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友善資材導入環境精準監控作物生產應用

資料來源:高雄區農業改良場/張耀聰 副研究員

工業研究院中分院/簡全基、黃盈賓     

一、前 言

臺灣為熱帶-亞熱帶地區農業生產密集的島國,因環境高溫多溼致使土壤有機質分解快速,其中尤以南部地區耕地最為劇烈。農民為改善此一現象,長期以來已習慣使用友善資材~有機質肥料,進行耕地土壤有機質補充。然而施用有機質肥料,雖可緩解土壤有機質之不足,但其分解過程有機酸解離,可能造成土壤酸化,致使農民要經常補充或進行土壤pH調整。而南部地區,亦為熱帶果樹重要產區,每年果樹作物收穫後,多數進行矮化或整枝修剪,因此作物修枝或收穫後殘體,每年至少超過5萬公噸以上,而這些作物殘體多數現地破碎掩埋、或堆置腐爛分解,甚至露天燃燒,而造成空氣污染或環境衛生問題。然而無論掩埋、分解或燃燒,這些作物殘體最終仍以CO2型態回歸大氣。因此,為兼顧環保及農業剩餘資材回歸田區作物生產利用,可將此類資材破碎進行炭化處理,製成友善環境資材「生物炭」回歸農田利用,將可提升土壤碳匯,而減少CO2回歸大氣,以達到固碳、再生循環利用、友善資材土壤改良及提升作物產能之效果。而以下將簡要進行友善資材生物炭特性介紹、移動式數位節能快速炭化系統及友善資材導入環境精準監控作物生產應用介紹

二、友善資材生物炭特性介紹

 class='img_caption'圖一、果樹修枝殘體破碎後燒製生物炭型態

循環經濟為世界各國現行極力推動的政策,在農業方面,再生資源循環利用,即實踐循環經濟最佳寫照。而農業剩餘資材再生利用製成生物炭,亦為農業循環經濟之重要墊腳石。而根據國際生物炭倡議組織(International Biochar Initiative, IBI)的定義,作為農業資材的生物炭,為纖細且具多孔性結構的顆粒,外觀與一般燃燒所產生的焦炭類似,並且由生物質材料如木材、樹葉等有機物質,在密閉空間限氧條件,於反應溫度700℃以下,慢速熱裂解產生的固態物質,而這些物質可應用於農業土壤及環境保護上,以改善土壤性質,並增加作物產量等。因此,生物炭之特性為穩定型態、高度芳香化、難溶性、及富含碳素之固態產物,且將生物質原有成分縮合,施於土壤具有碳匯功能,並可在土壤中長達數十年至百年之久,且可持續利用及提供微生物碳源,同時減少大氣CO2濃度、土壤中無機態N的淋洗及N2O和CH4的釋放,並且可吸附人工化合物及重金屬物質。

耕地應用可改變土壤理化性質,包含土壤酸鹼值、陽離子交換容量、土壤容重、保濕性及土壤結構,因而增加土壤養分有效性,進而提高植物產能。另具有多孔特性及高度比表面積和吸附可溶性無機養分的能力,可提供土壤微生物良好棲息場所,使其得以繁殖、生長和複製。並提供微生物避難場所,而不易被掠食者捕捉或與環境中其他微生物競爭。生物炭的灰分含量高,隨著淋洗孔隙率會增加,可供更多結合位置給微生物繁殖和養分吸附。此外,土壤施入生物炭後,由於pH值提高,微生物群落的呼吸代謝速率也提高,可增加微生物群落數量,因此提高植物的生物量,同時增強植物對病害的抗性。由此可知,生物炭為友善耕作和土壤改良之重要管理工具,並具有潛在的經濟價值。但如何有效利用設備快速進行生物炭製作,以下將進一步介紹。

三、移動式數位節能快速炭化系統開發

 class='img_caption'圖二、移動式數位節能快速炭化系統

早期生物炭簡易燒製方法,多數均以簡易爐體進行生物質材料悶燒而成,但燒製過程均需藉助人為經驗執行,而其溫度及進氣等條件控制,亦依經驗值進行操作,致使產出之炭收率普遍偏低(約15%),且產出之生物炭材料因受熱溫度不均,而炭品產出極不均質,造成使用成效不彰,且燒製過程因無廢氣處理,煙霧迷漫現象時有所聞,亦成為空污來源之一。時至今日,空污規範越加嚴格,傳統簡易燒炭方式,多數成為違法行為。而本次藉由農工合作計畫,進行「移動式數位節能快速炭化系統」開發,其整體具有5大套件,分別為1.快速炭化爐體系統(具熱源回收利用功能);2.數位程控系統(具溫度、進氣流量及滯留時間控制);3.冷凝系統(具醋液回收功能);4.水洗塔污染防治系統,及5.尾氣排放活性碳吸附系統,而各系統套件串聯均使用快拆形式進行組裝,方便拆卸移動至各田區進行組裝,可將農業剩餘資材有效製炭再利用。然其依據不同生物質材料及含水率,炭收率可提升至25-30%、醋液收集率為30-35%,且熱能回收利用率>30%,另依據快速炭化爐體規格不同,每批次可產生約500公升以上60℃的溫水,並且不需額外燃料,且煙氣均由水洗塔水洗處理過濾後才進行排放,此種系統設計有別於傳統,更考慮環保及移動性與熱回收之功能,未來更能符合田區之應用,避免農業剩餘資材搬運集中處理之麻煩。而相關實體設備示範場域,建置於高雄區農業改良場內。此外產出之生物炭及醋液,可進行土壤改良資材、吸附除臭劑、肥料資材、微生物載體、病蟲防除和促進作物生長,均為友善耕作資材,應用於作物生產,將可減少農業化學資材使用量,並加速農業剩餘資材去化。

圖三、數位程控系統具觸控面板方便參數設定圖三、數位程控系統具觸控面板方便參數設定

四、友善資材導入環境精準監控作物生產應用

 class='img_caption'圖四、臺灣黎春作收穫平均單株烘乾果穗調查比較

上述系統產製之生物炭,經由分析設備進行養分及特性測定,了解其pH及電導度等基本性質後,可配合耕地環境精準監控,了解田間土壤性質,並藉由生物炭特性,適度添加於耕地中,可作為改良土壤使用。另依據有機示範田區實際應用為例,首先藉由環境精準監控,了解耕地土壤情況,於臺灣黎定植前土壤肥力測定數值資料,pH為4.5,且土壤中有效性磷含量為42 mg/Kg,此階段分別導入友善資材雜木生物炭300Kg/0.1ha及植株接種溶磷菌等處理,經春作及夏作2個期作生長收穫調查後發現,平均單株臺灣黎烘乾果穗重之表現分別為:A區雜木生物炭+溶磷菌處理>B區溶磷菌處理>C區雜木生物炭處理>D區有機慣行法,且在夏作各處理間均有顯著差異,結果如圖4及圖5所示。由示範田區調查結果顯示,藉由環境精準監控,將友善資材導入作物生產,無論藉由溶磷菌施用或雜木生物炭改良土壤,均能使臺灣藜產能提升,主要生物炭改善土壤pH,並藉由溶磷菌促進磷肥吸收,以提高作物產能。未來在農業剩餘資材炭化過程產出之醋液,亦可藉由環境精準監控導入病蟲害防治,如此將能活化農業剩餘資材開發成為友善農業產品,回歸農田作物生產應用,使循環經濟落實於田間生產應用。

圖五、臺灣黎夏作收穫平均單株烘乾果穗調查比較圖五、臺灣黎夏作收穫平均單株烘乾果穗調查比較

▲研發團隊:農工合作團隊(高雄區農業改良場及工業研究院中分院)

聯絡人:張耀聰、黃盈賓

電話:08-7746767、06-6939333

E-mail:ytc@mail.kdais.gov.twYPHuang@itri.org.tw

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