字的規范化和標準化，2000年10月31日第九屆全國人民代表大會常務委員會第十八次會議修訂通過《中華人民共和國國家通用語言文字法》，于2001年1月1日起施行。作為該法的配套規范，2013年6月5日，國務院公布《通用規范漢字表》，這是現代通用漢字在字量、字級和字形等方面的具體規范。可見，即使在科學研究及學術活動中，科研人員要表述一個新的概念，也必須遵守科學、規范、準確的基本原則，嚴格限制生造文字，但可以用已有的規范漢字組詞以表述新的科學概念。

科技名詞術語是科學概念的語言符號，科學概念是用詞語或者術語表述的。概念和語詞既緊密聯系而又相互區別。語詞是物質的外殼，概念賦予詞語一定的意義和內容。但是，概念是反映對象特有屬性的思維形式，語詞是概念的物質標志，二者不能混淆[10]。在抽象與概括的基礎上，人們形成各種不同的概念，包括內涵和外延兩部分。不同語詞可代表同一概念。例如，英文biochar一詞，與中文“生物炭”“生物焦”和“生物質炭”等這些不同的語詞代表的基本屬于同一概念，其內涵也基本相同。然而，盡管可用不同的語詞表述同一概念，但作為專業名詞，應當簡明、確切、規范和公認。概念的語詞可以有2字、3字、4字或5字等，如木炭是2字，生物炭是3字，生物柴油是4字，生物質顆粒是5字。相比于生物質炭(4字)，生物炭(3字)更為簡練和順口。

英文中以bio-為前綴的新單詞不斷出現。科技人員會根據新的發現拼寫出新的單詞以表達新的概念。在國際學術界有人拼寫出biochar這個新名詞之前，charcoal這個英文單詞早已存在。Charcoal的意思是“炭，木炭；炭筆；木炭畫”等[11]。《新英漢詞典》對char的解釋為：作為動詞的意思是“(把…)燒成炭”“(把…)燒焦”“(把…)燒黑”；作為名詞的意思是“炭，木炭”。顯然，biochar這個單詞是以bio-為前綴，嫁接上char這個詞根而構造出的新英文單詞。

學術界究竟是哪位學者最早在學術刊物上采用biochar這個關鍵詞發表英文論文，又是哪些國內學者最早將biochar引入而以“生物炭”或“生物質炭”發表中文論文、報道學術成果，尚未考查和核實。值得關注的是，筆者2021年3月通過百度學術搜索引擎，檢索題目中含有“生物炭”或“生物質炭”的中文科技文獻，發現已發表的含有“生物質炭”的文獻約10 200篇，而含有“生物炭”的文獻約88 200篇，是前者的8倍多，說明國內更多學者或學術團體趨向認同采用“生物炭”這個語詞。

顯然，bio譯為“生物”沒有異議，char譯為“炭”也沒問題，將biochar譯為“生物炭”，在語言形式和語言結構上，體現了中國文字簡明扼要、涵義準確的特點和規律。但為什么有些學者認為“生物炭”是“不科學”“不嚴謹”，而堅持認為只有“生物質炭”才是準確科學的呢？固持“生物質炭”學者質疑的焦點究竟在哪里？“生物質炭”語詞真的貼切、準確嗎？針對這些問題，我們認為有必要展開討論，以理清概念。

1.2 生物炭的涵義

主張“生物質炭”學者認為“生物質炭”更為合適，主要應著眼于制備炭的物料來源是生物質，而不是“生物”。而“生物質炭”才“確切地”表達物料來源是“生物質”；另外，部分學者將“生物炭”與“生物炭化”“有生命的生物體炭化”劃上等號，因而認為“生物炭”是不可接受的名詞。

首先，之所以產生這樣的誤解，可能是對英文前綴bio-和中文的專業術語冠以“生物”兩字缺乏深入了解所致。Bio-的原意是“生物的”“生命的”。然而，隨著世界范圍內清潔能源、低碳經濟和可持續發展等理念的提出和科學研究的快速發展，大量帶有bio-前綴的科技詞匯，已衍生出“生物質資源”“源于生物質”等涵義。尤其是進入21世紀以來，在可再生能源工程、材料科學與工程、環境科學與工程和生物醫學工程等領域衍生出大量新詞匯。上世紀80年代的英文期刊Biomass，曾經是國內較早開展生物質能研究的學者十分關注的一本學術刊物。后來《Biomass》與《Energy in Agriculture》并入《Biological Wastes》，于1991年改名為《Bioresource Technology》。從該刊物名稱的字面上理解，中文直譯似乎是“生物資源技術”，實際上，這本刊物報道的大量研究成果與生物質資源利用有關，這里的bioresource實則上是指biomass resource。另外，在材料學科領域，“bio-(生物)”還有其他含意，如“bio-plastics(生物塑料)”是指“生物可降解塑料”，其相對于非生物降解的石油基塑料，具有明顯的環保優勢；“biomaterial(生物材料)”是指用于與生命系統接觸和發生相互作用的生物醫學材料，這里的“bio”體現了材料的生物功能性與生物相容性。例如，“聚乳酸”(polylactic acid)是一種源于生物質(如玉米淀粉或薯類淀粉)的生物可降解塑料，可作為手術縫合線，痊愈后能被人體吸收，降解為二氧化碳和水，是迄今研發最為成功的一種“生物材料”或“生物塑料”。如果要強調某種材料源于生物質，則往往采用“bio-based material(生物基材料)”。

有別于源自不可再生的化石資源(如煤炭、石油和天然氣等)，冠以“生物”兩字的能源領域專業名詞，如生物柴油(biodiesel)、生物乙醇(bioethanol)和生物甲烷(biomethane)等，都是源于可再生的生物質資源。這里的“生物”實際上就是“源于生物質”的意思，或是“生物質基”的簡稱，而不是“生物的柴油”……。同樣地，用“生物炭”作為biochar概念的中文語詞，用詞規則是一致的，形式邏輯上嚴謹、合理。我們也可以理解為，“生物炭”就是“生物質基炭”或“生物基炭”的簡明縮略語詞。筆者查閱不同時期發表的一些中文期刊論文，發現“生物炭是生物質原料通過熱解制備或熱化學轉換得到的富碳固體產物[12-14]”這一基本涵義，是許多作者普遍認可的觀點。幾乎沒有一個作者在定義或解釋“生物炭”概念時，會認為原料是“生物”或者“生物體”而不是“生物質”。

其次，將“生物炭”與“生物炭化”劃等號，這樣的解讀是將概念的“語詞”與概念的“內涵”混淆了。這是一種邏輯錯誤的特殊形式。不難理解，“炭”是名詞，“炭化”是動詞；生物質炭化是生物質轉化利用的一種加工方法和途徑，其固體產物可稱之為生物炭。

如前所述，概念的內涵和語詞既有聯系，又有區別。概念是一種類型的思想，即通常所述的是一種思維形式，它是對客觀對象的一種反映；語詞不是對客觀對象的反映，它只是用來表達概念、標志事物的一組筆劃或一組聲音，只是一組符號而已。例如“柴油”概念是什么？柴油是從石油中分餾出來的做燃料用的輕油，揮發性比潤滑油高，比煤油低[15]；柴油主要由原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、加氫裂化、石油焦化等過程生產的柴油餾分調配而成，也可由頁巖油加工和煤液化制取。如果我們望文生義，從“柴油”這個概念語詞的字面上去理解，認為柴油是“由薪柴制備的油”或“柴里榨取的油”，顯然這樣演繹、推論和理解科學術語是極其荒謬的。

前文對“生物炭”語詞的質疑進行了辨析，那么，“生物質炭”語詞是否就一定是貼切的呢？筆者并不以為然。第一，如果要從字面上表明或強調原料來源，那也應該是“生物質基炭”或“生物基炭”。顯然，這些5字、4字的概念語詞用字偏多，都不如“生物炭”簡明扼要。第二，正如不應將“生物炭”解讀為“生物的炭”，我們也不應將“生物質炭”解讀為“生物質的炭”，因為生物質原料經過熱化學轉化，其化學結構和組成發生了質的變化(請注意：這不是物理變化)。這種穩定的富碳固體產物已經不再具有生物質原料的特性或屬性，還能稱為“生物質炭”嗎？筆者由此聯想到，在生物質轉化技術中，通常由生物質壓縮成型獲得的顆粒狀固體產物稱為“生物質顆粒(biomass pellet)”。其之所以稱為“生物質顆粒”，是因為生物質物料通過機械壓縮、致密成型等物理變化，固體產物基本保留了原料的生物質屬性。然而，由生物質通過物理化學轉化獲得的液體產物“生物柴油”，或由生物質通過生物化學轉化獲得的液體產物“生物乙醇”，已不再具有生物質原料的原有屬性和本質特征，不適合稱為“生物質柴油”或“生物質乙醇”。相應地，由生物質通過熱化學(快速熱解)獲得的液體產物稱為“生物油(bio-oil)”，不適合稱為“生物質油”。綜上推論，由生物質熱解炭化或水熱炭化轉化獲得的固體產物應稱為“生物炭”，而不適合稱為“生物質炭”。此外，生物炭(biochar)是生物質原料經過熱解或熱化學轉換得到的富碳固體產物，主要由芳香烴和單質碳或具有類石墨結構的碳組成，一般含有60%以上的碳元素[3]，有的學者則認為碳含量應大于70%[16]。筆者也注意到，有的企業在產品包裝上注明是“生物質炭”，其中碳含量≥40%。如果碳含量可以低到40%，這還是富含碳的“生物炭”嗎？這是否很容易讓人疑慮是一種“生物質+炭”的混合物呢？若確實如此，則應該叫做“生物質炭”，而不應該叫“生物炭”，因為它既含有一定量的炭物質，又含有大量的生物質。

另外，在能源專業領域，“生物質能源”與“生物能源”是有差別的，但因缺乏相關知識的普及，大量非專業人士將“生物質能”等同于“生物能源”，以為它們表達的是同一概念。有別于太陽能、風能、地熱能和潮汐能等，“生物質能(biomass energy)”是目前唯一能儲存和運輸的一種可再生能源的資源(energy resources)，如秸稈、薪柴和樹枝等；“生物能源(bioenergy)”是指生物質通過一定的轉換技術而獲得的能源制品或產品(energy products)，如生物柴油和生物乙醇等生物燃料(biofuel)。相應地，對于生物質經由炭化而獲得的富碳固態產物，將其表述為“生物炭”是合理的。

2 生物炭的定義及劃分

2.1 生物炭的定義

定義是對一種事物的本質特征或一個概念的內涵和外延的確切而簡要的說明，從而使該概念或者事物對象和其他類似對象區別開的一種揭示概念內涵的邏輯方法[10]。如何給biochar(生物炭)下定義？我們可從生物質原料的來源、生物質轉化技術或炭化方法、生物炭的結構特征以及生物炭的用途等方面去把握。

隨著人們對巴西亞馬遜河流域黑土的不斷認識，土壤學家和植物學家們較早關注生物炭在農業的應用[3,12]。10多年前，筆者參加biochar的一個國際學術會議，曾請教國際著名生物炭專家、英國生物炭研究中心主任Saran Sohi博士關于charcoal與biochar的區別，專家認為，charcoal(木炭)是作為一種燃料的概念而存在。因發現生物炭在改善土壤形態結構、提高肥料利用率、有助植物生長及提高作物產量等方面的功能和用途，土壤學家們較早提出biochar這個新詞并賦予其涵義[1-2]。除了農業方面的應用，早期研究biochar的學者還關注生物炭的物質結構特征(如多孔性、吸附性)及其在環境修復、碳收集與封存的作用。結合文獻調研，我們認為早期學者提出biochar的用意是有別于一般用于燃料之傳統木炭，biochar的概念是狹義的，是有其特定含義的。

普遍認為，biochar(生物炭)是農林廢棄物(如作物秸稈、樹枝、畜禽糞便和水生植物等)在絕氧或限氧條件下熱解制備的富碳多孔固體產物[17-20]。顯然，這是從原料的來源和制備方法兩方面進行概括的。但其熱解制備方法與傳統木炭無明顯差別，只是熱解溫度一般低于700℃。這似乎沒有什么新意，也沒有必要專門構造biochar這個新單詞。然而，正如能源領域的研究者關注熱解產物的固定碳、灰分、揮發分含量及熱值等化學特性；土壤學家更關注的是生物炭的結構以及對土壤質量、植物生長和產量的影響。盡管無法溯源、考證最早提出biochar學者的真正用意，但我們推測，當初采用bio前綴而構造出biochar，不僅指明該類物質源于生物質資源，可能還在表明這是一種有益于生態系統、且有助于植物生長的特殊功能材料，即環境友好材料或生物友好材料，這類似于biomaterial的構詞用意。

生物炭(biochar)由于具有特殊的理化性狀及其在全球碳生物地球化學循環、氣候變化和環境系統中的重要作用，能指示古環境變化、地質時期火災發生的史跡、沉積物的地質時間和人類活動歷史等，是近些年大氣科學、地學和環境科學研究的熱點[21]。同時，因學科交叉融合越來越多，土壤、農學、環境、能源和材料等學科領域的學者紛紛加入到生物炭的研究行列。例如，研發針對不同生物質原料特點的制炭新技術，如水熱炭化等；分析和表征生物炭的微觀結構及材料性能，如比表面積、孔徑分布、孔隙率、穩定性和表面功能基團等；拓展生物炭的應用領域，如土壤性能調控[22-25]、生態環境修復[26-29]、節能減排及能源開發[14,30-31](如厭氧消化中添加生物炭以提高沼氣產量[33-36]等)、生物質精煉[37-38]、新型儲能材料和炭復合材料制備[39-40]等。隨著人們對生物炭的認識不斷深入，其概念的內涵和外延也在演變。Mumme等[33]基于目前不同生物炭生產技術的研發，將傳統熱解(pyrolysis)方法獲得的生物炭稱為pyrochar(熱解炭)，而由水熱炭化(hydrothermal carbonization)獲得的生物炭稱為hydrochar(水熱炭)。由此可見，目前有些學者對生物炭的理解是廣義的，即有別于不可再生的煤炭，來源于可再生的生物質資源制備的富碳物質即為生物炭。然而，國際上也有學者認為，常見的biochar是指含水率較低(含水率約10%)的生物質原料通過熱化學方法(如熱解、快速炭化或氣化等)獲得的富碳固體產物；含水率高的生物質通過水熱炭化獲得的富碳固體產物稱為hydrochar(水熱炭)[4]。在他們發表的論文中，biochar與hydrochar是同一層次上的劃分[4]。這說明國際上有部分學者，至今對biochar的定義或者理解上仍然是狹義的。從制備方法角度，一些中文學者認定生物炭僅指通過傳統的熱解等熱化學方法而獲得的富碳固體產物，這對生物炭的理解也是狹義的。

近年來，一些學者把“torrefaction”也作為“biochar”(生物炭)的一種熱化學方法[4-6]。Torrefaction是“烘培、干燥、烘烤”的意思。我們認為，把torrefaction作為biochar的一種制備方法值得商榷。生物質原料在200～300℃條件下通過直接或間接方式加熱(torrefaction)，其固態產物主要作為燃料利用，因而是一種提高燃料熱值的預處理方法。木質纖維類原料中的水分被蒸發，相對不穩定的半纖維素被分解而轉化為部分碳物質，但大量的纖維素和木質素在200～300℃條件下并沒有完全分解。因此，由torrefaction(烘培)得到的固態產物不是富碳產物(carbon-rich product)，其穩定的碳物質含量不足30%，是一種焦化產物(charred product)或半焦產品，實際上是一種生物質與少量炭的組合物(似乎可命名為生物質炭)。

2.2 生物炭的劃分

劃分就是把一個概念的全部對象，按照一定標準，區分為若干個小群的一種揭示概念外延的邏輯方法。任何劃分都應包括3個部分：劃分的母項、子項和劃分的依據。劃分要遵守以下規則，否則就是錯誤的劃分[10]：1)劃分后諸子項必須互相排斥；2)每一次劃分必須按同一依據進行；3)劃分后諸子項外延之和要等同于母項的外延；4)劃分不能越級。如何劃分生物炭？筆者認為，根據生物質原料的來源不同，生物炭可以劃分為木炭(如松木炭、杉木炭、櫟木炭和桉木炭等)、竹炭(如毛竹炭、剛竹炭和斑竹炭等)、秸稈炭(如稻秸炭、麥秸炭、棉稈炭和玉米稈炭等)和畜禽糞便炭(豬糞炭、牛糞炭和雞糞炭等)等。根據不同的制備方法，生物炭可以劃分為熱解炭(pyrochar)和水熱炭(hydrochar)[33]等。根據生物炭的不同結構形狀，可以劃分為成型炭(如球形炭、柱狀炭、片狀炭等)、碎料炭、粉末炭、微米炭和納米炭等。此外，根據生物炭的不同用途也可劃分，如土壤修復炭、水體吸附炭、空氣凈化炭、肥料基質炭、生物發酵用炭和食品添加用炭(植物炭黑)等。

總之，關于生物炭的定義和劃分，不能僅局限于原料來源和制備工藝，還應從其結構特征、功能和用途方面認識。根據較早提出biochar學者的構詞“初衷”，生物炭還具有碳封存或固碳效應。因此，傳統上炊事、燒烤、取暖用的木炭、竹炭或成型炭等用作能源的燃料炭不應歸入生物炭范疇。

3 結語

生物炭(biochar)的概念既是歷史的產物，又隨著科學技術的發展和人們認識水平的提高而變化。無論是從原料類型、制備工藝還是結構特征等方面考慮，“生物炭”與“生物質炭”概念的涵義沒有本質的差異。概念內涵和語詞是緊密聯系而又相互區別的，二者不能混淆。采用生物炭詞語既簡潔、凝練，又涵蓋了概念應當包括的碳封存、環境友好或生物友好等諸多方面的內容。因此，建議以后在科研、生產及其應用中予以明確，以達到規范生物質炭化及其生物炭產品的應用，為該技術的推廣和規模化、標準化及產業化應用奠定堅實的基礎。