我國農(nóng)作物秸稈分布特征與秸稈炭基肥制備應用研究進展

　　摘要：我國農(nóng)作物秸稈資源量大，種類豐富，分布范圍廣泛，碳含量高，具備良好的資源化潛力。利用秸稈制備的炭基肥作為一種土壤肥力改良與修復材料，因具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、較高的比表面積和陽離子交換量等性質(zhì)，可有效提升土壤肥力質(zhì)量和農(nóng)作物產(chǎn)量，成為當下的研究熱點。本文通過綜述我國秸稈資源分布特征、秸稈炭基肥的主要制備技術(shù)及其在土壤質(zhì)地改良方面的研究進展，指出了炭基肥提升作物產(chǎn)量品質(zhì)的效應，旨在為秸稈炭基肥在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模推廣應用提供參考。

　　關(guān)鍵詞：秸稈;生物炭;炭基肥;土壤;作物

　　隨著集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，以秸稈為代表的農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量激增，全球每年有近40億噸的產(chǎn)量，我國每年秸稈產(chǎn)量可達到9.8億噸，如何高效資源化利用農(nóng)業(yè)廢棄物是當下亟待解決的問題。傳統(tǒng)的秸稈利用以直接還田、焚燒或丟棄為主，不僅利用效率低下，還會造成嚴重的環(huán)境污染。如何在不造成環(huán)境污染的前提下，高效利用秸稈資源成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究熱點。

　　農(nóng)作物論文范例：農(nóng)業(yè)機械在農(nóng)作物種植中的作用探討

　　生物炭作為一種重要的可再生資源，主要以農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、動物糞便等為原料，在厭氧或缺氧的條件下，經(jīng)一定的溫度(700℃)熱解產(chǎn)生的含碳量高、具有較大比表面積，穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)，還包括少量的微量元素[1]，利用生物炭與肥料摻混、包膜定型以及化學反應等方式制備炭基肥，在農(nóng)業(yè)領域已被廣泛研究[2]。因此，以秸稈為原料制備高品質(zhì)生物炭控釋材料，與肥料混合生產(chǎn)生物炭基肥料，成為利用秸稈資源和替代傳統(tǒng)化肥的主要途徑之一，這不僅有利于農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效，還能減少農(nóng)田面源污染風險[3]。

　　2017年月28日，國家農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《關(guān)于推介發(fā)布秸稈農(nóng)用十大模式的通知》(農(nóng)辦科[2017]24號文件)，提倡將“秸稈炭化還田、土壤改良技術(shù)”作為重點秸稈農(nóng)用模式推廣。2020年，秸稈炭基肥利用增效技術(shù)更是入選了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部十大引領性技術(shù)，極大推進了秸稈炭基肥的市場前景。本文以秸稈炭化制肥為出發(fā)點，對我國農(nóng)業(yè)秸稈的分布特征、生物炭與炭基肥制備技術(shù)及相關(guān)土壤應用研究進行了闡述，為秸稈的高效資源化利用及炭基肥的制備提供借鑒。

　　1.我國秸稈的組成結(jié)構(gòu)和分布特征

　　據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計，2016年我國秸稈產(chǎn)量達9.84億噸，位居世界第一位，且以每年3%速率增加[4,5]。當前我國秸稈資源主要為水稻、玉米、小麥秸稈，三大作物秸稈量約占總量的83.51%，油菜、甘蔗等其他作物秸稈作為次要來源占比較小[6]。鐘華平等[7]研究表明，我國秸稈資源總量自1949年以來呈線性增長趨勢，且以糧食作物秸稈增長為主;隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和種植技術(shù)的提高，次要秸稈來源在1980年后產(chǎn)量才急劇增長。

　　本文以《2020年中國統(tǒng)計年鑒》中主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量為基礎[8]，采用草谷比法[9]，測算了我國015至2019年間農(nóng)作物秸稈資源組成分布，結(jié)果表明，這年間玉米秸稈的年均產(chǎn)量位居第一位，達3.1億噸，占測算總量的39.73%;水稻秸稈產(chǎn)量次之，為1.9億噸，占比約24.14%;小麥秸稈年均產(chǎn)量也達到了1.4億噸，占比達18.55%;而其他作物秸稈相較于這類有較大差距，僅豆類、甘蔗、油菜秸稈年均產(chǎn)量超過了2000萬噸，僅占總量的10.73%;棉花、薯類和花生等作物秸稈的年均產(chǎn)量超過了1300萬噸;而煙草、甜菜等作物的秸稈年產(chǎn)量均不足1000萬噸。從秸稈元素組成上來看，各類秸稈的、元素含量均在32%以上，含量普遍較低。各類秸稈相比，水稻秸稈灰分含量最高，小麥秸稈有著較高的固定碳含量，小麥和甘蔗秸稈木質(zhì)素含量較高，甘蔗和玉米秸稈則有著較高的揮發(fā)分含量。

　　秸稈資源的分布與自然地理環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟條件有著密切的關(guān)系，區(qū)域差異大。我國秸稈資源主要集中在東北、華東和華中地區(qū)，2019年個地區(qū)的秸稈產(chǎn)量為4.82億噸，約占全國秸稈總產(chǎn)量的60.7%，華北、西北、西南地區(qū)秸稈資源相對較少，分別占總產(chǎn)量的13.06%、8.45%、11.01%。

　　從省域尺度來看，2019年各省中黑龍江省產(chǎn)量最大，達到了8650萬噸，河南和山東的秸稈產(chǎn)量均超過6000萬噸，省秸稈產(chǎn)量約占全國秸稈總量的29.11%;吉林、內(nèi)蒙古、河北、安徽、四川、江蘇等10個省份的秸稈資源也很豐富，產(chǎn)量均超過了3000萬噸，約占該年度全國總量的48.65%;秸稈年產(chǎn)量超過1000萬噸的省份還有遼寧、云南和江西等個省市，其秸稈資源總和占全國總量的19.50%;此外，有個省市自治區(qū)在該年的秸稈產(chǎn)量不足1000萬噸，其中上海、西藏、北京等地區(qū)不足100萬噸，僅占全國總量的0.20%。

　　根據(jù)我國秸稈的組成結(jié)構(gòu)和分布特征，針對生物炭基肥的開發(fā)利用提出了以下建議措施：1)玉米、小麥和水稻秸稈，因其具有高的碳含量和一定的木質(zhì)素含量，養(yǎng)分含量較低特點，適合于開發(fā)生物炭吸附控釋材料和土壤修復改良材料;2)針對東北、河南、山東等高秸稈產(chǎn)量的平原地區(qū)，建議建立規(guī)�；�生產(chǎn)的炭基肥設施及相關(guān)企業(yè)[12]，并給予相關(guān)的政策補貼，大力發(fā)展基于秸稈炭基肥還田的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式;3)針對秸稈產(chǎn)量達到一定規(guī)模、但地形條件相對復雜且秸稈不易搜集和運輸?shù)牡貐^(qū)，鼓勵相關(guān)村鎮(zhèn)開發(fā)小型的移動式炭化設備，實現(xiàn)生物炭基肥的現(xiàn)場制備及還田利用。

　　2.秸稈炭基肥的制備技術(shù)

　　2.1秸稈生物炭制備技術(shù)

　　利用秸稈制備生物炭目前已有大量的研究，生物炭的理化性質(zhì)因秸稈種類的不同存在差異性，相同制備條件下，水稻秸稈生物炭有著更高碳、氮含量及更大比表面積和孔隙容積，對養(yǎng)分有著較強的吸附能力;玉米秸稈炭孔隙分布更為密集，層理結(jié)構(gòu)更為明顯22;甘蔗、玉米秸稈炭灰分含量低;小麥、豆類秸稈炭具有較高的碳氮比。生物炭特性除了受到原料種類的影響，熱解條件也起到了決定性作用。目前比較常見制備方式有慢速熱解、快速熱解、熱解氣化、水熱炭化等。

　　慢速熱解是相關(guān)文獻中生物炭制備應用最廣的技術(shù)，其加熱速率較慢，一般為20~100℃·min，反應溫度約為300~800℃，制備的生物炭比表面積和碳含量較高，隨著熱解溫度的升高，pH、比表面積和芳香化程度逐漸增加，產(chǎn)率逐漸下降，孔隙結(jié)構(gòu)更加完善[2;快速熱解有著更高加熱速率，約為100~1000℃·s，其生物炭芳香化程度、含水量和密度更高，產(chǎn)率和pH偏低30;熱解氣化是在高溫和限氧條件下，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成一氧化碳和氫氣，其生物炭產(chǎn)率相對較低，但具有較大的比表面積;水熱炭化以水蒸汽和生物質(zhì)反應制備生物炭，需要較低的反應溫度和較長的停留時間，水熱炭具有較高的產(chǎn)率和更為豐富的含氧、含氮官能團2325;閃蒸炭化加熱速率極高，可將熱解蒸汽迅速冷卻得到液體產(chǎn)物[231。

　　對生物炭進行改性處理可使其理化性質(zhì)得到改善。姚春雪[32]使用磷酸活化小麥秸稈制備生物炭，發(fā)現(xiàn)磷酸改性提高了秸稈生物炭比表面積及表面官能團、有效養(yǎng)分含量和陽離子交換量。Li等[33]發(fā)現(xiàn)使用20%的Mg處理的磁性生物炭，可增加表面Mg–和Fe–基團的含量，使其對水溶液中磷酸鹽的吸附量達99.5%，高于未改性的生物炭。

　　2.2秸稈炭基肥制備技術(shù)

　　當前研究中，秸稈炭基肥的制備方法主要有摻混法、吸附法、化學反應法、混合造粒法和包膜法。摻混法直接將生物炭與化肥快速混合，生產(chǎn)效率最高[34]。生物炭與肥料的配比是影響其應用效果及場景的主要因素，炭基肥在促進玉米植株生長和提高土壤性狀方面效果最優(yōu);肥炭比為∶時，對土壤氮循環(huán)微生物功能群落正效應最佳[35,36]。吸附法是將生物炭在一定濃度的肥料溶液中浸泡制備得到秸稈炭基肥，又稱為固–液吸附型炭基肥。

　　表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮素能夠進入生物炭的孔隙中，并有效延緩肥料在靜態(tài)水和土壤溶液淋溶條件下養(yǎng)分的釋放[37,38]。化學反應法與吸附法類似，將生物炭和肥料在反應釜中混合，通過加熱、攪拌等方式使其充分反應制備生物炭基肥，具體生產(chǎn)方式與選用肥料種類有關(guān)。張雯在反應釜中添加一定比例的硝酸、氨水和生物炭，通過攪拌反應并調(diào)節(jié)pH值至中性得到產(chǎn)物，干燥后得到反應型炭基肥。

　　ElSharkawi等39則使用氨氣與生物炭進行反應制備炭基肥。研究結(jié)果表明，反應型炭基肥對提高養(yǎng)分利用率、增加小麥和玉米等作物產(chǎn)量方面的效果均要優(yōu)于摻混型和吸附型，而吸附型炭基肥比摻混型的施用效果要更顯著[2,4043]。上述方法制備的炭基肥多為粉狀顆粒等未成型的形式，這對炭基肥的運輸、貯存、施用等產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面造成諸多不便。混合造粒法將生物炭和一種或多種肥料粉碎成粒度均勻的粉末顆粒，然后通過各類機械成型方式進行造粒，是當前主要的炭基肥生產(chǎn)方法，具體可分為團聚造粒成型和擠壓柱狀成型兩種方式[44]。

　　團聚造粒是將粉狀顆粒在液橋的作用下積聚成小顆粒，而后通過設備轉(zhuǎn)動使黏聚的小顆粒在重力作用下成型;擠壓柱狀成型則是在機械外力作用下，將粉狀的炭基肥直接擠壓成型，其產(chǎn)品有著更高的機械強度、生產(chǎn)效率和緩釋性能[45]。不同的原料配比對造粒的機械強度也有著一定的影響，馬歡歡等[46]研究發(fā)現(xiàn)，使用70%的基礎肥料、16.6%的秸稈生物炭、13%的水制備擠壓柱狀炭基肥時，常溫下不需要粘接劑即可達到國家標準。包膜法是以細粉顆粒生物炭為膜層，對速效性顆粒肥料進行包裹，制備得到炭基肥，施用后可逐漸釋放養(yǎng)分供給作物，能夠有效減少肥料養(yǎng)分在土壤中分解、揮發(fā)、沖蝕，提高養(yǎng)分利用率[47]。

　　但使用生物炭進行包膜的炭基肥多為細粉狀顆粒，難以運輸，使用其他包膜材料及粘接劑劑對炭基肥進行成型處理，可提高其機械強度。苑曉辰等[48]以乙基纖維素為成膜材料，戊二醛為交聯(lián)劑，鄰苯二甲酸二乙酯作為增塑劑，吐溫80為乳化劑，采用溶液共混法制備出的炭基肥包膜材料，經(jīng)測試其機械強度、滲透率、吸水率等特性均滿足作為炭基肥包膜的需求。在包膜成型和混合造粒成型技術(shù)中，粘接劑起到了非常重要的作用，在生物炭和肥料的基礎上添加粘接劑能大幅提高炭基肥的成型率和農(nóng)用效果，成型效果主要與粘接劑的類型有關(guān)。

　　當前的粘接劑主要有木質(zhì)素、羧甲基纖維素鈉、淀粉等。木質(zhì)素儲量大，無毒，可降解再生，是良好的炭基肥粘接劑[49];羧甲基纖維素鈉由天然纖維素或淀粉經(jīng)化學改性而成，使用時需添加酸、堿、醇的方式增加其粘接性能，其實際粘結(jié)效果最優(yōu)[50];淀粉粘接劑由小麥、玉米和薯類淀粉通過煮漿和沖漿的方式制備，其原料來源廣泛，價格低廉且無污染，但存在易凝膠、初始粘接力不強、干燥后變脆等問題，使用時需要添加無機填料、酸或加熱來增加其粘接性能。隨著對秸稈炭基肥研究的深入，大量的新型炭基肥制備技術(shù)開始涌現(xiàn)。

　　廖上強等[51]采用熔融高壓混合法，使熔融尿素在一定壓力下進入生物炭孔隙中，使氮肥利用率提高了9.97%，效果優(yōu)于摻混型和包膜型。Chen等[52]在原料中添加聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)炭基肥具有較少的親水羥基，對養(yǎng)分的包裹更緊密。An等[53]利用微波熱解技術(shù)，將棉花秸稈、肥料和膨潤土的混合物共同熱解制備炭基肥，其生產(chǎn)效率和孔隙結(jié)構(gòu)均有較大改善。

　　DeAmaralLeite等[54]在共同熱解制備炭基肥的基礎上接種促進磷礦溶解的菌株，通過為菌株提供孔隙結(jié)構(gòu)，保護其免受土壤中捕食者的侵害，從而增加土壤中解磷細菌豐度，提高土壤速效磷含量。Wen等[42]利用微波輻射將高分子機制引入到秸稈炭基肥中，發(fā)現(xiàn)當炭基肥施用量為1%和2%時，土壤持水量分別增加了19.3%和31.56%。Baki等[55]則通過將生物炭、過硫酸銨、亞甲基雙丙烯酰胺、氯化鈣與丙烯酸和丙烯酰胺接枝共聚，合成一種新型水凝膠炭基肥來增加土壤的持水保水性能。

　　以上研究表明，生物炭基肥的性能及應用場景主要受到秸稈生物炭和炭基肥制備技術(shù)影響：1)在原料選擇上，我國秸稈來源主要是玉米、小麥和水稻秸稈，其生物炭具有較高碳氮比、孔隙度和比表面積，養(yǎng)分固持能力強，為炭基肥制備提供了優(yōu)良的生物炭來源。2)在生物炭制備方面，制備方法的差異對生物炭的產(chǎn)率、養(yǎng)分含量及比表面積影響巨大，為提升生物炭的控釋性能往往需要提升生物炭的比表面積或者關(guān)鍵官能團的相對豐度。

　　總體而言，由于熱解溫度較高，熱解和氣化技術(shù)制備出來的生物炭孔隙度較為發(fā)達且具有很好的物理控釋性能，但存在產(chǎn)率低和能耗高的技術(shù)瓶頸[31];而水熱炭化技術(shù)制備的生物炭養(yǎng)分含量較高且具有豐富的化學官能團，且能耗相對較低，但存在生物炭孔隙度不夠發(fā)達、有大量廢液需要處理的問題。因此為追求高品質(zhì)的生物炭產(chǎn)品，單純的以生物炭為生產(chǎn)目標可能會存在資源浪費及生產(chǎn)成本過高的問題;開展炭氣或炭油聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可以在追求高品質(zhì)生物炭材料的同時，高效利用秸稈資源、節(jié)省企業(yè)的運行成本。

　　1)在生物炭基肥技術(shù)方面，傳統(tǒng)的摻混、吸附、包膜、反應法制備技術(shù)都已經(jīng)相對成熟，控釋性能基本與生產(chǎn)成本成正比，市場上主要的生物炭基肥料也以摻混和包膜型炭基肥為主，但目前的炭基肥往往還是以養(yǎng)分的控釋為主要目的，并沒有很好的發(fā)揮生物炭的功能性特征，如污染物固持、改善土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤pH等功能，因此，利用高品質(zhì)生物炭作為控釋材料的同時，可以考慮我國農(nóng)田土壤的特征及狀況，開發(fā)高品質(zhì)且具備土壤改良或者修復功能的生物炭基肥，可能是未來的發(fā)展趨勢。2)傳統(tǒng)的控釋肥生產(chǎn)技術(shù)的提升空間相對有限;而控釋效果更好的吸附、反應型炭基肥因運輸生產(chǎn)等問題未得到廣泛應用，應加強新型炭基肥在技術(shù)上的突破，減少成本的同時保證性能，確保炭基肥制備條件和秸稈種類與實際使用相適應。

　　3.秸稈炭基肥土壤應用進展

　　目前，關(guān)于秸稈炭基肥的研究在我國已十分廣泛，除針對制備成型方法進行改良外，其土壤應用也逐漸成為研究熱點。炭基肥在土壤中的作用主要為以下三類：1)土壤修復、2)土壤改良及肥力提升、3)提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)。研究表明，生物炭基肥利用其優(yōu)良的理化性質(zhì)不僅可以顯著提升土壤質(zhì)地和肥力，增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)，同時還能有效地對污染物進行固持，起到修復改良的作用。

　　3.1土壤污染修復應用研究

　　目前我國農(nóng)田重金屬主要來源于礦業(yè)開采、工業(yè)固廢及污水排放，重金屬在土壤中的富集對作物及人體健康構(gòu)成重大威脅。生物炭豐富的孔隙和大的比表面積使其具備對土壤重金屬的修復能力[56]。Chen等[57]在500℃下制備的水稻秸稈生物炭對Cd2+的最大吸附量可達到4.2477mg·g,而由其制備的炭基肥對Cd2+的吸附量提高了48.98%(5.9702mg·g)，大量的表面含氧官能團和高離子交換量起到了主要作用。我國重金屬污染主要集中在華中和華東等糧食主產(chǎn)區(qū)，水熱炭化制備的炭基肥富有含氧官能團，更有利于土壤修復，而對于西南、華南等地Cd、Pb污染密集的酸性紅壤，高溫熱解的水稻秸稈炭基肥因其較高的pH，可促進Cu(II)、Cd(II)和Pb(II)沉淀物的形成，有效降低其在土壤中的含量[58,59]。

　　4.總結(jié)與展望

　　通過對我國秸稈產(chǎn)量及組成特征的分析表明，以秸稈制備的炭基肥，可根據(jù)作物類型和土壤條件針對性選擇秸稈種類及制備方法進行土壤修復改良，提升作物對有效養(yǎng)分的吸收利用，達到增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目的，具備了非常好的市場應用前景及價值。然而，我國秸稈種類和區(qū)域間產(chǎn)量存在較大差異，增加了規(guī)�；�利用秸稈資源的難度;現(xiàn)有秸稈生物炭和炭基肥制備難以保證性能和生產(chǎn)應用之間的平衡，新型炭基肥技術(shù)尚不成熟;各區(qū)域?qū)嶋H土壤狀況對炭基肥功能性要求的差異尚未解決，為使秸稈炭基肥今后更好地研究應用，應進一步加強以下幾個方向的研究。

　　(1)根據(jù)我國秸稈資源的分布特征，形成不同區(qū)域秸稈資源化及生物炭制備技術(shù)指南及政策支持，形成相匹配的秸稈炭及其炭基肥產(chǎn)業(yè)，為秸稈炭基肥產(chǎn)業(yè)及循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供針對性的助力。(2)生產(chǎn)高品質(zhì)的生物炭往往資源化利用效率較低，應大力發(fā)展秸稈炭氣聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，在生產(chǎn)高品質(zhì)生物炭及相關(guān)肥料的同時，制備和生產(chǎn)高品質(zhì)燃氣，可以有效提升秸稈資源的利用效率，提升企業(yè)的經(jīng)濟效益并促進行業(yè)的發(fā)展。(3)加大對新型炭基肥技術(shù)的研發(fā)力度，突破傳統(tǒng)制備技術(shù)瓶頸，在提升炭基肥控釋性能的基礎上，應針對不同區(qū)域土壤現(xiàn)狀及需求，開發(fā)功能型生物炭基肥料，如提升生物炭基肥的土壤修復和改良的功能。

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　　作者：鐘磊，栗高源，陳冠益1,2,3*，王一喆，陳紅云，武文竹，李金磊，宋英今，顏蓓蓓

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