農業與節能減碳 - 農業知識入口網

農業，相較於增加碳排放的工業，不但可以開源（生質燃料）、節流（固碳、遮蔭），更有機會逆轉（炭化）。本文針對農業副產物（廢棄物）介紹簡易的處理方法，不僅讓農業副產物加值再利用，也對節能減碳有所貢獻。

根據全球統計，目前用在發電、工業及交通工具所產生的二氧化碳，約占總碳排的80％，而所謂「碳排放」，代表原本不屬於生物圈，經排放來到生物圈的碳。將地球表面粗分為四個領域－－大氣、水體、土壤及岩石，前三者和包含其中的生物統稱為「生物圈」，碳在三者間不斷循環，達到動態平衡，稱為「生物碳」。燃燒稻草、樹枝，甚至森林大火，都不會增加生物圈中的碳，只能算是加速碳的循環；人為的開採石油、煤炭、天然氣，則將原本不屬於生物圈的碳，從岩石圈排到了生物圈中，才算是碳排放。利用農業副產物等有機物製成的生物炭，具有不易分解的特性，可以長時間將生物碳固定成礦物碳，藏碳於地，達到真正的減碳、逆轉溫室效應所導致全球暖化的環境問題。

簡介「生物炭」
生物炭（Biochar）是指有機物在不完全燃燒或缺氧環境下，經高溫熱裂解（Pyrolysis）後的固體產物。森林大火後未燒盡的焦黑植體殘株，就是自然界製造的生物炭；而人工的炭更是不勝枚舉，像是木炭、竹炭、稻殼炭等都是。整個高溫熱裂解過程即所謂的「炭化」或「乾餾」，除了產生固體的炭之外，同時也會產生液體與氣體，產生的液體包含乾餾液（或稱醋液）及焦油等，氣體則有一氧化碳及其他可燃性氣體。由於生物炭的碳鏈為生物惰性，不易經生物分解，有研究指出，生物炭在自然環境下的半衰期高達500～1000年甚至更長，因此若將有機物燒成生物炭再存於土壤中，可成為長期碳匯，降低碳排量。

一、生物炭的應用
生物炭為微鹼性，具有多孔性及高「比表面積」（即單位重量的表面積），可中和酸性土壤、增加土壤的保水力及通氣性，並吸附土壤養分使養分不易流失。生物炭中的大小孔隙也能作為土壤微生物的棲所，提高族群數量及多樣性，維持土壤生態作用；若應用於受汙染的土壤中，則能暫時將汙染物吸附在孔隙中，避免汙染擴大。而生物炭因顏色較深，在冬季或早春時節適量添加，可加深土色吸收太陽能，以增高土溫、減緩寒害的程度。作為栽培介質材料，生物炭耐腐性佳，可長期使用，並可吸附各種養分，慢慢釋出供給作物養分，有助延長肥效、減少肥料浪費。此外，經高溫熱裂解成生物炭的植物體中，鹼性金屬元素如鉀、鈣、鎂等，經炭化後成為作物易吸收的形態，有助於供給植物養分，尤其炭化的稻殼及稻草富含矽與鉀，可使植株健壯，不易受病蟲危害。其他用途像是將生物炭磨成細粉，裹覆於速效型的肥料外，可延長肥效；或作為微生物農藥或肥料活菌的載體，包裹於種子外，確保有益微生物接種於植物根部；亦可作生物膜的載體，或作為水產養殖的水過濾、畜產之廢水處理及廢棄物除臭等用途。

二、生物炭的資材來源
生物炭的原料來源相當廣泛，目前多利用農業副產物，物盡其用以提升作物的附屬價值，諸如稻殼、玉米穗軸、果樹修枝等，或是將木屑、椰子殼、乾草等資材經壓縮造粒成為顆料燃料，皆為可供直接燃燒與炭化的資材。稻殼的含水量低，燃燒後所產生的腐蝕性氣體（如二氧化硫等）非常少，量大且集中在碾米廠，取得的管道明確，是很好的替代燃料。其灰燼富含矽與鉀，可提高水稻抗病能力、作為有機農業鉀肥及酸性土壤改良，並可提供半導體工業矽原料及橡膠的添加材料。目前燃糠爐技術發展成熟，國內有三升及三久兩大廠牌。果樹修枝雖缺乏背景資料，但以產業面積估算，廢棄枝條數量應相當多。各類樹材的燃燒特性可能有所不同，但炭化後可望縮小材質間的差異性，提高其作為木炭或氣化燃料的可行性。顆料燃料則是藉由壓縮造粒的技術，將木屑、椰殼、乾草等製成顆料燃料，目前多採混煤燃燒方式利用；未來可研發高熱值、低汙染的材料（樹種），以及顆粒燃料專用爐，供給需熱源之產業應用，甚至可取代燃煤發電機。

三、市面常見的炭
1.竹炭
民國88年九二一大地震重創原本日趨沒落的竹產業，林務局為振興竹產業，從日本引進竹炭技術，不但讓竹產業有新的發展，更成功營造消費端對「炭」產品的認識與需求，市面上開始流行「竹炭」、「竹醋液」等相關產品。有別於傳統的木炭主要用於燃料，這些炭產品宣稱具有調節濕度、吸附重金屬、遠紅外線及屏蔽電磁波等效果，用於紡織、塗料，甚至於食用，以生活應用為主要訴求。
2.炭化稻殼
相對於竹炭以生活應用為主要訴求，炭化稻殼則廣為利用於農業。目前炭化稻殼大多以批次式悶燒生產，炭化條件不易控制，時間、溫度、相對位置等，都會影響到炭的性質，造成研究及應用劑量推薦上的困擾。民間應用中，以彰化縣埔鹽鄉大有社區的「金碳稻」為代表；研究機構則以花蓮區農業改良場最早，於民國94年起進行炭化稻殼應用研究及製作機具研發，101年取得專利後技轉予三升農機公司；附掛裝置於現行燃糠式乾燥機，在「乾燥為主，炭化為副」的生產形態下，提高稻殼附加價值，但仍有改進空間。臺東區農業改良場及高雄區農業改良場稍後亦與工研院合作，進行炭化稻殼田間應用試驗。目前花蓮區農業改良場仍進行蔬菜及花卉栽培介質試驗，及微生物肥料載體研究，未來將進行專用養液配方、炭化專用機研發、矽與鉀的肥效評估工作。
3.其他生物炭
臺南官田的菱角殼炭由行政力推動，曾被媒體報導。除了果樹修枝外，油茶殼、筍殼、龍眼殼、花生殼，若材料收集以及機具研發皆能配合，未來都有機會成為生物炭的材料。畜試所研發的雞糞炭化裝置，因雞糞中成分較複雜，伴隨焦油及臭味問題，研發難度較高。另有網路社團「生物炭技術分享與交流園地」，為數百人參與的大社團，常於其中分享相關新知並舉辦活動。
結語
農業與節能減碳議題橫跨許多領域，如能源、材料科學、機械、環境工程、土壤、森林、生態、植物生理、微生物等，各面向看法不一，若能齊聚各領域人士，廣泛而深入的討論，相信有助於改善日趨急迫的環境問題。

生物炭具有善用資源及對環境的減碳效果，並可作為介質、土壤改良、過濾、脫色、除臭等農業及生活應用資材。製作過程中，理想上不希望使用化石燃料，才能完全符合節能減碳的世界潮流，但目前仍有煙霧、臭味及焦油等問題尚待解決。未來推動生物炭在實務上的運作方式可由二方向進行，一為成立區域炭化中心，收購農業廢棄物，製成的生物炭經販賣營運或自行發電賣電；二是研發簡易小型爐具，由農民自行製作生物炭使用。若一般農民皆能利用簡易技術及小型機械製作，相信能擴大生物炭的影響層面。

*碳化與炭化
「碳化」與「炭化」常見混用的情形，學術上習慣稱「碳化」為攝氏900度以上，碳原子重新排列之反應；而「炭化」則為有機物經乾餾，釋出短碳鏈的小分子有機物後，餘下碳骨架的炭。

文/倪禮豐、范美玲、黃鵬　花蓮區農業改良場 製圖/柯皓翔