2024 重要生物炭研究回顧

更新於 2024/12/21發佈於 2024/12/21閱讀時間約 15 分鐘

前言

生物炭專題媒體 Biochar Today 的編輯 Dr. Shanthi Prabha 整理了 2024 年生物炭領域內重要的研究論文，彙整成一篇總結專題文章。

原文有些長，我稍微刪減了一些較不重要的部分，只留下重要研究發現以及參考文獻列表。有需要的讀者可直接閱讀 Biochar Today 原文，或者是搜尋參考文獻的原始研究資料。

摘要翻譯

生物炭 (Biochar)，這種透過生物質 (biomass) 熱裂解 (pyrolysis) 製成的高含碳物質，正迅速成為氣候智慧型農業 (Climate-Smart Agriculture, CSA) 的新寵兒。在應對氣候變遷、土壤退化和糧食危機的三重挑戰中，生物炭以其獨特的解決方案脫穎而出，被譽為「土壤的救星」。它能有效改善土壤結構與養分供應，同時大幅提升作物產量，更在減緩氣候變遷上表現出色。近來的研究更強調了生物炭對永續農業的深遠影響，展現其作為革新工具的潛力，為推動永續韌性未來鋪路。

近期生物炭研究的主要觀察與趨勢

根據多項最新的全球研究（Huang et al., 2023；Bo et al., 2023；Bhattacharyya et al., 2024），生物炭在提升土壤有機碳 (Soil Organic Carbon, SOC) 含量、改善作物產量，以及減少溫室氣體 (Greenhouse Gas, GHG) 排放方面展現了卓越潛力。無論是田間還是實驗室研究，都驗證了生物炭透過碳封存來緩解氣候變遷的成效。不過，實驗室研究常因使用高劑量生物炭而高估其效果，而田間研究則更貼近實際，證明生物炭能在現實情境下減少溫室氣體排放、增強土壤肥力，並提高糧食安全。然而，要讓生物炭的效能發揮到最大化，未來研究必須聚焦於長期觀察、合理施用量，以及能兼顧環境與經濟因素的整合模型（Huang et al., 2023）。

生物炭效能的關鍵：原料與熱裂解條件

生物炭的效果深受其原料選擇及熱裂解 (pyrolysis) 過程中溫度設定的影響。研究指出，高溫製成的木質生物炭在減少溫室氣體 (GHG) 排放方面表現極佳，而低溫製成的糞肥基生物炭則特別適合改善養分貧乏土壤的作物產量（Bo et al., 2023）。因此，針對不同土壤條件與環境需求客製化生物炭，是發揮其最大效益的關鍵。

此外，生物炭具備強化土壤結構、提升養分留存能力及促進有益微生物活性的特性，不僅能改善土壤健康，對於面臨土壤退化的地區更具顯著幫助（Muema et al., 2024）。例如，生物炭能促進微生物活性，進而強化土壤養分循環，這對維持土壤肥力及提高農業生產力至關重要（Murtaza et al., 2023）。

解決生物炭廣泛應用的難題

雖然生物炭在提升土壤健康與農業生產力方面展現了巨大潛力，但其普及應用仍受到經濟與技術層面的諸多挑戰限制。其中，生產成本過高以及生物炭在不同土壤類型上的效果不一，成為主要瓶頸（Liu et al., 2023；Bhattacharyya et al., 2024）。此外，目前缺乏標準化的生產工藝，以及在推動生物炭大規模商業化過程中的種種複雜性，進一步增加了實現廣泛應用的困難。更重要的是，儘管生物炭在某些特定條件下已證明能有效提升土壤與作物表現，但其效果並不穩定，顯示針對特定地點與條件的客製化策略將是未來發展的關鍵（Murtaza et al., 2023）。

生物炭的經濟挑戰與規模化突破

生物炭的大規模生產在經濟上仍充滿挑戰。一些研究（如 Muema et al., 2024）指出，透過聯合熱裂解 (co-pyrolysis)，將生物質與其他原料結合處理，可能提高生物炭生產的成本效益。然而，規模化的實現受到高昂的前期投入成本與低成本原料供應不足的限制。目前推動生物炭工業化的嘗試，包括將其製成液態肥料或生物炭基有機土壤改良劑，雖然展現出發展潛力，但技術上的難題依然待解（Liu et al., 2023）。

要讓生物炭的經濟性更具吸引力，未來需要深入研究創新型生產技術，例如分散式熱裂解設備，或探索將生物炭與有機材料共同堆肥的新模式。這些策略將有助於降低生產成本，推動生物炭在農業中的廣泛應用。

推動生物炭應用的進階研究

最新研究建議將機器學習 (machine learning)、過程模擬 (process-based modeling) 及生命週期評估 (LCA) 等前沿技術納入生物炭研究中，以形成全面的研究方法（Huang et al., 2023；Bano et al., 2024）。這些技術可協助改善生物炭的應用策略，例如預測其在大規模使用下的影響、分析不同區域土壤性質的變化，並全面評估生物炭系統的永續性。

此外，將生物炭應用於精準農業，並與其他土壤改良劑及管理方法結合，不僅可以提升其效益，還能有效降低成本。這種高科技與農業的結合，為生物炭的應用開創了更多可能性。

生物炭的未來研究方向與挑戰

生物炭在氣候智慧型農業 (CSA) 中的發展潛力，有賴於長期、區域化的試驗，以及對其在土壤、植物和氣候互動中的作用進一步探索。未來研究應聚焦於：改良生物炭配方、研發更具經濟效益的生產技術，以及解決目前應用過程中存在的經濟與技術障礙（Kochanek et al., 2022；Murtaza et al., 2023）。此外，建立有效的碳交易市場，將為生物炭的普及提供重要的經濟誘因，使其成為農民與相關利益者更具吸引力的選擇。

生物炭的推廣仍面臨不少經濟與技術上的障礙，特別是生產成本過高及規模化應用的限制。採用共同熱解 (co-pyrolysis) 和產品多樣化雖然為提高生物炭生產的經濟效益帶來希望，但技術挑戰和土壤特性的差異仍是關鍵瓶頸。標準化生產流程及開發更具成本效益的解決方案，將是推動生物炭應用的重要基石。同時，將生物炭與精準農業 (precision agriculture) 和永續農業實踐結合，也被認為是擴大其效益的有效策略。

儘管挑戰重重，研究結果一致呼籲持續專注於改良生物炭配方和生產技術，並通過設立碳交易市場等經濟誘因，激勵更多農業經營者和利益相關者採用生物炭。未來的努力應集中在解決大規模商業化的障礙，同時確保生物炭在氣候變遷減緩和永續發展中的長期價值。然而，要釋放生物炭的全部潛能，仍需克服生產成本高昂、規模化推廣困難以及不同地區應用效果不一致等問題。

隨著研究的深入，生物炭融入永續農業系統的可能性越來越高，其在改善土壤退化、保障全球糧食安全及實現氣候目標方面的潛力將進一步凸顯。無論是長期試驗、經濟誘因的設計，還是生產工藝的優化，都將是未來成功推動生物炭應用的關鍵。

生物炭：科學突破與未來方向

雙效解決方案：生物炭不僅能改善土壤健康，還能有效對抗氣候變遷，並穩定提高作物產量。然而，其效果取決於地區條件，因此需要因地制宜的應用策略來實現最佳效益。
熱解技術的關鍵：生物炭的品質受原料與熱解條件的影響。研究顯示，400–600°C 的中溫熱解能在提升土壤健康、增強作物生長與碳封存之間找到最佳平衡點。
跨領域協作：長期研究需要整合土壤、作物、氣候與生物炭特性的數據，才能全面了解其在各類農業系統中的表現，進一步提升應用成效。
商業化挑戰：生物炭的高成本與規模化應用障礙，對其推廣形成重大挑戰。未來的研究應專注於發展低成本生產技術，並透過碳交易等經濟誘因提高市場吸引力。
量身打造的生物炭：針對不同地區的土壤類型、氣候條件與作物需求，開發專屬配方將是未來研究的重點，確保應用效果最大化。
創新技術助力：結合奈米材料或共同熱解等技術創新，生物炭的環境與農業效益可進一步提升，拓展其應用範圍。

隨著研究的持續深化，生物炭融入氣候智慧型農業的潛力越來越明顯，為永續農業提供一條具規模化可能性的解決方案，既可改善農業韌性，又能緩解氣候危機。

參考文獻

Huang, Y., Tao, B., Lal, R., Lorenz, K., Jacinthe, P. A., Shrestha, R. K., … & Ren, W. (2023). A global synthesis of biochar’s sustainability in climate-smart agriculture-Evidence from field and laboratory experiments. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 172, 113042.
Bo, X., Zhang, Z., Wang, J., Guo, S., Li, Z., Lin, H., … & Zou, J. (2023). Benefits and limitations of biochar for climate-smart agriculture: a review and case study from China. Biochar, 5(1), 77.
Liu, X., Liu, C., Pan, G., & Clarke, N. (2023). Biochar-Based Technology in Food Production, Climate Change Mitigation, and Sustainable Agricultural Soil Management: Post Terra Preta Era. In Innovation for Environmentally-friendly Food Production and Food Safety in China (pp. 93-112). Singapore: Springer Nature Singapore.
Bhattacharyya, P. N., Sandilya, S. P., Sarma, B., Pandey, A. K., Dutta, J., Mahanta, K., … & Borgohain, D. J. (2024). Biochar as Soil Amendment in Climate-Smart Agriculture: opportunities, future prospects, and challenges. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 24(1), 135-158.
Kochanek, J., Soo, R. M., Martinez, C., Dakuidreketi, A., & Mudge, A. M. (2022). Biochar for intensification of plant-related industries to meet productivity, sustainability and economic goals: A review. Resources, Conservation and Recycling, 179, 106109.
Muema, F. M., Richardson, Y., Keita, A., & Sawadogo, M. (2024). An interdisciplinary overview on biochar production engineering and its agronomic applications. Biomass and Bioenergy, 190, 107416.
Murtaza, G., Ahmed, Z., Eldin, S. M., Ali, B., Bawazeer, S., Usman, M., … & Tariq, A. (2023). Biochar-Soil-Plant interactions: a cross talk for sustainable agriculture under changing climate. Front. Environ. 11, 1059449
Bano, A., Hassan, T. U., Waqar, A., Mushtaq, T., & Urooj, N. (2024). Impact of Biochar on Climate Change, Agricultural Soil and Plants. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 1-17.
Murtaza, G., Ahmed, Z., Eldin, S. M., Ali, B., Bawazeer, S., Usman, M., … & Tariq, A. (2023). Biochar-Soil-Plant interactions: a cross talk for sustainable agriculture under changing climate. Front. Environ. 11, 1059449.
Schmidt, H. P., Kammann, C., Hagemann, N., Leifeld, J., Bucheli, T. D., Sánchez Monedero, M. A., & Cayuela, M. L. (2021). Biochar in agriculture–A systematic review of 26 global meta‐analyses. GCB Bioenergy, 13(11), 1708-1730.