序
在《生物炭在環(huán)境治理中的應用：原理、技術(shù)與實踐》撰寫過程中，生物炭一詞即使在專門從事生物能源開發(fā)、廢物管理、場地修復、減緩氣候變化或土壤肥力研究的科學界也鮮為人知。但是，過去5 年，這種情況發(fā)生了變化，生物炭的科學研究顯著增加，同時在零售商店也發(fā)現(xiàn)了第一批商業(yè)生物炭產(chǎn)品。本書不僅介紹了生物炭的特性及其對農(nóng)
業(yè)和環(huán)境影響的最新進展，而且制定了生物炭科學研究和應用的基本準則和框架。
本書是向?qū)W生、研究人員和非專業(yè)人士介紹生物炭的一本入門級書籍，是為所有想要對生物炭有更深了解的讀者提供參考的一本全面的教科書。同時，本書的亮點是提出了生物炭科學前沿的新見解，闡述了生物炭科學研究和應用的新概念，分析了生物炭的知識缺口及未來研究的需求，可為土地使用規(guī)劃人員、業(yè)主、培訓人員、政策制定人員、監(jiān)管機構(gòu)、項目或業(yè)務開發(fā)商提供有用的基本信息。
盡管生物炭具有悠久的歷史，但對于許多人來說生物炭仍是一個相對較新的領域和主題，因此生物炭的利益相關群體對其更有興趣。許多國家成立了區(qū)域性和地方性組織，對生物炭感興趣的科學家、工業(yè)項目開發(fā)商和政策制定人員組成的國際生物炭動議組織（IBI）在國際網(wǎng)絡的支持下促進了人們在生物炭領域的交流和生物炭的可持續(xù)發(fā)展。這些
組織建立了將生物炭商業(yè)化的高級框架，例如，制定生物炭的安全標準，以及在受到社會和經(jīng)濟限制的同時如何可持續(xù)利用生物炭來解決環(huán)境問題。因此，本書有利于嚴謹?shù)目茖W探究，并有希望推動生物炭的可持續(xù)應用發(fā)展。本書展示了生物炭的復雜性，涵蓋了詳細的科學、發(fā)展和政策圖景，可為進一步的研究及其實際應用提供發(fā)展思路。
本書主要分為5 個部分：①生物炭研究、制備與使用的歷史和基礎；②生物炭的基本理化性質(zhì)及分類；③生物炭在環(huán)境中的穩(wěn)定性、變化和遷移；④生物炭對植物生產(chǎn)力和環(huán)境過程的影響，包括土壤生物、養(yǎng)分和碳的遷移轉(zhuǎn)化、溫室氣體排放、土壤水及污染物的動力學研究（如有機污染物、重金屬、除草劑）；⑤施用生物炭之前對其含量、在商業(yè)產(chǎn)品中的使用，以及對更廣泛的生物炭系統(tǒng)、溫室氣體核算、認證、經(jīng)濟和商業(yè)化進行評估。
感謝眾多審稿人花費了大量時間對本書的內(nèi)容給出的專業(yè)意見，這保證了本書的高科學水準。尤其感謝Samuel Abiven、Teri Angst、Elizabeth Baggs、Julia Berazneva、Luke Beesley、Catherine Brewer、Anthony Bridgwater、Sander Bruun、Marta Camps-Arbestain、Chih-Hsin Cheng、Tim Clough、Gerard Cornelissen、Annette Cowie、Andrew Crane-Droesch、Andrew Cross、David Crowley、Thomas DeLuca、Xavier Domene、John Field、Elizabeth Fisher、Yves Gelinas、Brent Gloy、Sarah Hale、Jim Hammond、Christopher Higgins、Philippe Hinsinger、Andreas Hornung、Michael Hedley、Rachel Hestrin、William Hockaday、Joeri Kaal、Claudia Kammann、Markus Kleber、Heike Knicker、David Laird、Jens Leifeld、Isabel Lima、Min Malla、Caroline Masiello、Neil Mattson、Mark Milstein、Joseph Pignatello、Debbie Reed、Cornelia Rumpel、Klaus Schmidt-Rohr、Michael Sesko、Simon Shackley、Joff Silberg、Bhupinder Pal Singh、Dawit Solomon、Magnus Sparrevik、Kurt Spokas、Christoph Steiner、Janice Thies、Wolfgang Wilcke、William Woods、Dongke Zhang、Lukas Van Zwieten 和幾位匿名審稿人。同時，感謝Kelly Hanley 對本書進行了校對，并對幾個章節(jié)的格式進行了修改。
衷心感謝Earthscan Publications Ltd. 的編輯Tim Hardwick，在他的專業(yè)指導下，本書得以順利出版！感謝Rob Brown 和Ashley Wright 將各個章節(jié)整理成型！感謝歐盟的COST 行動計劃（歐洲科技合作計劃）所提供的資金支持。
最后，也是最重要的，感謝家人和朋友耐心理解我們籌備這本書的狂熱心情和深夜寫作的辛苦，感謝他們的全力支持，沒有他們的支持我們不可能完成這本書。
Johannes Lehmann
Stephen Joseph
2014 年5 月

前言
氣候危機日益嚴峻。人類每年向大氣排放430 億噸CO2，比10 年前增加了25%。科學家們已經(jīng)計算出地球的碳收支，并得出結(jié)論：如果人們希望有75% 的可能將全球變暖幅度控制在2℃以內(nèi)，那么在21 世紀上半葉只能排放10000 億噸CO2。然而，由于碳排放量增長速度過快，直至2013 年已經(jīng)達到了上述預算的近40%。按照這個增長速度，到2028 年就會超出預算的排放量。因此，解決氣候危機的時間有限，而這10 余年尤其關鍵。再過16 個月，也就是2015 年12 月，人類將在巴黎面臨一個嚴峻的挑戰(zhàn)制定一項能夠應對氣候危機的全球條約。鑒于之前在哥本哈根的失敗經(jīng)歷，許多人置疑這次會議是否能成功。無論如何，許多科學家都認為，如果制定這項全球條約的時間太晚，就無法避免嚴重的氣候破壞。因為地球正在變暖，且變暖速度與政府間氣候變化專門委員會預測的最快變暖速度一致。然而，隨著各國對能源的需求日益增加，減少化石燃料的燃燒已成為一項極其艱巨的任務。此外，解決氣候危機不能以犧牲糧食或能源安全為代價。因此，21 世紀需要提出能夠立即解決以上幾個主要問題的方案，而且這些方案必須能夠迅速實施，并能在真正意義上產(chǎn)生顯著的影響。
我相信，本書可提供實現(xiàn)未來人類環(huán)境最重要的一項計劃所需的基本知識。生物炭技術(shù)為解決以上問題提供了非常獨特的解決方案，因為它能解決糧食安全問題、能源危機和氣候問題。生物炭既是一個非常古老的概念，也是一個新概念。例如，印第安人使用生物炭后形成了亞馬孫盆地的亞馬孫流域黑土，這些黑土在形成1000 年后仍然比周圍的土地更肥沃。盡管生物炭有很多好處，但現(xiàn)在很少有農(nóng)民考慮利用生物炭改良土地。更糟糕的是，關于氣候變化的政治辯論仍在繼續(xù)，而那些本可以從中受益的行業(yè)在控制氣候變化方面只邁出了微小的第一步。
生物炭技術(shù)的關鍵是制炭，這涉及在無氧條件下加熱有機物質(zhì)。生物炭技術(shù)不是一種單一的技術(shù)，可以通過多種技術(shù)改變生物炭的性質(zhì)，以實現(xiàn)生物炭的特定用途。因此，本書介紹了一系列創(chuàng)新產(chǎn)品和成果，它們種類繁多且有多種有益用途。此外，本書本質(zhì)上是關于生物炭如何做的手冊，因此也對生物炭在生物、技術(shù)、經(jīng)濟、政治和社會方面的
影響進行了專業(yè)分析。在制炭過程中有許多其他重要的產(chǎn)品，包括可用來發(fā)電的合成氣體、柴油的替代品等。因此，本書也介紹了制炭過程中產(chǎn)生的其他副產(chǎn)品。
生物炭最重要的一個方面是它可以大規(guī)模應用。如果將世界上每年產(chǎn)生的所有林業(yè)和農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭并儲存起來，就可以從大氣中去除大約40 億噸CO2，這使得生物炭成為最有效的大氣清潔技術(shù)之一。事實上，生物炭技術(shù)是原始地球挑戰(zhàn)的決賽技術(shù)之一。原始地球挑戰(zhàn)是世界上最富有的獎項，旨在鼓勵開發(fā)每年能夠從大氣中吸收
10 億噸甚至更多碳的技術(shù)的人或團隊。
生物炭技術(shù)應用的最有價值的用途之一是大大提高了農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效率、作物產(chǎn)量，以及減緩了植物吸收的碳返回大氣的速度。因此，生物炭提供了多樣化的清潔能源，使得單位面積土地的糧食產(chǎn)量提高，并有可能實現(xiàn)氣候安全。簡單來說，這就是生物炭革命帶給我們的機遇。本書所描述的生物炭技術(shù)在全球范圍內(nèi)都具有潛在的適用性。我相信，糧食生產(chǎn)和許多其他形式的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)，甚至人類糞便的處理，都將因本書中描寫的生物炭技術(shù)而發(fā)生巨大變化，并且其影響是迅速且顯著的。同時，氣候危機很可能也是推動生物炭技術(shù)發(fā)展的因素，至少在初期是這樣的。
每年大氣中約有8% 的CO2 被植物吸收。如果植物捕獲的一小部分碳能夠被高溫分解并轉(zhuǎn)化為生物炭，人類的前景將會變得光明許多，因為這將為人類社會轉(zhuǎn)型成為低排放經(jīng)濟社會爭取時間。本書對生物炭進行了系統(tǒng)評估，因此，本書將為未來全球可持續(xù)發(fā)展奠定基石。我堅信，本書與Rachel Carson 的《寂靜的春天》一樣重要，在政治上也有可能與Al Gore 的《難以忽視的真相》同等重要。如果本書擁有足夠廣泛的讀者群體，它將永遠改變我們的世界，而且會讓我們的世界變得更好。
Tim Flannery
2014 年8 月

原著者推薦序
In the years since 2015 when Biochar for Environmental Management: Science, Technology
and Implementation was published, research activity continued to deepen, especially in Asia.
Scientific Journals on biochar were founded, protocols for carbon credits were developed for
the voluntary market as well as by IPCC for national greenhouse gas accounting. Industry is
developing products and technology that has started to gain more customers. Yet, adoption is
still in an exploratory phase compared with the global potential that biochar systems could reach.
This book and the suite of experts share fundamental insights into the production and application
of biochar. Key to ensuring that biochar fulfills its goals as a sustainable practice is to recognize
biochar as a systems approach rather than only a product. The authors lay the foundation to such
knowledge and point to ways where fundamental insights must still be improved and where
applied technology is needed. We hope that this translation makes the information accessible to a
broader readership to ensure sustainable biochar practices to be developed.
Johannes Lehmann
Stephen Joseph

譯者序
隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類活動導致的生態(tài)環(huán)境問題日益突出。為積極應對全球氣候變化，十四五期間我國提出了碳達峰、碳中和的雙碳戰(zhàn)略目標。生物炭是一種將生物質(zhì)在高溫厭氧條件下熱解制備的多孔性富碳物質(zhì)，近年來在固碳減排、環(huán)境修復與土壤改良等方面日益受到廣泛關注。生物炭技術(shù)是一種極具應用潛力的碳捕獲、利用
與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，CCUS）技術(shù)，如何發(fā)揮其減污降碳協(xié)同增效的作用、實現(xiàn)全球生態(tài)環(huán)境安全與可持續(xù)發(fā)展已成為當前全世界科學家普遍關注和熱議的焦點問題。2007 年，美國康奈爾大學Johannes Lehmann 教授在Nature 發(fā)表了題為A Handful of Carbon 的評述文章，之后全世界掀起了關于生物炭研究的熱潮，很多國家和地區(qū)都成立了生物炭工程技術(shù)研究中心，同時創(chuàng)辦了專門以生物炭命名的國際期刊Biochar。通過Web of Science 數(shù)據(jù)庫文獻統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，與生物炭研究相關的文獻從2010 年的150 篇增加到2022 年的6000 余篇，充分體現(xiàn)了廣大科研工作者對生物炭研究的關注。
2009 年，時任國際生物炭動議組織（IBI）主席、美國康奈爾大學Johannes Lehmann教授和澳大利亞新南威爾士大學Stephen Joseph 教授一起撰寫了Biochar for Environmental Management: Science and Technology 一書，該書一經(jīng)出版就受到了國內(nèi)外廣大生物炭研究領域相關人員的廣泛關注和一致好評。2015 年，該書進行了第二版出版，書名為Biochar for Environmental Management: Science, Technology and Implementation。該書較全面地從生物炭的起源、制備方法、環(huán)境行為及其在環(huán)境修復與土壤改良方面的應用與實踐等方面進行了闡述和總結(jié)，極大地推動了生物炭研究領域的發(fā)展。受東西方文化差異、專業(yè)詞匯量和專業(yè)背景知識等因素的影響，許多讀者在閱讀原著時可能會存在理解上的偏差或翻譯上的一些困惑，尤其是關于生物炭系統(tǒng)和生物炭的經(jīng)
濟評估等相關章節(jié)的內(nèi)容，如果不具備一定的專業(yè)基礎知識和詞匯量，很難理解和掌握其中所要表達和傳遞的具體含義。基于以上背景，為了進一步拓展和擴大該書的讀者群，讓廣大讀者能更清晰、更深入地理解該書的精髓要義，更熟練地掌握生物炭技術(shù)的原理和方法，筆者下定決心將此書進行翻譯，以期為進入生物炭研究領域的讀者提供一本指導性的中文書籍，進一步拓展和助推生物炭技術(shù)的研究和應用。
在本書翻譯過程中，譯者盡量保留了原著的精髓，充分考慮了中英文語法結(jié)構(gòu)和語言表達的差異，盡量做到淺顯易懂。本書不僅可作為進入生物炭領域的初學者、研究人員和技術(shù)人員的參考書，也可作為高校本科生、研究生的教材，是一本內(nèi)容全面、敘述詳細、通俗易懂的關于生物炭技術(shù)的綜合性書籍和教材。
本書涉及內(nèi)容和章節(jié)較多，信息量較大，翻譯過程歷時兩年多，翻譯組付出了大量寶貴的時間和精力，在此過程中還得到了眾多領域內(nèi)專家學者的大力支持、幫助和指導，在此一并表示衷心的感謝！盡管經(jīng)過了無數(shù)次的修改和校對，但受水平和時間限制，翻譯過程中錯漏之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。
王兵
2023 年8 月