卞榮軍 李戀卿
2021年8月9日,政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告《2021氣候變化:自然科學(xué)基礎(chǔ)》發(fā)布。報(bào)告預(yù)估,在未來(lái)幾十年里,全球所有地區(qū)的氣候變化都將加劇,需要大力、快速和持續(xù)地減少溫室氣體排放,并達(dá)到二氧化碳的凈零排放,同時(shí)減少其他溫室氣體和空氣污染物排放。氣候變化所帶來(lái)的溫度和降雨模式的改變,以及隨之而來(lái)的高頻極端性氣候事件和各種自然災(zāi)害,已經(jīng)深刻影響人們的生產(chǎn)和生活。農(nóng)田與氣候變化間有著緊密的聯(lián)系,并發(fā)揮著特殊且重要的作用,它既是全球溫室氣體的排放源,同時(shí)又是至關(guān)重要的碳匯[1]。
為應(yīng)對(duì)氣候和環(huán)境變化的持續(xù)挑戰(zhàn),綠色可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)貫穿我國(guó)新時(shí)代國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略布局。當(dāng)前,廢棄物管理及其資源化利用已是國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的核心組成部分,是“雙碳戰(zhàn)略”順利實(shí)施、助力固碳減排的重要需求,是改善城鄉(xiāng)環(huán)境健康、控制潛在污染物環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑。
農(nóng)業(yè)是廢棄物產(chǎn)生的主要源頭,也是廢棄物資源化利用的難點(diǎn)。人類生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的生物質(zhì)廢棄物直接或間接來(lái)自農(nóng)業(yè),常見的生物質(zhì)廢棄物主要是生物體死亡、收獲、加工利用后殘余的生物質(zhì)。根據(jù)生物質(zhì)廢棄物的來(lái)源,可以分為原生生物質(zhì)廢棄物、次生生物質(zhì)廢棄物和處理(加工)生物質(zhì)廢棄物[2]。原生生物質(zhì)廢棄物是植物有機(jī)體殘余,主要包括農(nóng)作物秸稈、林木修剪殘余、尾菜等;次生生物質(zhì)廢棄物是生物質(zhì)經(jīng)動(dòng)物或微生物取食轉(zhuǎn)化后的剩余物,主要包括畜禽糞便、生活污泥等;處理(加工)生物質(zhì)廢棄物是農(nóng)產(chǎn)品、食品加工處理產(chǎn)生的殘?jiān)?,主要包括藥渣、酒糟、果渣、屠宰肥料等。此外,病死畜禽遺體也是重要的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物。
據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》,2017年秸稈產(chǎn)生量為8.05億噸,秸稈可收集資源量6.74噸,秸稈利用量5.82億噸;畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放量為化學(xué)需氧量1000.53萬(wàn)噸,氨氮11.09萬(wàn)噸,總氮59.63萬(wàn)噸,總磷11.97萬(wàn)噸;地膜施用量141.93萬(wàn)噸,多年累積殘留量118.48萬(wàn)噸。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點(diǎn)的方案》估算,2016年全國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污38億噸,綜合利用率不到60%;每年生豬病死淘汰量約6000萬(wàn)頭,集中的專業(yè)無(wú)害化處理率不高。而我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物和農(nóng)村生活垃圾年產(chǎn)生量分別達(dá)到了5.8億噸和1.48億噸[3]。這些未實(shí)現(xiàn)資源化利用的農(nóng)業(yè)廢棄物量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒,給城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。
我國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物資源化利用仍處于起步階段,秸稈與畜禽糞便的資源化利用是我國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物處理工作的重大挑戰(zhàn)。到2015年我國(guó)露天焚燒秸稈量8000多萬(wàn)噸,總碳排放量約為3450萬(wàn)噸[4]。隨著我國(guó)秸稈禁燒政策的持續(xù)推行,不斷增加的農(nóng)業(yè)秸稈廢棄物由于處置不當(dāng)造成了大量溫室氣體的排放。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),我國(guó)2017年主要農(nóng)作物秸稈及殘茬的氧化亞氮排放總量約為3920萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)量。全國(guó)每年有機(jī)肥的理論可生產(chǎn)量約2.79億噸,未被利用的部分經(jīng)估算相當(dāng)于1億噸有機(jī)肥[3]。FAO統(tǒng)計(jì)資料表明,2018年我國(guó)因動(dòng)物糞便管理帶來(lái)的溫室氣體排放總量約為6500萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)量,其中甲烷約占39%、氧化亞氮約為61%。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物中不僅含有大量的有機(jī)質(zhì),同時(shí)含有豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素。據(jù)估算,2015年我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈資源所含氮、磷、鉀養(yǎng)分資源總量分別達(dá)到626、198、1160萬(wàn)噸,2016年我國(guó)畜禽糞便中氮、磷、鉀分別為1480、901和1450萬(wàn)噸[5]。如果將秸稈全量還田,帶入農(nóng)田的平均養(yǎng)分相當(dāng)于化肥用量的38.4%(氮)、18.9%(磷)和85.5%(鉀),而畜禽糞便中的養(yǎng)分分別占同年氮、磷、鉀化肥施用量的49.1%(氮)、138.2%(磷)和381.1%(鉀)[6],表明我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈和畜禽糞便數(shù)量和養(yǎng)分資源量巨大,充分合理利用這些資源,可有效替代化肥施用并減少化肥生產(chǎn)引起的碳排放。然而,我國(guó)農(nóng)作物秸稈收儲(chǔ)運(yùn)體系還不完善,全國(guó)還有近1/4的村生活垃圾沒(méi)有得到收集和處理。
目前,我國(guó)秸稈資源化利用方式主要包括肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化;畜禽糞便的資源化利用方式主要為肥料化和飼料化。我國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物資源化利用方式主要有:一是農(nóng)作物秸稈直接還田,這是“零碳”技術(shù),雖然沒(méi)有帶來(lái)排放但也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)減排,而稻田秸稈還田可能會(huì)增加甲烷排放以及加劇病蟲害發(fā)生,且秸稈腐熟分解產(chǎn)生的可溶性有機(jī)物可能產(chǎn)生水體污染等問(wèn)題,我國(guó)耕地集約化種植模式和休耕時(shí)間短也限制了秸稈的全量還田。二是好氧堆肥還田,盡管可以小幅增加土壤碳庫(kù),但是其生產(chǎn)和應(yīng)用環(huán)節(jié)會(huì)帶來(lái)大量溫室氣體排放(如甲烷)。采用秸稈與畜禽糞便厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣雖然能夠部分替代化石能源,但是由于沼氣生產(chǎn)進(jìn)料量不穩(wěn)定、沼渣處理難等原因,導(dǎo)致農(nóng)村沼氣池正常運(yùn)行比例偏低,村民對(duì)沼氣池的使用意愿不高,沼液、沼渣還田也可能引起農(nóng)田溫室氣體排放增加。三是焚燒發(fā)電,我國(guó)秸稈和生活垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速,利用焚燒發(fā)電可以快速將生物質(zhì)廢棄物減量化并產(chǎn)生能源,但受原材料性質(zhì)、收集、運(yùn)輸及運(yùn)營(yíng)成本等多種因素的影響,國(guó)內(nèi)秸稈直燃發(fā)電的成本一直居高不下,并且焚燒發(fā)電主要利用了生物質(zhì)能源,浪費(fèi)了養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)[7]。另一個(gè)不容忽視的問(wèn)題是,不同來(lái)源的生物質(zhì)廢棄物可能存在各種潛在的有害物質(zhì),例如農(nóng)作物秸稈中的病原菌、蟲卵和農(nóng)藥殘留,畜禽糞便中的致病菌、抗生素和重金屬,餐廚廢棄物中的調(diào)味品和鹽分等。因此,未來(lái)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物的處理應(yīng)基于農(nóng)業(yè)固碳減排和環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)的雙重考量。
生物質(zhì)廢棄物熱解炭化工藝技術(shù)恰好符合有機(jī)質(zhì)固定以及去除和減少有害物質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的要求。生物質(zhì)熱解炭化的基本原理是在限氧或無(wú)氧條件下,生物質(zhì)在250~750℃ 發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng),生物質(zhì)中碳化合物發(fā)生熱解反應(yīng),通過(guò)固液氣分離而產(chǎn)生生物質(zhì)炭、木醋液和可燃?xì)?。炭化是最古老的制炭方法,古人早已伐薪燒炭用作生物質(zhì)能源和冶金,刀耕火種的農(nóng)耕時(shí)代秸稈炭和草木灰是廣泛應(yīng)用的土壤調(diào)理劑,而姜炭等炭質(zhì)中藥材還是治病救人的良藥。在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)下,生物質(zhì)廢棄物可以在熱解反應(yīng)器中以特定的熱解溫度、反應(yīng)氣氛(無(wú)氧、限氧、惰性氣體保護(hù))、升溫速率、熱解時(shí)間等條件,通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳、養(yǎng)分和能源的分離和分值利用。在熱解炭化過(guò)程中,原料中各類有機(jī)物在高溫下發(fā)生裂解與重組,較小分子量的有機(jī)物揮發(fā),部分可冷凝揮發(fā)組分轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w產(chǎn)物(木醋液),而不可冷凝揮發(fā)組分一般是具有較高熱值的可燃?xì)猓ㄈ缫谎趸?、氫氣等),較大分子量的有機(jī)物以固態(tài)集合殘余成為生物質(zhì)炭。
生物質(zhì)廢棄物在高溫條件下,有害生物被殺滅,各種藥殘和抗生素殘留被轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)質(zhì)或分解去除,重金屬元素被有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)固定而鈍化,全過(guò)程無(wú)化學(xué)品添加,有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?、液、氣不同相態(tài)產(chǎn)物的資源產(chǎn)物,養(yǎng)分元素從有機(jī)質(zhì)中解析出來(lái)并轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌螒B(tài)。與垃圾焚燒發(fā)電、厭氧發(fā)酵或好氧堆肥等方式不同,廢棄物熱解炭化是在污染物安全利用、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分充分保留的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)廢棄物的多元、清潔和安全利用。例如,由于畜牧業(yè)抗生素長(zhǎng)期濫用,導(dǎo)致畜禽糞便等廢棄物資源化容易引起環(huán)境中抗生素和抗生素抗性基因的污染。我國(guó)每年約8萬(wàn)噸抗生素被應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖,而40%~90%的獸用抗生素隨糞尿排出,帶來(lái)了巨大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[2,8]。根據(jù)研究顯示,施用糞肥的農(nóng)田表層土壤中土霉素、四環(huán)素和金霉素平均殘留量分別為未施糞肥農(nóng)田的38倍、13倍和12倍[9]。為保證有機(jī)肥料的安全利用,我國(guó)首個(gè)有機(jī)肥抗生素殘留檢測(cè)的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施(GB/T32951-2016)。與堆肥工藝相比,通過(guò)高溫?zé)峤馓炕梢詫?shí)現(xiàn)畜禽糞便中抗生素和抗生素抗性基因幾乎完全去除,其中的重金屬(鎘、鉛、銅、鋅)雖然不能去除,但最大程度降低了其化學(xué)活潑性和生物有效性。因此,生物質(zhì)熱解炭化堪稱廢棄物中對(duì)有害物質(zhì)消減最為徹底的安全處理技術(shù)。
生物質(zhì)熱解炭化工藝的核心是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)中有機(jī)碳和養(yǎng)分最大限度地循環(huán)利用。其中,產(chǎn)生的可燃?xì)饪梢宰鳛槟茉从糜谏镔|(zhì)原料的烘干和熱解炭化系統(tǒng)熱源,剩余能量可代替化石燃料用于外部能源供給(如集中供暖、蒸汽生產(chǎn)、并網(wǎng)發(fā)電等)。經(jīng)過(guò)冷凝獲得的液體產(chǎn)物即木醋液中含有豐富的小分子有機(jī)物,是一種兼具藥和肥特性的生物活性物質(zhì),通過(guò)根施和葉面噴施稀釋后的木醋液,可促生、抑病和增產(chǎn),它是理想的有機(jī)農(nóng)業(yè)投入品。生物質(zhì)熱解炭化的主要產(chǎn)物是生物質(zhì)炭,一種富含穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)和少量可溶性有機(jī)物并包含礦質(zhì)養(yǎng)分的多種組分混合的固體炭質(zhì)。生物質(zhì)炭能產(chǎn)生有益效果,源于其特殊的物理化學(xué)結(jié)構(gòu),在高溫?zé)o氧條件下作物秸稈等生物質(zhì)廢棄物中有機(jī)質(zhì)發(fā)生崩解和炭化,但大部分物理結(jié)構(gòu)被保留,形成了疏松多孔性的特征;由于生物質(zhì)熱解過(guò)程中產(chǎn)生堿性官能團(tuán)和灰分,使得生物質(zhì)炭大多為堿性并帶負(fù)電荷。因此,炭質(zhì)穩(wěn)定、多孔疏松特性、普遍較高的陽(yáng)離子交換量、環(huán)境友好是生物質(zhì)炭區(qū)別于土壤有機(jī)質(zhì)、好氧堆肥及厭氧消化沼肥的主要特征。利用不同性質(zhì)的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物進(jìn)行共熱解炭化技術(shù),可充分挖掘生物質(zhì)能源、養(yǎng)分、炭質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),創(chuàng)制清潔高效、安全衛(wèi)生、功能豐富的炭基產(chǎn)品。
全球?qū)τ谏镔|(zhì)炭的關(guān)注和研究始于數(shù)千年前亞馬孫流域農(nóng)業(yè)耕作留下的黑色肥沃土壤(Terra Prata)。2006年前后科學(xué)家相繼研究證明這種肥沃土壤來(lái)源于古人采用的原始制炭方法并用于土壤培肥的結(jié)果[10]。據(jù)此,越來(lái)越多的研究提出,依據(jù)現(xiàn)代熱解炭化技術(shù)規(guī)?;a(chǎn)生物質(zhì)炭,可用于提升土壤碳儲(chǔ)量和耕地質(zhì)量,并服務(wù)于生物質(zhì)廢棄物的管理。
當(dāng)前,氣候變化以及由于農(nóng)業(yè)高強(qiáng)度利用導(dǎo)致的土壤污染與退化等問(wèn)題對(duì)農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)正日趨嚴(yán)峻。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物熱解炭化應(yīng)用于土壤,可以將作物光合作用固定的碳返還并保存于土壤(更新周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年),補(bǔ)充土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的同時(shí)有效改善土壤結(jié)構(gòu)和平衡酸堿度,提升土壤緩沖性和保肥蓄水能力,為健康土壤的培育提供了新的途徑。生物質(zhì)炭由于其表面堿性官能團(tuán)與多孔特征賦予的較高反應(yīng)活性,可以通過(guò)吸附、沉淀、螯合、封存來(lái)固定土壤和水體中的重金屬和有機(jī)污染物,也為污染耕地修復(fù)帶來(lái)了新的途徑。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域生物質(zhì)炭的固碳減排效應(yīng)包括秸稈等生物質(zhì)在熱解過(guò)程中產(chǎn)生的能源和歸還的養(yǎng)分資源而直接減排,施用生物質(zhì)炭抑制土壤氧化亞氮排放而產(chǎn)生的間接減排效應(yīng)。研究顯示秸稈熱解炭化生產(chǎn)生物質(zhì)炭,每噸秸稈利用的綜合減排效應(yīng)約為0.7~2.1噸二氧化碳當(dāng)量。近期,一項(xiàng)基于我國(guó)生物質(zhì)炭田間試驗(yàn)研究的碳計(jì)量研究結(jié)果表明,與常規(guī)施用化肥相比,每公頃一次性施用20噸生物質(zhì)炭分別相當(dāng)減少玉米和水稻全生命周期碳排放29 噸和33噸二氧化碳當(dāng)量,其中90%以上減排來(lái)自熱解炭化過(guò)程中可燃?xì)獾睦煤屯寥烙袡C(jī)碳庫(kù)的增加[11]。此外,大量研究結(jié)果已經(jīng)證明,生物質(zhì)炭發(fā)揮著土壤與生態(tài)系統(tǒng)工程師的作用,生物質(zhì)炭添加到土壤中可促進(jìn)土壤中大團(tuán)聚體形成和外源碳的固定,提高土壤含水量和微生物量,大幅降低農(nóng)田土壤溫室氣體排放,提高氮素利用效率,提升作物產(chǎn)量和品質(zhì),鈍化土壤重金屬和有機(jī)污染并降低作物吸收積累,還可以減緩病蟲害的發(fā)生并提升作物的系統(tǒng)抗性。利用生物質(zhì)炭制備的人造生態(tài)土、生長(zhǎng)基質(zhì)和土壤調(diào)理劑已經(jīng)應(yīng)用于城市和農(nóng)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。
近年來(lái),依據(jù)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)與功能原理,科學(xué)家創(chuàng)新研制了以生物質(zhì)炭為載體的炭基肥料,實(shí)現(xiàn)了有機(jī)碳架—礦物質(zhì)—化肥養(yǎng)分的結(jié)合,正革新著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)肥料理念。生物質(zhì)炭通過(guò)不同孔隙的吸附固持、表面官能團(tuán)化學(xué)絡(luò)合、改變土壤氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)微生物活性等機(jī)制,可以有效減緩化肥溶解釋放速度而延長(zhǎng)對(duì)植物吸收的供應(yīng)期,減少養(yǎng)分的淋失和揮發(fā)損失,提高了養(yǎng)分利用效率數(shù)個(gè)百分點(diǎn)[12,13],顯著降低了化肥施用量。炭基肥生產(chǎn)過(guò)程中輔以一定量的熱解液體產(chǎn)物即活性有機(jī)質(zhì),能顯著提升作物根系活力,促進(jìn)作物代謝和抗逆性,提高作物健康和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。炭基肥的緩釋高效顯著減少了農(nóng)田溫室氣體排放,待化肥養(yǎng)分被作物吸收利用后,生物質(zhì)炭歸還于土壤又實(shí)現(xiàn)土壤固碳,長(zhǎng)期施用有利于土壤質(zhì)量和肥力的持續(xù)提升。基于我國(guó)炭基肥生產(chǎn)與示范的固碳減排計(jì)量研究表明,單個(gè)生長(zhǎng)季的冬小麥和水稻生產(chǎn)可分別產(chǎn)生1.44噸和0.28噸二氧化碳當(dāng)量的減排量[14]。因此,從生物質(zhì)廢棄物處理需求出發(fā)的生物質(zhì)炭生產(chǎn)和土壤施用是名副其實(shí)的“負(fù)碳”技術(shù)。
由于生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)的多贏效應(yīng)并有效服務(wù)于未來(lái)農(nóng)業(yè)固碳減排與綠色發(fā)展,一個(gè)以新能源、新肥料和新材料為關(guān)鍵產(chǎn)品的新興生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。與此配套,2017年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將秸—炭—肥還田改土模式列為十大秸稈資源利用的典型模式之一,2020年秸稈炭基肥利用增效技術(shù)被推介為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部十大引領(lǐng)技術(shù),炭基肥(NY/T 3041-2016)、炭基有機(jī)肥(NY/T 3618-2020)、農(nóng)作物秸稈炭化還田土改良項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理規(guī)范(GB/Z 39121-2020)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相繼推出,保證了生物質(zhì)熱解炭化與農(nóng)業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的有序高效發(fā)展。未來(lái),農(nóng)村的廚余垃圾、養(yǎng)殖糞污和秸稈等生物質(zhì)廢棄物可以協(xié)同炭化,不但使廢棄物環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)不出村、不擴(kuò)散,而且是就近就地循環(huán),碳中和效益和經(jīng)濟(jì)收益都會(huì)明顯改善,成為農(nóng)業(yè)和農(nóng)民增收增效的一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)充??梢云谕?,以合作社為主體的移動(dòng)式炭化服務(wù)可能成長(zhǎng)為新的廢棄物炭化處理和資源化利用的新模式。
全球氣候變化背景下中國(guó)農(nóng)業(yè)面臨耕地質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品安全的巨大挑戰(zhàn),數(shù)十億噸的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物處置與資源化利用任務(wù)艱巨。在應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)時(shí),應(yīng)充分挖掘生物質(zhì)資源,發(fā)展以熱解炭化為基礎(chǔ)的生物質(zhì)技術(shù)與產(chǎn)業(yè),滿足國(guó)家綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展與農(nóng)業(yè)固碳減排需求。未來(lái)需要積極開發(fā)創(chuàng)新熱解炭化裝備、炭基肥料、炭基材料等技術(shù)方法,推動(dòng)炭基集成技術(shù)與產(chǎn)業(yè)模式的大規(guī)模推廣,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的參與積極性,不斷釋放農(nóng)業(yè)助力碳中和的潛力。
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關(guān)鍵詞:生物質(zhì)廢棄物 熱解炭化 生物質(zhì)炭 碳中和 ■