稻稈炭化還田資源評價與利用分析

劉善良　孫鵬　付麗偉　姜阿寧

摘要 生物炭是農林廢棄物等生物質在完全或部分缺氧條件下高溫熱解后產生的富碳物質，具有土壤固碳、修復等其他環境效益潛力，已在環保、農業等領域得到了應用。本文簡述了稻稈還田的常見形式及存在局限，分析了稻稈炭化還田的有利條件和優勢，展望了炭化還田的發展前景。

關鍵詞 稻稈；炭化還田；生物炭；優勢

中圖分類號 S511? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）10-0087-05

1 稻稈還田的常見形式

1.1 直接還田

稻稈可通過翻埋、旋耕或者覆蓋等方式進行還田，直接還田比較簡單方便，在我國應用廣泛。稻稈中含有氮、磷、鉀等養分，還田后產生一些小分子物質如氨基酸、黃腐酸，并螯合多種微量元素，易被植物吸收利用[1]，從而增加土壤有機質含量，改善土壤透氣透氧狀況。

秸稈直接還田會導致稻田土壤累積氨排放量增多，增幅達7.9%[2]，降低氮肥利用率。我國水稻種植區域跨度大，稻區特性不同，實際還田操作中存在一些限制。稻稈自然腐解速率慢，大量稻稈在水淹情況下會積累硫化氫、酚類等物質[3]，消耗土壤速效氮，傷害秧苗根系，影響水稻有效分蘗。這種現象在我國北方地區較為常見，北方地區早春氣溫較低，在稻田保水的條件下，缺氧產生甲烷、硫化氫等氣體，會毒害水稻根系，易導致水稻出現黑根、爛根、紅葉、矮縮等問題。此外，因區域差異、土質不同，直接還田方式需因地制宜。例如，東北耕地較厚區域，適合粉碎翻埋，較薄區域適合旋耕，還田后還需針對不同后茬作物，進行精細化種植管理，適時追施氮肥等。

1.2 間接還田

1.2.1 過腹還田。將干凈、無霉變物的稻稈通過直接粉碎飼喂或氨化等化學處理和微生物分解加工成飼料，供牲畜食用，收集其排泄物，經過60～90 d的腐熟處理后還田。過腹還田可以在一定程度上節約飼料用糧，豐富飼料來源，獲得有機肥。稻稈中含有高纖維、二氧化硅和木質素，與其他飼料相比，它們在反芻動物瘤胃中發酵緩慢。纖維素在反芻動物瘤胃停留時間長，影響瘤胃有效容積[4]，另外由于反芻動物無法消化木質素[5]，從稻稈飼料中獲得的能量也相應減少。如果稻稈在收割后或氨化時大面積發霉，不能用于飼喂牲畜。如果牲畜喂養主要使用稻稈，其采食量會減少，影響牲畜出欄。過腹還田制成的有機肥養分含量低、肥效長，通常作為底肥施用，但受地區牲畜養殖規模差異化限制，其推廣深度還有待加強。

1.2.2 堆漚還田。稻稈自然發酵軟化腐熟，一般需要60 d左右的時間，而將粉碎的稻稈與畜禽糞便、輔料等混合，加入適宜的微生物菌劑進行15 d左右的高溫發酵腐熟，便可制成有機肥料還田，一般作為底肥施用。堆漚還田人力、時間成本投入大，且堆漚過程中肥水易流失、易滲漏，易對水體和周邊環境造成污染，加之漚肥較污濁，施用時較為不便。發酵時間受物料投入和發酵設備限制，大規模發酵過程中還應注意采取臭氣和蚊蠅控制措施。另外，重金屬超標的稻稈禁止使用此方法還田。

1.2.3 炭化還田。生物炭是指生物質在完全或部分缺氧，經高溫熱解后生成的高度芳香化的固體富碳物質，生物炭其基本元素構成為碳、氫、氧、氮和灰分，具有高度的穩定性、較大的比表面積、豐富的孔隙結構和較強的吸附能力[6-7]。稻稈生物炭作為生物炭的一種，具有生物炭的基本特征。有研究測定，稻稈生物炭碳含量為38%～72%，灰分含量為23%～30%，比表面積為7.74～123.60 m2/g，pH為7.7～11.5[8]。炭化還田提高了土壤孔隙度和有機質含量，增加了水稻生育前期主根長和根體積，延緩了生育后期根系衰老，為根系生長提供了更多的延展空間[9]，提高了水稻生育期干物質積累量[10]，促進了水稻植株的健康生長。生物炭對作物生長發育和產量影響的效應表現不一，但總體來說正向效應大于負向效應。

2 炭化還田的有利條件

2.1 原料來源豐富

水稻作為我國三大主糧之一，產區遍及全國各地，年種植面積基本穩定在3 000 萬hm2，稻稈資源豐富，每年能產生約2 億t水稻秸稈[11]。隨著水稻產量的增加，稻稈量也將進一步提高。

2.2 社會環境利好

低碳、循環、可持續發展是當今世界經濟和社會發展的主題。生物炭具有強大的固碳潛力和空間，可能是唯一的以輸入穩定性碳源而維持土壤碳庫平衡，提高土壤碳庫容量的物質[12]，高度符合國家戰略要求。中國作為農業大國，農業碳排量始終高于歐美，農業碳排放總量占比約7%～8%，不容忽視。目前，我國在農業領域的減碳仍處于起步階段，但關于碳中和、碳達峰的重大決策已經提升到國家戰略。在農業農村部印發的《農業綠色發展技術導則（2018—2030年）》中，生物炭基肥料等新產品及其生產工藝已被列為我國未來十多年農業綠色發展技術集成示范，農業農村部將會同有關部門，積極推動農作物炭化還田技術的研發推廣。

2.3 應用技術成熟

當前，我國在生物炭研發與應用等方面已取得了一系列的成就，尤其是在針對農業廢棄物轉化為生物炭工藝及生物炭產業研發使用推廣方面，達到先進水平[13]。目前，制備生物炭應用較為廣泛的方法是熱裂解法，根據裂解技術的不同，制備方法可分為炭化技術、液化技術、氣化技術、微波熱解技術等[14]。炭化技術是最常用的技術，稻稈炭化機具有雜質少、易燃燒、熱值高等特點。當前，我國生物炭生產主要采用大規模集中制炭深加工模式與分散制炭、收集異地加工模式2種方式，實現了萬噸級規模的工業化應用，部分企業炭化設備系統已實現成套化生產。生物炭應用已在吉林、云南、貴州等地得到了大面積推廣[15]，為當地治理秸稈污染和綜合應用農業廢棄物開辟了新的路徑。此外，炭化過程中可產出可燃氣、木醋液和焦油等副產品。燃氣可作為燃料直接利用；木醋液可作為生物農藥，用于蔬菜、水果等農作物的病蟲害防治；焦油可作為化工燃料。綜合利用好這些副產品，更具有生產效益?？梢哉f，炭化是秸稈等農業廢棄物資源綜合利用的一種有效途徑，在一定程度上實現了剩余資源大量化、多樣化的合理利用，減輕了農業廢棄物處理的壓力。

3 炭化還田的優勢

3.1 改良稻田土壤

3.1.1 改良土壤。生物炭作為一種土壤改良劑，具有改良土壤結構，降低土壤容重，涵養水分等作用。生物炭能通過聚和小的有機分子形成有機質，吸附土壤有機分子，提高土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量，且其分解緩慢有助于土壤有機質、腐殖質的形成[10，16]。

3.1.2 增加土壤微生物數量。生物炭具有較發達的孔隙結構和從環境中吸收有機化合物的特性，可能有助于形成土壤微生物群的棲息地。這些微生物在生物炭顆粒上定居，可免受大型原生動物、線蟲、螨蟲等捕食者的侵害[17]。研究表明，在土壤中適量添加稻稈生物炭，增加了根瘤菌屬某一菌株的活細胞豐度。

3.1.3 調節土壤pH值，生物炭進入土壤中，會釋放一定量的自身含有鈣離子、鉀離子等鹽基離子，去交換土壤中的氫離子、鋁離子，進而調節土壤pH值，促進水稻生長。

3.1.4 減少氨揮發。以尿素為代表的肥料的應用通常是銨離子的主要來源。在水稻生態系統中，地表水或土壤中的氨可以從這些區域的銨離子轉化而成，土壤氨揮發是稻田氮素損失的主要形式之一。由于生物炭具有較高的孔隙率和豐富的表面含氧官能團，具有良好的吸附能力，減少稻田氧化亞氮的排放和氨的揮發[18]，被認為在控制NH3揮發和養分保留中起著關鍵作用。與直接還田分解不同，生物炭以其穩定性著稱，可以很好地避免生物質降解對NH3揮發的刺激[19]，且隨著時間推移，生物炭對所吸附的氮素表現出緩釋作用，增加酶促反應底物，提高土壤脲酶活性。稻稈生物炭在試驗條件下對土壤氨揮發具有很好的抑制作用，可減少20%以上稻田土壤氨揮發積累量[20]。

3.2 促進水稻生長

根系是水稻吸收水分、養分，運輸營養物質，合成有機酸和氨基酸的主要器官，其控制地上部植株的形態，與水稻產量及品質有密切聯系[21]。有研究表明，生物炭對水稻秧苗根系的形成具有促進作用，當秧苗的發根優勢越強，碳氮代謝越旺盛，越有利于形成壯秧。生物炭可顯著提高秧苗地上部（葉長、葉寬、株高）和根系（總根長、根尖數和根分支數）生長能力，改善營養土理化性質，進而提高秧苗綜合素質[22]。生物炭具有高穩定性和吸附性，能夠增強養分持留，通過提供和貯存營養元素以及改善土壤的理化性質來實現中低產稻田肥力提升，促進水稻生長，提高水稻產量。生物炭具有吸熱特性，施用后可提高周圍土壤溫度，減輕低溫環境對水稻根系傷害，為根系生長提供有利條件[10]。研究表明，稻稈生物炭還田會增加16%以上水稻植株對氮素的吸收，促進水稻生長效果優于稻稈直接還田[2]。全量炭化還田能顯著提高水稻株高和谷粒產量，且增產量明顯大于直接還田[23]。

3.3 固碳減排

有機肥雖然能起到補充碳元素的作用，但效果微乎其微，持續期短，且有機肥是緩釋肥料，其有機質含量雖高，但大部分有機質短期內不能溶于水，且以腐殖質形式存在，需要經土壤中的微生物長時間分解才能逐漸釋放出水溶性的碳元素。植物通過光合作用從大氣中去除CO2，然后將碳儲存在植物組織中，在植物組織腐爛、燃燒或消耗后，CO2又被釋放到大氣中，造成溫室氣體增多[24]，而生物炭的高穩定性及其惰性碳含量使其成為通過土壤碳封存來減緩溫室氣體排放的重要貢獻者[25]。生物炭在土壤中平均存留時間約為2 000年[26]，可長期穩定性存在。將植物體經過炭化施到土地中，因為生物炭的穩定性，也可能通過其與團聚體和礦物質的物理相互作用，根系生物量的地下碳輸入趨于穩定，僅有少量碳元素在微生物作用下轉化為二氧化碳排出，大部分碳元素被鎖定在生物炭中，明顯降低溫室氣體排放量，并穩定土壤中的有機物，維持土壤碳庫儲存平衡。

3.4 修復土壤重金屬污染

農業生產中，化肥農藥的長期使用和污水灌溉等導致土壤中重金屬不斷積累。如砷在自然界中廣泛存在，水稻土壤砷污染及其向水稻遷移是一個嚴重的全球性問題，砷在土壤中累積并由此進入農作物中，水稻吸收土壤中的砷比小麥、大麥等農作物大一個數量級[27]。生物炭以其優良的吸附特性引起了各方關注。研究表明，生物質炭對土壤中的銅、汞、鎳、鉻等重金屬都有一定的吸附能力，可降低砷、鎘的可交換形態，減少植物砷、鎘的積累[28-29]。當前，利用各種生物炭修復土壤重金屬污染的研究越來越多，不僅集中于對單一元素污染土壤研究，重金屬復合污染土壤修復也有大量學者涉獵。水稻生物炭一般pH較高，施入土壤后，可顯著提高土壤酸堿度，進而影響鉛和鎘的水解平衡，降低鉛和鎘的生物有效性，使鉛和鎘通過絡合沉淀等作用向著更加穩定的狀態轉化[30]。

工業污泥、江河沉積物造成的重金屬污染受到了廣泛關注，當使用水稻生物炭處理沉積物時，其具有較大的表面積和較強的陽離子交換能力，使沉積物pH值和有機質含量增加，并吸附受污染土壤中的重金屬和有機物，使其得到修復，從而降低污染物的生物有效性和環境風險。由于具有固碳和其他環境效益的潛力，生物炭已被廣泛用于環境修復。

4 展望

小農生產中，大型機械操作不便，農時氣候變化等因素，使稻稈還田范圍與規模受到了一定的限制，稻稈炭化還田可明顯改善上述情況。炭化還田能促進水稻保質增產，保持土壤肥力，實現稻稈資源合理化利用，減少露天焚燒帶來的大氣污染，促進農業生產生態循環發展。在“雙碳”背景下，稻稈炭化還田為污染治理和資源綜合應用開辟了嶄新的途徑，生物炭產業化進程持續加快，農業發展前景廣闊。

今后，稻稈炭化還田應用過程中，可在以下幾個方面進行優化：①構建稻稈收集、儲藏、運輸體系，形成完整的炭化還田產業鏈，并鼓勵鄉鎮購置小型炭化設備，推行田間就地炭化處理；②加大扶持規?；径捑C合利用企業的力度，鼓勵企業積極參與炭化成品生產應用；③建立稻稈炭化還田應用示范，加強推廣力度，發揮區域引領示范作用；④向種植戶宣傳普及炭化還田技術，更新農業人員的種植理念。

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（責編：張宏民）