風幕燃燒器:木本生物量減少的切碎和耕作處方的創新替代方案
執行摘要
美國西部的空氣品質監管機構鼓勵農業土地管理者透過將木片削碎並將其摻入果園或農田土壤中來減少木材浪費,而不是燃燒木材。為了減少空氣品質問題,這似乎是一種合理且快速的處理方法(眼不見為淨),但這種規定性方法可能會對養分可用性產生意想不到的後果,從而影響土壤生產力。
僅僅因為木材不再可見並不意味著它不會對農場產生進一步的影響。當碳氮比 (C:N) 高的物質被引入土壤時,它會限制植物可利用的養分,從而影響作物。將木材直接引入土壤是有害的,因為:
木材分解會限制種植作物可利用的土壤養分。
限制養分會降低生長和作物價值。
為了確定切碎耕作是否會限製作物產量,擁有過多木材的農民可能會透過評估對土壤生產力的影響而受益。建議諮詢自然資源保護服務局 (USDA-NRCS) 或農業研究服務局 (USDA-ARS),以獲得特定地點的土壤建議。
CharBoss(空氣燃燒器公司)提供了一種將木材轉化為木炭(生物炭)的替代方法,減少了對煙霧和其他排放物的監管擔憂,同時也創造了一種提高土壤生產力的產品。這項工作有資格透過美國農業部計劃(CSP 384A - 從木本殘留物生產生物炭)獲得資助,因為生物炭的好處得到了聯邦和州機構的認可。
CharBoss 提供了一種創新的木材處理解決方案,可減少溫室氣體,同時提高土壤生產力。 CharBoss 可以:
減少對煙霧和其他排放的監管擔憂,同時也為農民提供碳信用的機會。
創建可增強以下功能的生物炭:
土壤有機質
土壤/持水能力
土壤養分交換
可能透過美國農業部計劃提供資金
簡介
美國西部的空氣品質監管機構鼓勵農業土地管理者透過將木片削碎並將其摻入果園或農田土壤中來減少木材浪費,而不是燃燒木材。對於那些直接關注避免排放(PM2.5 和氣體)的人來說,這似乎是一個合理且快速的處置處方(眼不見為淨)。不幸的是,這種規定方法可能會對土壤養分可用性產生意想不到的後果,導致累積效應,從而可能降低農場產量。當碳氮比 (C:N) 高的有機材料引入土壤時,它會限制植物可利用的養分,從而影響作物產量。
在缺乏完整的生命週期評估(LCA) 的情況下,這份簡短的報告試圖解釋如何以及為什麼這可能不是一種適當的處置方法,並提供對現有燃燒的適應,這可能會滿足所有相關人員的目標。
背景
由於樹木健康和活力所需的每年修剪,生物質可以在水果和堅果園中穩定積累,或者如果所需作物的變化需要提取果園,則生物質會快速積累。除了氣候變遷的影響之外,消費者市場的需求或水監管通常也可以推動此類決策(Hester,2021;Kushman,2022 和 Bland 2023)。
所有有機物最終都是潛在的土壤,木質材料也不例外,但是,在製造土壤的所有成分中,木材分解所需的時間最長。完整保留在土壤表面的木材可能需要 50-100 年才能分解,這取決於木材種類、密度以及木材暴露於溫度和濕度等分解元素的因素(Gough,2007)。無論木材堆積的原因是什麼,由於分解速度很慢,一旦數量達到臨界點,通常需要更快的處理方法。沒有多少農民擁有未生產的土地來儲存木材,因為他們依靠全部可用農地來維持財務償付能力。很少有農民有操作空間來等待木材分解或堆肥,然後再用作土壤改良劑;他們也不願意冒著讓成堆的木材容易遭受野火攻擊的風險。
通常情況下,木堆會被燃燒,但監管機構擔心煙霧和排放,因此他們希望將木片和耕作物作為快速、無菸的處理方式。
透過削片減小木材的尺寸可以加速分解過程。一旦碎裂,就會有更大的表面積暴露於元素和分解劑(蟲子和真菌),加速分解。與堆肥類似,如果將木材放置在持續潮濕的環境中(Gough 等,2007);表面積、水和分解物生物活性的增加相結合,加速了土壤的生成。這就是 Chip & Till 處方失效的地方,雖然它不在視線和腦海中,但它仍然可能產生意想不到的後果。
由於無菸處置的目標已經實現,空氣監管機構似乎就此結束了規定性影響評估,並且未能分析木片對土壤健康的影響。該處方的問題在於假設木材會立即增加土壤的生產力,並且不會產生潛在的短期有害影響。不幸的是,這也是處方中對農民產生最大潛在影響的部分,農民的農作物產量會根據植物獲取養分的能力而升降。
如前所述,木材在所有植物中具有最高的碳氮比。有機土壤改良劑(例如堆肥)通常建議的 C:N 比例為 30:1(康乃爾大學)。當潛在碳氮比為500:1 的木片添加到土壤中時,隨著土壤生物群努力克服新的高碳食物來源,可利用的養分可能會減少。 。木片越大,限制植物有效養分的時間越長。因此,如果木片用作土壤改良劑,木片的尺寸越細,限制植物有效養分的時間就越短。需要考慮的一個經濟因素是,較小的木片的生產成本較高。雖然農民有可能在活躍田地的土壤中添加木片,而對英畝產量的影響極小甚至沒有影響,但這需要進行深入的土壤測試,並且可能需要施用肥料來克服添加木片的影響。
風幕燃燒器 – 一種創新的替代方案
當木材分解時,在其生命週期中收集的碳被釋放出來,形成氣體;二氧化碳 (CO2) 和甲烷 (CH4)(Kipping 等人,2022)。生物質可以被土壤中的動植物消耗,也可以在受控或不受控制的燃燒過程中消耗。燃燒也會產生細懸浮微粒 (PM2.5),這些顆粒物會隨著上升的煙霧被帶到高處。煙霧和PM2.5的產生是空氣品質機構關注的問題。
作為 Chip and Till 處方的替代方案,可以使用空氣幕焚化爐 (ACI)。 ACI 設備是一種低煙處置選項,可透過形成木炭來捕獲碳;減少農業溫室氣體 (GHG) 排放。當使用 BurnBoss 或 CharBoss 等 ACI 時;木材釋放的揮發性氣體大部分在木炭(一種農業上可行的產品)的生產過程中被消耗掉。這兩種移動 ACI 能夠透過將碳保持為木炭的形式來最大限度地減少碳損失,從而防止碳與氧氣化合形成二氧化碳。雖然在碎木中耕作通常會延遲二氧化碳形式的碳的釋放,因為分解劑需要時間來分解材料。當分解者在土壤中呼吸時,它們也會釋放出甲烷CH4;這是一種更有效的溫室氣體(EPA 2023)。透過使用 ACI 將木材轉化為木炭,木材中儲存的碳得以穩定。
USFS 落基山研究站的測試表明,所得木炭的碳含量超過 80%。脆性木炭可能會風化(冷凍/解凍或粉碎)成較小的顆粒,但它被植物吸收的可能性很低,植物會以二氧化碳氣體的形式獲得碳。當添加到受可用水和植物可用養分限制的土壤中時,這種固存的碳可以提高一些農田土壤的生產力。因此,我們可以假設將穩定碳轉化為木炭,然後將其用作土壤改良劑;是碳捕獲的一種形式。總而言之,木本農場植物從大氣中獲取碳,ACI 將植物材料轉化為木炭形式的穩定碳,然後再因野火或分解而損失。然後可以利用它來提高土壤生產力。兩種 ACI 都在足以殺死所有植物病蟲害的溫度下運作。 ACI 為農場帶來長期利益。
BurnBoss 批量生產木炭,最初設計用於將材料燃燒成灰燼。 BurnBoss 只能生產小批量的木炭。相比之下,CharBoss 在將新木材放入設備時不斷生產木炭。在最近的測試中,CharBoss 的轉換率估計為 30%,每噸木材可生產 600 磅木炭。雖然 BurnBoss 和 CharBoss 都能有效減少生物量,但 CharBoss 還具有額外的好處,可以生產足夠數量的木炭,以便向農民或其他人銷售。
在 ACI 的燃燒室內,加熱的木材在木材表面形成木炭,並釋放出揮發性化合物。當木炭在木材表面形成並且放熱反應進入木材時,木炭會剝落,進一步暴露出受熱的木材,從而形成更多的木炭。 ACI 之間的差異在於,CharBoss 透過對燃燒的木材添加攪拌來加速該過程,因此易碎的木炭被摩擦掉並從燃燒室中掉落,在水浴中熄滅。這種淬火的木炭很穩定,不再能夠與氧或氫結合形成 CO2 或 CH4。
由 ACI 單元製成的木炭(生物炭)已被證明可以增加土壤中的水分和養分保持能力。它可以添加到其他有機改良劑中或作為改良劑單獨使用。未經改良的生物炭的施用可以在作物休眠時進行,也可以與其他有機改良劑(覆蓋物、肥料…)混合,為特定的土壤類型提供最大的效益。
結論
由於切碎耕作有可能限製作物產量,對於擁有多餘木材的農民來說,謹慎的做法可能是諮詢土壤生產力風險並獲得有關替代方法的資訊。諮詢 NRCS (USDA-NRCS) 或農業研究服務處 (USDA-ARS);針對特定地點的土壤建議提出了建議。這些政府機構還制定了新計劃,可以幫助農民支付將木材轉化為木炭以改良土壤的費用。這項工作有資格透過美國農業部計劃(CSP 384A - 從木本殘留物生產生物炭)獲得資助,因為生物炭的好處得到了聯邦和州機構的認可。
CharBoss 提供了一種方法,可以減少對煙霧和其他排放物的監管擔憂,同時還可以透過美國農業部資助的計畫實現土壤健康目標。
參考文獻
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美國農業部-NRCS,CSP 384A。 2019 年木質殘渣生物炭生產 。