摘要:綜合分析木醋液在農(nóng)業(yè)上的應用,以期為木醋液在新疆農(nóng)業(yè)上的高效利用以及推動農(nóng)業(yè)綠色健康可持續(xù)發(fā)展提供參考。利用統(tǒng)計學方法,通過文獻檢索、資料整理,分析木醋液在農(nóng)業(yè)上的研究進展情況。木醋液是一種含有有機酸、酚、醛、酮、醇、呋喃等復雜成分的化合物,其成分和作用受原料來源、熱解溫度時間、分離精制方法以及儲存條件而不同;根據(jù)木醋液用途的不同可采用靜置法、活性炭吸附法、蒸餾法、萃取法等方法進行精制分離;精制木醋液作為土壤改良劑,通過提高土壤有機碳和土壤養(yǎng)分含量,降低pH值,促進鹽分淋溶,改良障礙土壤,提高作物產(chǎn)量;作為增效劑易于細胞分裂分化,調(diào)節(jié)植物生長,促進化肥農(nóng)藥更快的吸收利用;通過破壞細胞膜,抑制細胞分裂速度和蛋白合成達到抑菌功能。木醋液作為農(nóng)林廢棄物熱解炭化過程中高附加值、成分復雜的副產(chǎn)品,能夠抑制病原菌、調(diào)節(jié)內(nèi)源物質(zhì)、提高作物抗逆性,從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效。
關鍵詞:木醋液;農(nóng)業(yè)應用;改良劑;增效劑;綠色防控制劑
中圖分類號:S145.2;X71;X72 文獻標志碼:A
文章編號:1002-1302(2024)18-0018-08
收稿日期:2024-04-26
基金項目:新疆維吾爾自治區(qū)重點研發(fā)計劃(編號:2022B02013-3);新疆農(nóng)業(yè)大學研究生科研創(chuàng)新項目(編號:XJAUGRI2024038)。
作者簡介:楊 柳(1998—),女,內(nèi)蒙古呼倫貝爾人,碩士研究生,從事土壤改良與利用研究。E-mail:59959383@qq.com。
通信作者:唐光木,碩士,研究員,從事農(nóng)林廢棄物炭化利用研究,E-mail:tangjunhui5120@126.com;徐萬里,博士,研究員,從事鹽堿土改良與利用研究,E-mail:wlxu2005@163.com。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)資源較為豐富,但也面臨著秸稈資源浪費、環(huán)境污染等問題,嚴重制約著綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展,據(jù)統(tǒng)計,2020年我國秸稈產(chǎn)生量約為8.29億t,主要分布在東北、河南、四川等產(chǎn)糧大省,可收集資源量約占產(chǎn)生量的84%;預計在2030年秸稈產(chǎn)生量約為9.16億t,可收集資源量約占產(chǎn)生量的84%;2060年秸稈產(chǎn)生量約為12.34億t,可收集資源量約占產(chǎn)生量的81%[1],推進生物質(zhì)能源化、高值化利用,是加快推動農(nóng)作物秸稈等農(nóng)林廢棄物綜合利用的重要途徑。農(nóng)林廢棄物高溫炭化得到生物質(zhì)炭及其副產(chǎn)物木醋液,木醋液作為高附加值產(chǎn)品,可廣泛應用于農(nóng)、林、牧、工、醫(yī)等諸多領域[2-5]。木醋液也叫植物酸,是生物質(zhì)熱解炭化過程中,水分、纖維素、半纖維素等物質(zhì)受熱分解,產(chǎn)生的煙霧至冷凝器中冷凝分離得到的具有煙熏氣味的液體混合物(隨著熱解溫度的變化,顏色在淺黃色和紅棕色之間變化)[6-8]。木醋液是一種成分非常復雜的化合物,除了水分之外,主要有有機酸、酚、醛、酮、醇、呋喃類等200多種物質(zhì)[9],同時,木醋液成分隨原料來源、熱解溫度、熱解時間、精制方法、儲存條件等不同而變化[10]。木醋液作為植物生長調(diào)節(jié)劑能夠促進作物生長,提高作物產(chǎn)量[4,11-12],作為土壤改良劑能夠改善土壤,提高土壤質(zhì)量,降低土壤含鹽量[13]和pH值,抑制銨損失,減輕N2O和CH4排放[14],調(diào)節(jié)細菌群落,滅活植物病原菌[15],促進作物生長并提高作物產(chǎn)量。研究表明,木醋液能夠提升IkiGIK6wTI1rfWorqw0v/w==番茄果實產(chǎn)量和類胡蘿卜素含量[16],且木醋液和生物炭聯(lián)合施用可降低土壤抗生素抗性基因豐度[17],同時,還可提高沿海土壤中的花生[18]、藍莓果實[19]產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì);還能作為果蔬保鮮劑[20-21],其復合保鮮膜能夠降低滲濕率,提高雞蛋貯藏期[22];作為飼料添加劑[23-24]能夠改善動物腸道內(nèi)pH值,調(diào)節(jié)微生物群落平衡,提升肉中有益脂肪和氨基酸含量[25]等。開展農(nóng)林廢棄物熱解木醋液副產(chǎn)品農(nóng)用效果與效益研究,有助于推動木醋液在新疆農(nóng)業(yè)上的的應用和發(fā)展。通過文獻檢索、收集整理及分析等方式,闡明木醋液在農(nóng)業(yè)上的應用,以期為木醋液在新疆農(nóng)業(yè)上的高效利用以及推動農(nóng)業(yè)綠色健康可持續(xù)發(fā)展提供研究方向和思路。
1 木醋液的制備與分離
1.1 木醋液的制備
木醋液是生物質(zhì)經(jīng)過高溫炭化得到的粗木醋液(棕黑色液體且含有大量焦油等有毒有害物質(zhì))經(jīng)過進一步精制分離獲得的顏色較淺或澄清液體。作為農(nóng)林廢棄物熱解的副產(chǎn)物,木醋液的制備更是能源富集的有效途徑,可實現(xiàn)資源化、清潔高效利用[26-27]。其制備流程如圖1所示。
1.2 木醋液的分離
生物質(zhì)高溫炭化熱解得到的粗木醋液易發(fā)生氧化、聚合反應且含有大量雜質(zhì)及有毒有害物質(zhì),需根據(jù)不同用途采用不同的方法進行精制分離[28],目前通常采用活性炭吸附法、靜置法、蒸餾法、萃取法等(表1)[29-40]。
1.2.1 活性炭吸附法 活性炭吸附法通常是以活性炭作為吸附材料,利用吸附原理,將粗木醋液中的可溶性焦油等物質(zhì)進行分離,只限制使用于單純的除去沉淀物及懸浮物,常用木炭或活性炭為吸附劑,向粗木醋液中加入活性炭,充分混合后靜置過濾,得到精制木醋液。柏明娥等研究發(fā)現(xiàn),采用蒸餾、精餾、活性炭吸附對粗木醋液進行精制過程中,活性炭吸附法對總酸的影響較小[30]。
1.2.2 靜置法 靜置法精制分離木醋液時,需選用耐腐蝕的靜置容器,利用木醋液各組分之間的密度差異原理,將采集到的粗木醋液靜置30~180 d,通過靜置使粗木醋液中的不穩(wěn)定成分發(fā)生氧化、聚合反應,從而使其產(chǎn)生沉淀,上面部分清液作為精制木醋液使用,下層為焦油。該方法操作簡單成本低,但耗時較長。曹宏穎等在研究中表明,采用靜置法且靜置時間最少6個月的木醋液作為植物生長調(diào)節(jié)劑葉面噴施效果最佳[28]。
1.2.3 蒸餾法 蒸餾法是通過木醋液組成成分之間沸點差異,對其進行分離的一種方法,通常有常壓蒸餾和減壓蒸餾2種。常壓蒸餾主要是指先將以醋酸為主以及沸點低于其的組分與水一起蒸餾出來,其次餾出的是沸點較高的酚類物質(zhì),但為將不穩(wěn)定因素更好地去除的同時餾分中所含化合物的種類也隨之減少,需對餾出部分進行循環(huán)蒸餾。減壓蒸餾與常壓蒸餾的不同之處就在于減壓蒸餾可以在比常壓溫度低的條件下進行。許英梅等研究發(fā)現(xiàn),采用蒸餾法精制木醋液不僅可以去除粗木醋液中大分子有色物質(zhì)同時更便于乙酸等羧酸的富集[34]。
1.2.4 萃取法 萃取法是利用相似相溶原理,對目標成分進行分離和提純的一種方法。楊頔等研究木醋液中酚類物質(zhì)的富集及采用pH值梯度萃取法選擇富集酚類物質(zhì)最優(yōu)萃取劑,結果表明,采用5%碳酸氫鈉溶液處理的有機溶液用4%氫氧化鈉溶液進行1 ∶1配比后進行3次萃取,酸化pH值為5.0,最后乙酸乙酯萃取酸化后的水層,得到的產(chǎn)物富集酚類物質(zhì)效果最好[35]。此外,有研究提出了聯(lián)合法精制木醋液,聯(lián)合法實現(xiàn)了各單一方法的互補,其分離效果最好,但操作復雜[37-38]。
2 木醋液的成分分析
木醋液的制備受炭化原材料種類及水分含量、制備工藝(熱解溫度)等的影響,造成其組成成分之間的差異[41]。木醋液的化學成分較為復雜,除含有4/5左右VEpUdttdtswnlMKTtU3UaM+K3RUdtUNF7Xr5BXCRKxs=的水分外,主要含有機酸類、醛類、酮類、酚類等多種有機化合物和少量無機物(Fe、Ca、Na、Mg等)的水溶液[42]。此外,木醋液組成成分的剖析方法諸多,主要涉及的有綜合運用氣相色譜法(GC)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)、高效相液相色譜法(HPLC)及柱層析等方法[43-45],并且木醋液樣品需要進行適當?shù)姆蛛x精制。由于木醋液中含有很多活化成分,在存儲過程中會不斷發(fā)生氧化、聚合反應,其成分也隨之變化。根據(jù)熱解溫度可分為低溫、中溫、高溫熱解,不同熱解溫度,產(chǎn)物的分配量也不同,熱解溫度越高,其可燃氣產(chǎn)量和粗木醋液的產(chǎn)量越大,生物質(zhì)炭產(chǎn)量較小[46]。
2.1 生物質(zhì)原料對木醋液組成成分的影響
木醋液的制備原料來源廣泛、種類多元化,原料不同的同時也會導致所制取木醋液成分差異化。同種科屬植物木醋液成分未必相同,李夢媛等在對3種樺木屬植物木醋液成分分析研究中表明,3種樺樹木醋液主要成分與樹種存在主要關聯(lián)[47];史冠昭等在研究中表明,普通核桃與鐵核桃木醋液參數(shù)及化學成分雖有相似,但相同的物質(zhì)在成分的相對含量上存在差異[48]。不同生物質(zhì)種類制備木醋液組成成分見表2。
2.2 熱解溫度對木醋液組成成分的影響
熱解溫度是生物質(zhì)熱解制取木醋液一個非常重要的影響因素,熱解溫度的差異會導致熱解產(chǎn)物組成成分的差異化[61-62]。Wu等的研究表明,在不同溫度下,以低加熱速率(10 ℃/min)進行,隨著熱解溫度的升高,木醋液的產(chǎn)率呈現(xiàn)先增再減的趨勢。一般300~350 ℃熱解溫度下制備的木醋液產(chǎn)率最高[63-64]。張浩寬等在探究采用干餾法306~600 ℃制取山茱萸果核木醋液研究中表明,茱萸果核木醋液的抑菌活性與其有機酸類和酚類物質(zhì)的質(zhì)量濃度密切相關,且熱解溫度為506~556 ℃時制取的木醋液抑菌活性最佳[65]。郭根茂等在研究中發(fā)現(xiàn),木醋液熱解溫度低于或高于350 ℃時各組分之間都存在顯著差異,低于350 ℃時酸類物質(zhì)相對含量較高,高于350 ℃時酚類物質(zhì)相對含量較高[66]。任衍森等在研究中發(fā)現(xiàn),熱解溫度達到700 ℃時隨著溫度升高,木質(zhì)素熱解加劇,酚類物質(zhì)增多,總酚含量達到最高值;而500~700 ℃時總酸的濃度卻呈下降趨勢,這主要是因為此時的木醋液二次裂解作用加強和有機酸分解[67]。熱解溫度對木醋液組分的影響見表3。
3 木醋液在農(nóng)業(yè)中的應用
木醋液是生物質(zhì)熱解的高附加值產(chǎn)品,存在多種活性化合物,富含酸類、酚類、酮類、呋喃類、醛類、醇類、酯類和醚類有機化合物[72],酸類化合物(主要是乙酸)和酚類化合物(主要是愈創(chuàng)木酚)使木醋液具備優(yōu)良的抗微生物活性和抗氧化活性,并且酚類化合物使其具有煙熏氣味的獨特性質(zhì)[73],能夠起到有效趨避蟲害的作用,是一種綠色無公害產(chǎn)品。Lu等在研究中發(fā)現(xiàn),木醋液調(diào)節(jié)性能與酸和酚含量有關,并表明酸性物質(zhì)具有促進作用,酚類物質(zhì)具有抑制作用[40]。木醋液在農(nóng)、林、牧、工、醫(yī)等方面都有廣泛的應用,本文主要從木醋液在農(nóng)業(yè)上作為土壤改良劑、輔助增效與植物生長調(diào)節(jié)劑和防控制劑(殺菌抑菌病蟲害防治)等[74]方面進行闡述。
3.1 土壤改良劑
木醋液作為土壤改良劑,主要是通過提高土壤有機碳、氮、速效磷、速效鉀含量,降低鹽堿土pH值來改善土壤質(zhì)量[75],這可能是由于木醋液本身有機活性分子較多又呈酸性,使土壤膠體之間離子遷移,土壤養(yǎng)分釋放后活性增加[76],從而提升利用效率。韓浩章等在研究中發(fā)現(xiàn):經(jīng)木醋液處理后樟幼苗土壤有機質(zhì)含量明顯升高,且濃度越高差異越顯著[77]。Sun等指出共同施用腐殖酸尿素和木醋液后,小麥和玉米的產(chǎn)量和氮肥利用效率都有顯著提高,且經(jīng)過聯(lián)合處理的植物氮利用效率顯著優(yōu)于單獨使用腐殖酸尿素或木醋液處理的植物,這主要原因可能是腐殖酸增加了土壤大團聚體和有機質(zhì)的含量,促進了大團聚體的穩(wěn)定性,以及改善鹽漬土的土壤結構[78]。木醋液能有效降低土壤pH值,促進鹽離子的淋溶,增加土壤大團聚體的數(shù)量[79-80],減少N2O和CH4從土壤表面的揮發(fā),能夠改良障礙土壤,提高作物產(chǎn)量[81]。于雷等在研究中發(fā)現(xiàn),施用木醋液后土壤有效磷含量明顯增加,尤其是稀釋50倍效果較為顯著,是對照組的1.45倍,同時在稀釋50倍時銨態(tài)氮以及水溶性有機氮含量提升最為明顯[74]。潘潔等指出土壤中施入木醋液后有效磷、速效鉀含量明顯升高,且隨著施入量越大效果越顯著,其中7.5 t/(次·hm2)效果最好[82]。周紅娟等將雞糞與木醋液作為土壤改良劑共施可顯著降低鹽堿土的pH值,且顯著提高鹽堿土養(yǎng)分含量和酶活性[83]。Lashari等指出生物質(zhì)炭和木醋液的混合施用,用于土壤堆肥過程,顯著減少了土壤pH值和含鹽量,增加了土壤肥力,從而提高小麥產(chǎn)量[84]。Yuan等在沿海土壤中的研究表明,生物炭和木醋液配施對土壤pH值在根際和非根際土壤中幾乎沒有變化,但增加了土壤養(yǎng)分的有效性,這可能與沿海土壤高緩沖能力有關[18]。木醋液作為土壤改良劑與生物炭配施對藍莓樹的生長沒有顯著影響,而果實產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)卻呈增加趨勢[19]。
3.2 輔助增效與植物生長劑
木醋液組成成分較為復雜,作為輔助增效劑與植物生長劑,針對不同土壤、不同作物施用量均不同,適宜施用量不僅可以促進種子萌發(fā),同時提高作物抗逆性[85],這主要是由于木醋液中的有機酸成分使根部細胞酸化后易于根細胞分裂分化,調(diào)節(jié)植物生長、促進發(fā)育,從而提高作物抗逆性[86]。盧辛成等指出低濃度木醋液使小麥超氧化物歧化酶、過氧化物酶、吲哚乙酸等含量呈不同程度增加,促進小麥生長,但高濃度木醋液使得超氧化物歧化酶、過氧化物酶、吲哚乙酸等含量下降,則抑制了小麥幼苗的生長[87]。魏泉源等在研究中表明,葉面噴灑木醋液提高芹菜的產(chǎn)量和維生素C含量,其中稀釋300倍的木醋液效果最顯著,產(chǎn)量和維生素C含量增加17.2%和25.6%[88]。
木醋液作為輔助增效劑可以提高農(nóng)藥溶解度使其發(fā)揮藥效,使作物根部和葉面的吸收性變強,能夠更好地吸收肥料或農(nóng)藥,增加其使用效果[63,89],實現(xiàn)農(nóng)藥增效減量。曹瑩等通過木醋液與萘乙酸鈉復合作用指出,使用稀釋600倍木醋液與20 mg/L萘乙酸鈉混合對花生葉片噴施3次,促進花生的光合作用,抑制花生的株高,提高花生的有效分枝數(shù)[90]。張玉鳳等的研究表明,木醋液與水溶肥協(xié)同葉面噴施能夠提高小麥SOD、POD活性,降低MDA含量從而提高小麥抗熱干風的能力[91]。由于木醋液中含有醛類、醇類、酮類等物質(zhì),可以改善作物的葉、根等組織的通透性,促進作物養(yǎng)分的吸收[92],能夠使農(nóng)藥、化肥快速進入植物體內(nèi),從而促進農(nóng)作物的快速生長。此外,木醋液還能防止肥料有效成分流失,固定肥料中的氨[93]。木醋液在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作為輔助增效與植物生長劑時,需要注意不能與堿性農(nóng)藥混合使用。
3.3 綠色防控制劑
木醋液作為綠色防控制劑對多種菌種具有良好的抑菌作用,近年來的研究發(fā)現(xiàn)對大腸桿菌、金黃色葡萄糖球菌、黃色鐮刀菌等均具備很好的抑制作用[94]。國內(nèi)外學者對木醋液發(fā)揮抑菌活性的化學組成進行了研究,但研究結果尚不一致。有研究表明,木醋液有機酸的含量與其抑菌活性有著密切的關聯(lián),對植物中抑菌物質(zhì)進行提取、分離探索其抑菌原理表明,在抑菌過程中起到關鍵作用的是乙酸乙酯,其次是氯仿(三氯甲烷)[95-96]。也有研究表明木醋液中酚類物質(zhì)對其抑菌活性起決定性作用[97-99]。將山茱萸果核木醋液不同熱解溫度相對含量較高的10種成分進行活性組分分析,研究其抑菌效果,發(fā)現(xiàn)與糠醛質(zhì)量濃度呈負效應,與其他9種成分呈正效應。3種供試菌的抑菌圈直徑與所含量較高的10種成分均表現(xiàn)出較強的正效應關系,且在6種酸類物質(zhì)中異戊酸表現(xiàn)出的關聯(lián)性最強,酚類物質(zhì)中愈創(chuàng)木酚表現(xiàn)最強,結果表明該木醋液的抑菌活性與其酸類和酚類物質(zhì)協(xié)同作用密切相關[65]。木醋液主要是通過抑制細菌分裂速度、破壞細菌細胞膜、外泄細菌內(nèi)部電解液以及抑制細菌蛋白合成來實現(xiàn)抑菌性能[99]。木醋液與褪黑素、芐氨基嘌呤、葡萄糖酸鈉復配葉面噴施,顯著提高對蘿卜、白菜菌核病的防治效果[100]。王文杰等通過盆栽試驗和田間小區(qū)試驗,施用稀釋50倍的竹醋液對番茄碎倒病有較好的防治效果[101]。肖輝等將木醋液與殺菌劑(腐霉利等)配施,不僅對番茄枯萎病起到很好的防治效果,同時還可以減少農(nóng)藥的用量[102]。
4 討論
木醋液是生物質(zhì)熱解炭化的高附加值產(chǎn)品,具有原料易得、成本低廉、綠色環(huán)保等特點[11]。木醋液成分較為復雜,除水和有機酸為主要成分外還含有幾百種化合物,不同的生物質(zhì)原料、制取溫度以及木醋液活性成分的氧化、聚合反應等因素[103],致使木醋液成分不同,導致其作用也存在差異,極大限制了木醋液在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用。針對不同生物質(zhì)原料,確定其應用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范圍內(nèi)的適宜制備工藝,加強對木醋液制備工藝流程、施用規(guī)范的研究,同時出臺生產(chǎn)制備工藝流程以及液體肥、葉面肥、綠色防控制劑等相關農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用技術標準,規(guī)范木醋液有效推進木醋液的應用與推廣,加強對木醋液對植物、農(nóng)藥、肥料增效機制以及鹽堿土改良機理方面的研究,精確把控農(nóng)林廢棄物熱解副產(chǎn)品木醋液施用量和施用技術方法。
5 結論
農(nóng)林熱解廢棄物木醋液,作為多功能土壤改良劑具有降低土壤鹽分和pH值,調(diào)節(jié)細菌群落、滅活植物病原菌,提高作物抗逆性,促進作物生長并提高作物產(chǎn)量等優(yōu)點,同時作為一種新型的綠色環(huán)保的再生資源,在新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展具有較為廣泛的應用前景。依托新疆林果、棉花豐富的資源優(yōu)勢,充分發(fā)揮農(nóng)林廢棄物熱解產(chǎn)物生物炭、木焦油、木醋液的協(xié)同增效作用,推動木醋液賦能新疆林果、畜牧、糧油、有機果蔬、棉花產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
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