孫雪

摘 要 生物質(zhì)炭是秸稈、畜禽糞便等廢棄生物質(zhì)經(jīng)低溫限氧熱裂解產(chǎn)生的固態(tài)物質(zhì)，富含有機(jī)質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同區(qū)域土壤條件、不同作物生長特點(diǎn)以及科學(xué)施肥原理，以生物質(zhì)炭為基礎(chǔ)載體，與N、P、K等營養(yǎng)元素復(fù)配，經(jīng)造粒后制成生物炭基肥料，能夠?qū)ν寥拉h(huán)境進(jìn)行改良并使其保持穩(wěn)定。生物炭基肥料在提升地力、促進(jìn)作物生長和農(nóng)業(yè)固碳減排等方面具有巨大的應(yīng)用潛力，因此屬于生態(tài)環(huán)保型肥料。基于此，就生物炭基肥料的制備及在農(nóng)業(yè)中的推廣與應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞 生物炭基肥料;秸稈炭化;制備;推廣;應(yīng)用

中圖分類號：TQ440.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.30.103

我國是農(nóng)業(yè)大國，大量的秸稈焚燒增加了溫室氣體的排放，同時也是霧霾的成因之一，對環(huán)境構(gòu)成巨大的威脅。生物質(zhì)炭因具有多種優(yōu)點(diǎn)已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)之一，在生產(chǎn)期間能夠?qū)⒋罅可镔|(zhì)資源消耗，其作為載體使用復(fù)混方法制成的生物炭基肥料可保持生物質(zhì)炭的優(yōu)點(diǎn)，又能彌補(bǔ)其養(yǎng)分不足的缺點(diǎn)。

我國在增加農(nóng)作物產(chǎn)量并擴(kuò)大農(nóng)業(yè)產(chǎn)值時會增加稻殼、秸稈等農(nóng)副產(chǎn)品的產(chǎn)量，利用率低的農(nóng)副產(chǎn)品在焚燒時會嚴(yán)重浪費(fèi)資源并加劇環(huán)境污染，因此秸稈等生物質(zhì)炭化后再還田對利用國內(nèi)龐大的秸稈資源極為有利。秸稈炭化工業(yè)裝置可規(guī)?；媒斩挼壬镔|(zhì)資源，培育和改良土壤，調(diào)整傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作方式，促進(jìn)現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。基于此，針對該肥料的制備及其在農(nóng)業(yè)中的推廣應(yīng)用進(jìn)行探究。

1 秸稈炭化技術(shù)概述

1.1 秸稈炭化工業(yè)規(guī)模化利用

北京三聚環(huán)保新材料股份有限公司（簡稱三聚環(huán)保）成立于1997年，主要從事催化劑、凈化劑等能源凈化產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)服務(wù)，并以環(huán)保新材料為基礎(chǔ)，通過先進(jìn)工藝技術(shù)開發(fā)和工程化推廣，為能源與石油化工、生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠色能源提供發(fā)展方案。

2016年，三聚環(huán)保與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)達(dá)成戰(zhàn)略合作，聯(lián)合開發(fā)了農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，在秸稈炭化工藝、生物質(zhì)炭復(fù)合肥制備技術(shù)、工業(yè)化規(guī)模方面處于國際領(lǐng)先水平，可有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈的資源化、高值化利用。這一技術(shù)以熱解、分離、分質(zhì)為核心，去除藥殘、鈍化重金屬、富集有機(jī)質(zhì)、回收養(yǎng)分而達(dá)到秸稈生物質(zhì)全循環(huán)的安全、低碳、綠色秸稈資源化產(chǎn)業(yè)化路徑。2017年8月，三聚環(huán)保與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)合作開發(fā)的“農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)”順利通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定會。2020年7月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)了《關(guān)于開展2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部引領(lǐng)性技術(shù)集成示范工作的通知》，秸稈炭基肥利用增效技術(shù)被列入十大引領(lǐng)性技術(shù)之一。

秸稈炭化技術(shù)主產(chǎn)物為生物質(zhì)炭，具有豐富的納米孔隙結(jié)構(gòu)[1]，又保留了秸稈中豐富的速效氮磷鉀，由生物質(zhì)炭衍生出的炭基系列產(chǎn)品具有緩釋功能，可以助力改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力、減肥減藥、增產(chǎn)提質(zhì)，為土壤健康和糧食安全提供保障。三聚環(huán)保開發(fā)團(tuán)隊(duì)利用國際領(lǐng)先的農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)，建立炭基復(fù)合肥與土壤改良劑生產(chǎn)成套工藝、工程建造及運(yùn)營服務(wù)，實(shí)現(xiàn)土壤改良、農(nóng)作物增產(chǎn)增質(zhì)，助力推進(jìn)農(nóng)業(yè)固碳減排，為我國綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1.2 生物炭基肥料的制備方法

生物質(zhì)炭與化學(xué)肥料相結(jié)合制成顆粒狀生物炭基肥料，不僅能夠利用生物質(zhì)炭的強(qiáng)吸附性以達(dá)到減少養(yǎng)分流失的效果[2]，還能保證這種新型生物質(zhì)炭基肥料在為作物提供生長養(yǎng)分、提高養(yǎng)分利用率的同時，繼續(xù)發(fā)揮生物質(zhì)炭改善土壤等作用的優(yōu)良特性。

小試和中試階段，生物炭基肥料的制備采用圓盤造粒的方式進(jìn)行生產(chǎn)，將生物質(zhì)炭粉碎過20目標(biāo)準(zhǔn)金屬篩，稱取一定量的生物質(zhì)炭、尿素、磷酸二氫銨、氯化鉀與皂土等粘結(jié)劑混合，攪拌均勻后放入圓盤造粒機(jī)中，啟動圓盤造粒機(jī)，用噴霧器將水噴入，與原料混合，待顆粒成型后關(guān)閉圓盤造粒機(jī)，將成型后的顆粒取出，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在120 ℃下干燥約2 h，干燥完成后將顆粒肥料過5 mm及1 mm金屬篩，保留1～5 mm粒徑的肥料。加工廠中試階段選擇滾筒造粒的方式進(jìn)行生產(chǎn)。

含有微孔礦物結(jié)構(gòu)的高嶺土和膨潤土能夠使土壤對養(yǎng)分的吸附能力增加，使用磷酸作改性劑活化生物炭基肥料相較于普通生物炭基肥料能夠使作物可溶性蛋白含量及果實(shí)產(chǎn)量增加;使用膨潤土改性造粒生物炭基肥料能夠?qū)π“撞巳~面積累的硝酸鹽進(jìn)行抑制[3]，提升產(chǎn)量的同時有效促進(jìn)其吸收維生素C等養(yǎng)分;腐植酸粘接成型的復(fù)合生物炭基肥料、膨潤土改性劑將鉀、磷、氮作為肥芯外裹生物質(zhì)炭能夠大大提高肥料的利用率及緩釋性能，從而使作物的產(chǎn)量提高。

2 生物炭基肥料在農(nóng)業(yè)上的推廣應(yīng)用

三聚環(huán)保聯(lián)合南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，按照“源自農(nóng)業(yè)，反哺農(nóng)田，惠及農(nóng)民”的理念，以土地培育和改良為重點(diǎn)，利用秸稈炭化還田土壤改良技術(shù)，已在黑龍江、內(nèi)蒙古、江西等眾多區(qū)域（不同土質(zhì)、不同氣候、不同作物）采用不同施肥方式，開展了大量的生物炭基肥料的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 土壤改良

生物質(zhì)炭能夠使土壤的保肥及保水性能得到有效改善，提升土壤有機(jī)碳含量的同時使養(yǎng)分損失減少，對微生物在土壤中的活動及棲息十分有利。將該肥料施用于果園能夠形成空隙較大的土壤團(tuán)粒，對微生物系統(tǒng)進(jìn)行改善并促進(jìn)吸收根生長。如果混施肥料和生物質(zhì)炭，則可利用肥料將生物質(zhì)炭養(yǎng)分低的缺點(diǎn)消除，同時肥料養(yǎng)分可借助生物質(zhì)炭獲得緩釋性能的協(xié)同與互補(bǔ)作用。生物質(zhì)炭擁有較強(qiáng)的吸附性，因此可將降雨時雨水的流失有效減少并將部分大氣中的水分吸附，最大程度吸附大量雨水至其所在的可耕層，為農(nóng)作物的生長提供水分。對于干旱缺水地區(qū)，能夠有效防止沙漠化，使該地區(qū)的土壤重新長出植被。生產(chǎn)生物質(zhì)炭期間會產(chǎn)生木醋液等副產(chǎn)品。研究證明，稀釋木醋液原液50倍針對鹽堿土進(jìn)行改良實(shí)驗(yàn)，可使土壤的pH值和可溶性鹽含量降低[4]，這說明使用木醋液對鹽堿土污染進(jìn)行治理具有十分積極的意義。施用生物質(zhì)炭基肥料可使疏松土壤的容重提高，使其透水通氣性能得以改善并有效調(diào)節(jié)土壤pH值。

2.2 治理重金屬污染土壤

土壤中過量沉積廢棄物中的重金屬會導(dǎo)致土壤污染，這些來自于廢水、大氣沉降、農(nóng)藥及污泥等各方面的土壤污染重金屬（鉻、鉛、汞和類金屬砷等）有明顯的生物毒性[5]。其中砷常被用于除草劑、殺蟲劑及殺菌劑，汽車廢氣沉降和冶煉排放會產(chǎn)生鉛與鎘的污染，含汞廢水則會產(chǎn)生汞污染。農(nóng)作物會由于土壤中的過量重金屬影響而導(dǎo)致營養(yǎng)失調(diào)及生理功能紊亂，土壤中的氨化、硝化細(xì)菌活動會受到砷與汞的抑制而減弱，如果作物中擁有較高富集系數(shù)的汞、鎘等元素，超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)時會使作物的發(fā)育、生長及產(chǎn)量受到影響。這些過量重金屬不會被微生物降解，沒有很大的遷移性且不容易被雨水淋濾，一旦經(jīng)食物被人體吸收會極大地?fù)p害人們的身體健康。重金屬污染土壤中使用生物炭基肥料可借助生物質(zhì)炭較強(qiáng)的吸附性有效固定重金屬離子，減弱其對微生物的脅迫并減少其有效態(tài)含量。

2.3 作物增產(chǎn)提質(zhì)，農(nóng)民增產(chǎn)增收

2016—2020年，三聚環(huán)保利用農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)，在全國范圍內(nèi)廣泛開展三聚地沃生物炭基肥料種植試驗(yàn)及產(chǎn)品示范。

2017年，在吉林省柳河縣涼水河子鎮(zhèn)，水稻施常規(guī)肥每667 m2產(chǎn)511.1 kg，施生物炭基肥料每667 m2產(chǎn)598.7 kg，增產(chǎn)87.6 kg，增產(chǎn)率達(dá)17%。同時，施生物炭基肥料的水稻植株生長健壯，抗病、抗倒伏能力強(qiáng)。施常規(guī)肥的稻穗稻曲病發(fā)病率在20%左右，施生物炭基肥料的稻穗稻曲病發(fā)病率不足5%。生物炭基肥料可以把秸稈中的營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)移至土壤中，再從土壤中轉(zhuǎn)移到新種植的作物上，提高新生作物秸稈中硅的含量，很好地促進(jìn)了氮從秸稈向籽粒中的運(yùn)移，可促進(jìn)作物根系生長，使得作物秸稈表現(xiàn)得比較硬挺，比施常規(guī)肥的作物更抗倒伏。

2018年，東北地區(qū)大面積遭受夏澇、早霜災(zāi)害，黑龍江省黑河市生物炭基肥料示范區(qū)大豆表現(xiàn)出較好的抗逆性，每667 m2平均產(chǎn)量較往年提高10%，大豆蛋白質(zhì)含量達(dá)41.56%，比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植區(qū)大豆蛋白質(zhì)含量高出6.13%。生物質(zhì)炭為微生物的植入、生長與繁殖提供了有利條件，促進(jìn)豆科作物結(jié)瘤固氮，有效根瘤菌數(shù)量較多，大豆生長旺盛、根系發(fā)達(dá)，抗性強(qiáng)，頂端籽粒飽滿。

寧夏回族自治區(qū)吳忠市同心縣王團(tuán)鎮(zhèn)溝南村的紫花苜蓿草，施生物炭基肥料后增產(chǎn)25%;內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟科右前旗額爾格圖鎮(zhèn)的甜菜，施生物炭基肥料后增產(chǎn)39.4%。山東省莘縣施生物炭基肥料的圣女果，施常規(guī)肥田每667 m2產(chǎn)8 351 kg，糖度6.1;施生物炭基肥料示范田每667 m2產(chǎn)9 655 kg，糖度7.6，增產(chǎn)1 304 kg，增產(chǎn)幅度達(dá)15.61%，糖度提升1.5，增產(chǎn)和增甜效果顯著。

經(jīng)過大量的種植試驗(yàn)，作物施用生物炭基肥料比施用普通肥料，有機(jī)質(zhì)增加20%左右，作物每每667 m2增產(chǎn)10%左右，每每667 m2增效10%以上。生物炭基肥料中的生物質(zhì)炭保留了作物原有的有機(jī)質(zhì)，在土壤中轉(zhuǎn)化成活性有機(jī)物，可促進(jìn)植物代謝，確保植株健康，改善作物品質(zhì)，增加產(chǎn)量[6]。據(jù)測算，農(nóng)戶使用生物炭基肥料每667 m2可增收150～300元。以國家級貧困縣內(nèi)蒙古科右前旗為例，使用三聚地沃生物炭基肥料每667 m2可實(shí)現(xiàn)增收220元，人均年增收2 000多元，貧困人口戶均增收4 000多元。

2.4 提高肥料利用率

當(dāng)前國內(nèi)的不合理施肥極容易造成水體污染、土壤板結(jié)等問題，而農(nóng)作物自身對化肥的吸收利用率有限，生物炭基肥料能夠緊密結(jié)合生物質(zhì)炭與化肥，使肥效得以緩釋并減少化肥的流失，從而使化肥的使用量降低并提高其利用率[7]。多項(xiàng)試驗(yàn)表明使用該肥料，氮磷鉀無機(jī)肥使用量減少10%左右，甚至對于殘留較多化肥量的農(nóng)田土壤，當(dāng)季單純使用生物質(zhì)炭而不用化肥便可獲得高產(chǎn)效果。生產(chǎn)化肥往往需要大量的石油、天然氣及煤等不可再生資源，該肥料的使用也使這些能源的消耗大大節(jié)省。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本中化肥所需的費(fèi)用占據(jù)物資整體費(fèi)用的50%左右，國家和農(nóng)民每年需要在這方面支付大量的資金，因此使用生物炭基有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥除了將化肥使用量降低，還可大大節(jié)約生產(chǎn)成本。

3 結(jié)語

秸稈炭化還田，改良培肥土壤，提高耕地生產(chǎn)能力，提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)固碳減排，是推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。目前，我國關(guān)于生物質(zhì)炭在大氣及土壤碳循環(huán)中的作用和地位的研究剛剛起步，因此應(yīng)當(dāng)積極探索生物質(zhì)炭的作用規(guī)律并拓寬研究領(lǐng)域，將其技術(shù)和理論體系不斷豐富完善，如此才能有效促進(jìn)生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：趙中正）