秸稈生物炭特性、制備方法及應用價值

曾洪珊 楊 禮 張亞琦 羅育才* 向國紅 段仁燕

（1.冷水江市第一中學，湖南 婁底 417500；2.湖南人文科技學院農業與生物技術學院，湖南 婁底 417000）

20世紀末，已經有科學家把生物炭作為概念提出。經過多年的發展和環境的破壞后，生物炭的技術已經受到全世界的矚目。目前，對于生物炭的各項研究正在朝著目標多元化和技術更先進的方向發展。

近些年來，我國經濟高速發展，機械化不斷提高，大量的農作物秸稈被廢棄在農田中。許多農民無法處理這些秸稈，只有將其焚燒。這不僅污染了大氣環境，還浪費了優良的生物炭原料。如何在不造成環境污染的前提下，將秸稈變廢為寶、提高利用率，是當前亟待解決的問題。生物炭作為一種重要的可再生資源，主要以農業廢棄物如秸稈，動物糞便等為原料，在厭氧或缺氧的條件下，經一定的溫度熱解碳化后，可生產出具有較高的碳含量、較大的比表面積，形態穩定的固態物質。除了C，還包括 H、O、N、S 以及少量的微量元素[1]。2020年，秸稈炭基肥利用增效技術更是入選了農業農村部十大引領性技術，極大推進了秸稈炭基肥的市場前景。

本文在簡述生物炭研究進展的基礎上，講述秸稈生物炭的工藝流程和在農業上的應用，就秸稈生物炭的技術及其產業發展中出現的相關問題進行探討，為將來的秸稈生物炭研究和技術開發、產業化發展方向提供參考。

1 秸稈生物炭的概念及特性

秸稈生物炭是將收獲的農作物秸稈在儀器中形成缺氧條件，然后經過熱裂解形成的富碳產物，其內部元素組成超過60%為類石墨結構的C元素[2]；秸稈生物炭還含有的元素主要為H、O、N、S。其中，秸稈生物炭的元素組成與秸稈生物炭的加工溫度密切相關。一般而言，C含量與溫度成正比，H和O含量與溫度成反比。秸稈生物炭很難溶于水，結構中的羥基、羧基、酚羥基及脂肪族鏈狀等特征，使其具有對一些物質高的吸附力和抗氧化力[3]。

一般來說多數生物炭呈堿性，pH在5.9～12.3之間，平均pH為8.9，是改良酸性土壤的最佳選擇[4]。生物炭的比表面積是生物炭質量高低的重要標準。高的比表面積生物炭，具有高的孔隙率，能夠被用作土壤改良劑還田，提高產量、實現碳封存。有研究證實，在制備生物炭時加入適量的CO2，可有效提高生物炭的比表面積[5]。

2 秸稈的主要來源

秸稈資源的分布與自然地理環境、農業生產和經濟條件有著密切的關系，區域差異大。據農業農村部統計，2016年我國秸稈產量達9.84億噸，位居世界第一位，且以每年3%速率增加。當前，我國秸稈資源主要為水稻、玉米、小麥秸稈，這三個作物提供了我國約83.51%的生物炭材料。甘蔗，油菜等其他作物秸稈作為次要來源占比較小。鐘華平等[6]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；隨著農業植結構的調整和種植技術的提高，次要秸稈來源在1980年后產量才急劇增長。有研究報道，在2019年，我國華中、華東和東北這些地區的農作物秸稈產量約4.8億噸，超過全國產量的60%；而西北、西南和華北地區的秸稈資源產量相對較低，約占全國的30%。

3 秸稈生物炭的制備方法

炭化、干餾、氣化多聯產等方法是比較常用方法。此外，科研人員也開發了如水熱炭化、微波熱解、催化熱解、加壓熱解等新技術。由于這些技術成本高，現階段未能實現產業化，快速熱解制備生物油時也會生成一定的生物質炭，但其生物質炭的產率低，還存在油品質量和設備的安全性、連續穩定性及經濟性等問題，也未能形成規?；a業。

生物炭的制備也從以前的炭化法和土窯式燒制，發展成為機械化、隧道式和立式炭化爐[7]。炭化爐的升級不僅減輕了工人的工作量，而且提高了安全性和產出量，為生物炭的發展提供物質基礎。干餾法也是制備生物炭的常用方法，它是在密閉的空間，通過高溫加熱材料，分解生物質的反應過程，生成生物質炭、混合氣體以及經冷凝形成的液體。由于傳熱過程不均勻，反應室溫度存在一定差異，導致干餾法生產的產品性能存在一定差異。常用的干餾法主要有立式干餾和臥式干餾。

4 秸稈生物炭的作用

4.1 吸附重金屬與催化降解有機物

相比碳材料和活性炭等其他材料，秸稈生物炭具有價格低廉和環境附加值高等優勢，讓秸稈生物炭有著較廣闊的應用。例如，氮銅生物炭比單獨含有其中某一元素的生物炭相比有更好催化能力，其中氮銅生物炭對硝基苯酚的去除效率為97%[8]。實驗中300℃條件下，我們如果使用FeCl3預處理后的稻草來制備生物炭材料，我們所獲得的生物炭比表面積為263.2m2·g-1，對 Cu2+的吸附量可達85.0mg·g-1，其吸附性能比700℃條件下制備的秸稈生物炭更有效，但是該條件下制備的稻草生物炭的比表面積為357.8m2·g-1，這一數據比700℃條件制備出的秸稈生物炭要低不少。

4.2 對土壤性質的影響

有研究表明，與沒有添加秸稈生物炭的對照處理相比，土壤的持水能力在加入秸稈生物炭后會提高18%[9]。魏永霞等[10]在東北黑土區通過兩年的田間試驗發現，生物炭最高可以降低8.70%的黑土容重，最高可以增加3.40%的孔隙度，可以顯著改善土壤結構；劉卉等[11]在湖南煙土區天中加入秸稈生物炭，后經過采樣分析，得出土壤容重會降低，田間持水能力會有所加強，秸稈生物炭可促進烤煙植株的生長發育，提高上等煙的產出比例。劉園等[12]在北方潮土上開展了2個完整的小麥玉米輪作田間小區試驗，設置4個不同的秸稈生物炭用量，結果表明施用中高量的秸稈生物炭可以小幅度增加小麥玉米產量。

4.3 對PH的影響

多數生物炭呈堿性，對酸性土壤改良和作物生長有一定的促進作用。李明等[13]在土壤中添加兩種秸稈生物炭后，相比對照而言，秸稈生物炭處理酸性土壤的PH有一定的改善；張祥等[14]研究了紅壤和黃棕壤兩種不同酸性土壤的理化性質，在弱酸性黃棕壤和強酸性紅壤中施用秸稈生物炭都能改善土壤pH，紅壤改良效果優于黃棕壤，最高增加pH0.61，且隨著秸稈生物炭施用量而增加，土壤肥力指標不斷改善。

4.4 對土壤營養成分的影響

劉卉等[15]在灰黃土上通過大田試驗研究了不同生物炭用量的植煙土壤養分含量，認為秸稈生物炭施用量在3750kg/hm2的水平下較為適宜。張晗芝等[16]證實，加入秸稈生物炭后，可一定程度提升種植玉米的土壤全氮、有機碳含量。

4.5 對作物的影響

世界上的作物種類繁多，相同的生物炭在生產條件、原料以及土壤類型、作物種類等方面的差異，生物炭施入土壤后對作物的影響不盡相同。余端等[17]研究了秸稈生物炭對小白菜生長發育的影響，結果表明，添加4%～8%秸稈生物炭能夠促進小白菜的生長發育，添加12%左右的秸稈生物炭會產生抑制作用；張繼旭等[18]通過實驗也得出類似結論，適量（0.2%～1.0%）秸稈生物炭可以促進烤煙的生長發育，較高的秸稈生物炭（5.0%）反而有抑制作用。秸稈生物炭不僅有利于健康農田的作物產量，而且有利于干旱、高鹽度、重金屬等環境脅迫條件下的作物產量形成。當然，秸稈生物炭對農業生產的影響會因作物種類和土壤類型而異。

5 結論與展望

我們常用的方法是通過熱解方式將作物秸稈轉化成秸稈生物炭，不僅保護了環境，而且將秸稈中的C轉化為一種更為高效的物品使用。目前，循環使用應是秸稈生物炭應用的著眼點。在難以進行秸稈還田的地區，示范推廣秸稈生物炭還田技術，符合因地制宜的原則，是科學、合理、可行的做法。用秸稈生物炭來提高耕地質量，消減秸稈焚燒，實現固碳減排和農業可持續發展。秸稈生物炭的制備應該是我國具有發展潛力的產業之一。