秸秆生物炭特性、制备方法及应用价值

曾洪珊 杨 礼 张亚琦 罗育才* 向国红 段仁燕

（1.冷水江市第一中学，湖南 娄底 417500；2.湖南人文科技学院农业与生物技术学院，湖南 娄底 417000）

20世纪末，已经有科学家把生物炭作为概念提出。经过多年的发展和环境的破坏后，生物炭的技术已经受到全世界的瞩目。目前，对于生物炭的各项研究正在朝着目标多元化和技术更先进的方向发展。

近些年来，我国经济高速发展，机械化不断提高，大量的农作物秸秆被废弃在农田中。许多农民无法处理这些秸秆，只有将其焚烧。这不仅污染了大气环境，还浪费了优良的生物炭原料。如何在不造成环境污染的前提下，将秸秆变废为宝、提高利用率，是当前亟待解决的问题。生物炭作为一种重要的可再生资源，主要以农业废弃物如秸秆，动物粪便等为原料，在厌氧或缺氧的条件下，经一定的温度热解碳化后，可生产出具有较高的碳含量、较大的比表面积，形态稳定的固态物质。除了C，还包括 H、O、N、S 以及少量的微量元素[1]。2020年，秸秆炭基肥利用增效技术更是入选了农业农村部十大引领性技术，极大推进了秸秆炭基肥的市场前景。

本文在简述生物炭研究进展的基础上，讲述秸秆生物炭的工艺流程和在农业上的应用，就秸秆生物炭的技术及其产业发展中出现的相关问题进行探讨，为将来的秸秆生物炭研究和技术开发、产业化发展方向提供参考。

1 秸秆生物炭的概念及特性

秸秆生物炭是将收获的农作物秸秆在仪器中形成缺氧条件，然后经过热裂解形成的富碳产物，其内部元素组成超过60%为类石墨结构的C元素[2]；秸秆生物炭还含有的元素主要为H、O、N、S。其中，秸秆生物炭的元素组成与秸秆生物炭的加工温度密切相关。一般而言，C含量与温度成正比，H和O含量与温度成反比。秸秆生物炭很难溶于水，结构中的羟基、羧基、酚羟基及脂肪族链状等特征，使其具有对一些物质高的吸附力和抗氧化力[3]。

一般来说多数生物炭呈碱性，pH在5.9～12.3之间，平均pH为8.9，是改良酸性土壤的最佳选择[4]。生物炭的比表面积是生物炭质量高低的重要标准。高的比表面积生物炭，具有高的孔隙率，能够被用作土壤改良剂还田，提高产量、实现碳封存。有研究证实，在制备生物炭时加入适量的CO2，可有效提高生物炭的比表面积[5]。

2 秸秆的主要来源

秸秆资源的分布与自然地理环境、农业生产和经济条件有着密切的关系，区域差异大。据农业农村部统计，2016年我国秸秆产量达9.84亿吨，位居世界第一位，且以每年3%速率增加。当前，我国秸秆资源主要为水稻、玉米、小麦秸秆，这三个作物提供了我国约83.51%的生物炭材料。甘蔗，油菜等其他作物秸秆作为次要来源占比较小。钟华平等[6]研究表明，我国秸秆资源总量自1949年以来呈线性增长趋势，且以粮食作物秸秆增长为主；随着农业植结构的调整和种植技术的提高，次要秸秆来源在1980年后产量才急剧增长。有研究报道，在2019年，我国华中、华东和东北这些地区的农作物秸秆产量约4.8亿吨，超过全国产量的60%；而西北、西南和华北地区的秸秆资源产量相对较低，约占全国的30%。

3 秸秆生物炭的制备方法

炭化、干馏、气化多联产等方法是比较常用方法。此外，科研人员也开发了如水热炭化、微波热解、催化热解、加压热解等新技术。由于这些技术成本高，现阶段未能实现产业化，快速热解制备生物油时也会生成一定的生物质炭，但其生物质炭的产率低，还存在油品质量和设备的安全性、连续稳定性及经济性等问题，也未能形成规模化产业。

生物炭的制备也从以前的炭化法和土窑式烧制，发展成为机械化、隧道式和立式炭化炉[7]。炭化炉的升级不仅减轻了工人的工作量，而且提高了安全性和产出量，为生物炭的发展提供物质基础。干馏法也是制备生物炭的常用方法，它是在密闭的空间，通过高温加热材料，分解生物质的反应过程，生成生物质炭、混合气体以及经冷凝形成的液体。由于传热过程不均匀，反应室温度存在一定差异，导致干馏法生产的产品性能存在一定差异。常用的干馏法主要有立式干馏和卧式干馏。

4 秸秆生物炭的作用

4.1 吸附重金属与催化降解有机物

相比碳材料和活性炭等其他材料，秸秆生物炭具有价格低廉和环境附加值高等优势，让秸秆生物炭有着较广阔的应用。例如，氮铜生物炭比单独含有其中某一元素的生物炭相比有更好催化能力，其中氮铜生物炭对硝基苯酚的去除效率为97%[8]。实验中300℃条件下，我们如果使用FeCl3预处理后的稻草来制备生物炭材料，我们所获得的生物炭比表面积为263.2m2·g-1，对 Cu2+的吸附量可达85.0mg·g-1，其吸附性能比700℃条件下制备的秸秆生物炭更有效，但是该条件下制备的稻草生物炭的比表面积为357.8m2·g-1，这一数据比700℃条件制备出的秸秆生物炭要低不少。

4.2 对土壤性质的影响

有研究表明，与没有添加秸秆生物炭的对照处理相比，土壤的持水能力在加入秸秆生物炭后会提高18%[9]。魏永霞等[10]在东北黑土区通过两年的田间试验发现，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，可以显著改善土壤结构；刘卉等[11]在湖南烟土区天中加入秸秆生物炭，后经过采样分析，得出土壤容重会降低，田间持水能力会有所加强，秸秆生物炭可促进烤烟植株的生长发育，提高上等烟的产出比例。刘园等[12]在北方潮土上开展了2个完整的小麦玉米轮作田间小区试验，设置4个不同的秸秆生物炭用量，结果表明施用中高量的秸秆生物炭可以小幅度增加小麦玉米产量。

4.3 对PH的影响

多数生物炭呈碱性，对酸性土壤改良和作物生长有一定的促进作用。李明等[13]在土壤中添加两种秸秆生物炭后，相比对照而言，秸秆生物炭处理酸性土壤的PH有一定的改善；张祥等[14]研究了红壤和黄棕壤两种不同酸性土壤的理化性质，在弱酸性黄棕壤和强酸性红壤中施用秸秆生物炭都能改善土壤pH，红壤改良效果优于黄棕壤，最高增加pH0.61，且随着秸秆生物炭施用量而增加，土壤肥力指标不断改善。

4.4 对土壤营养成分的影响

刘卉等[15]在灰黄土上通过大田试验研究了不同生物炭用量的植烟土壤养分含量，认为秸秆生物炭施用量在3750kg/hm2的水平下较为适宜。张晗芝等[16]证实，加入秸秆生物炭后，可一定程度提升种植玉米的土壤全氮、有机碳含量。

4.5 对作物的影响

世界上的作物种类繁多，相同的生物炭在生产条件、原料以及土壤类型、作物种类等方面的差异，生物炭施入土壤后对作物的影响不尽相同。余端等[17]研究了秸秆生物炭对小白菜生长发育的影响，结果表明，添加4%～8%秸秆生物炭能够促进小白菜的生长发育，添加12%左右的秸秆生物炭会产生抑制作用；张继旭等[18]通过实验也得出类似结论，适量（0.2%～1.0%）秸秆生物炭可以促进烤烟的生长发育，较高的秸秆生物炭（5.0%）反而有抑制作用。秸秆生物炭不仅有利于健康农田的作物产量，而且有利于干旱、高盐度、重金属等环境胁迫条件下的作物产量形成。当然，秸秆生物炭对农业生产的影响会因作物种类和土壤类型而异。

5 结论与展望

我们常用的方法是通过热解方式将作物秸秆转化成秸秆生物炭，不仅保护了环境，而且将秸秆中的C转化为一种更为高效的物品使用。目前，循环使用应是秸秆生物炭应用的着眼点。在难以进行秸秆还田的地区，示范推广秸秆生物炭还田技术，符合因地制宜的原则，是科学、合理、可行的做法。用秸秆生物炭来提高耕地质量，消减秸秆焚烧，实现固碳减排和农业可持续发展。秸秆生物炭的制备应该是我国具有发展潜力的产业之一。