木醋液的制备及其在农业方面的应用研究进展

卢胜男 ，周 岭 ，王龙杰 ，刘 龙 ，张红美

（1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区教育厅普通高校现代农业工程重点实验室 塔里木大学，新疆 阿拉尔 843300）

农林残余物主要是指农业生产过程中形成的作物秸秆、树木残枝、叶片和果皮壳等[1]。我国农林残余物资源丰富，每年产出量可达20亿t[2]。农林残余物料中含有半纤维素、纤维素、木质素等成分，是制备木醋液的有机生物质原料[3]。所以，对木醋液的研究，可为促进资源的高效利用，实现碳中和目标作出一定贡献。

木醋液是将生物质原料高温加热后，木质素、纤维素、半纤维素热解产生的混合物[4]；木醋液成分复杂，主要含有酸类、酚类、醇类、醛类等有机化合物[5]。目前，主要是针对热解温度、原料、精制方法的不同，对制备的木醋液进行成分分析并对其应用效果进行研究。笔者对木醋液的制备及其在农业方面应用的研究现状进行综合阐述，旨在为木醋液的制备、研究、应用提供理论支持和技术指导。

1 木醋液的制备

木醋液的制备过程中，热解温度、原料和制备方法均会对木醋液的产率、组分含量、组分种类产生影响[6-7]。根据热解温度和升温速率的不同，可分为慢速、快速、闪速等裂解形式，不同条件下制备的木醋液组分不同、产率也不同[8]。

1.1 热解温度对木醋液产率的影响

热解温度是影响木醋液产率的最重要因素[9]。李梦媛[10]在终温分别为 450、570、690、750 ℃的条件下，对4种桦木制备木醋液的成分和产率进行研究，结果表明，一定条件下，木醋液的产率和热解温度呈正相关，在终温690 ℃下4种原料制备木醋液的产率均为最大。吴巧美等[11]的试验也得出相同的结论，同时提出随热解温度升高木醋液在精制过程中产率呈先升高再降低。这表明在制备木醋液过程中，当热解温度过高时，制备的粗制木醋液中杂质含量增多。表1中以榴莲木材、苹果枝为原料热解制备木醋液，在一定条件下木醋液的产率随温度升高而增加，但当热解温度增加到600 ℃时，苹果枝制备木醋液的产率降低。同样，在侯晓梅[12]的研究中提到，高温热解杜仲枝，木醋液的产量随温度升高呈先增加再降低的趋势，这可能是因为低温产生的物质在高温条件下发生了二次裂解导致的。所以，在高温热解制备木醋液的过程中，选取合适的温度，避免造成二次裂解和降低焦油等杂质的产生，对提高木醋液产率和有效成分十分重要。

表1 热解温度对木醋液产率的影响Tab.1 Effect of pyrolysis temperature on the yield of wood vinegar

1.2 热解温度对木醋液组分的影响

生物质原料主要由半纤维素、纤维素、木质素组成，各组分热解温度、热解产物不同[11]。因此，在热解制备木醋液的过程中，热解温度变化，木醋液的成分组成有一定的区别。表2列出了不同制备原料在不同热解温度下，各成分占比和成分种类的变化，结果表明，木本植物作为原料在690 ℃以下热解，随温度的升高所制备木醋液的成分组成种类越多。但温度超过690 ℃时，高温导致产生的物质二次裂解，木醋液的成分组成种类减少；而棉秆在一定条件下热解，随温度升高产率增加，成分种类呈先增加后减少的趋势。郭根茂等[15]研究结果表明，在木醋液制备过程中，低于350 ℃时酸类物质相对含量较多，高于350 ℃时酚类物质增加。

表2 热解温度对木醋液组分的影响Tab.2 Effect of pyrolysis temperature on components of wood vinegar

续表2 热解温度对木醋液组分的影响Tab.2（Continued） Effect of pyrolysis temperature on components of wood vinegar

众多学者研究表明，低温阶段半纤维素、纤维素热解，高温阶段木质素热解，这是随温度变化木醋液成分发生变化的主要原因；同时，木醋液制备过程中随温度升高会导致已经生成的成分产生二次裂解[18]。所以，在木醋液的制备过程中，研究生物质原料的热解机制，针对不同原料选取合适热解温度，可以提高生物质热解速率、降低热解成本，减少成分的二次裂解；同时根据使用需求选取合适热解温度，可增加成分种类，制备提高某类产物的木醋液。

1.3 原料对木醋液组分的影响

热解受原料特性等因素影响[19]，不同生物质原料木质素、半纤维素、纤维素的含量和组成结构不同[20]，导致制备的木醋液成分存在一定差别[17]，使得不同原料制备的木醋液用途不同。通过查阅资料，绘制了木醋液成分—用途对照表表3。

表3 木醋液成分—用途对照Tab.3 Comparison of components and uses of wood vinegar

由表3可知，多数酸类物质都具有抑菌的作用，且可应用于生产农药；酯类物质多用做香精、添加剂。结果表明，2-丙酮、2-丁酮、环戊酮、2，5-己二酮具有杀菌、驱虫、生产农药的作用；乙醛、糠醛、香草醛具有抑菌、杀菌的作用可应用于生产农药；香草醛还具有促进作物生长的作用。

通过整理分析周岭等[21]研究的棉秆、杂木木醋液，以及笔者测定的烟草木醋液、木醋液1（通过购买得到的木醋液称为木醋液1）的成分，绘制不同原料制备木醋液有效成分表（表4）、木醋液成分对比图（图1）和木醋液成分种类对比图（图2）。从图1、2可以看出，不同原料制备的木醋液成分组成及含量都有一定区别。由表4和图1可知，棉秆木醋液中酸类、酮类、酚类物质含量都很高，其乙酸具有调节土壤pH值、促进微生物生长的作用，所含的其他酸类、醇类、酚类等物质具有杀虫、除草作为农药使用的功效。杂木木醋液中乙酸含量最高，根据乙酸的作用，可以研究其对土壤对微生物生长、酶的活性以及养分变化的作用。烟草木醋液中含有90.13%的尼古丁，主要有杀虫的作用。木醋液1中酚类物质含量较高，可作为杀菌剂、农药使用。

图1 木醋液成分对比分析Fig.1 Comparison analysis of components of wood vinegar

图2 木醋液成分种类对比分析Fig.2 Comparison analysis of wood vinegar component types

表4 不同原料制备木醋液有效成分Tab.4 Effective components of wood vinegar prepared from different raw materials %

因此，在研究木醋液的过程中，通过对木醋液成分的分析，可以初步确定木醋液的作用方向，为研究木醋液提供参考依据。

1.4 精制方法对木醋液组分的影响

木醋液制备过程中有焦油等有害物质产生，需精制后投入使用[22]。在木醋液的制备过程中主要通过静置、蒸馏、活性炭吸附和萃取等方法来精制，木醋液的精制对提高木醋液的应用效果十分重要，不同用途选择不同的精制方法[23]；萃取是木醋液成分精制和富集的有效方法。卢辛成等[24]对乙酸乙酯、氯仿、乙醚萃取杉木木醋液成分进行对比发现，3种萃取剂对酚类物质富集作用明显，但对酸类、醇类、酯类富集效果较差，且明显低于粗制木醋液。高俊丽[25]研究表明，以4 000 r/min速度、用NaCl溶液离心5 min，以乙酸乙酯为萃取剂，在试验过程中对降低焦油、苯酚及提高酚类物质的萃取率效果最佳。根据文献[22]绘制了精制方法—木醋液成分对照表表5。由表5可知，将粗制木醋液进行静置和活性炭吸附处理，然后选用溶剂萃取和旋转蒸发的方法精制木醋液，木醋液组分和组分种类都较高。

表5 精制方法—木醋液成分对照Tab.5 Comparison of refining methods and wood vinegar components

目前常用的精制方法都有一定的缺点，静置法操作简单、成本低，但制备周期长，液体损耗大[26]；蒸馏法、吸附法木醋液成分损失较大；萃取法富集效果单一；因此，为保证木醋液有效组分及含量，需联合使用不同萃取方法，或者探寻其他新的萃取方法。

2 木醋液在农业方面的应用

2.1 木醋液对改良土壤的作用

一定条件下，喷施或滴灌木醋液于土壤中，可有效钝化土壤中重金属的活性、调节pH值、降低盐分，增加小分子团粒数量和养分含量，改善土壤结构，提高酶的活性。

土壤中高浓度的铅污染严重影响作物的生长潜力，损伤植物细胞，造成植株死亡。食用重金属含量超标的农作物，也会影响人类身体健康[27]。徐熙[27]研究发现，以柞树为原料制备的5%的生物质炭与0.2%的木醋液配施对土壤中铅含量的钝化效果最佳。常青等[28]在土壤中施加木醋液对土壤pH值和EC值影响的研究中发现，稀释10倍以下的木醋液对土壤的pH值和EC值有改良效果，不稀释的木醋液处理效果最佳，但施加稀释300倍的木醋液时，与清水处理效果无异。潘玉蕊等[29]通过烟秆和竹子2种不同原料制备木醋液，研究木醋液对土壤理化性质影响，结果表明，2种木醋液均能增加土壤中的养分含量。土壤酶是生态系统中重要的组成部分，木醋液施加土壤后，能够促进土壤中淀粉酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶等酶的活性[30]，同时提高了土壤对氮的转化。微生物对土壤中的有机物分解、维持生态系统的可持续性、肥力的演变和发育都有重要的作用[31]。张传进等[32]探究木醋液对土壤生物学性状和细菌群落影响的试验中发现，施加的木醋液稀释600倍时，土壤中微生物数量以及土壤的其他理化性质都有显著提高，但稀释900倍时，对土壤改良效果不显著。

以木醋液培养土壤，常青等[28]、张传进等[32]都提到低浓度木醋液对土壤改良效果不佳，但在改良土壤过程中，需考虑高浓度木醋液是否会对作物产生毒害，所以，在木醋液改良土壤过程中要结合作物生长情况合理选用稀释倍数。另外，木醋液改良土壤可以促进微生物的生长，使土壤中酶活性增加，从而提升土壤中的养分含量，提高土壤肥力，但要注意土壤中氮元素的供给，同时避免土壤中微生物过量，与作物产生争氮的现象[31]。

2.2 木醋液对促进作物生长的作用

木醋液成分复杂，根据使用剂量的不同，对作物生长具有促进或毒害的作用[33]。一定条件下，在作物生长过程中使用木醋液具有提高作物叶绿素含量、抗氧化酶活性、养分吸收率[34]，降低重金属含量[35]，提高作物抗旱性、抗寒性、受胁迫性[36]，促进种子萌发、提高种子繁育质量[37]，促进作物生长、提升品质的作用[38]。李艳宁[39]以冲施方式将木醋液施用在黄瓜地，在75 kg/（hm2·次）以下范围内，木醋液的施用浓度与黄瓜产量成正比。李丹洋等[40]研究表明，木醋液对玉米成熟期的株高、根长均有促进作用。在木醋液的使用过程中，不同施入方式和不同施入量对作物生长的促进效果不同[41]。木醋液在烤烟生长过程中，灌施比叶面喷施效果更好，每株灌施9 g对作物生长促进作用最佳[42]。木醋液不仅能促进作物生长，还可以提高作物的品质。薛彤昕等[43]通过对木醋液作用于水培油菜进行研究，发现在提高作物产量的同时可以提高维生素C量。

在一些研究中，木醋液在和其他肥料耦合使用时，对作物的生长和品质提升同样具有促进作用。徐熙[27]的研究表明，木醋液和生物炭搭配使用，可有效降低小白菜对土壤中铅的吸收，提高叶片叶绿素含量，促进作物生长，使植株的干鲜质量都有一定的增加。王正等[44]将2%木醋液和2%生物炭配施在油葵中，对作物生长促进作用显著，提高作物产量，且作用效果最佳。覃青青等[45]在施加木醋液、草木灰、菇渣对烤烟生长的影响研究中发现，单独施用和配施均能提高烤烟的农艺性状，但木醋液配施草木灰或菇渣促进效果更佳。

综上可知，因制备木醋液的过程中会产生焦油等有害物质，所以，在促进作物生长过程中有双向作用，应选取合适浓度，以达到木醋液的最佳使用效果。并且因木醋液成分有限，在使用过程中搭配其他肥料使用，可能存在更佳的作用效果。

2.3 木醋液对防控病虫草害的作用

木醋液中含量较高的物质为酸类物质和酚类物质，酸类物质具有抑菌的作用，酚类物质具有抑菌和抗氧化的作用，在作物生长过程中，可以作为抑菌剂、除草剂、杀虫剂使用。韩建玮[46]通过木醋液对苹果再植病的研究表明，木醋液可以通过抑制真菌达到防治病害的最好效果，稀释100倍和200倍的木醋液在试验处理后期防治效果较好，但当木醋液稀释400倍时，作用效果不显著。AGUIRRE等[47]研究表明，木醋液作为除草剂时，喷施比灌施效果更好。木醋液中的有机酸具有除草功效，但不同原料制备的木醋液，在相同有机酸浓度下除草效果不同。孙付超等[48]通过对竹醋、木醋、秸秆醋除草效果的研究，发现都具有较好的除草效果，但相同浓度有机酸，竹醋除草效果更好，表明竹醋液中存在使有机酸增效的物质。木醋液具有杀虫的作用，不同浓度的木醋液对杀虫的效果也不相同[49]。谢映[50]研究表明，木醋液浓度越高，其对南方根结线虫的抑制作用越强，试验中稀释300倍处理效果最好。

通过对相关研究进行分析，发现木醋液在病虫草害防治过程中，可能会出现浓度越高处理效果越显著的情况，因此，在应用过程中要结合农作物生长情况选择合适的使用浓度。

2.4 木醋液对制备生物质肥的作用

木醋液应用在堆肥过程中，具有提高物料的含水率、总氮含量、总磷含量、K十含量及有机质降解率，降低pH值、电导率的作用[51]。张航[52]、周岭等[53]的研究表明，木醋液在牛粪堆肥过程中通过改变重金属形态，使其生物活性降低，达到钝化重金属Cu、Zn的效果。刘飞等[54]的研究表明，棉秆木醋液在牛粪堆肥过程中通过抑制CH4和CO2的排放，减少堆肥过程中碳的损失，提高堆肥品质。秦翠兰等[55]的研究表明，木醋液在牛粪堆肥过程中可以提高堆肥初期的升温速率和堆肥后期的温度。HAGNER等[56]的试验证明，木醋液可以降低牛粪的NH3排放速度。

众多学者的研究表明，木醋液在堆肥过程中，对维持温度稳定、促进微生物生长、加快肥料腐熟、增加有机质降解率、提高肥料养分含量、减小粪肥中重金属含量、减少碳、氮的损失、提高堆肥品质具有重要作用。但目前对堆肥应用于作物生长过程中的研究较少，尚不确定堆肥过程中的变化是否会对作物生长产生毒害作用，所以，应针对使用情况进行深入研究。

3 结论

木醋液作为一种低成本、高效、环保肥料，不同种类木醋液和不同施加浓度在改良土壤、促进作物生长、抑菌杀虫、制备生物质肥等农业生产领域被广泛研究。但木醋液成分复杂，在应用过程中具体作用成分尚不清楚。因此，需针对木醋液中不同成分开展进一步的研究，探究不同成分的变化对应用过程中的影响，充分发挥不同成分的作用，为制备高效、高产的木醋肥提供参考依据。