生物炭基肥料的制備及在農業中的推廣與應用

孫雪

摘 要 生物質炭是秸稈、畜禽糞便等廢棄生物質經低溫限氧熱裂解產生的固態物質，富含有機質和孔隙結構。根據不同區域土壤條件、不同作物生長特點以及科學施肥原理，以生物質炭為基礎載體，與N、P、K等營養元素復配，經造粒后制成生物炭基肥料，能夠對土壤環境進行改良并使其保持穩定。生物炭基肥料在提升地力、促進作物生長和農業固碳減排等方面具有巨大的應用潛力，因此屬于生態環保型肥料?；诖耍蜕锾炕柿系闹苽浼霸谵r業中的推廣與應用進行分析。

關鍵詞 生物炭基肥料;秸稈炭化;制備;推廣;應用

中圖分類號：TQ440.6 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.30.103

我國是農業大國，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，對環境構成巨大的威脅。生物質炭因具有多種優點已成為當前農業研究的熱點之一，在生產期間能夠將大量生物質資源消耗，其作為載體使用復混方法制成的生物炭基肥料可保持生物質炭的優點，又能彌補其養分不足的缺點。

我國在增加農作物產量并擴大農業產值時會增加稻殼、秸稈等農副產品的產量，利用率低的農副產品在焚燒時會嚴重浪費資源并加劇環境污染，因此秸稈等生物質炭化后再還田對利用國內龐大的秸稈資源極為有利。秸稈炭化工業裝置可規模化利用秸稈等生物質資源，培育和改良土壤，調整傳統農業耕作方式，促進現代綠色農業發展。基于此，針對該肥料的制備及其在農業中的推廣應用進行探究。

1 秸稈炭化技術概述

1.1 秸稈炭化工業規模化利用

北京三聚環保新材料股份有限公司（簡稱三聚環保）成立于1997年，主要從事催化劑、凈化劑等能源凈化產品的研發、生產、銷售和技術服務，并以環保新材料為基礎，通過先進工藝技術開發和工程化推廣，為能源與石油化工、生態農業和綠色能源提供發展方案。

2016年，三聚環保與南京農業大學達成戰略合作，聯合開發了農作物秸稈炭化還田-土壤改良技術，具有完全自主知識產權，在秸稈炭化工藝、生物質炭復合肥制備技術、工業化規模方面處于國際領先水平，可有效實現農作物秸稈的資源化、高值化利用。這一技術以熱解、分離、分質為核心，去除藥殘、鈍化重金屬、富集有機質、回收養分而達到秸稈生物質全循環的安全、低碳、綠色秸稈資源化產業化路徑。2017年8月，三聚環保與南京農業大學合作開發的“農作物秸稈炭化還田-土壤改良技術”順利通過中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定會。2020年7月，農業農村部印發了《關于開展2020年農業農村部引領性技術集成示范工作的通知》，秸稈炭基肥利用增效技術被列入十大引領性技術之一。

秸稈炭化技術主產物為生物質炭，具有豐富的納米孔隙結構[1]，又保留了秸稈中豐富的速效氮磷鉀，由生物質炭衍生出的炭基系列產品具有緩釋功能，可以助力改良土壤結構、提高土壤肥力、減肥減藥、增產提質，為土壤健康和糧食安全提供保障。三聚環保開發團隊利用國際領先的農作物秸稈炭化還田-土壤改良技術，建立炭基復合肥與土壤改良劑生產成套工藝、工程建造及運營服務，實現土壤改良、農作物增產增質，助力推進農業固碳減排，為我國綠色農業可持續發展做出貢獻。

1.2 生物炭基肥料的制備方法

生物質炭與化學肥料相結合制成顆粒狀生物炭基肥料，不僅能夠利用生物質炭的強吸附性以達到減少養分流失的效果[2]，還能保證這種新型生物質炭基肥料在為作物提供生長養分、提高養分利用率的同時，繼續發揮生物質炭改善土壤等作用的優良特性。

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行生產，將生物質炭粉碎過20目標準金屬篩，稱取一定量的生物質炭、尿素、磷酸二氫銨、氯化鉀與皂土等粘結劑混合，攪拌均勻后放入圓盤造粒機中，啟動圓盤造粒機，用噴霧器將水噴入，與原料混合，待顆粒成型后關閉圓盤造粒機，將成型后的顆粒取出，放入電熱鼓風干燥箱中，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行生產。

含有微孔礦物結構的高嶺土和膨潤土能夠使土壤對養分的吸附能力增加，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產量增加;使用膨潤土改性造粒生物炭基肥料能夠對小白菜葉面積累的硝酸鹽進行抑制[3]，提升產量的同時有效促進其吸收維生素C等養分;腐植酸粘接成型的復合生物炭基肥料、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，從而使作物的產量提高。

2 生物炭基肥料在農業上的推廣應用

三聚環保聯合南京農業大學，按照“源自農業，反哺農田，惠及農民”的理念，以土地培育和改良為重點，利用秸稈炭化還田土壤改良技術，已在黑龍江、內蒙古、江西等眾多區域（不同土質、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實驗研究。

2.1 土壤改良

生物質炭能夠使土壤的保肥及保水性能得到有效改善，提升土壤有機碳含量的同時使養分損失減少，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粒，對微生物系統進行改善并促進吸收根生長。如果混施肥料和生物質炭，則可利用肥料將生物質炭養分低的缺點消除，同時肥料養分可借助生物質炭獲得緩釋性能的協同與互補作用。生物質炭擁有較強的吸附性，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，為農作物的生長提供水分。對于干旱缺水地區，能夠有效防止沙漠化，使該地區的土壤重新長出植被。生產生物質炭期間會產生木醋液等副產品。研究證明，稀釋木醋液原液50倍針對鹽堿土進行改良實驗，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行治理具有十分積極的意義。施用生物質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節土壤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致土壤污染，這些來自于廢水、大氣沉降、農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生鉛與鎘的污染，含汞廢水則會產生汞污染。農作物會由于土壤中的過量重金屬影響而導致營養失調及生理功能紊亂，土壤中的氨化、硝化細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的汞、鎘等元素，超過食品衛生標準時會使作物的發育、生長及產量受到影響。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，一旦經食物被人體吸收會極大地損害人們的身體健康。重金屬污染土壤中使用生物炭基肥料可借助生物質炭較強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含量。

2.3 作物增產提質，農民增產增收

2016—2020年，三聚環保利用農作物秸稈炭化還田-土壤改良技術，在全國范圍內廣泛開展三聚地沃生物炭基肥料種植試驗及產品示范。

2017年，在吉林省柳河縣涼水河子鎮，水稻施常規肥每667 m2產511.1 kg，施生物炭基肥料每667 m2產598.7 kg，增產87.6 kg，增產率達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。施常規肥的稻穗稻曲病發病率在20%左右，施生物炭基肥料的稻穗稻曲病發病率不足5%。生物炭基肥料可以把秸稈中的營養元素轉移至土壤中，再從土壤中轉移到新種植的作物上，提高新生作物秸稈中硅的含量，很好地促進了氮從秸稈向籽粒中的運移，可促進作物根系生長，使得作物秸稈表現得比較硬挺，比施常規肥的作物更抗倒伏。

2018年，東北地區大面積遭受夏澇、早霜災害，黑龍江省黑河市生物炭基肥料示范區大豆表現出較好的抗逆性，每667 m2平均產量較往年提高10%，大豆蛋白質含量達41.56%，比當地常規種植區大豆蛋白質含量高出6.13%。生物質炭為微生物的植入、生長與繁殖提供了有利條件，促進豆科作物結瘤固氮，有效根瘤菌數量較多，大豆生長旺盛、根系發達，抗性強，頂端籽粒飽滿。

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

經過大量的種植試驗，作物施用生物炭基肥料比施用普通肥料，有機質增加20%左右，作物每每667 m2增產10%左右，每每667 m2增效10%以上。生物炭基肥料中的生物質炭保留了作物原有的有機質，在土壤中轉化成活性有機物，可促進植物代謝，確保植株健康，改善作物品質，增加產量[6]。據測算，農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可實現增收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

當前國內的不合理施肥極容易造成水體污染、土壤板結等問題，而農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合生物質炭與化肥，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]。多項試驗表明使用該肥料，氮磷鉀無機肥使用量減少10%左右，甚至對于殘留較多化肥量的農田土壤，當季單純使用生物質炭而不用化肥便可獲得高產效果。生產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省。農業生產成本中化肥所需的費用占據物資整體費用的50%左右，國家和農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-無機復混肥除了將化肥使用量降低，還可大大節約生產成本。

3 結語

秸稈炭化還田，改良培肥土壤，提高耕地生產能力，提升農產品品質，促進農業固碳減排，是推進農業綠色高質量可持續發展的重要支撐。目前，我國關于生物質炭在大氣及土壤碳循環中的作用和地位的研究剛剛起步，因此應當積極探索生物質炭的作用規律并拓寬研究領域，將其技術和理論體系不斷豐富完善，如此才能有效促進生物質炭產業的健康發展。

參考文獻：

[1] 姚紅宇.炭化溫度和時間與棉桿炭特性及元素組成的相關關系[J].農業工程學報，2013（7）：199-206.

[2] 陳琳.施用生物質炭基肥對水稻產量及氮素利用的影響[J].生態與農村環境學報，2013，29（5）：671-675.

[3] 苑曉辰.包膜生物炭基肥的制備及特性研究[D].武漢：華中農業大學，2018.

[4] 許允定，侯平，黃勇，等.炭基肥料在低碳農業種植中的技術應用[J].北方園藝，2016（1）：192-195.

[5] 于南卓.生物炭及炭基肥料對小白菜、油菜及玉米的生長和土壤養分的影響[D].泰安：山東農業大學，2018.

[6] 張登曉.城市園林廢棄物生物質炭對小白菜生長、硝酸鹽含量及氮素利用率的影響[J].植物營養與肥料學報，2014，20（6）：1569-1576.

[7] 張萬杰.生物質炭和氮肥配施對菠菜產量和硝酸鹽含量的影響[J].農業環境科學學報，2011，30（10）：

1946-1952.

（責任編輯：趙中正）