腐植酸的低碳效应解析1 引言本报告从维护碳汇、节能减排和净化环境三个方面探讨了腐植酸类物质（HS）的低碳效应，并依据部分研究数据进行了数学模拟处理，提出碳排放计算方法，得出一定条件下施用含腐植酸肥料后减少能耗和CO2、SO2和NOX的排放量，最后就进一步发挥HS的低碳效应提出几点建议，为今后建立腐植酸碳排放数据库、促进本行业低碳发展提供一些思路和参考资料。2 腐植酸维护与增补碳汇u 碳汇与碳源是两个相对的概念，联合国气候变化框架 公约（UNFCCC）将碳汇定义为从大气中清除CO2 的过程、活动或机制，将碳源定义为向大气中释放CO2 的过程、活动或机制。 u 森林碳汇是指森林植物通过光合作用将大气中的CO2吸 收并固定在植被与土壤当中，从而减少大气中CO2浓度 的过程。 u 林业碳汇是指利用森林的储碳功能，通过植树造林、加 强森林经营管理、减少毁林、保护和恢复森林植被等活 动，吸收和固定大气中的CO2 ，并按照相关规则与碳 汇交易相结合的过程、活动或机制。 2.1 土壤腐殖质碳是环境和大气 CO2浓度变化敏感的碳聚合体陆地土壤中的有机碳约3万亿吨，占生物圈总碳的85% ，是生物圈的主要碳库，其中，森林、草原和耕地中的 C占了总储量的82%。生物圈中约有2.4万亿吨碳存在于HS中，占总碳的 67.6%、土壤HS碳的80%，是大气中碳的3倍多！假如土壤HS多分解10%，大气中的CO2浓度就会增加 30%，其危害程度不难想象。土壤腐殖质碳是CO2主要来源，并作为环境和大气CO2浓度变 化敏感的碳聚合体。2.2 土壤HS和植被在碳循环中 起着“缓冲器”和“调节阀”的作用陆生植物和土壤每年通过呼吸作用分别向大气排放的碳 量，基本上与植物光合作用从大气中吸收的碳量相平衡 ，使生物圈碳储量基本保持不变，大气中CO2浓度也不 会有太大波动。但是，这种平衡早已被打破，有数字可以证明，近20年 来，大气中平均每年额外排放79亿吨碳（折合290多亿 吨CO2），其中工业燃烧释放的碳为63亿吨，其余16 亿吨碳的释放是森林、草原和耕地中土壤HS破坏造成的 。生态破坏（主要是HS的大量分解）因素，为大气CO2浓度 增加做出的“贡献”占到20%，数字可谓触目惊心。2.3 腐植酸维护与增补碳汇 贡献巨大为抑制碳排放，维护地球碳汇，腐植酸可以做到： 保护与修复森林、草原和荒漠化土地； 实施科学制肥、施肥方法； 大力开发和推广生物（化）腐植酸技术，补充土壤碳 损耗。以作物秸秆为例，我国每年产生6.7亿吨，目前除部分工业使用、直接秸秆还田、堆沤和作饲料外，约有一半以上被作为燃料或随意丢弃，成为大气CO2增加的一个因素。假如每年将3亿吨秸秆加工成HS，就可少排放5亿吨CO2，至少可以改良1亿公顷劣质土壤。3 腐植酸节能减排u腐植酸的节能作用，在一定意义上应理解为：因提高养分利用率、减少化 肥消耗量而节省的能量；u腐植酸的减排作用则应包括4个方面：1)因减少化肥生产而减少CO2和 SO2排放；2)因施用腐植酸使氮肥利用率提高而减少氨、硝态氮、亚硝态 氮、氮氧化物等的排放；3)由于施用腐植酸而提高绿色植物产量和呼吸强 度而增加CO2的吸收量；4)因施用腐植酸，改善了土壤理化性能和微生物 活性，减少了HS分解的CO2及其他气体排放。u因生产和应用的变数很多，如腐植酸与肥料的来源、产品种类及加工方法 各不相同，使用腐植酸和肥料的地域、土壤、环境、数量及操作方法等也 千差万别，因此，无法提出一个统一的节能减排的量化模式定量描述腐植 酸的低碳效应。但我们可引用已有的科学实验数据作为假定依据，模拟计 算出一定条件下的节能减排数值。以下以含腐植酸有机-无机复混肥为例进 行计算。3.1 施用化肥碳排放 与节能计算 假定条件： l复混肥按我国南方稻菜类通用配比（ N:P2O5:K2O=11:3:7）、总养分含量30%计算，肥料 中腐植酸含量按通常适宜添加量（48%），取5%； l化肥产品采用尿素、磷二铵、过磷酸钙和氯化钾。生产工艺 为：合成氨和尿素用煤基法、氯化钾用钾长石-食盐法、生 产磷肥用的硫酸用接触法； l腐植酸原料用含HA50%的风化煤，与化肥复混前先用氨 水氨化制成腐植酸铵，其氨氮计入养分，耗电量计入生产腐 铵的能耗； l化肥能耗值参考有关资料及大、中型肥料厂近年来公开公布 的数据，取中间值。假定条件： l 腐植酸提高化肥利用率的数据，主要来自上世纪 8090年代的示范试验和近期部分试验数据，即氮肥 538%、磷肥1027%、钾肥515%，计算时 ，分别取其中间值； l 按一季(90天)施用的基肥计算，施用量750kg/ha（ 实物量），折纯养分总量为225 kg/ha，分别： N=117.9kg/ha， P2O5=32.1kg/ha， K2O=75.1kg/ha； l 热源均按煤炭计算，水、电、热力、煤炭的单位能耗及 综合能耗（折算为标煤）的方法，按GB/T2589- 2008综合能源计算通则的规定计算.3.1 施用化肥碳排放 与节能计算 化肥节能计算方程拟为:3.1 施用化肥碳排放 与节能计算 式中： E1施用单位重量腐植酸节省的能耗，kJ/kgHA；M施用单位重量腐植酸节省的标煤，kg/kgHA；CO2施用单位重量腐植酸少释放的二氧化碳数量， kg/kgHA；n肥料配方中的化肥品种数；Yi第i种化肥纯养分施用量，kg/ha； i第i种化肥养分通常利用率(N、P、K分别设定 35%，20%和50%)；Ui施用第i种腐植酸肥料后养分利用率提高比例,%(N 、P、K分别设定为原利用率的20%、19%和10%)；3.1 施用化肥碳排放 与节能计算 Pi所施第i种化肥的生产能耗，kJ/kg；Fi所施第i种中的纯养分含量，%；腐植酸铵生产能耗，kJ/kg；H腐植酸施用量（基肥），kg/ha（取38）；K腐植酸铵中腐植酸的含量，%； m腐植酸施用量，kg/ha（按38kg/ha计）。29300单位重量标煤的发热量，kJ/kg；2.6燃烧单位重量标煤排放出的CO2量，kg/kg。3.1 施用化肥碳排放 与节能计算 3.2 绿色植物吸收碳的计算假定条件： 施用含HA肥料后一个生长季(90天)，绿色植物一般增产1025%（按干生物量计），取16%； 植物每公顷一昼夜放出CO2量，参照草坪植物数据，即900kgCO2/had ； 肥料和HA施用量同3.1。3.2 绿色植物吸收碳的计算CO2吸收量和节能值计算方程拟为:式中：CO2施单位重量的HA一季植物多吸收的CO2数量，kgCO2/kg；R施HA肥料植物绿色部分增产率，按16%计；E2施单位重量的HA一季植物节能值，kJ/kg。3.3 硫和氮的排放计算 所有产品生产能源均设定为煤炭，折算为标煤。 按“中硫煤”（S=1.52.5%，取S=2%）计算，煤燃烧后氮主要以N2形式排放，故煤中的氮排放量忽略不计。 肥料中流失的氮是以氨，氮氧化物，硝酸态、亚硝酸态氮等形式排放的，均按NO2模拟计算。SO2和NO2减少排放量计算方程拟为:式中： SO2施用单位重量的腐植酸减少排放的二氧化硫数量，kg/kg； 标煤中的全硫含量，%（取2%）； 2硫折算为二氧化硫的系数； NO2施用单位重量的腐植酸减少排放的氮氧化物数量，kg/kg； 3.286氮元素转算为NO2系数； 其余符号同方程（1）、（2）。3.3 硫和氮的排放计算3.4 计算结果u 因施用HA而节能和减少碳、硫、氮排放的计算结果列 于表1。可以看出，使用HA有机-无机复混肥对化肥的 节能有较显著的影响，每施用1kg HA节能约 62500kJ，折合2kg标煤，相应少排放5.6kgCO2。u 影响最大的是，因施用HA增加绿色植物产量（相当于 增加种植面积），从而增加吸收CO2数量（还未包括提 高植物本体的光合作用强度和呼吸功能因素），达 240kgCO2/kgHA，占总CO2减排量的98%。3.4 计算结果o 施用HA也能减少SO2和氮氧化物的排放，尽管单位重量 HA的影响不太大，分别约0.09kgSO2/kgHA和 0.7kgNO2/kgHA，但随着肥料施用量或推广面积的 增加，其影响也不可忽视。o 比如，2009年我国化肥施用量（纯养分）约7000万吨 ，折实物肥料约14000万吨。假定HA有机-无机复混肥 施用量按总用量的1%计，即140万吨/年，其中含 HA5%，即7万吨HA/年，则近似计算节能和排放量见 表2。可见，其节能减排的数量是非常可观的。3.4 计算结果3.4 计算结果表2 年施用140万吨HA复混肥的节能和排放量计算结果4 腐植酸净化和保护环境腐植酸的净化环境效应包括3个方面:(1) 生物修复：目前工农业有机废物（垃圾）的无害化处 理与利用已成为各国环境保护的重点，其中以腐殖化 为核心的生物修复技术倍受关注。植物残体和有机废 物腐殖化过程中对重金属和有毒化学品的吸附、固定 或分解，均起到净化生态环境的作用。生物修复，实 际就是废物的堆肥化处理。研究表明，高温堆肥腐熟 后可去除50100%的六六六和DDT，2090% 的多环芳烃（PAHs），并从耕种土壤中清除掉 84100%的农药，重金属含量也有不同程度的降低 。(2) 改善环境： HA通过对土壤、水体中的有害重金属、 石油及其制品、多环芳烃、农药等环境物质的吸附、 固定、分解或迁移而发挥环境净化功能，已成业界共 识。为更好地发挥HA的绿色低碳作用，近年来又有不 少新的研发报道，如HA增效低毒农药、 HA与高分子 接枝共聚制备水质净化剂及防垢剂、新型燃烧型煤与 冶炼型煤粘结剂、 HA可降解地膜、新型环境友好型 陶瓷添加剂、HA水产养殖方面的应用等技术和产品， 都是腐植酸绿色低碳作用的延伸与发挥。4 腐植酸净化和保护环境4 腐植酸净化和保护环境(3) 植物保护与食品安全：废物的生物修复与农业生态 环境的改善，最终都落脚到植物和食品的净化上来。 大量研究证明，凡施用HA的农产品，不仅病虫害减 少、产量增加，而且品质都明显提高，包括营养成分 增加，重金属、农药残留、亚硝酸盐等含量降低。使 用HA的农产品如果作为动物饲料，又进一步提高了 肉、蛋、奶的质量。 HA的生态环境净化效应，可以 波及到整个食物链。因此， HA的天然、生态、有机 、绿色和环保特色，也是其低碳效应的重要内涵。5 发挥腐植酸绿色低碳效应 任重道远o 几十年的研究证明，HA具有巨大的绿色低碳作用， 已是无可辩驳科学结论，并经过实践的检验。保护 HA资源，发挥HA的绿色低碳效应，继续挖掘HA 的潜能，是我们HA人义不容辞的职责，任重而道远 。 o 我们在宣扬HA的同时，绝不要轻视存在的问题。至 今，仍有人在做违背科学规律、诋毁HA低碳作用的 傻事，自觉或不自觉地影响了HA产业的形象。o 针对现实情况，特提出如下四点建议： 5 发挥腐植酸绿色低碳效应 任重道远(1)认清有机质和HA的含义。曾几何时，普遍将有机质 含量作为低级别煤原料和含HA有机-无机复混肥的交易指 标，甚至用有机质含量代替HA作为控制指标。在低级别 煤中，除了苔草泥炭和草本泥炭的组分与土壤有机质和堆 肥有机质接近外，褐煤和风化煤中的非HA有机质（实际 为煤炭沥青质），基本上无化学活性和生物活性，且在短 期内很难分解和被利用，其测定方法也与土壤有机质不同 。由于没有统一的概念和规范化标准，目前已造成一些认 识混乱，有人就钻了空子，用不含任何HA的劣质煤粉或 煤矸石充当“有机质”加进肥料，影响了HA的绿色低碳功能和市场信誉，值得关注。5 发挥腐植酸绿色低碳效应 任重道远(2)重视HA的活化。煤炭HA在自然条件下以大分子团聚 体形态存在，多数是不溶性的，有的还与高价金属离子或 矿物紧密结合(所谓“高钙镁HA”)，很难直接发挥作用。 因此，煤炭HA都应该事先活化，包括简单氨化，或酸解 、氧化并制成水溶性的HA一价盐类