秸稈生物炭的固碳減排潛力及其環(huán)境影響

劉 陽(yáng),靳晨生,張海亞,張新波*,張玉盼(.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)和環(huán)境綠色生物科技國(guó)際聯(lián)合研究中心,天津 300384；.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所,北京 5080)

自工業(yè)革命以來(lái),人類活動(dòng)對(duì)化石燃料依賴程度日益增加,而化石燃料的大規(guī)模使用,導(dǎo)致以CO2為代表的溫室氣體(GHG)排放量急劇增加[1],造成了一系列的環(huán)境問題,最為顯著的表現(xiàn)是全球性大氣溫度的上升[2].全球性氣候變暖,引發(fā)了諸如干旱、洪災(zāi)、海平面上升等極端的自然災(zāi)害,引起了政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注.2015年《巴黎協(xié)定》[3]提出要將全球平均升溫控制在較工業(yè)化前水平2℃以內(nèi),并為升溫溫度控制在1.5℃以內(nèi)而努力.世界各國(guó)為此制定了多類型的碳減排政策,并構(gòu)建相應(yīng)的碳減排體系.目前,碳減排體系建設(shè)主要集中在低碳終端用能優(yōu)化[4]和零碳電力結(jié)構(gòu)調(diào)整[5]等方面.值得注意的是,除了大幅度減少碳排放量,負(fù)排放技術(shù)同樣不可或缺[6-8],這也是雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一,生物炭固碳封存作為一種利用土壤碳匯實(shí)現(xiàn)負(fù)排放的技術(shù)[9-10],由于其不以能源為導(dǎo)向,以碳的使用為技術(shù)主路線,在生物炭制備-利用過程中呈現(xiàn)出了典型的負(fù)碳排放特征[11],在固廢資源化與碳減排方面具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值與實(shí)際應(yīng)用前景.

限氧熱解得到的秸稈生物炭作為一種富碳材料[12],由于其在無(wú)氧狀態(tài)下進(jìn)行生物質(zhì)原料的低溫(小于700℃)熱解,減少了能量向熱量的轉(zhuǎn)化,避免了碳逃逸[13],實(shí)現(xiàn)了一定量的碳固定.同時(shí)在秸稈生物炭制備的過程中,產(chǎn)生的副產(chǎn)物(生物油和熱解氣)可作為高品質(zhì)的能源,減少整體工藝中的能耗.結(jié)合農(nóng)業(yè)應(yīng)用,將生物炭施用于土壤后,秸稈生物炭的較大比表面積和石墨烯結(jié)構(gòu)等可以有效改善土壤的通透性和水分的保持能力[12].并且,氮肥與生物炭配施可以提高作物對(duì)氮素需求與土壤氮素有效性的時(shí)間同步性,既可以調(diào)節(jié)氮素的利用,也減少氮素的流失率,進(jìn)而緩解N2O 的釋放,減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響[14].另外,秸稈生物炭在無(wú)氧低溫?zé)峤夂?本身含有較高的無(wú)機(jī)碳(SIC)[15-16],無(wú)機(jī)碳量的增加可以改變土壤中碳組分,也就是生物炭的加入可以降低有機(jī)碳(SOC)的礦化率[17],減弱土壤與大氣環(huán)境的交互作用.總體上,秸稈生物炭除自身固碳外,還可以發(fā)揮土壤碳庫(kù)儲(chǔ)存碳的能力[18-19],減少土壤向大氣中N2O 的排放量.

有研究表明,以田間秸稈作為生物炭制備的原料來(lái)代替露天焚燒的處置方式具有更高的碳減排效益[20],生物炭獨(dú)特的負(fù)碳排放效應(yīng)已被關(guān)注.但是,秸稈生物炭在生產(chǎn)、利用和廢棄等生命周期過程中所消耗的能源也會(huì)對(duì)碳減排產(chǎn)生不利影響;并且,生物炭長(zhǎng)期的施用土壤,可能會(huì)對(duì)施加的環(huán)境造成未知危害.因此,需要識(shí)別和量化整個(gè)生命周期的碳排放和對(duì)環(huán)境的危害潛勢(shì).本研究基于生命周期評(píng)價(jià)(LCA)的基本方法,分析了生物炭制備、應(yīng)用及廢棄的全生命周期過程,通過收集公開發(fā)表的資料確定清單數(shù)據(jù)庫(kù),建立了從原材料生產(chǎn)制備到廢棄階段CO2排放的模型;通過評(píng)價(jià)系統(tǒng)中100年尺度下的全球變暖潛勢(shì)(GWP100)對(duì)生物炭系統(tǒng)各個(gè)過程的碳釋放和碳封存進(jìn)行具體描述;借助GaBi 軟件量化了其非生物耗竭潛勢(shì)(ADP)、酸化潛勢(shì)(AP)、富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)(EP)、人體毒性潛勢(shì)(HTP)、光化學(xué)氧化潛勢(shì)(POCP)和臭氧層耗竭潛勢(shì)(ODP)等多種環(huán)境影響類別,對(duì)生物炭的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了探討與分析.本研究旨在探明生物炭在固碳封存過程中的固碳潛力和在實(shí)施過程中所產(chǎn)生的環(huán)境影響,為生物炭在固碳減排與資源化利用上提供一定的科學(xué)依據(jù)與參考.

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 秸稈生物炭的制備

本研究以田間廢棄的小麥秸稈制備生物炭,在實(shí)驗(yàn)室中通過慢速熱解法制備生物炭,準(zhǔn)確獲得生物炭的產(chǎn)率、含碳率等指標(biāo),以進(jìn)行體系的評(píng)估.具體來(lái)講,從田間收集的小麥秸稈(來(lái)自天津市東麗區(qū)),首先用去離子水清洗掉角殼和雜質(zhì),經(jīng)過烘干、粉碎后,測(cè)定小麥秸稈的含水率為3.07%.在管式爐中以5 ℃/min的升溫速度升溫至500℃,進(jìn)行限氧慢速熱解,最終得到生物質(zhì)殘?bào)w的秸稈生物炭,生物炭產(chǎn)率為35.76%.取上述生物炭在750℃灼燒恒重后,獲得生物炭的灰分為47.00%;然后,繼續(xù)在950℃灼燒恒重后,獲得生物炭的揮發(fā)份為18.00%;根據(jù)灰分、揮發(fā)份和含碳率關(guān)系[21],計(jì)算得到生物炭固碳率為35.00%.

1.2 生命周期的系統(tǒng)與目標(biāo)范圍

本研究目標(biāo)是評(píng)估慢速熱解的秸稈生物炭在生產(chǎn)制備和田間施用過程中的環(huán)境行為潛勢(shì)及相關(guān)的碳效益.系統(tǒng)邊界圖如1所示,界定范圍從原料田間秸稈的收集開始到生物炭施用于田間結(jié)束,其中包括秸稈的收集與轉(zhuǎn)運(yùn)、熱解場(chǎng)所的建造與運(yùn)維、生物質(zhì)殘?bào)w的熱解、生物炭的轉(zhuǎn)運(yùn)和生物炭田間施用等過程,據(jù)此核算固碳潛力和環(huán)境危害潛勢(shì).

在邊界范圍內(nèi),生物炭在收集、轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中,評(píng)估應(yīng)考慮運(yùn)輸設(shè)施的能源消耗,其主要為化石能源的輸入和燃燒化石能源后的溫室氣體輸出.生物炭在制備過程中,評(píng)估應(yīng)考慮原料干燥、熱解過程的電能消耗以及冷凝設(shè)施的水資源消耗;另外,將熱解廠的建造及熱解系統(tǒng)運(yùn)維所產(chǎn)生的環(huán)境影響放到此生命周期階段.生物炭在田間施用過程中,其被用作農(nóng)田的土壤改良劑,評(píng)估中應(yīng)考慮作物產(chǎn)量的增加量、肥料施用的減少量、土壤N2O 排放及有機(jī)碳含量的減少值等多種環(huán)境效益.在抵消能源消耗中,將熱解產(chǎn)生的生物油和生物氣用于抵消燃煤發(fā)電,輸入到整個(gè)生物炭應(yīng)用階段.因此,系統(tǒng)輸入主要有燃煤電力、柴油、建筑材料、自來(lái)水等;系統(tǒng)輸出主要有生物炭、可再生能源電力及溫室氣體等.本研究生命周期建模是在 GaBi 軟件(http://www.gabisoftware.com/china/index/)中實(shí)現(xiàn),建立秸稈收集、秸稈轉(zhuǎn)運(yùn)、生物炭制備、生物炭田間施用和抵消燃煤發(fā)電6 個(gè)數(shù)據(jù)流程模塊,將各個(gè)輸入、輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行界定(圖1),并將數(shù)據(jù)進(jìn)程鏈接到數(shù)據(jù)模塊上,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用DATABASE2020.

圖1 系統(tǒng)邊界圖Fig.1 System boundary diagram

1.3 研究數(shù)據(jù)來(lái)源

在系統(tǒng)邊界內(nèi)的所有物質(zhì)和能量數(shù)據(jù)均基于一個(gè)功能單位(1t 秸稈生物炭)進(jìn)行收集,收集數(shù)據(jù)的時(shí)間單位為1年.清單數(shù)據(jù)主要來(lái)自國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),一般選取典型值或平均值,常見的能源消耗值,根據(jù)燃料的熱值和利用率進(jìn)行合理推算.

1.4 生命周期清單

根據(jù)上述系統(tǒng)邊界,對(duì)秸稈生物質(zhì)原料收集、轉(zhuǎn)運(yùn)和生物炭制備、運(yùn)輸以及應(yīng)用過程中的生命周期清單數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和選取,如表1所示,各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析與處理如下.

表1 基于1 功能單位生物炭的生命周期清單Table 1 Life cycle inventory based on 1t of biochar

1.4.1 生物質(zhì)收集 在進(jìn)行生物質(zhì)殘?bào)w制備生物炭材料時(shí),首先需要在田間進(jìn)行農(nóng)作物殘?bào)w的收集.在小麥秸稈收儲(chǔ)運(yùn)的計(jì)算分析中,有研究報(bào)道在田間收集并打捆1t 秸稈的能耗約為351～588MJ[22],由于秸稈是我國(guó)典型的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)殘?bào)w,本研究中田間收集秸稈的能耗取用平均值469.5MJ,也就是1t秸稈田間運(yùn)輸消耗9.70kW·h[23].根據(jù)秸稈原料與生物炭的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率,1 功能單位的生物炭在生物質(zhì)收集階段的能耗為392.34kW·h.

1.4.2 生物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) 運(yùn)輸過程的主要物質(zhì)投入為運(yùn)輸車輛消耗的柴油.根據(jù)農(nóng)業(yè)部門的相關(guān)資料表明,農(nóng)用卡車運(yùn)輸油耗率為0.06L/(t·km)[24],設(shè)置熱解場(chǎng)所距田間20km,計(jì)算得到秸稈到熱解廠的油耗為1.2L/t.根據(jù)柴油的平均密度和功能單位,轉(zhuǎn)運(yùn)秸稈的總油耗為0.96kg/t.同時(shí),在進(jìn)行秸稈運(yùn)輸?shù)倪^程會(huì)不可避免地造成收集所得原料質(zhì)量的損失,本研究中將秸稈的質(zhì)量損失率設(shè)定為1.00%.

1.4.3 慢速熱解 生物炭的制備是對(duì)秸稈進(jìn)行慢速熱解,此過程需考慮熱解廠的建設(shè)和熱解設(shè)備的安裝等,如果長(zhǎng)期運(yùn)行還要考慮熱解系統(tǒng)運(yùn)維所需的物質(zhì)和能源的投入.本研究以處理規(guī)模為生物炭1000t/a 的熱解工廠的建設(shè)和運(yùn)維進(jìn)行評(píng)估分析,運(yùn)行時(shí)間為20年,占地面積10000m2.依據(jù) Yang 等[25]對(duì)中國(guó)生物質(zhì)熱解工廠建設(shè)和運(yùn)維的評(píng)估分析數(shù)據(jù),在本生命周期清單中,基于建設(shè)和運(yùn)維1000t/a 生物炭的規(guī)模下,生產(chǎn)1t 秸稈生物炭需要23.62kg 的磚,0.0072m3混凝土及1.07kg 的鋼.在熱解和冷凝過程中,每年 1t 田間秸稈生物質(zhì)原料還需投入205.47kW·h 的電能和272040kg 的自來(lái)水[26].

生物質(zhì)經(jīng)5℃ /min慢速升溫到500℃,限氧熱解后會(huì)產(chǎn)生生物炭、生物油及生物熱解氣3 種產(chǎn)物.通過本研究生物炭制備實(shí)驗(yàn),得到3 種生物質(zhì)產(chǎn)品的平均產(chǎn)率分別為生物炭35.76%,生物油29.17%,生物熱解氣35.07%.

1.4.4 生物炭轉(zhuǎn)運(yùn) 生物炭運(yùn)輸過程類似于秸稈的轉(zhuǎn)運(yùn)過程,主要物質(zhì)投入為運(yùn)輸車輛消耗的柴油.裝卸與運(yùn)輸過程也會(huì)不可避免地造成收集所得原料質(zhì)量的損失,將此過程質(zhì)量損失率設(shè)定為 1.00%.

1.4.5 抵消燃煤發(fā)電 秸稈在制備生物炭的過程中,生物裂解油和生物熱解氣作為其副產(chǎn)物可用于電力生產(chǎn),抵消運(yùn)輸和熱解過程中部分能源消耗.依據(jù)Baloch 等[27]、Laird 等[28]的生物油和熱解氣的相關(guān)研究結(jié)果,本研究選用兩者的熱值分別為17.5 和6MJ/kg.在目前文獻(xiàn)報(bào)道中,生物油和熱解氣的發(fā)電效率為26%～35%[29],因此本研究將生物油和熱解氣的電力轉(zhuǎn)化率設(shè)定為30%.

1.4.6 生物炭田間施用 秸稈生物炭作為炭基肥料進(jìn)行田間施用,可以減少氮磷肥料的施用量、增加肥料的利用率[30].針對(duì)肥料施用減少率的核算,依據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,本研究對(duì)肥料的施用量選取相對(duì)保守值,即生物炭的施用可使氮磷化肥的使用減少20.00%[31].并且,在田間施加生物炭后,實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究結(jié)果均表明,生物炭可促使土壤N2O的排放量降低約54.00%[14].Bonilla 等[32]研究了降雨梯度對(duì)作物N2O 排放率影響,在生長(zhǎng)季的秸稈類農(nóng)田中,N2O 平均排放率為0.71～0.82kg/(hm2·a).本研究考慮到北方地區(qū)的秸稈類農(nóng)田,生長(zhǎng)季的降雨量較少,選取N2O 排放率為0.71kg/(hm2·a).根據(jù)對(duì)我國(guó)秸稈資源利用的研究,同時(shí)考慮我國(guó)北方的農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀,施加生物炭的增產(chǎn)量取0.73t/hm2,1t 生物炭可增加還田面積大約為250hm2[33].針對(duì)土壤SOC 礦化率減少的研究,Zhang 等[34]報(bào)道了在15～35℃的環(huán)境,施用生物炭與氮相互作用,能夠減少土壤SOC 礦化率10.20%～22.00%和6.85%～30.4%.本研究中選取相對(duì)保守值,即生物炭能夠減少15.00%的SOC礦化率.依據(jù)楊秋爽等[26]對(duì)我國(guó)華北地區(qū)農(nóng)田中SOC 的平均儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì),本研究中設(shè)定土壤中的SOC 初始值為42t/hm2(在0～30cm 的土壤表層).在進(jìn)行評(píng)估核算時(shí),采用生物炭的施用比例為50t/hm2[35],實(shí)驗(yàn)土壤面積設(shè)定為1000hm2.

1.5 固碳減排潛力評(píng)估

秸稈生物炭系統(tǒng)的固碳潛力計(jì)算依據(jù)上述生命周期清單提供的相關(guān)設(shè)定值,通過評(píng)價(jià)系統(tǒng)100年尺度下的全球變暖潛勢(shì)(GWP100)對(duì)生物炭系統(tǒng)各個(gè)過程的碳釋放和碳封存進(jìn)行具體描述.生物質(zhì)收集、生物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、慢速熱解、生物炭轉(zhuǎn)運(yùn)等生命過程只需考慮相關(guān)原材料和能源的輸入,而在抵消燃煤發(fā)電和田間施用這兩個(gè)生命階段,還需要考慮相關(guān)碳產(chǎn)品產(chǎn)生的固碳效益.具體來(lái)講,在抵消燃煤發(fā)電環(huán)節(jié),需要對(duì)生物油和熱解氣的電力轉(zhuǎn)化量進(jìn)行碳減排量核算;在田間施用環(huán)節(jié),需要對(duì)生物炭在促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)的可固碳量和對(duì)N2O 的釋放抑制等方面進(jìn)行碳減排量核算.因此,本研究從生物炭自身的土壤封存量、作物的固碳量、N2O 抑制排放量進(jìn)行了固碳潛力評(píng)估,如公式1～5所示.

式中:Eo/g是生物油/熱解氣轉(zhuǎn)化的電力,kW·h;Mo/g是為生物油/熱解氣質(zhì)量,kg;CVo/g是為生物油/熱解氣熱值,MJ/kg;CEo/g是為生物油/熱解氣電力轉(zhuǎn)化效率,%.

式中:Ccs是土壤碳封存,kgCO2e;Mb是生物炭質(zhì)量,kg;Cb是生物炭碳含量,%;Csc是生物炭穩(wěn)定碳含量,%;3.67 是C-CO2轉(zhuǎn)化系數(shù).

式中:Cci是作物產(chǎn)量增加帶來(lái)的碳封存,kgCO2e;rb是生物炭施用比例,t·hm2;yc是農(nóng)作物增產(chǎn)量,t/hm2;Cc是作物中碳含量,%;Sc是生物炭還田面積.

式中:AJ是減少N2O 排放量,kg;Sc是作物種植面積,hm2;PN是N2O 平均排放量,kg;Rj是N2O 排放量降低率,%.

式中:RSOC是減少SOC 礦化帶來(lái)的碳封存,kgCO2e;R是土壤SOC 平均儲(chǔ)量,t/hm2;rSOC是SOC 礦化減少率,%.

1.6 環(huán)境影響潛勢(shì)評(píng)估

秸稈生物炭系統(tǒng)的環(huán)境危害潛勢(shì)估算同樣依據(jù)上述生命周期清單提供的相關(guān)設(shè)定值,對(duì)生物炭系統(tǒng)各個(gè)生命階段的環(huán)境危害程度進(jìn)行具體描述.生物質(zhì)收集、生物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、慢速熱解、生物炭轉(zhuǎn)運(yùn)、抵消燃煤發(fā)電等生命過程的環(huán)境影響按照GaBi 軟件設(shè)定的流程進(jìn)行,即主要考慮相關(guān)原材料使用和能源消耗對(duì)環(huán)境造成的壓力,本研究選取ADP、EP、HTP、ODP、AP 和POCP 這6 種主要環(huán)境影響指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)估.此外,在田間施用環(huán)節(jié),需要考慮生物炭與化肥共同施用所減少的化肥量所產(chǎn)生的環(huán)境影響,如公式6所示.

式中:AN是減少的氮肥質(zhì)量,kg;Af,N是田地氮肥施用量,kg;Sc是作物種植面積,hm2;RN是氮肥施用減少率,%.

1.7 系統(tǒng)敏感性分析

為了識(shí)別生物炭系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù),更好地指導(dǎo)生物炭的應(yīng)用實(shí)踐,對(duì) LCA 結(jié)果進(jìn)行了敏感性分析(表2).在各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中,選取GWP100,ADP和HTP 三個(gè)重要指標(biāo)分別代表系統(tǒng)在固碳潛力和環(huán)境危害的影響.根據(jù)系統(tǒng)每個(gè)參數(shù)變化的靈敏度系數(shù)來(lái)確定系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù),各個(gè)參數(shù)值浮動(dòng)值設(shè)定為±20%,當(dāng)對(duì)某一參數(shù)進(jìn)行敏感性分析時(shí),僅在LCA 模型中更改該參數(shù)的值,而其他參數(shù)保持不變,如公式7所示.另外,本研究中生物炭產(chǎn)率和碳含率是通過實(shí)驗(yàn)獲得的固定值,因此沒有進(jìn)行敏感性分析.

表2 敏感性過程參數(shù)Table 2 Sensitivity process parameters

式中:SCEI是參數(shù)對(duì)環(huán)境影響值(GWP100/ADP/HTP)的靈敏度系數(shù),%;EI-20%是參數(shù)值減少20%時(shí)獲得的環(huán)境影響值(GWP100/ADP/HTP)kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe;EI+20%是參數(shù)值增加20%時(shí)獲得的環(huán)境影響值(GWP100/ADP/HTP),kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe;EIbase是參數(shù)為基準(zhǔn)值時(shí)獲得的環(huán)境影響值(GWP100/ADP/HTP),kg CO2e/kg Sbe/kg DCBe.

2 結(jié)果與討論

2.1 固碳減排潛力分析

本研究生物炭系統(tǒng)的固碳減排潛力通過評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的GWP100 系數(shù)來(lái)評(píng)估,固碳潛力評(píng)估針對(duì)于1 功能單位的生物炭進(jìn)行評(píng)估,LCA 模型計(jì)算結(jié)果如表3所示.當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)仍以化石燃料為主[36],因此需要將化石燃料的輸入換算為CO2的輸出.

表3 生物炭生命周期固碳潛力分析指數(shù)Table 3 Biochar life cycle carbon sequestration potential analysis index

在進(jìn)行固碳減排潛力測(cè)算時(shí),由于生物質(zhì)收集、轉(zhuǎn)運(yùn)過程和生物炭轉(zhuǎn)運(yùn)過程均是依靠農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)或運(yùn)輸,消耗了柴油、汽油等燃料,因此將這三個(gè)生命周期階段一起進(jìn)行固碳效益統(tǒng)計(jì)分析.根據(jù)LCA 模型計(jì)算結(jié)果可知,秸稈殘?bào)w在田間進(jìn)行收儲(chǔ)所消耗的能源產(chǎn)生了141.97kgCO2e的碳排放量,秸稈殘?bào)w和生物炭的轉(zhuǎn)運(yùn)過程產(chǎn)生了 25.59 和9.14kgCO2e的碳排放量.

在慢速熱解制備生物炭過程中,熱解廠建設(shè)、熱解和冷凝等過程的能源和資源消耗,共計(jì)產(chǎn)生了128.75kgCO2e的碳排放量.對(duì)于慢速熱解產(chǎn)生的生物油和熱解氣,可抵消燃煤發(fā)電所需的化石燃料,如前文所述,本研究將生物油和生物熱解氣的電力轉(zhuǎn)化率設(shè)定為30%,大約獲得了1682.08kW?h 發(fā)電量.因此,慢速熱解制備生物炭階段共實(shí)現(xiàn)了97.78kgCO2e的碳固定.隨著生物油和熱解氣高效利用研究的深入,更高品質(zhì)的燃料在不斷被開發(fā),電力轉(zhuǎn)化效率將會(huì)進(jìn)一步得到提高[37-38],其固碳效益也將會(huì)更加顯著.

在生物炭田間施用播撒過程中,將生物炭與其他土壤添加劑摻入土壤里,除了自身的固碳作用外,還可以有效改善土壤的性質(zhì),在促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)、減少化肥施用、抑制N2O 釋放等方面具有間接的固碳效益[39].根據(jù)LCA 模型的計(jì)算結(jié)果可知,土壤固定的碳封存量為655.10kg CO2e,農(nóng)作物產(chǎn)量增加可實(shí)現(xiàn)固碳量為4420.52kgCO2e,減少SOC 帶來(lái)的碳封存量為462.42kgCO2e,共計(jì)實(shí)現(xiàn)固碳量為5.53×103kgCO2e;N2O減排量為0.383kg,根據(jù)N2O-CO2的轉(zhuǎn)換關(guān)系[40],間接實(shí)現(xiàn)了114.25kgCO2e的碳減排.在此生命周期過程,減去施用生物炭的能源消耗(49.51kW·h)造成的碳排放量,田間施用生命周期過程實(shí)現(xiàn)了5.58×103kgCO2e的碳固定.

基于上述分析可知,生物炭系統(tǒng)的全生命周期階段,可以實(shí)現(xiàn)5.50×103kgCO2e的碳減排量.其中,對(duì)碳減排量貢獻(xiàn)最大生命周期階段是田間施用過程(5.58×103kgCO2e固定量)和抵消燃煤發(fā)電過程(226.53kgCO2e固定量).而生物炭制備的慢速熱解是最大的碳排放過程(128.75kgCO2e排放量)和生物質(zhì)收集過程(141.97kgCO2e碳排放量),碳排放量主要來(lái)自熱解工廠的建設(shè)和運(yùn)維.由于生物炭系統(tǒng)減少了碳排放量,全球氣候變化也出現(xiàn)了緩解的現(xiàn)象.

2.2 生物炭系統(tǒng)的環(huán)境行為與過程分析

生物炭系統(tǒng)的環(huán)境影響評(píng)估是通過生物炭對(duì)環(huán)境的危害潛勢(shì)來(lái)體現(xiàn).由表4 可知,秸稈殘?bào)w生物炭系統(tǒng)能夠較好地緩解ADP 和EP,分別減少了5.15×10-5kgSbe和5.35×10-3kgPO43-e.分析認(rèn)為,具有較大比表面積和多種微量元素的生物炭與化肥共同施用于田間后,改善了土壤性質(zhì),可以有效減少氮肥的施用量[41].經(jīng)清單分析,1 功能單位生物炭可減少1092.4kg 的氮肥施用量,顯著降低了非生物資源的耗費(fèi).并且,土壤中化肥施用量的減少,相當(dāng)于降低了土壤養(yǎng)分流失導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).

表4 生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的污染指標(biāo)Table 4 Pollution indicators for each life cycle segment

值得注意的是,在增加人體毒性潛勢(shì)環(huán)境指標(biāo)上,根據(jù)LCA 計(jì)算結(jié)果,生物炭系統(tǒng)增加了2.01kg DCBe,田間施用過程對(duì)此類環(huán)境指標(biāo)影響貢獻(xiàn)最大.分析認(rèn)為,在生物炭田間施用后,生物炭隨著地表徑流、灌溉和降雨等作用進(jìn)入土壤、水環(huán)境中.生物炭熱解過程中產(chǎn)生的持久性自由基(PFRs)會(huì)刺激細(xì)胞產(chǎn)生活性氧(ROS)[42],ROS 在細(xì)胞內(nèi)的過度積累,影響細(xì)胞的代謝甚至造成細(xì)胞的凋零死亡[43].此外,生物炭作為一種粒徑較小的材料,其生態(tài)足跡難以預(yù)測(cè)[44],一旦進(jìn)入生物體內(nèi),易于細(xì)胞表面聚集粘附或調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激[45],產(chǎn)生生物毒性.與此同時(shí),在生物炭運(yùn)輸和制備過程中消耗的能源,所產(chǎn)生的溫室氣體對(duì)環(huán)境的侵害也對(duì)該類指標(biāo)增加起到了一定作用.生物炭系統(tǒng)對(duì)ODP(8.28×10-14kg R11e)、AP(0.0576kgSO2e)和POCP(7.38kgC2H4e)也產(chǎn)生了負(fù)面環(huán)境效益,主要由于生物炭在制備過程中的能源消耗(燃煤發(fā)電)所導(dǎo)致,盡管負(fù)面影響有限,但在生物炭制備方式上應(yīng)給予一定關(guān)注.

2.3 敏感性分析

本研究中生物炭產(chǎn)率和碳含量是通過實(shí)驗(yàn)獲得的固定值,因此沒有進(jìn)行敏感性分析.通過對(duì)生命周期階段中其他主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析計(jì)算后,發(fā)現(xiàn)對(duì)GWP100 敏感性最大的過程參數(shù)是生物油、熱解氣的電力轉(zhuǎn)換效率,轉(zhuǎn)化率從24%增加36%時(shí),GWP100SCEI敏感性系數(shù)達(dá)到了42.8%,其次是熱解過程的能源投入,GWP100SCEI敏感性系數(shù)達(dá)到了42.6%,田間生物炭的施用比例也對(duì)系統(tǒng)固碳潛力產(chǎn)生了一定影響(GWP100SCEI=0.4%),而生物質(zhì)收集、轉(zhuǎn)運(yùn)和生物炭轉(zhuǎn)運(yùn)過程,由于耗能在系統(tǒng)中占比較小,主要參數(shù)調(diào)整不會(huì)影響GWP100 的變化.對(duì)ADP和HTP 敏感性最高的過程參數(shù)是熱解過程的能源投入,當(dāng)系數(shù)從-20%到+20%變化時(shí),其分別增長(zhǎng)了53.6%和22.7%.

本研究?jī)H是針對(duì)秸稈生物炭制備和以土壤施用為應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行的碳減排和環(huán)境影響的量化研究與探討,不同生物質(zhì)原料制備的生物炭和應(yīng)用場(chǎng)景所具有的固碳潛力和環(huán)境效應(yīng)也會(huì)有所不同.隨著污泥、餐廚垃圾等多類型生物炭研究的深入開展,以及其作為吸附劑、催化劑、建筑材料等應(yīng)用場(chǎng)景的拓展,未來(lái)的研究中需要建立更加完善的LCA 評(píng)估模型.并且,大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展將會(huì)進(jìn)一步提高固碳潛力和環(huán)境影響量化與評(píng)估的準(zhǔn)確性和適用性.

3 結(jié)論

3.1 生物炭以自身實(shí)現(xiàn)生物性碳封存的獨(dú)特固碳方式,展現(xiàn)出了較大的固碳潛力和應(yīng)用前景.根據(jù)LCA 測(cè)算和分析,每年1 功能單位的秸稈生物炭系統(tǒng)可以實(shí)5.50×103kgCO2e的碳減排.在整個(gè)生命周期中,抵消燃煤發(fā)電過程和生物炭田間施用過程是最主要的固碳環(huán)節(jié),慢速熱解制備生物炭是系統(tǒng)中最大的排碳環(huán)節(jié),其次為生物質(zhì)的收集及運(yùn)輸過程,生物炭的田間施用碳排放量較小.

3.2 在環(huán)境影響的危害潛勢(shì)方面,秸稈生物炭系統(tǒng)能夠較好地緩解了ADP 和EP,對(duì)ODP、AP、POCP和HTP 產(chǎn)生了較小的負(fù)面影響.基于此,在生物炭的資源化與碳減排的研究,生物炭的生態(tài)足跡應(yīng)給予關(guān)注,這將有利于明確生物炭所造成的多類型環(huán)境影響潛勢(shì).