本文摘要：摘要：我国农作物秸秆资源量大，种类丰富，分布范围广泛，碳含量高，具备良好的资源化潜力。利用秸秆制备的炭基肥作为一种土壤肥力改良与修复材料，因具有发达的孔隙结构、较高的比表面积和阳离子交换量等性质，可有效提升土壤肥力质量和农作物产量，成为当
摘要：我国农作物秸秆资源量大，种类丰富，分布范围广泛，碳含量高，具备良好的资源化潜力。利用秸秆制备的炭基肥作为一种土壤肥力改良与修复材料，因具有发达的孔隙结构、较高的比表面积和阳离子交换量等性质，可有效提升土壤肥力质量和农作物产量，成为当下的研究热点。本文通过综述我国秸秆资源分布特征、秸秆炭基肥的主要制备技术及其在土壤质地改良方面的研究进展，指出了炭基肥提升作物产量品质的效应，旨在为秸秆炭基肥在我国农业生产中大规模推广应用提供参考。
关键词：秸秆;生物炭;炭基肥;土壤;作物
随着集约化农业生产的发展，以秸秆为代表的农业废弃物产量激增，全球每年有近40亿吨的产量，我国每年秸秆产量可达到9.8亿吨，如何高效资源化利用农业废弃物是当下亟待解决的问题。传统的秸秆利用以直接还田、焚烧或丢弃为主，不仅利用效率低下，还会造成严重的环境污染。如何在不造成环境污染的前提下，高效利用秸秆资源成为实现农业可持续发展的研究热点。
农作物论文范例：农业机械在农作物种植中的作用探讨
生物炭作为一种重要的可再生资源，主要以农业废弃物如秸秆、动物粪便等为原料，在厌氧或缺氧的条件下，经一定的温度(700℃)热解产生的含碳量高、具有较大比表面积，稳定的固态物质，还包括少量的微量元素[1]，利用生物炭与肥料掺混、包膜定型以及化学反应等方式制备炭基肥，在农业领域已被广泛研究[2]。因此，以秸秆为原料制备高品质生物炭控释材料，与肥料混合生产生物炭基肥料，成为利用秸秆资源和替代传统化肥的主要途径之一，这不仅有利于农业提质增效，还能减少农田面源污染风险[3]。
2017年月28日，国家农业部发布了《关于推介发布秸秆农用十大模式的通知》(农办科[2017]24号文件)，提倡将“秸秆炭化还田、土壤改良技术”作为重点秸秆农用模式推广。2020年，秸秆炭基肥利用增效技术更是入选了农业农村部十大引领性技术，极大推进了秸秆炭基肥的市场前景。本文以秸秆炭化制肥为出发点，对我国农业秸秆的分布特征、生物炭与炭基肥制备技术及相关土壤应用研究进行了阐述，为秸秆的高效资源化利用及炭基肥的制备提供借鉴。
1.我国秸秆的组成结构和分布特征
据农业农村部统计，2016年我国秸秆产量达9.84亿吨，位居世界第一位，且以每年3%速率增加[4,5]。当前我国秸秆资源主要为水稻、玉米、小麦秸秆，三大作物秸秆量约占总量的83.51%，油菜、甘蔗等其他作物秸秆作为次要来源占比较小[6]。钟华平等[7]研究表明，我国秸秆资源总量自1949年以来呈线性增长趋势，且以粮食作物秸秆增长为主;随着农业种植结构的调整和种植技术的提高，次要秸秆来源在1980年后产量才急剧增长。
本文以《2020年中国统计年鉴》中主要农产品产量为基础[8]，采用草谷比法[9]，测算了我国015至2019年间农作物秸秆资源组成分布，结果表明，这年间玉米秸秆的年均产量位居第一位，达3.1亿吨，占测算总量的39.73%;水稻秸秆产量次之，为1.9亿吨，占比约24.14%;小麦秸秆年均产量也达到了1.4亿吨，占比达18.55%;而其他作物秸秆相较于这类有较大差距，仅豆类、甘蔗、油菜秸秆年均产量超过了2000万吨，仅占总量的10.73%;棉花、薯类和花生等作物秸秆的年均产量超过了1300万吨;而烟草、甜菜等作物的秸秆年产量均不足1000万吨。从秸秆元素组成上来看，各类秸秆的、元素含量均在32%以上，含量普遍较低。各类秸秆相比，水稻秸秆灰分含量最高，小麦秸秆有着较高的固定碳含量，小麦和甘蔗秸秆木质素含量较高，甘蔗和玉米秸秆则有着较高的挥发分含量。
秸秆资源的分布与自然地理环境、农业生产和经济条件有着密切的关系，区域差异大。我国秸秆资源主要集中在东北、华东和华中地区，2019年个地区的秸秆产量为4.82亿吨，约占全国秸秆总产量的60.7%，华北、西北、西南地区秸秆资源相对较少，分别占总产量的13.06%、8.45%、11.01%。
从省域尺度来看，2019年各省中黑龙江省产量最大，达到了8650万吨，河南和山东的秸秆产量均超过6000万吨，省秸秆产量约占全国秸秆总量的29.11%;吉林、内蒙古、河北、安徽、四川、江苏等10个省份的秸秆资源也很丰富，产量均超过了3000万吨，约占该年度全国总量的48.65%;秸秆年产量超过1000万吨的省份还有辽宁、云南和江西等个省市，其秸秆资源总和占全国总量的19.50%;此外，有个省市自治区在该年的秸秆产量不足1000万吨，其中上海、西藏、北京等地区不足100万吨，仅占全国总量的0.20%。
根据我国秸秆的组成结构和分布特征，针对生物炭基肥的开发利用提出了以下建议措施：1)玉米、小麦和水稻秸秆，因其具有高的碳含量和一定的木质素含量，养分含量较低特点，适合于开发生物炭吸附控释材料和土壤修复改良材料;2)针对东北、河南、山东等高秸秆产量的平原地区，建议建立规模化生产的炭基肥设施及相关企业[12]，并给予相关的政策补贴，大力发展基于秸秆炭基肥还田的循环农业模式;3)针对秸秆产量达到一定规模、但地形条件相对复杂且秸秆不易搜集和运输的地区，鼓励相关村镇开发小型的移动式炭化设备，实现生物炭基肥的现场制备及还田利用。
2.秸秆炭基肥的制备技术
2.1秸秆生物炭制备技术
利用秸秆制备生物炭目前已有大量的研究，生物炭的理化性质因秸秆种类的不同存在差异性，相同制备条件下，水稻秸秆生物炭有着更高碳、氮含量及更大比表面积和孔隙容积，对养分有着较强的吸附能力;玉米秸秆炭孔隙分布更为密集，层理结构更为明显22;甘蔗、玉米秸秆炭灰分含量低;小麦、豆类秸秆炭具有较高的碳氮比。生物炭特性除了受到原料种类的影响，热解条件也起到了决定性作用。目前比较常见制备方式有慢速热解、快速热解、热解气化、水热炭化等。
慢速热解是相关文献中生物炭制备应用最广的技术，其加热速率较慢，一般为20~100℃·min，反应温度约为300~800℃，制备的生物炭比表面积和碳含量较高，随着热解温度的升高，pH、比表面积和芳香化程度逐渐增加，产率逐渐下降，孔隙结构更加完善[2;快速热解有着更高加热速率，约为100~1000℃·s，其生物炭芳香化程度、含水量和密度更高，产率和pH偏低30;热解气化是在高温和限氧条件下，将生物质转化成一氧化碳和氢气，其生物炭产率相对较低，但具有较大的比表面积;水热炭化以水蒸汽和生物质反应制备生物炭，需要较低的反应温度和较长的停留时间，水热炭具有较高的产率和更为丰富的含氧、含氮官能团2325;闪蒸炭化加热速率极高，可将热解蒸汽迅速冷却得到液体产物[231。
对生物炭进行改性处理可使其理化性质得到改善。姚春雪[32]使用磷酸活化小麦秸秆制备生物炭，发现磷酸改性提高了秸秆生物炭比表面积及表面官能团、有效养分含量和阳离子交换量。Li等[33]发现使用20%的Mg处理的磁性生物炭，可增加表面Mg–和Fe–基团的含量，使其对水溶液中磷酸盐的吸附量达99.5%，高于未改性的生物炭。
2.2秸秆炭基肥制备技术
当前研究中，秸秆炭基肥的制备方法主要有掺混法、吸附法、化学反应法、混合造粒法和包膜法。掺混法直接将生物炭与化肥快速混合，生产效率最高[34]。生物炭与肥料的配比是影响其应用效果及场景的主要因素，炭基肥在促进玉米植株生长和提高土壤性状方面效果最优;肥炭比为∶时，对土壤氮循环微生物功能群落正效应最佳[35,36]。吸附法是将生物炭在一定浓度的肥料溶液中浸泡制备得到秸秆炭基肥，又称为固–液吸附型炭基肥。
表征结果发现氮素能够进入生物炭的孔隙中，并有效延缓肥料在静态水和土壤溶液淋溶条件下养分的释放[37,38]。化学反应法与吸附法类似，将生物炭和肥料在反应釜中混合，通过加热、搅拌等方式使其充分反应制备生物炭基肥，具体生产方式与选用肥料种类有关。张雯在反应釜中添加一定比例的硝酸、氨水和生物炭，通过搅拌反应并调节pH值至中性得到产物，干燥后得到反应型炭基肥。
ElSharkawi等39则使用氨气与生物炭进行反应制备炭基肥。研究结果表明，反应型炭基肥对提高养分利用率、增加小麦和玉米等作物产量方面的效果均要优于掺混型和吸附型，而吸附型炭基肥比掺混型的施用效果要更显著[2,4043]。上述方法制备的炭基肥多为粉状颗粒等未成型的形式，这对炭基肥的运输、贮存、施用等产业化发展方面造成诸多不便。混合造粒法将生物炭和一种或多种肥料粉碎成粒度均匀的粉末颗粒，然后通过各类机械成型方式进行造粒，是当前主要的炭基肥生产方法，具体可分为团聚造粒成型和挤压柱状成型两种方式[44]。
团聚造粒是将粉状颗粒在液桥的作用下积聚成小颗粒，而后通过设备转动使黏聚的小颗粒在重力作用下成型;挤压柱状成型则是在机械外力作用下，将粉状的炭基肥直接挤压成型，其产品有着更高的机械强度、生产效率和缓释性能[45]。不同的原料配比对造粒的机械强度也有着一定的影响，马欢欢等[46]研究发现，使用70%的基础肥料、16.6%的秸秆生物炭、13%的水制备挤压柱状炭基肥时，常温下不需要粘接剂即可达到国家标准。包膜法是以细粉颗粒生物炭为膜层，对速效性颗粒肥料进行包裹，制备得到炭基肥，施用后可逐渐释放养分供给作物，能够有效减少肥料养分在土壤中分解、挥发、冲蚀，提高养分利用率[47]。
但使用生物炭进行包膜的炭基肥多为细粉状颗粒，难以运输，使用其他包膜材料及粘接剂剂对炭基肥进行成型处理，可提高其机械强度。苑晓辰等[48]以乙基纤维素为成膜材料，戊二醛为交联剂，邻苯二甲酸二乙酯作为增塑剂，吐温80为乳化剂，采用溶液共混法制备出的炭基肥包膜材料，经测试其机械强度、渗透率、吸水率等特性均满足作为炭基肥包膜的需求。在包膜成型和混合造粒成型技术中，粘接剂起到了非常重要的作用，在生物炭和肥料的基础上添加粘接剂能大幅提高炭基肥的成型率和农用效果，成型效果主要与粘接剂的类型有关。
当前的粘接剂主要有木质素、羧甲基纤维素钠、淀粉等。木质素储量大，无毒，可降解再生，是良好的炭基肥粘接剂[49];羧甲基纤维素钠由天然纤维素或淀粉经化学改性而成，使用时需添加酸、碱、醇的方式增加其粘接性能，其实际粘结效果最优[50];淀粉粘接剂由小麦、玉米和薯类淀粉通过煮浆和冲浆的方式制备，其原料来源广泛，价格低廉且无污染，但存在易凝胶、初始粘接力不强、干燥后变脆等问题，使用时需要添加无机填料、酸或加热来增加其粘接性能。随着对秸秆炭基肥研究的深入，大量的新型炭基肥制备技术开始涌现。
廖上强等[51]采用熔融高压混合法，使熔融尿素在一定压力下进入生物炭孔隙中，使氮肥利用率提高了9.97%，效果优于掺混型和包膜型。Chen等[52]在原料中添加聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，表征结果发现炭基肥具有较少的亲水羟基，对养分的包裹更紧密。An等[53]利用微波热解技术，将棉花秸秆、肥料和膨润土的混合物共同热解制备炭基肥，其生产效率和孔隙结构均有较大改善。
DeAmaralLeite等[54]在共同热解制备炭基肥的基础上接种促进磷矿溶解的菌株，通过为菌株提供孔隙结构，保护其免受土壤中捕食者的侵害，从而增加土壤中解磷细菌丰度，提高土壤速效磷含量。Wen等[42]利用微波辐射将高分子机制引入到秸秆炭基肥中，发现当炭基肥施用量为1%和2%时，土壤持水量分别增加了19.3%和31.56%。Baki等[55]则通过将生物炭、过硫酸铵、亚甲基双丙烯酰胺、氯化钙与丙烯酸和丙烯酰胺接枝共聚，合成一种新型水凝胶炭基肥来增加土壤的持水保水性能。
以上研究表明，生物炭基肥的性能及应用场景主要受到秸秆生物炭和炭基肥制备技术影响：1)在原料选择上，我国秸秆来源主要是玉米、小麦和水稻秸秆，其生物炭具有较高碳氮比、孔隙度和比表面积，养分固持能力强，为炭基肥制备提供了优良的生物炭来源。2)在生物炭制备方面，制备方法的差异对生物炭的产率、养分含量及比表面积影响巨大，为提升生物炭的控释性能往往需要提升生物炭的比表面积或者关键官能团的相对丰度。
总体而言，由于热解温度较高，热解和气化技术制备出来的生物炭孔隙度较为发达且具有很好的物理控释性能，但存在产率低和能耗高的技术瓶颈[31];而水热炭化技术制备的生物炭养分含量较高且具有丰富的化学官能团，且能耗相对较低，但存在生物炭孔隙度不够发达、有大量废液需要处理的问题。因此为追求高品质的生物炭产品，单纯的以生物炭为生产目标可能会存在资源浪费及生产成本过高的问题;开展炭气或炭油联产技术可以在追求高品质生物炭材料的同时，高效利用秸秆资源、节省企业的运行成本。
1)在生物炭基肥技术方面，传统的掺混、吸附、包膜、反应法制备技术都已经相对成熟，控释性能基本与生产成本成正比，市场上主要的生物炭基肥料也以掺混和包膜型炭基肥为主，但目前的炭基肥往往还是以养分的控释为主要目的，并没有很好的发挥生物炭的功能性特征，如污染物固持、改善土壤结构、调节土壤pH等功能，因此，利用高品质生物炭作为控释材料的同时，可以考虑我国农田土壤的特征及状况，开发高品质且具备土壤改良或者修复功能的生物炭基肥，可能是未来的发展趋势。2)传统的控释肥生产技术的提升空间相对有限;而控释效果更好的吸附、反应型炭基肥因运输生产等问题未得到广泛应用，应加强新型炭基肥在技术上的突破，减少成本的同时保证性能，确保炭基肥制备条件和秸秆种类与实际使用相适应。
3.秸秆炭基肥土壤应用进展
目前，关于秸秆炭基肥的研究在我国已十分广泛，除针对制备成型方法进行改良外，其土壤应用也逐渐成为研究热点。炭基肥在土壤中的作用主要为以下三类：1)土壤修复、2)土壤改良及肥力提升、3)提升作物产量和品质。研究表明，生物炭基肥利用其优良的理化性质不仅可以显著提升土壤质地和肥力，增加作物产量和品质，同时还能有效地对污染物进行固持，起到修复改良的作用。
3.1土壤污染修复应用研究
目前我国农田重金属主要来源于矿业开采、工业固废及污水排放，重金属在土壤中的富集对作物及人体健康构成重大威胁。生物炭丰富的孔隙和大的比表面积使其具备对土壤重金属的修复能力[56]。Chen等[57]在500℃下制备的水稻秸秆生物炭对Cd2+的最大吸附量可达到4.2477mg·g,而由其制备的炭基肥对Cd2+的吸附量提高了48.98%(5.9702mg·g)，大量的表面含氧官能团和高离子交换量起到了主要作用。我国重金属污染主要集中在华中和华东等粮食主产区，水热炭化制备的炭基肥富有含氧官能团，更有利于土壤修复，而对于西南、华南等地Cd、Pb污染密集的酸性红壤，高温热解的水稻秸秆炭基肥因其较高的pH，可促进Cu(II)、Cd(II)和Pb(II)沉淀物的形成，有效降低其在土壤中的含量[58,59]。
4.总结与展望
通过对我国秸秆产量及组成特征的分析表明，以秸秆制备的炭基肥，可根据作物类型和土壤条件针对性选择秸秆种类及制备方法进行土壤修复改良，提升作物对有效养分的吸收利用，达到增加作物产量和品质的目的，具备了非常好的市场应用前景及价值。然而，我国秸秆种类和区域间产量存在较大差异，增加了规模化利用秸秆资源的难度;现有秸秆生物炭和炭基肥制备难以保证性能和生产应用之间的平衡，新型炭基肥技术尚不成熟;各区域实际土壤状况对炭基肥功能性要求的差异尚未解决，为使秸秆炭基肥今后更好地研究应用，应进一步加强以下几个方向的研究。
(1)根据我国秸秆资源的分布特征，形成不同区域秸秆资源化及生物炭制备技术指南及政策支持，形成相匹配的秸秆炭及其炭基肥产业，为秸秆炭基肥产业及循环农业的发展提供针对性的助力。(2)生产高品质的生物炭往往资源化利用效率较低，应大力发展秸秆炭气联产技术，在生产高品质生物炭及相关肥料的同时，制备和生产高品质燃气，可以有效提升秸秆资源的利用效率，提升企业的经济效益并促进行业的发展。(3)加大对新型炭基肥技术的研发力度，突破传统制备技术瓶颈，在提升炭基肥控释性能的基础上，应针对不同区域土壤现状及需求，开发功能型生物炭基肥料，如提升生物炭基肥的土壤修复和改良的功能。
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[2]张雯.新型生物炭基氮肥的研制及田间应用研究[D]杨凌西北农林科技大学,2014.ZHANGWen.Developmentandapplicationofbiocharbasedslowreleasednitrogenousfertilizer[D]nglingNorthwestA&FUniversity,2014.
作者：钟磊，栗高源，陈冠益1,2,3*，王一喆，陈红云，武文竹，李金磊，宋英今，颜蓓蓓
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