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生物炭的研究現狀與農業推廣應用分析

2021-12-03 04:52聞藝王昌梅張無敵徐銳王潤宋榮平何姝彥李靜秋劉安琪馬敏劉青松孔令熙張成昊李揚
安徽農業科學 2021年22期
關鍵詞:農業推廣生物炭研究現狀

聞藝 王昌梅 張無敵 徐銳 王潤 宋榮平 何姝彥 李靜秋 劉安琪 馬敏 劉青松 孔令熙 張成昊 李揚

摘要 在加快推動以清潔低碳為導向的新一輪能源變革、減少二氧化碳排放與實現綠色生態可持續發展的背景下,我國生物質能產學研結合得更加緊密,生物炭的研究日益成熟,在大力呼吁與促進生物炭從實驗室推廣向產業化、生物炭產品投入農業使用的過程中,還存在需要解決的標準化問題。綜述生物炭的性狀特征、制備方法、應用現狀,指出農業推廣應用中需要評估環境、生物風險,展望生物炭在未來農業推廣中的應用前景。

關鍵詞 生物炭;研究現狀;農業推廣;應用分析

中圖分類號 S156.2? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611(2021)22-0010-04

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.003

開放科學(資源服務)標識碼(OSID):

Research Status and Analysis in Agricultural Extension Application of Biochar

WEN Yi,WANG Chang-mei,ZHANG Wu-di et al (School of Energy and Environment Science,Yunnan Normal University,Kunming,Yunnan 650500)

Abstract In the background of promoting the clean and low carbon oriented new energy revolution to reduce carbon emissions and to realize the sustainable development of green ecological,China's biomass energy production,education and research are more closely combined,the research of biochar matures,the research on biochar is becoming more and more mature.In the process of calling for and promoting biochar from laboratory to industrialization and agricultural use of biochar products,there are still some problems that need to be solved.The characteristics,preparation methods and application status of biochar were reviewed,and the problems existing in the agricultural application were analyzed.Meanwhile,the application prospect of biochar in future agricultural extension was prospected.

Key words Biochar;Research status;Agricultural extension;Application analysis

自工業化以來,日益嚴重的糧食危機、環境污染和氣候變暖等問題逐漸成為制約各個國家和地區經濟、社會和生態環境可持續發展的“瓶頸”。如何化解這些危機,成為各國政府和科學家們共同關注的焦點。生物炭的研究和應用在此背景下應運而生。生物炭是木材、糞肥或樹葉等生物質在缺氧或者無氧的條件下,經過熱解得到的一類高度芳香化的、化學性質穩定的高含碳量的固體物質[1-3]。定義直接或者間接地涉及生物炭的制備條件和在土壤中的應用。與傳統的木炭不同,生物炭是以碳儲存和應用于環境為目的的,而木炭是生物質作為燃料和能源而進行的碳化產品[4],二者的主要區別在于最終應用。目前常見的生物炭種類包括秸稈生物炭、木質類生物炭以及固體廢棄物類生物炭等。

我國是農業大國,每年農業活動會產生大量的水稻、玉米、小麥、棉花、油菜等作物秸稈?!蛾P于編制“十三五”秸稈綜合利用實施方案的指導意見》指出,2015年我國秸稈總量約為10.4億t,是2002年秸稈總量的近2倍[5]。傳統的秸稈焚燒會帶來嚴重的大氣污染、降低土壤肥力,危害人體健康和影響農業可持續發展;并且由于秸稈在土壤中易降解,改良效果不持久,導致溫室氣體增加[6]?;诖?,可將廢棄農作物、廢棄農業副產物等制備形成生物炭,以期獲得更大的生態、經濟效益,實現可持續發展與綠色生態循環。

1 生物炭的研究現狀

1.1 生物炭的性狀特征

生物炭是生物質在限氧環境下通過熱化學轉化得到的產物。農作物秸稈數量多、來源廣,是制備生物炭的主要原料[7]。生物炭的表面官能團結構賦予了生物炭諸多的表面化學性質。表面官能團結構主要包括羥基、環氧基、羧基、?;?、羰基、醚、酯基、酰胺基、磺酸基、氨基等,研究者對生物炭上多種官能團結構進行了不同角度的研究[8-9]。

Qian等[10]研究認為,生物炭表面帶電,是因為起源于生物炭脂肪性/芳香性表面及其表面官能團的質子化或者解離,能夠形成像土壤一樣的雙電層結構,同時其表面電性受pH的影響較大。

還有研究者對不同原料制備的生物炭進行了研究(表1)。由表1可知,即使是同一種原料,制備生物炭的時間和溫度不同,所獲得的生物炭特性的灰分含量、碳含量以及pH值等都各不相同;不同原料制備的生物炭,其性質差異特別明顯。

1.2 生物炭的制備工藝

生物炭的制備方法可分為熱解、汽化、水熱碳化、瞬時碳化等[15],另有分類方法分為批式制備與連續制備。我國目前多數采用的是地窖、磚窯等傳統的堆埋裂解方式,這種批式制備的設備構造簡單、易于實施、成本也比較低,但是也導致產率低、耗能高、沒有熱量回收、生產不能連續等一系列問題[16]。

韋思業[17]證實了熱解溫度和原料種類對生物炭的物理化學性質和結構均有重要影響,同時熱解溫度的影響要比原料種類的影響要大。結果還發現,低溫(<300 ℃)下制備的生物炭的產率較高,并且可較好保留原料中對于改善土壤質量有很大益處的官能團,如羧酸、羥基和羰基等;而在500 ℃以上,表面的活性官能團基本上被去除,生物炭以穩定的高度芳香化碳結構物質為主,較適用于封存。林肖慶等[18]以竹片、山核桃殼、水稻及油菜秸稈4種生物質為原料進行熱重分析,研究結果表明,在低溫段(300~400 ℃),生物質材料中的纖維素、木質素等組分對生物炭產率影響較明顯;400 ℃以上則是灰分含量對生物炭產率影響較大。黃玉威[19]用31種原料制備的生物炭研究表明,隨著碳化溫度升高,不同原料對生物炭產炭率影響逐漸減小;不論是低溫碳化階段還是高溫碳化時期,原料差異對于生物炭產率的影響都比較小。

肖欣[20]對多種生物質原料在不同裂解溫度下制備生物炭的極性、疏水性、表面電性、芳香性等物理化學性質進行了研究,發現生物炭在一定溫度下的產率取決于生物質材料來源,而生物炭的穩定性則主要由炭化溫度決定,且溫度越高性質越穩定。

綜上可知,生物炭物理化學性質與裂解溫度有重要的關聯。

1.3 生物炭的應用場景

生物質炭目前廣泛應用為土壤改良劑[21]。2017年農業部發布的《農業部辦公廳關于推介發布秸稈農用十大模式的通知》中推薦“秸-炭-肥還田改土模式”秸稈資源化利用方法。即將具有豐富的孔隙結構、高度難降解性和堿度特性的秸稈生物炭用以改善土壤肥力,可有效減少溫室氣體等的產生,同時完善土壤持續的固碳能力。眾多學者發表文章強調生物炭的固碳效應并進行關于生物炭在土壤環境中的研究[22-24]。進一步研究發現,生物炭在土壤改良及污染修復等方面也展現出巨大潛力[25-27]。

總體來說,生物炭在農業領域的應用是廣泛且相對成熟的。生物炭可以直接還田[28-35],也可以作為載體生成更加綠色環??沙掷m的生物炭基肥[36-40]與生物炭基農藥[41-42]。在農業領域,生物炭基的復合材料也在監測農藥中得到推廣與應用。在環境保護與治理方面,生物炭以及通過不同方式改性處理之后的生物炭副產品在吸附土壤和水環境中的重金屬元素污染方面有較好的潛力[43-47]。

在一些已經成熟的生物質能運用技術中,生物炭作為新的催化劑與添加劑,也有大量學者探究其添加效果與作用機理[48-53]。例如在厭氧發酵技術中添加不同比例的生物炭,對于厭氧發酵的周期和甲烷產量會產生一定的影響。此外,在電化學領域,現行的鋰離子電池對環境污染問題不容忽視,急需對鋰離子電池進行技術革新[54],而生物炭憑借優異的性能、廉價性、易獲得性、環境友好等優點脫穎而出,對于生物炭作為負極材料制作鋰離子電池的研究也在不斷深入與發展[55]。

今后,在探索更多原料來源的生物炭同時,也應對生物炭應用場景的擴展進行探索。

2 生物炭對土壤特征的影響研究現狀

2.1 對土壤理化性質影響

在土壤中施入生物炭會達到改良土壤內部結構、提高土壤保水能力的目的。數據表明,土壤中添加生物炭后保水能力達到18%[56]。直徑小的生物炭與土壤顆粒結合在一起形成微小團粒結構可增強水分子在土壤中的附著力。生物炭還能降低土壤水分蒸發,保持土壤收縮程度、內部結構,提高土壤持水能力[57];也為傳統酸性土壤改良提供了一種新的方向,在改良酸性土壤的同時,也為廢棄物資源化利用提供了更多可能[58]。

2.2 對作物產量影響

廖萍等[59]通過田間試驗發現生物炭作為酸化土壤改良劑對提高南方雙季稻區水稻產量、改良土壤酸化和增加農民收入效果較好。肖和友等[60]采用炭化爐法制備以煙葉、煙稈和玉米秸稈為原料的生物質炭,田間試驗發現添加生物質炭能提高煙葉的葉綠素含量、促進煙草生長。陳心想等[61]發現生物炭與肥料混合使用比單施肥料水稻增產更多。唐光木等[62]研究發現在新疆灰漠土施用生物炭量使得作物增產。

但是,也有研究表明,在低于400 ℃的溫度下生產的生物炭具有較低的pH、CEC和表面積,因此可能不適合提高土壤肥力[63]。Liu等[64]綜合36篇相關文獻的研究結果進行Meta分析指出,生物炭施用對氮素淋失會產生先正面后負面的效果。

利用生物炭理化性質影響土壤的pH、土壤碳氮比、土壤保水率等,可對作物的生長周期、果實發育成熟度、產物營養元素比產生影響,但作用機理并不明確,作用效果也存在差異性。小劑量生物炭施加會產生增產、減少氮素淋失等效果,但超過閾值會對土壤微生態、作物產量、作物質量產生負面影響。

2.3 對土壤修復影響 秸稈生物炭在改善土壤通氣性、改良土壤酸性、提高土壤陽離子交換量及促進土壤微生物生長方面具有較好的效果。生物炭的添加能夠顯著降低土壤交換性H+和Al3+,有效減弱活性酸的補充能力,對土壤的酸性改善明顯[65-67]。

2.3.1 施入生物炭影響土壤的固氮作用。農業溫室氣體排放主要是作物在土壤中釋放CO 數據統計[68],我國僅秸稈每年的總產量就達7億多t。用丟棄的秸稈制作生物炭不僅能夠降低環境污染,還可以減少化肥的使用量[69]。與秸稈還田對比,生物炭施入土壤后就變成碳的凈匯[70]。

2.3.2 生物炭對于鹽堿地土壤的改良具有較好潛力。鄭悅[71]對大慶地區鹽堿地施加生物炭后土壤養分得到改善,土壤pH值降低,水稻也增產了。張芙蓉等[72]對上海地區鹽漬土的改良對比試驗也顯示,與施用有機肥相比,生物炭顯著降低了鹽漬土壤的電導率。

在不同地區的鹽堿地,生物炭對土壤的改良效果均顯著,但其長期還田效應仍不明確,還需要基于田間試驗進行長期大量的數據觀測。

3 生物炭農業推廣應用的機遇與挑戰

3.1 應用機遇 2016年國家發展改革委印發的《關于編制“十三五”秸稈綜合利用實施方案的指導意見》指出,要促進農作物秸稈的綜合利用,到2020年在全國建立較完善的秸稈還田社會化服務體系,秸稈綜合利用率達到85%以上[73]。

秸稈焚燒會導致大氣污染、降低土壤肥力,危害人體健康和影響農業可持續發展。秸稈在土壤中易降解,改良效果不持久。而用廢棄農作物、農業副產物等制備生物炭,可獲得更大的生態、經濟效益,實現可持續發展與綠色生態循環,受到國家政策大力提倡和鼓勵。

中共十八大以來,中國發展進入新時代,中國的能源發展也進入新時代[74]。我國要堅持創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念,加快推動以清潔低碳為導向的新一輪能源變革,共建清潔美麗世界。

3.2 應用瓶頸與挑戰

3.2.1 生物炭使用潛在的環境風險。長期或過量施用生物質炭,可能會對土壤有機碳的質量產生負面影響,減弱土壤有機質活性,從而影響農業土壤質量。Shen等[75]發現富含重金屬和不含污染物的生物炭均有固定重金屬的作用,但前者會增加輕度污染土壤中重金屬的積累。

生物質原料中的各類重金屬、有機物等在制備過程中形成小顆粒固體,會對大氣環境與周圍土壤生態產生影響。Kusmierz等[76]對生物炭工廠附近收集的土壤樣品進行PAHs含量分析,發現16種多環芳烴的含量總和在1.80~101.3 μg/g范圍內,超過歐洲許多國家的允許范圍;土壤中的PAHs潛在來源很大可能與生物炭生產過程相關,與該土壤接觸的人群患癌風險較高。研究表明,粉粒狀形態生物炭顆粒與人體呼吸系統和心血管系統疾病具有顯著相關性,易跟隨氣流通過呼吸道、皮膚等途徑進入人體產生健康風險[77]。

生物炭在還田應用中不可避免地產生土壤重金屬的富集與超標。生物炭施加后因其顆粒小、分布廣泛,造成施加容易、撿出來難的現狀。在后續處理中,富含重金屬以及高度熟化后的生物炭該如何處理也是具有生態風險的問題。

生物炭使用長期效果不明確,短期會產生生態、健康風險,因此在推廣過程中要謹慎,有待進一步探究。

3.2.2 施用生物炭導致成本增加。

凌遵學等[78]發現雖然一次性施用足量的生物炭基尿素可替代常規分次施肥,節省施肥次數及施肥用工數,但單位面積施肥成本高,其雖節省工費,但生物炭基尿素單價高,并需配施磷、鉀肥,單位面積的成本反而高于現行使用的緩釋劑。因此,生物炭在推廣過程中還需輔以元素配比指導,借助政府和村集體科技補貼加強生物炭在農業領域的推廣普及。

3.2.3 生物炭品質標準化不完備。目前生物炭有以下4種典型類型:殼基生物炭、糖基生物炭、淀粉基生物炭、纖維基生物炭。即使在制備原料品類與制備工藝相同的情況下,由于制備儀器、原料生長地域等變量,制備的生物炭理化性質也具有差異性。一些非常規原料制備的生物炭,大多還處于實驗室小批量生產階段,未形成工業化流水線生產。生物炭的標準與界定還沒有完備的文件指導,不同用途的生物炭制備方式和品質未得到標準化規定。

不同原料制備的生物炭因其灰分與表面官能團的不同而具有不同的特性與功能。例如,殼基生物炭之一的大閘蟹殼生物炭,其為高灰分原料制備的生物炭富含磷元素,研究發現蟹殼生物炭對重金屬鉛的吸附性較好[79]。

不同類型生物炭具有不同功能,定向制備生物炭的需求應運而生。未來可以通過規定原料、溫度、壓力等制備條件對生物炭組分進行控制,從而得到滿足特定功能的生物炭,故而相應標準的制定完善迫在眉睫。

4 生物炭農業推廣應用的前景與展望

(1)亟待出臺生物炭相關標準,對不同溫度、原料、壓強等制備條件下的產品進行理化性質分析,制定出合格標準線,對生物炭組分含量等基本數據進行規范。標準化文件可使試驗數據對比更直觀,使得生物炭產品產業化路徑更清晰。

(2)科研人員不斷擴展生物炭的制備原料與應用場景。例如目前大家熟知的林業廢棄物,除了焚燒也有一部分進行厭氧發酵處理,但是基于林業廢棄物大多木質素含量較高、發酵周期較長特點,將其通過碳化的方式進行再次利用,可能取得比厭氧堆肥發酵產沼氣更高效的經濟效益。

(3)面對生物炭作用機理不清晰的現狀,政府部門要在政策與資金上幫扶鄉鎮企業,多進行田間試驗,找到作物生長所需的土壤與元素需求條件。在推廣應用中,應通過與他人的橫向數據比較和生物不同周期的縱向數據比較分析,不斷優化試驗條件,力求摸清相對穩定的生物炭作用機制,將試驗成果推廣轉化、落地實踐,轉化為農民經濟收入,改善農村人居生活條件與生活水平。

通過生物炭標準制定、政策的支持、科技人員實踐幾方面的協調配合,生物炭在農業領域的推廣應用具有很好的前景。

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