稻稈炭化還田資源評價(jià)與利用分析

劉善良　孫鵬　付麗偉　姜阿寧

摘要 生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下高溫?zé)峤夂螽a(chǎn)生的富碳物質(zhì)，具有土壤固碳、修復(fù)等其他環(huán)境效益潛力，已在環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了應(yīng)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(yōu)勢，展望了炭化還田的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 稻稈；炭化還田；生物炭；優(yōu)勢

中圖分類號 S511? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jìn)行還田，直接還田比較簡單方便，在我國應(yīng)用廣泛。稻稈中含有氮、磷、鉀等養(yǎng)分，還田后產(chǎn)生一些小分子物質(zhì)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(jī)質(zhì)含量，改善土壤透氣透氧狀況。

秸稈直接還田會(huì)導(dǎo)致稻田土壤累積氨排放量增多，增幅達(dá)7.9%[2]，降低氮肥利用率。我國水稻種植區(qū)域跨度大，稻區(qū)特性不同，實(shí)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(huì)積累硫化氫、酚類等物質(zhì)[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(xiàn)象在我國北方地區(qū)較為常見，北方地區(qū)早春氣溫較低，在稻田保水的條件下，缺氧產(chǎn)生甲烷、硫化氫等氣體，會(huì)毒害水稻根系，易導(dǎo)致水稻出現(xiàn)黑根、爛根、紅葉、矮縮等問題。此外，因區(qū)域差異、土質(zhì)不同，直接還田方式需因地制宜。例如，東北耕地較厚區(qū)域，適合粉碎翻埋，較薄區(qū)域適合旋耕，還田后還需針對不同后茬作物，進(jìn)行精細(xì)化種植管理，適時(shí)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(xué)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(jīng)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(jié)約飼料用糧，豐富飼料來源，獲得有機(jī)肥。稻稈中含有高纖維、二氧化硅和木質(zhì)素，與其他飼料相比，它們在反芻動(dòng)物瘤胃中發(fā)酵緩慢。纖維素在反芻動(dòng)物瘤胃停留時(shí)間長，影響瘤胃有效容積[4]，另外由于反芻動(dòng)物無法消化木質(zhì)素[5]，從稻稈飼料中獲得的能量也相應(yīng)減少。如果稻稈在收割后或氨化時(shí)大面積發(fā)霉，不能用于飼喂牲畜。如果牲畜喂養(yǎng)主要使用稻稈，其采食量會(huì)減少，影響牲畜出欄。過腹還田制成的有機(jī)肥養(yǎng)分含量低、肥效長，通常作為底肥施用，但受地區(qū)牲畜養(yǎng)殖規(guī)模差異化限制，其推廣深度還有待加強(qiáng)。

1.2.2 堆漚還田。稻稈自然發(fā)酵軟化腐熟，一般需要60 d左右的時(shí)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(jìn)行15 d左右的高溫發(fā)酵腐熟，便可制成有機(jī)肥料還田，一般作為底肥施用。堆漚還田人力、時(shí)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(huán)境造成污染，加之漚肥較污濁，施用時(shí)較為不便。發(fā)酵時(shí)間受物料投入和發(fā)酵設(shè)備限制，大規(guī)模發(fā)酵過程中還應(yīng)注意采取臭氣和蚊蠅控制措施。另外，重金屬超標(biāo)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(zhì)在完全或部分缺氧，經(jīng)高溫?zé)峤夂笊傻母叨确枷慊墓腆w富碳物質(zhì)，生物炭其基本元素構(gòu)成為碳、氫、氧、氮和灰分，具有高度的穩(wěn)定性、較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)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(jī)質(zhì)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(zhì)積累量[10]，促進(jìn)了水稻植株的健康生長。生物炭對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量影響的效應(yīng)表現(xiàn)不一，但總體來說正向效應(yīng)大于負(fù)向效應(yīng)。

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(chǎn)區(qū)遍及全國各地，年種植面積基本穩(wěn)定在3 000 萬hm2，稻稈資源豐富，每年能產(chǎn)生約2 億t水稻秸稈[11]。隨著水稻產(chǎn)量的增加，稻稈量也將進(jìn)一步提高。

2.2 社會(huì)環(huán)境利好

低碳、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主題。生物炭具有強(qiáng)大的固碳潛力和空間，可能是唯一的以輸入穩(wěn)定性碳源而維持土壤碳庫平衡，提高土壤碳庫容量的物質(zhì)[12]，高度符合國家戰(zhàn)略要求。中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)碳排量始終高于歐美，農(nóng)業(yè)碳排放總量占比約7%～8%，不容忽視。目前，我國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的減碳仍處于起步階段，但關(guān)于碳中和、碳達(dá)峰的重大決策已經(jīng)提升到國家戰(zhàn)略。在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導(dǎo)則（2018—2030年）》中，生物炭基肥料等新產(chǎn)品及其生產(chǎn)工藝已被列為我國未來十多年農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)集成示范，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將會(huì)同有關(guān)部門，積極推動(dòng)農(nóng)作物炭化還田技術(shù)的研發(fā)推廣。

2.3 應(yīng)用技術(shù)成熟

當(dāng)前，我國在生物炭研發(fā)與應(yīng)用等方面已取得了一系列的成就，尤其是在針對農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭工藝及生物炭產(chǎn)業(yè)研發(fā)使用推廣方面，達(dá)到先進(jìn)水平[13]。目前，制備生物炭應(yīng)用較為廣泛的方法是熱裂解法，根據(jù)裂解技術(shù)的不同，制備方法可分為炭化技術(shù)、液化技術(shù)、氣化技術(shù)、微波熱解技術(shù)等[14]。炭化技術(shù)是最常用的技術(shù)，稻稈炭化機(jī)具有雜質(zhì)少、易燃燒、熱值高等特點(diǎn)。當(dāng)前，我國生物炭生產(chǎn)主要采用大規(guī)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(shí)現(xiàn)了萬噸級規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，部分企業(yè)炭化設(shè)備系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)成套化生產(chǎn)。生物炭應(yīng)用已在吉林、云南、貴州等地得到了大面積推廣[15]，為當(dāng)?shù)刂卫斫斩捨廴竞途C合應(yīng)用農(nóng)業(yè)廢棄物開辟了新的路徑。此外，炭化過程中可產(chǎn)出可燃?xì)?、木醋液和焦油等副產(chǎn)品。燃?xì)饪勺鳛槿剂现苯永?；木醋液可作為生物農(nóng)藥，用于蔬菜、水果等農(nóng)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(chǎn)品，更具有生產(chǎn)效益?？梢哉f，炭化是秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物資源綜合利用的一種有效途徑，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了剩余資源大量化、多樣化的合理利用，減輕了農(nóng)業(yè)廢棄物處理的壓力。

3 炭化還田的優(yōu)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(jié)構(gòu)，降低土壤容重，涵養(yǎng)水分等作用。生物炭能通過聚和小的有機(jī)分子形成有機(jī)質(zhì)，吸附土壤有機(jī)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(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)的形成[10，16]。

3.1.2 增加土壤微生物數(shù)量。生物炭具有較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和從環(huán)境中吸收有機(jī)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(dòng)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(xì)胞豐度。

3.1.3 調(diào)節(jié)土壤pH值，生物炭進(jìn)入土壤中，會(huì)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(jìn)而調(diào)節(jié)土壤pH值，促進(jìn)水稻生長。

3.1.4 減少氨揮發(fā)。以尿素為代表的肥料的應(yīng)用通常是銨離子的主要來源。在水稻生態(tài)系統(tǒng)中，地表水或土壤中的氨可以從這些區(qū)域的銨離子轉(zhuǎn)化而成，土壤氨揮發(fā)是稻田氮素?fù)p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(tuán)，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(fā)[18]，被認(rèn)為在控制NH3揮發(fā)和養(yǎng)分保留中起著關(guān)鍵作用。與直接還田分解不同，生物炭以其穩(wěn)定性著稱，可以很好地避免生物質(zhì)降解對NH3揮發(fā)的刺激[19]，且隨著時(shí)間推移，生物炭對所吸附的氮素表現(xiàn)出緩釋作用，增加酶促反應(yīng)底物，提高土壤脲酶活性。稻稈生物炭在試驗(yàn)條件下對土壤氨揮發(fā)具有很好的抑制作用，可減少20%以上稻田土壤氨揮發(fā)積累量[20]。

3.2 促進(jìn)水稻生長

根系是水稻吸收水分、養(yǎng)分，運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)，合成有機(jī)酸和氨基酸的主要器官，其控制地上部植株的形態(tài)，與水稻產(chǎn)量及品質(zhì)有密切聯(lián)系[21]。有研究表明，生物炭對水稻秧苗根系的形成具有促進(jìn)作用，當(dāng)秧苗的發(fā)根優(yōu)勢越強(qiáng)，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(shù)和根分支數(shù)）生長能力，改善營養(yǎng)土理化性質(zhì)，進(jìn)而提高秧苗綜合素質(zhì)[22]。生物炭具有高穩(wěn)定性和吸附性，能夠增強(qiáng)養(yǎng)分持留，通過提供和貯存營養(yǎng)元素以及改善土壤的理化性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)中低產(chǎn)稻田肥力提升，促進(jìn)水稻生長，提高水稻產(chǎn)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(huán)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(huì)增加16%以上水稻植株對氮素的吸收，促進(jìn)水稻生長效果優(yōu)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(chǎn)量，且增產(chǎn)量明顯大于直接還田[23]。

3.3 固碳減排

有機(jī)肥雖然能起到補(bǔ)充碳元素的作用，但效果微乎其微，持續(xù)期短，且有機(jī)肥是緩釋肥料，其有機(jī)質(zhì)含量雖高，但大部分有機(jī)質(zhì)短期內(nèi)不能溶于水，且以腐殖質(zhì)形式存在，需要經(jīng)土壤中的微生物長時(shí)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(chǔ)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(wěn)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(xiàn)者[25]。生物炭在土壤中平均存留時(shí)間約為2 000年[26]，可長期穩(wěn)定性存在。將植物體經(jīng)過炭化施到土地中，因?yàn)樯锾康姆€(wěn)定性，也可能通過其與團(tuán)聚體和礦物質(zhì)的物理相互作用，根系生物量的地下碳輸入趨于穩(wěn)定，僅有少量碳元素在微生物作用下轉(zhuǎn)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(wěn)定土壤中的有機(jī)物，維持土壤碳庫儲(chǔ)存平衡。

3.4 修復(fù)土壤重金屬污染

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，化肥農(nóng)藥的長期使用和污水灌溉等導(dǎo)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(gè)嚴(yán)重的全球性問題，砷在土壤中累積并由此進(jìn)入農(nóng)作物中，水稻吸收土壤中的砷比小麥、大麥等農(nóng)作物大一個(gè)數(shù)量級[27]。生物炭以其優(yōu)良的吸附特性引起了各方關(guān)注。研究表明，生物質(zhì)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(tài)，減少植物砷、鎘的積累[28-29]。當(dāng)前，利用各種生物炭修復(fù)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(fù)合污染土壤修復(fù)也有大量學(xué)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(jìn)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(luò)合沉淀等作用向著更加穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)化[30]。

工業(yè)污泥、江河沉積物造成的重金屬污染受到了廣泛關(guān)注，當(dāng)使用水稻生物炭處理沉積物時(shí)，其具有較大的表面積和較強(qiáng)的陽離子交換能力，使沉積物pH值和有機(jī)質(zhì)含量增加，并吸附受污染土壤中的重金屬和有機(jī)物，使其得到修復(fù)，從而降低污染物的生物有效性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。由于具有固碳和其他環(huán)境效益的潛力，生物炭已被廣泛用于環(huán)境修復(fù)。

4 展望

小農(nóng)生產(chǎn)中，大型機(jī)械操作不便，農(nóng)時(shí)氣候變化等因素，使稻稈還田范圍與規(guī)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(jìn)水稻保質(zhì)增產(chǎn)，保持土壤肥力，實(shí)現(xiàn)稻稈資源合理化利用，減少露天焚燒帶來的大氣污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)循環(huán)發(fā)展。在“雙碳”背景下，稻稈炭化還田為污染治理和資源綜合應(yīng)用開辟了嶄新的途徑，生物炭產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程持續(xù)加快，農(nóng)業(yè)發(fā)展前景廣闊。

今后，稻稈炭化還田應(yīng)用過程中，可在以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：①構(gòu)建稻稈收集、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸體系，形成完整的炭化還田產(chǎn)業(yè)鏈，并鼓勵(lì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)購置小型炭化設(shè)備，推行田間就地炭化處理；②加大扶持規(guī)?；径捑C合利用企業(yè)的力度，鼓勵(lì)企業(yè)積極參與炭化成品生產(chǎn)應(yīng)用；③建立稻稈炭化還田應(yīng)用示范，加強(qiáng)推廣力度，發(fā)揮區(qū)域引領(lǐng)示范作用；④向種植戶宣傳普及炭化還田技術(shù)，更新農(nóng)業(yè)人員的種植理念。

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（責(zé)編：張宏民）