稻秆炭化还田资源评价与利用分析

刘善良　孙鹏　付丽伟　姜阿宁

摘要 生物炭是农林废弃物等生物质在完全或部分缺氧条件下高温热解后产生的富碳物质，具有土壤固碳、修复等其他环境效益潜力，已在环保、农业等领域得到了应用。本文简述了稻秆还田的常见形式及存在局限，分析了稻秆炭化还田的有利条件和优势，展望了炭化还田的发展前景。

关键词 稻秆；炭化还田；生物炭；优势

中图分类号 S511   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）10-0087-05

1 稻秆还田的常见形式

1.1 直接还田

稻秆可通过翻埋、旋耕或者覆盖等方式进行还田，直接还田比较简单方便，在我国应用广泛。稻秆中含有氮、磷、钾等养分，还田后产生一些小分子物质如氨基酸、黄腐酸，并螯合多种微量元素，易被植物吸收利用[1]，从而增加土壤有机质含量，改善土壤透气透氧状况。

秸秆直接还田会导致稻田土壤累积氨排放量增多，增幅达7.9%[2]，降低氮肥利用率。我国水稻种植区域跨度大，稻区特性不同，实际还田操作中存在一些限制。稻秆自然腐解速率慢，大量稻秆在水淹情况下会积累硫化氢、酚类等物质[3]，消耗土壤速效氮，伤害秧苗根系，影响水稻有效分蘖。这种现象在我国北方地区较为常见，北方地区早春气温较低，在稻田保水的条件下，缺氧产生甲烷、硫化氢等气体，会毒害水稻根系，易导致水稻出现黑根、烂根、红叶、矮缩等问题。此外，因区域差异、土质不同，直接还田方式需因地制宜。例如，东北耕地较厚区域，适合粉碎翻埋，较薄区域适合旋耕，还田后还需针对不同后茬作物，进行精细化种植管理，适时追施氮肥等。

1.2 间接还田

1.2.1 过腹还田。将干净、无霉变物的稻秆通过直接粉碎饲喂或氨化等化学处理和微生物分解加工成饲料，供牲畜食用，收集其排泄物，经过60～90 d的腐熟处理后还田。过腹还田可以在一定程度上节约饲料用粮，丰富饲料来源，获得有机肥。稻秆中含有高纤维、二氧化硅和木质素，与其他饲料相比，它们在反刍动物瘤胃中发酵缓慢。纤维素在反刍动物瘤胃停留时间长，影响瘤胃有效容积[4]，另外由于反刍动物无法消化木质素[5]，从稻秆饲料中获得的能量也相应减少。如果稻秆在收割后或氨化时大面积发霉，不能用于饲喂牲畜。如果牲畜喂养主要使用稻秆，其采食量会减少，影响牲畜出栏。过腹还田制成的有机肥养分含量低、肥效长，通常作为底肥施用，但受地区牲畜养殖规模差异化限制，其推广深度还有待加强。

1.2.2 堆沤还田。稻秆自然发酵软化腐熟，一般需要60 d左右的时间，而将粉碎的稻秆与畜禽粪便、辅料等混合，加入适宜的微生物菌剂进行15 d左右的高温发酵腐熟，便可制成有机肥料还田，一般作为底肥施用。堆沤还田人力、时间成本投入大，且堆沤过程中肥水易流失、易渗漏，易对水体和周边环境造成污染，加之沤肥较污浊，施用时较为不便。发酵时间受物料投入和发酵设备限制，大规模发酵过程中还应注意采取臭气和蚊蝇控制措施。另外，重金属超标的稻秆禁止使用此方法还田。

1.2.3 炭化还田。生物炭是指生物质在完全或部分缺氧，经高温热解后生成的高度芳香化的固体富碳物质，生物炭其基本元素构成为碳、氢、氧、氮和灰分，具有高度的稳定性、较大的比表面积、丰富的孔隙结构和较强的吸附能力[6-7]。稻秆生物炭作为生物炭的一种，具有生物炭的基本特征。有研究测定，稻秆生物炭碳含量为38%～72%，灰分含量为23%～30%，比表面积为7.74～123.60 m2/g，pH为7.7～11.5[8]。炭化还田提高了土壤孔隙度和有机质含量，增加了水稻生育前期主根长和根体积，延缓了生育后期根系衰老，为根系生长提供了更多的延展空间[9]，提高了水稻生育期干物质積累量[10]，促进了水稻植株的健康生长。生物炭对作物生长发育和产量影响的效应表现不一，但总体来说正向效应大于负向效应。

2 炭化还田的有利条件

2.1 原料来源丰富

水稻作为我国三大主粮之一，产区遍及全国各地，年种植面积基本稳定在3 000 万hm2，稻秆资源丰富，每年能产生约2 亿t水稻秸秆[11]。随着水稻产量的增加，稻秆量也将进一步提高。

2.2 社会环境利好

低碳、循环、可持续发展是当今世界经济和社会发展的主题。生物炭具有强大的固碳潜力和空间，可能是唯一的以输入稳定性碳源而维持土壤碳库平衡，提高土壤碳库容量的物质[12]，高度符合国家战略要求。中国作为农业大国，农业碳排量始终高于欧美，农业碳排放总量占比约7%～8%，不容忽视。目前，我国在农业领域的减碳仍处于起步阶段，但关于碳中和、碳达峰的重大决策已经提升到国家战略。在农业农村部印发的《农业绿色发展技术导则（2018—2030年）》中，生物炭基肥料等新产品及其生产工艺已被列为我国未来十多年农业绿色发展技术集成示范，农业农村部将会同有关部门，积极推动农作物炭化还田技术的研发推广。

2.3 应用技术成熟

当前，我国在生物炭研发与应用等方面已取得了一系列的成就，尤其是在针对农业废弃物转化为生物炭工艺及生物炭产业研发使用推广方面，达到先进水平[13]。目前，制备生物炭应用较为广泛的方法是热裂解法，根据裂解技术的不同，制备方法可分为炭化技术、液化技术、气化技术、微波热解技术等[14]。炭化技术是最常用的技术，稻秆炭化机具有杂质少、易燃烧、热值高等特点。当前，我国生物炭生产主要采用大规模集中制炭深加工模式与分散制炭、收集异地加工模式2种方式，实现了万吨级规模的工业化应用，部分企业炭化设备系统已实现成套化生产。生物炭应用已在吉林、云南、贵州等地得到了大面积推广[15]，为当地治理秸秆污染和综合应用农业废弃物开辟了新的路径。此外，炭化过程中可产出可燃气、木醋液和焦油等副产品。燃气可作为燃料直接利用；木醋液可作为生物农药，用于蔬菜、水果等农作物的病虫害防治；焦油可作为化工燃料。综合利用好这些副产品，更具有生产效益。可以说，炭化是秸秆等农业废弃物资源综合利用的一种有效途径，在一定程度上实现了剩余资源大量化、多样化的合理利用，减轻了农业废弃物处理的压力。

3 炭化还田的优势

3.1 改良稻田土壤

3.1.1 改良土壤。生物炭作为一种土壤改良剂，具有改良土壤结构，降低土壤容重，涵养水分等作用。生物炭能通过聚和小的有机分子形成有机质，吸附土壤有机分子，提高土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量，且其分解缓慢有助于土壤有机质、腐殖质的形成[10，16]。

3.1.2 增加土壤微生物数量。生物炭具有较发达的孔隙结构和从环境中吸收有机化合物的特性，可能有助于形成土壤微生物群的栖息地。这些微生物在生物炭颗粒上定居，可免受大型原生动物、线虫、螨虫等捕食者的侵害[17]。研究表明，在土壤中适量添加稻秆生物炭，增加了根瘤菌属某一菌株的活细胞丰度。

3.1.3 调节土壤pH值，生物炭进入土壤中，会释放一定量的自身含有钙离子、钾离子等盐基离子，去交换土壤中的氢离子、铝离子，进而调节土壤pH值，促进水稻生长。

3.1.4 减少氨挥发。以尿素为代表的肥料的应用通常是铵离子的主要来源。在水稻生态系统中，地表水或土壤中的氨可以从这些区域的铵离子转化而成，土壤氨挥发是稻田氮素损失的主要形式之一。由于生物炭具有较高的孔隙率和丰富的表面含氧官能团，具有良好的吸附能力，减少稻田氧化亚氮的排放和氨的挥发[18]，被认为在控制NH3挥发和养分保留中起着关键作用。与直接还田分解不同，生物炭以其稳定性著称，可以很好地避免生物质降解对NH3挥发的刺激[19]，且隨着时间推移，生物炭对所吸附的氮素表现出缓释作用，增加酶促反应底物，提高土壤脲酶活性。稻秆生物炭在试验条件下对土壤氨挥发具有很好的抑制作用，可减少20%以上稻田土壤氨挥发积累量[20]。

3.2 促进水稻生长

根系是水稻吸收水分、养分，运输营养物质，合成有机酸和氨基酸的主要器官，其控制地上部植株的形态，与水稻产量及品质有密切联系[21]。有研究表明，生物炭对水稻秧苗根系的形成具有促进作用，当秧苗的发根优势越强，碳氮代谢越旺盛，越有利于形成壮秧。生物炭可显著提高秧苗地上部（叶长、叶宽、株高）和根系（总根长、根尖数和根分支数）生长能力，改善营养土理化性质，进而提高秧苗综合素质[22]。生物炭具有高稳定性和吸附性，能够增强养分持留，通过提供和贮存营养元素以及改善土壤的理化性质来实现中低产稻田肥力提升，促进水稻生长，提高水稻产量。生物炭具有吸热特性，施用后可提高周围土壤温度，减轻低温环境对水稻根系伤害，为根系生长提供有利条件[10]。研究表明，稻秆生物炭还田会增加16%以上水稻植株对氮素的吸收，促进水稻生长效果优于稻秆直接还田[2]。全量炭化还田能显著提高水稻株高和谷粒产量，且增产量明显大于直接还田[23]。

3.3 固碳减排

有机肥虽然能起到补充碳元素的作用，但效果微乎其微，持续期短，且有机肥是缓释肥料，其有机质含量虽高，但大部分有机质短期内不能溶于水，且以腐殖质形式存在，需要经土壤中的微生物长时间分解才能逐渐释放出水溶性的碳元素。植物通过光合作用从大气中去除CO2，然后将碳储存在植物组织中，在植物组织腐烂、燃烧或消耗后，CO2又被释放到大气中，造成温室气体增多[24]，而生物炭的高稳定性及其惰性碳含量使其成为通过土壤碳封存来减缓温室气体排放的重要贡献者[25]。生物炭在土壤中平均存留时间约为2 000年[26]，可长期稳定性存在。将植物体经过炭化施到土地中，因为生物炭的稳定性，也可能通过其与团聚体和矿物质的物理相互作用，根系生物量的地下碳输入趋于稳定，仅有少量碳元素在微生物作用下转化为二氧化碳排出，大部分碳元素被锁定在生物炭中，明显降低温室气体排放量，并稳定土壤中的有机物，维持土壤碳库储存平衡。

3.4 修复土壤重金属污染

农业生产中，化肥农药的长期使用和污水灌溉等导致土壤中重金属不断积累。如砷在自然界中广泛存在，水稻土壤砷污染及其向水稻迁移是一个严重的全球性问题，砷在土壤中累积并由此进入农作物中，水稻吸收土壤中的砷比小麦、大麦等农作物大一个数量级[27]。生物炭以其优良的吸附特性引起了各方关注。研究表明，生物质炭对土壤中的铜、汞、镍、铬等重金属都有一定的吸附能力，可降低砷、镉的可交换形态，减少植物砷、镉的积累[28-29]。当前，利用各种生物炭修复土壤重金属污染的研究越来越多，不仅集中于对单一元素污染土壤研究，重金属复合污染土壤修复也有大量学者涉猎。水稻生物炭一般pH较高，施入土壤后，可显著提高土壤酸碱度，进而影响铅和镉的水解平衡，降低铅和镉的生物有效性，使铅和镉通过络合沉淀等作用向着更加稳定的状态转化[30]。

工业污泥、江河沉积物造成的重金属污染受到了广泛关注，当使用水稻生物炭处理沉积物时，其具有较大的表面积和较强的阳离子交换能力，使沉积物pH值和有机质含量增加，并吸附受污染土壤中的重金属和有机物，使其得到修复，从而降低污染物的生物有效性和环境风险。由于具有固碳和其他环境效益的潜力，生物炭已被广泛用于环境修复。

4 展望

小农生产中，大型机械操作不便，农时气候变化等因素，使稻秆还田范围与规模受到了一定的限制，稻秆炭化还田可明显改善上述情况。炭化还田能促进水稻保质增产，保持土壤肥力，实现稻秆资源合理化利用，减少露天焚烧带来的大气污染，促进农业生产生态循环发展。在“双碳”背景下，稻秆炭化还田为污染治理和资源综合应用开辟了崭新的途径，生物炭产业化进程持续加快，农业发展前景广阔。

今后，稻秆炭化还田应用过程中，可在以下几个方面进行优化：①构建稻秆收集、储藏、运输体系，形成完整的炭化还田产业链，并鼓励乡镇购置小型炭化设备，推行田间就地炭化处理；②加大扶持规模化稻秆综合利用企业的力度，鼓励企业积极参与炭化成品生产应用；③建立稻秆炭化还田应用示范，加强推广力度，发挥区域引领示范作用；④向种植户宣传普及炭化还田技术，更新农业人员的种植理念。

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（责编：张宏民）