中國文化大學土地資源學系 陳怡君副教授
近年來，利用農業廢棄物透過慢速熱解法製備的生物炭作為一種負排放技術（Negative Emission Technologies, NETs）備受關注。生物炭雖然可視為極佳負碳技術解方，但大多數技術開發者對於NETs定義有所誤解，認為製程捕捉CO2技術的提升則可認定NETs。為了避免這樣誤解，開發者可在建立碳捕捉與利用系統(Carbon Capture and Utilization, CCU)時，從生命週期評估(Life Cycle Assessments, LCA)角度來評估該項技術，評估每移除1噸CO2是否具有負值的全球暖化潛勢值(Global Warming Potential, GWP)的潛力(Müller et al., 2020)。從審查175篇不同負碳研究的報告中，顯示生物炭負碳能力是目前國際上所有負碳技術最佳解方，約計可負碳1,173 kg 二氧化碳當量 (Jesani et al., 2022)。因此，政府間氣候變化專責委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)於2019年特別針對農業(Agriculture)、林業(Forestry)、其他用地(Other Land Use)的溫室氣體排放評估準則報告中，提出評估生物炭做為土壤改良劑時的分解速率公式，該報告說明了生物炭添加對土壤有機碳庫的變化須更細緻討論(IPCC, 2019)，報告中也基於2014年Woolf等人146筆審查資料，以及荷蘭應用科學研究組織(Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek, TNO)建立1,276筆的生物質和廢棄物成分資料庫(Phyllis database)中，建議生物炭於土壤中分解速率評析時，必須考量生物炭有機碳含量(Fcp)與100年後不同生產類型之生物炭於土壤殘存比例(Fpermp)兩種係數值 (Woolf et al., 2014; ECN, 2018)。有鑑於此，國際上自願性碳市場主要標準制定機構Verra於2023年公告「生物炭於土壤和非土壤利用應用方法論VM0044」，建議以生命週期評估方法為概念，探討生物炭在原料生產、預處理、熱解與轉換、運輸、及最終應用等階段所產生溫室氣體排放，以確認專案計畫執行是否符合NETs條件，同時亦特別說明生物炭的氫與有機碳摩爾比(H:Corg)小於或等於0.7的條件，這樣生物炭的品質較適合應用於土壤碳固存 (Verra, 2023)。除此之外，Verra於2025年亦再度修正方法論內容，強調評估準則必須遵守聯合國清潔發展機制（Clean Development Mechanism, CDM）來確認運輸與生物炭製備時電力排放所造成碳洩漏;另一方面，生物炭燒製技術成熟度亦明顯影響其產品進入土壤造成腐爛分解速率影響，故必須參考IPCC 2019評估分解速率的方法。此外，為了避免生物炭造成土壤汙染風險疑慮，報告中也特別提及產品必須符合歐洲生物炭認證準則(European Biochar Certificate, EBC)，及通過國際生物炭倡議(International Biochar Initiative, IBI) 所建議產品檢測規則來提出標準化生物炭產品(Verra, 2025)。
由於，生物炭的穩定性與其理化性質和土壤環境密切相關，主要機制係來自於製備優化或化學修飾過程，改變生物炭的酸鹼值及官能基表現，故生物炭除了能夠增強土壤碳固存外，同時亦可減少土壤的溫室氣體（Greenhouse Gases, GHGs）排放。這些機制係因生物炭內部不穩定的成分可能在幾年內分解，但穩定的碳則會在土壤中長期保留，其中穩定的碳多數是由芳香族化合物所構成，其難分解的碳在土壤裡可有數百年至數千年的平均停留時間(Mean Residence Time, MRT)。國際上研究已普遍認為不同的原料所製備的生物炭，採用較低的熱解溫度和適中熱裂解的停留時間，以最大限度地提高生物炭產量且維持最大的碳含量至關重要，所以生物炭的熱裂解溫度、熱解速率和停留時間，對生物炭的最佳化產量都有顯著影響 (Lu and Hanandeh, 2019) 。另一方面，生物炭於土壤中分解速率也取決於土壤性質，例如土壤有機碳含量(Soil organic carbon, SOC)增加、黏土比例增加、及土壤含氧量增加，這些土壤條件皆會造成生物炭分解速率增加(Wu et al., 2016)。國際研究亦顯示生物炭可透過官能基中的酚類或芳香族結構對土壤微生物產生負起動效應，其表面電荷特性可強固且穩定土壤中胺基酸(Amino acids)與葡萄糖(Glucose)，故降低土壤微生物分解這些營養物質，防止微生物礦化土壤有機碳的速率(Enebe et al., 2025)。茭白筍為南投縣主要農產品之一，其種植面積已超過1,500公頃，運用大量茭白筍殼農業廢棄物來製備生物炭作為改善農田土壤性質已是當地政府努力的循環經濟模式，本研究團隊將南投縣埔里鄉回收之茭白筍殼(Water bamboo husk)，以馬弗爐(Muffle furnace)設定於400℃、500℃、600℃製備生物炭後，以田口設計方法(Taguchi method)分析，顯示低溫裂解400℃的生物炭雖然產製的芳香族官能基較低，但該條件相較於高溫的總碳產量保留了較多總碳量(50.9%)且H:Corg=0.64的條件符合Verra準則;另一方面，製備過程電耗較低具備更佳的淨溫室氣體減排潛力，最終評估1公噸乾料生物炭投入，約計有0.4公噸二氧化碳當量碳固存效率，代表茭白筍殼所製備成生物炭在土壤改良的應用已具有負碳技術潛力，但效率仍低於國際上農業廢棄物所製備生物炭的負碳潛力(0.6 tCO2e/ 1t dry feedstock)。此外本研究估算之固碳效率也尚未考量生物炭促進地上物生長所產生固碳量，故研究結果低於其他研究負碳效率(1.8 tCO2e/1t dry feedstock)，但總體而言，生物炭負碳評估研究除了從降低製備與運輸時所需能源消耗面向考量外，也可從新型生物炭製備技術與化學修飾來提高對土壤碳固存效率(Yang et al., 2021)。
參考文獻
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精選圖片來源：https://fae.moa.gov.tw/