中國農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈的資源化處置途徑分析

馬驍軒，蔡紅珍，付鵬，劉愛菊*.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 55049；.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 55049

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中國農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈的資源化處置途徑分析

馬驍軒1，蔡紅珍2，付鵬2，劉愛菊1*
1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049

摘要：對中國近年來以秸稈為代表的農(nóng)村種植固廢的污染和危害做了簡要說明，提出了兩大類資源化處理處置技術(shù)：生物質(zhì)資源化利用和生物炭資源化利用，并對各種資源化技術(shù)進(jìn)行了初步的分析和比較。由于農(nóng)業(yè)秸稈具有一定的元素和結(jié)構(gòu)組成，是一種優(yōu)良的生物質(zhì)材料，可以通過秸稈肥料化、飼料化、生物質(zhì)塑料技術(shù)、生物質(zhì)能燃料轉(zhuǎn)化和作為化工原料及建材來實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的利用。同時(shí)由于秸稈可以轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭具有固定大氣碳素、改善土壤結(jié)構(gòu)、修復(fù)受污染土壤、固持營養(yǎng)元素及提高作物產(chǎn)量的作用，因此生物質(zhì)炭資源化利用也是很好的秸稈處置途徑。文章對秸稈的資源化處理途徑進(jìn)行了總結(jié)和分析，指出了目前存在的不足和將來可能發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)秸稈；資源化；生物炭

MA Xiaoxuan,CAI Hongzhen,FU Peng,LIU Aiju.Analysis of the Reutilization Methods for Agricultural Waste of Straw in Chinas [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):168-174.

農(nóng)業(yè)污染，是指農(nóng)村地區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活過程中產(chǎn)生的、未經(jīng)合理處置的污染物通過地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏進(jìn)入水體，或吸附于土壤以及排入大氣等而引起的水體、土壤、大氣的污染過程，具有位置、途徑、數(shù)量不確定，隨機(jī)性大，發(fā)布范圍廣，防治難度大等特點(diǎn)。目前，中國農(nóng)業(yè)污染問題日益突出，對水體、土壤、大氣形成嚴(yán)重污染的同時(shí)，也對農(nóng)產(chǎn)品安全、人體健康，乃至農(nóng)村和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。主要來源有兩個(gè)方面，一方面是農(nóng)村居民生產(chǎn)生活廢物，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理使用而流失的農(nóng)藥、化肥、殘留在農(nóng)田中的農(nóng)用薄膜和處置不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)畜禽糞便、惡臭氣體以及不科學(xué)的水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)生的水體污染物。另一方面是農(nóng)業(yè)種植固體廢棄物，以秸稈為代表，每逢秋收季節(jié)，由于缺乏有效的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值與手段，大量農(nóng)田秸稈被以簡單的焚燒法進(jìn)行減容處理，得到的少量灰分以草木灰的形式回田，可以補(bǔ)償土壤中部分鉀、鈣等元素，而在秸稈焚燒過程中放出的煙霧已經(jīng)構(gòu)成現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為重大的面源性污染源之一。本文以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物秸稈為研究對象，對其資源化利用技術(shù)進(jìn)行初步分析和展望。作物秸稈是農(nóng)作物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種生物資源。中國秸稈現(xiàn)在年產(chǎn)量突破8×108t，長期以來秸稈作為一類資源沒有得到充分合理的利用，大量的秸稈被丟棄、焚燒，不僅造成了資源浪費(fèi)，還污染了環(huán)境，引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。秸稈資源化利用技術(shù)總體來說可以分為兩大類，生物質(zhì)資源利用技術(shù)和生物炭資源利用技術(shù)。目前，前者已經(jīng)在廣大地區(qū)開展，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；而后者則契合目前主流的低碳經(jīng)濟(jì)，對降低溫室氣體排放，具有重大的戰(zhàn)略意義，同時(shí)也可得到一系列具有較高環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)物。

1　秸稈的生物質(zhì)利用

中國農(nóng)業(yè)秸稈固廢數(shù)量大，種類多，但其元素組成和結(jié)構(gòu)組成具有一定的范圍。元素碳、氫、氧、氮的總含量在75%以上（胡俊梅，2010），是一種優(yōu)良的生物質(zhì)材料。現(xiàn)階段中國秸稈利用方式主要以秸稈肥料化、飼料化、生物質(zhì)能燃料轉(zhuǎn)化為主，還有一部分用作化工原料及建材。

1.1秸稈肥料化技術(shù)

秸稈肥料化是最傳統(tǒng)的秸稈回收利用的手段之一，可以通過直接還田、焚燒還田、堆漚還田和過腹還田等方法加以利用（劉金鵬等，2011）。直接還田是在機(jī)械化收獲作物的同時(shí)粉碎秸稈還田，秸稈經(jīng)翻埋后腐爛，其中的養(yǎng)分保留在土壤中可以有效增加土壤有機(jī)質(zhì)；但秸稈中的病蟲卵可能引發(fā)病蟲害。焚燒還田則是將秸稈焚燒后得到草木灰，將其作為一種輔助鉀肥施加到田地中來提高土壤的養(yǎng)分；但秸稈焚燒會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的大氣污染，已經(jīng)成為目前霧霾的一大來源，因此國家已經(jīng)明確禁止露天焚燒秸稈。過腹還田是指秸稈經(jīng)過牲畜消化后，以牲畜糞便的形式施入土壤中，可以大幅提高土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)，同時(shí)改變土壤的理化性質(zhì)，改良土壤。堆漚還田是將秸稈作為畜牧養(yǎng)殖場的鋪料，經(jīng)過清理后堆漚還田。秸稈堆肥技術(shù)是目前所采用的一類新型的秸稈回用技術(shù)，在一定的堆肥場地下，通過接種特定的降解微生物，在厭氧、好氧的不同條件下將秸稈有機(jī)質(zhì)進(jìn)行降解處理，產(chǎn)生農(nóng)田肥料。然而，堆肥過程中氮素?fù)p失較大，磷、鉀等元素含量也不高，從經(jīng)濟(jì)效益來看也不如化肥。可以考慮采用其他生物技術(shù)，如蚯蚓消化，對秸稈堆肥技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)（Edwards et al.，1997）。也可以根據(jù)堆肥產(chǎn)物的元素組成，有針對性的后加氮磷鉀等元素，對堆肥產(chǎn)物的肥力進(jìn)行調(diào)節(jié)，在將秸稈資源化的同時(shí)提高其有效利用性。

1.2秸稈飼料化技術(shù)

作為一種替代性食物來源，秸稈作為飼料可以部分代替玉米等高價(jià)值農(nóng)作物作為飼料的補(bǔ)充。在作為飼料應(yīng)用前需要進(jìn)行一定的預(yù)處理，如青貯、氨化、微生物發(fā)酵等化學(xué)、生化處理方法以及粉碎、切割、膨化和熱噴等物理處理方法。通過以上方法處理，可以有效提高秸稈飼料的粗蛋白含量，降低木質(zhì)素和粗纖維含量。但是有些方法也存在一些不足之處，如化學(xué)法氮素流失較大，物理法能耗大且無法有效提高營養(yǎng)價(jià)值。相比之下生化法，尤其是厭氧青蓄發(fā)酵法，可以將部分纖維素的降解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)類，在提高秸稈飼料營養(yǎng)價(jià)值的同時(shí)提高可消化率（張紅蓮等，2004），使最終產(chǎn)物的部分指標(biāo)達(dá)到精飼料的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3生物質(zhì)塑料技術(shù)

秸稈作為一種生物質(zhì)材料，可以用來合成可降解塑料，具有天然的環(huán)境親和力。國外經(jīng)過對生物降解高分子材料廣泛的研究，已得到聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己內(nèi)酰胺（PCL）等生物塑料；還可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)可降解生物質(zhì)復(fù)合材料，通過共混、擠出、熱壓、注塑等工藝將天然纖維材料與EVA、PVA等可降解材料復(fù)合，進(jìn)一步強(qiáng)化了生物質(zhì)材料的性能，降低了生物質(zhì)材料的生產(chǎn)成本（郭文靜等，2008）。作為一種可以有效緩解白色污染壓力的新型塑料，必將在未來得到更廣泛的推廣和利用。

1.4生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)

生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)包括直燃發(fā)電、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)熱解和生物質(zhì)燃料等途徑。

1.4.1直燃發(fā)電技術(shù)

秸稈直燃發(fā)電、供熱技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。秸稈直燃發(fā)電的技術(shù)難點(diǎn)在于秸稈體積能量密度低，需要固化成型后才能作為有效的燃料進(jìn)行燃燒；同時(shí)也對直燃機(jī)組的穩(wěn)定性和燃燒效率提出了較高的要求。中國近年來對秸稈固化成型技術(shù)有了較大的突破，但是對發(fā)電設(shè)備如直燃機(jī)組等還需要依賴國外技術(shù)。

1.4.2生物質(zhì)氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣化技術(shù)可以采用固定床和流化床工藝形式，輸出產(chǎn)品為電力及燃?xì)狻Ｉ镔|(zhì)氣化發(fā)電分為小型、中型、大型氣化發(fā)電系統(tǒng)。小型氣化發(fā)電系統(tǒng)主要采用固定床工藝，中型氣化發(fā)電系統(tǒng)一般采用流化床工藝，大型氣化系統(tǒng)工藝尚未成熟，應(yīng)用較少。氣化技術(shù)中存在焦油堵塞問題，導(dǎo)致氣化站運(yùn)行困難（萬曉紅，2006）。

1.5生物質(zhì)快速熱解技術(shù)

生物質(zhì)快速熱解技術(shù)是在高溫下，將生物質(zhì)隔絕空氣或在少量空氣中加熱很短的時(shí)間，然后迅速冷卻，得到炭、熱解油和混合可燃?xì)?。目前的研究方向是降低成本，提高熱解油的純度（董治國等?004）。

1.6生物燃料

以秸稈為材料，開發(fā)生物質(zhì)燃料主要有沼氣、乙醇、氫氣和生物柴油幾種轉(zhuǎn)化途徑。

沼氣是通過厭氧發(fā)酵菌群在厭氧條件下對秸稈、動(dòng)物糞便等有機(jī)質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵得到的。中國上世紀(jì)70年代開始推廣沼氣發(fā)酵技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國的沼氣發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前中國已有超過1300萬個(gè)戶在用沼氣池，并建設(shè)了很多大型沼氣發(fā)酵工程。

液體酒精燃料技術(shù)是利用生物技術(shù)通過發(fā)酵手段等把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的過程。以前主要通過糧食作物來生產(chǎn)酒精，為了節(jié)省糧食，目前以秸稈纖維素為原料制取燃料乙醇的技術(shù)也已經(jīng)獲得突破（周勇，2005）。

氫氣是目前最理想的燃料，可以實(shí)現(xiàn)碳的零排放，因此受到了廣泛的關(guān)注。過去氫氣的主要制取方法是熱化學(xué)處理，處理成本過高無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。近年來，利用光合菌、藻類和發(fā)酵細(xì)菌的生物制氫技術(shù)得到較快發(fā)展，提供了生物質(zhì)制氫的新思路（Kim et al.，2006）。

生物柴油是利用可再生的動(dòng)物和植物油脂為原料與甲醇或乙醇等醇類物質(zhì)進(jìn)行酯交換反應(yīng)制得。目前，生物柴油的生產(chǎn)方法主要有直接混合法、酯交換技術(shù)、超臨界流體法、高溫?zé)崃呀夥ê臀⑷橐悍ǎㄚw強(qiáng)等，2009）。生物柴油具有極好的發(fā)展前景，可以大大緩解石油的耗竭。

1.7秸稈建材及化工

1.7.1秸稈建材技術(shù)

可以利用秸稈中的纖維素和木質(zhì)素制作建筑板材，其核心技術(shù)在于秸稈熱壓成型技術(shù)。中國已經(jīng)掌握了熱壓板材生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)并大幅降低了制造成本，生產(chǎn)出的秸稈板材具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、剖面密度均勻、保溫性能好等特點(diǎn)，經(jīng)特殊處理后還可阻燃、防火、防蟲。秸稈板材的使用可以替代部分高資源浪費(fèi)型的傳統(tǒng)建材紅磚，保護(hù)中國的土壤資源，具有較好的市場前景。

1.7.2秸稈的化工應(yīng)用

秸稈類生物質(zhì)經(jīng)水解、萃取等工藝處理后，可得到各種基本有機(jī)化工原料和新型材料，如糠醛。稻殼類因?yàn)楦缓柙?，可以用來生產(chǎn)白炭黑、碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷；秸稈、稻殼經(jīng)炭化后生產(chǎn)鋼鐵冶金行業(yè)金屬液面的新型保溫材料，而棉稈皮、棉鈴殼等含有木質(zhì)素酚羥基，可以改性合成聚合陽離子交換樹脂吸收重金屬等。秸稈纖維素也是傳統(tǒng)濕法造紙工藝的主要原料之一。

1.8小結(jié)

隨著社會(huì)的發(fā)展，可再生能源的利用成為人們解決能源問題的主要途徑之一。因此，生物質(zhì)能的利用也受到廣泛的重視，并在世界范圍內(nèi)被推廣應(yīng)用。而生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)可以利用可再生或循環(huán)的有機(jī)物質(zhì)包括農(nóng)作物、樹木和其它植物及其殘?bào)w、畜禽糞便、有機(jī)廢棄物以及利用邊際性土地和水面種植能源植物為原料通過工業(yè)性加工轉(zhuǎn)化進(jìn)行生物質(zhì)產(chǎn)品、生物燃料和生物能源生產(chǎn)，做到物盡其材，材盡其用，是緩解煤炭、石油、天然氣日益枯竭造成的危機(jī)，保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

2　秸稈生物炭資源利用技術(shù)

生物質(zhì)炭是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物質(zhì)（Antal et al.，2003）。主要成分為纖維素、羰基、酸及酸的衍生物、呋喃、吡喃以及脫水糖、苯酚、烷屬烴及烯屬烴類的衍生物等成分復(fù)雜有機(jī)碳的混合物（張阿鳳等，2009）。從遠(yuǎn)古時(shí)代起，南美洲亞馬遜河流域的土著居民就知道利用生物碳改善并保持土壤肥力。生物質(zhì)炭在改善土壤性質(zhì)、增加作物產(chǎn)量、提高土壤碳匯和控制農(nóng)業(yè)溫室氣體排放方面扮演著重要角色（Chan et al.，2008a；Woolf et al.，2010），特別是近幾年來生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)溫室氣體排放方面的應(yīng)用研究更是成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。同時(shí)，因其富含碳素、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大和離子交換量高等獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，生物炭在固定大氣碳素（Laird，2008）、修復(fù)受污染土壤（Uchimiya et al.，2010）、固持營養(yǎng)元素（Deluca et al.，2009）及提高作物產(chǎn)量（Van Zwieten et al.，2010）等方面的應(yīng)用日益得到重視，被認(rèn)為是未來的一種新型的環(huán)境和農(nóng)業(yè)功能材料。

對農(nóng)業(yè)種植秸稈來說，秸稈生物炭的回田可以起到固定碳素，改善土壤功能形態(tài)和肥力，控制重金屬等污染物的效果。

2.1碳的固定和溫室氣體的減排

Lehmann（2007）的研究表明，生物碳的轉(zhuǎn)化途徑可以阻斷不經(jīng)過此途徑的占全球含碳量20%的碳通量流入大氣。因此通過生物碳轉(zhuǎn)化途徑處理固廢，可以大大減輕溫室氣體的排放壓力，實(shí)現(xiàn)不向大氣進(jìn)行污染逆向轉(zhuǎn)移的固廢處置新思路。研究推測黑碳物質(zhì)可在自然環(huán)境中穩(wěn)定上百年，碳元素半衰期甚至可達(dá)102～ 107年（Andrew，2010）。因此，轉(zhuǎn)化為生物炭的生物質(zhì)所持有的碳元素就被鎖定在了土壤中不再參與全球碳循環(huán)，從而大大降低了溫室氣體二氧化碳的排放。

有人根據(jù)2001─2010年中國糧食的總產(chǎn)量，估算了每年中國秸稈焚燒所產(chǎn)生的CO2、CO以及碳總排放量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中國糧食作物秸稈因焚燒年排放CO、CO2和總碳量分別為1.15×107、1.57×108和4.77×107t。中國糧食作物秸稈全部轉(zhuǎn)化為生物炭后年平均可固碳0.96×108t，如果把每年焚燒秸稈的量全部轉(zhuǎn)化為生物炭可減少近一半因焚燒秸稈排放碳的量（李飛躍等，2013）?？梢姡锾抗烫技夹g(shù)是一種非常有前景的碳匯技術(shù)。

與此同時(shí)，生物碳的加入可以抑制土壤中的反硝化過程，從而減少相比CO2溫室效應(yīng)更強(qiáng)的N2O的排放（Lehmann et al.，2006）。水稻種植田間試驗(yàn)表明，與直接還田相比，秸稈炭化后還田可顯著降低稻田CH4和N2O的累積排放量，降幅分別為64.2%～78.5%和16.3%～18.4%。與不添加生物炭相比，無論種植水稻與否，添加秸稈炭和垃圾炭均顯著降低了稻田N2O的累積排放量；與秸稈直接還田相比，秸稈炭化后還田對水稻增產(chǎn)的效果更佳（劉玉學(xué)等，2013）。

2.2對土壤功能形態(tài)和肥力的改良

秸稈制成生物碳還田后，可以改良土壤的功能，提高土壤的肥力，尤其是對氮、磷營養(yǎng)元素淋溶損失的降低和生物有效性的提升具有積極意義。

為了探討冬小麥-夏玉米輪作制度下，生物質(zhì)炭與化肥配施對土壤耕層全氮與堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，在華北經(jīng)過高產(chǎn)農(nóng)田3年的定位試驗(yàn)后結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭明顯增加了土壤耕層全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對增加耕層土壤全氮量有積極意義（郭偉等，2011）。

淋洗作用是土壤氮肥損失途徑之一，也是環(huán)境水體氮素污染的重要途徑。研發(fā)降低土壤氮素淋失的技術(shù)途徑不僅有助于提高氮肥利用率和降低化肥的施用量，而且有助于防治水體污染和改善生態(tài)環(huán)境。對中國兩種重要土壤類型黒鈣土和紫色土氮素淋失的影響的研究表明，50和100 t·hm-2的玉米秸稈生物炭施用量降低黑鈣土氮素淋失分別為29%和74%，減少紫色土氮素淋失分別達(dá)41%和78%。但10 t·hm-2的生物炭施用量卻增加黒鈣土和紫色土氮素淋失量分別達(dá)到22%和2%。這表明較低的生物炭施用量會(huì)促進(jìn)氮素的淋失。生物炭對有機(jī)氮淋失的抑制作用大于硝態(tài)氮。100 t·hm-2的生物炭施用量對有機(jī)氮和硝態(tài)氮淋失的降低率分別為88%和62%左右，因土壤類型不同而有所差異。上述研究結(jié)果為尋求防治土壤氮素淋失的技術(shù)方法提供了理論依據(jù)（周志紅等，2011）。

對灰漠土生物炭改良研究的結(jié)果表明，施用由棉花秸稈熱解制成的生物炭可促進(jìn)小麥生長，兩茬小麥的地上部干物質(zhì)重均顯著高于對照。施用生物炭可顯著提高土壤總有機(jī)碳和植物對氮素的吸收量以及土壤氮素殘留量，降低土壤整體氮素的損失。且生物炭熱解溫度越高，施用量越大，提高作用越明顯（馬莉等，2012）。而對灰漠土中磷的生物有效性的研究表明，施用秸稈和生物炭可以提高土壤Ca2-P含量，尤其是施用生物炭可顯著增加土壤Ca2-P和Al-P含量，但是Ca8-P和Fe-P含量有所減低。結(jié)果表明施用生物炭有助于提高灰漠土壤無機(jī)磷的有效性（蘇倩等，2012）。生物黑炭對灰漠土種植玉米的產(chǎn)量也有著重大的影響。施入20 和40 t·hm-2的生物黑炭，能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，與基礎(chǔ)土壤相比，提高了22.77%和49.80%，明顯高于秸稈還田羊糞和腐殖酸有機(jī)肥等對土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果。施用生物黑炭提高了玉米單穗重、千粒重產(chǎn)量以及生物量，降低了玉米的根冠比，促進(jìn)玉米根系生長，而追施氮肥對玉米產(chǎn)量的影響差異不顯著。因此，施用生物黑炭能夠大幅度提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，對灰漠土土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量以及農(nóng)藝性狀的提高具有重要作用（唐光木等，2011）。

在中國土壤種類和面積中占據(jù)很大比重的酸性紅壤，存在著有機(jī)質(zhì)含量低，酸度大、鹽基高度不飽和且有害鋁離子含量高等不利于作物生長的特點(diǎn)；因此作為中國主要商品糧生產(chǎn)基地的紅壤區(qū)，生物炭的施入對其具有更大的改良意義。在秸稈熱解為生物炭的過程中，所含的鉀鈣鈉等堿金屬和堿土金屬離子以氧化物或碳酸鹽的形式保留在灰粉中，具有一定的堿性，可以中和酸性土壤；同時(shí)補(bǔ)充土壤鹽基離子，提高鹽基飽和度（CEC）；而鈣離子可以有效拮抗鋁離子對植物根系的毒害作用。對小麥秸稈生物質(zhì)炭對水稻產(chǎn)量及晚稻氮素利用率的影響的研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭可提高酸性或弱酸性土壤pH值，降低土壤容重顯著提高水稻氮肥利用率；在40 t·hm-2施用水平下，長沙和進(jìn)賢試驗(yàn)點(diǎn)水稻氮肥吸收利用率分別提高20.33%和17.58%，進(jìn)賢試驗(yàn)點(diǎn)氮肥農(nóng)學(xué)效率提高39.81%。因此在酸性土壤中施用生物質(zhì)炭可提高氮肥利用率，保持水稻產(chǎn)量穩(wěn)定或有一定的增產(chǎn)效果（曲晶晶等，2012）。

相關(guān)研究表明，生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的改善效果取決于生物質(zhì)炭的施用量以及土壤本身的肥力水平。當(dāng)生物質(zhì)炭用量較低時(shí)（＜10 g·kg-1），其對土壤物理性質(zhì)的影響不明顯。但當(dāng)生物質(zhì)炭用量達(dá)到50 g·kg-1甚至200 g·kg-1時(shí)，其對肥力水平較低的土壤的水穩(wěn)定性、團(tuán)聚體數(shù)量、容重和飽和持水量均產(chǎn)生明顯影響，對土壤物理性質(zhì)改善作用較為明顯；生物質(zhì)炭在肥力水平較低的土壤上的改良效果明顯高于肥力水平高的土壤，且效果隨其用量的增加而增強(qiáng)；而在肥力水平較高的土壤中施用高量生物質(zhì)炭（超過200 g·kg-1）則導(dǎo)致土壤微生物生物量下降（黃超等，2011）。

近年來的大量研究認(rèn)為生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，具有很高的穩(wěn)定特性并難于分解，可有效提高土壤肥力，服務(wù)于生態(tài)系統(tǒng)。生物質(zhì)炭對土壤物理性質(zhì)改善可以歸納為提高土壤孔隙度（Steiner et al.，2007；Yanai et al.，2007）和表面面積，降低土壤的拉伸強(qiáng)度進(jìn)而提高根部熔深（Chan et al.，2008b），降低土壤容重，在重力排水平衡上可以保持更多的水分，從而表現(xiàn)出更大的水截留潛力和表面積。

由此可見，作物秸稈無氧高溫?zé)峤庵苽涞纳锾渴┯糜谕寥揽梢源蠓忍嵘寥捞紟?，并因其結(jié)構(gòu)性質(zhì)有利于農(nóng)田土壤固持養(yǎng)分，提高氮磷養(yǎng)分利用率，改善微生物生境，從而達(dá)到提高土壤質(zhì)量而促進(jìn)作物增產(chǎn)的雙贏效果。

2.3對有害污染物的控制

生物炭進(jìn)入土壤后，由于其內(nèi)部所富含的微孔結(jié)構(gòu)以及本身具有的強(qiáng)芳香性和配位性，對環(huán)境中常見的有毒物質(zhì)如重金屬具有較強(qiáng)的吸附作用；而對于早已引起廣泛關(guān)注的環(huán)境疏水性持久性有機(jī)污染物，生物炭可以顯示出很強(qiáng)的吸附滯留能力，大大降低其生物有效性。因此生物炭對污染土壤的治理和修復(fù)具有重要的意義。

近年來，國內(nèi)開展了很多關(guān)于生物炭對土壤中重金屬離子吸附滯留的研究。

對可變電荷土壤吸附Pb2+的研究表明，添加花生秸稈炭和稻草炭使土壤pH提高了1.04～3.00個(gè)單位，且土壤pH增加幅度隨生物質(zhì)炭制備溫度的升高而增加。等溫吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭增加了Pb2+在可變電荷土壤表面的吸附量，從而降低土壤溶液中的有害離子含量（蔣田雨等，2013）。

而對由小麥秸稈、玉米秸稈和花生殼經(jīng)350～500 ℃熱裂解制成的生物質(zhì)炭吸附Pb2+和Cd2+的研究表明，生物質(zhì)炭對Cd2+和Pb2+的吸附約10 min即達(dá)平衡；玉米秸稈炭的最大吸附量遠(yuǎn)大于小麥秸稈炭和花生殼炭；在生物黑炭投加量為150 mg （6 g·L-1）時(shí)，3種生物黑炭對溶液Cd2+的去除率均在90%以上，玉米秸稈炭對溶液Pb2+的去除率達(dá)90.30%，而小麥秸稈炭和花生殼炭的去除率僅為52%和47%，玉米秸稈炭有望成為處理重金屬污染廢水的新型吸附材料（劉瑩瑩等，2012）。

利用秸稈生物炭對某電鍍廠污染場地進(jìn)行的穩(wěn)定化研究表明，秸稈生物炭能夠改變污染土壤中重金屬的形態(tài)分布，對污染土壤有明顯的穩(wěn)定化作用。其中對鉻的作用效果最明顯，對銅和鎳的穩(wěn)定化效果受添加量的影響，對鋅則無明顯穩(wěn)定化作用。當(dāng)生物炭添加量為50 g·kg-1時(shí)，4種重金屬殘?jiān)鼞B(tài)總量較對照（1745 mg·kg-1）明顯增加，為1805.95 mg·kg-1，添加量也較為合理（甘文君等，2012）。

水稻秸稈生物炭對Pb2+的吸附特性研究表明，隨著熱解溫度的升高，生物炭表面含氧官能團(tuán)的數(shù)目下降，芳香化程度升高，微孔結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)育，比表面積逐漸增大。4種不同溫度制備的生物炭對Pb2+的吸附反應(yīng)過程滿足準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程，隨著溶液初始pH值的升高，生物炭的吸附量增加；在300～600 ℃范圍內(nèi)，低溫條件下制備的生物炭對重金屬離子有更強(qiáng)的吸附能力（安增莉等，2011）。

也有研究表明，以農(nóng)業(yè)廢棄物水稻秸稈為原料，采用限氧裂解法在350、500和700 ℃下制備的秸稈生物炭對Pb2+的吸附行為符合準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程，等溫吸附曲線符合Langmuir方程，最大吸附量分別為65.3、85.7和76.3 mg·g-1，是原秸稈生物質(zhì)的5～6倍，活性炭的2～3倍；生物炭單位面積上的有效吸附點(diǎn)位比活性炭高約10倍。但經(jīng)酸化去除表面礦物成分后，350和700 ℃制備的樣品對Pb2+的吸附能力急劇下降，其最大吸附量、吸附親和力與活性炭相近。表明生物炭中的有機(jī)碳組分和無機(jī)礦物組分對其吸附Pb2+均有重要貢獻(xiàn)，其中無機(jī)礦物組分的吸附量及親和力均大于有機(jī)碳組分（陳再明等，2012）。

為考察秸稈生物質(zhì)炭在重金屬污染紅壤修復(fù)中的作用，有人開展了用一次平衡法確定由花生秸稈、大豆秸稈、稻草秸稈和油菜秸稈制備的4種生物質(zhì)炭對采自江西和廣西的2種紅壤吸附Cu2+的影響及其機(jī)制的研究。結(jié)果表明，添加由農(nóng)作物秸稈制備的生物質(zhì)炭提高了紅壤對Cu2+的吸附量，生物質(zhì)炭對Cu2+吸附的促進(jìn)作用隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增加，低pH值條件下促進(jìn)作用更明顯。生物質(zhì)炭表面帶負(fù)電荷，可以同時(shí)增加紅壤對Cu2+的靜電吸附量和專性吸附量，但以增加專性吸附為主。因此，添加秸稈生物質(zhì)炭可以有效降低Cu2+在酸性紅壤中的活動(dòng)性和生物有效性（佟雪嬌等，2011）。

以棉花秸稈制備的生物炭對溶液中鎘的吸附性能的研究表明，生物炭對Cd2+的吸附可以用Freundlich等溫線較好地?cái)M合，在不同溫度下其飽和吸附量分別為9.738 mg·g-1（288.15 K）、10.14 mg·g-1（298.15 K）、10.40 mg·g-1（308.15 K）和10.71 mg·g-1（318.15 K），熱力學(xué)參數(shù)表明生物炭吸附Cd2+的過程是自發(fā)的吸熱過程，吸附動(dòng)力學(xué)過程符合二級動(dòng)力學(xué)模型，在40 min即可達(dá)到平衡；pH對生物炭吸附Cd2+的影響較大，在pH 2～8范圍時(shí)，生物炭對Cd2+的吸附量隨pH的增加先上升后下降；生物炭對Cd2+的吸附量隨著溶液離子強(qiáng)度的增大呈降低趨勢（郭文娟等，2013）。

玉米秸稈生物炭對Cd（Ⅱ）的吸附機(jī)理研究表明，在350和700 ℃熱解溫度下分別制備的兩種生物炭BC350、BC700具有較大的的差異，BC700芳構(gòu)化程度更高，疏水性更強(qiáng)，比表面積更大，孔結(jié)構(gòu)發(fā)育更加完全。對吸附過程的研究表明Two-site Langmuir吸附等溫模型比One-site Langmuir吸附等溫模型能更好描述Cd(Ⅱ)在生物炭表面的吸附。BC700對Cd（Ⅱ）的吸附容量大于BC350，解吸率遠(yuǎn)小于BC350，吸附效果更好；離子交換和陽離子-π作用兩種吸附機(jī)理同時(shí)存在并共同作用，前者分別占BC350和BC700總吸附容量的13.7%和1.1%，后者分別占86.3%和98.9%，陽離子-π作用成為最主要的吸附作用。生物炭表面的含氧官能團(tuán)和共軛芳香結(jié)構(gòu)分別提供不同機(jī)理的吸附位點(diǎn)。由于具有更多的離子交換位點(diǎn)，BC350對Cd（Ⅱ）吸附受pH影響較BC700更大（李力等，2012）。

對生物炭對有機(jī)污染物作用的研究也有很多。有人將稻草、稻殼、大豆和花生秸稈低溫?zé)峤庵苽渖镔|(zhì)炭，用平衡吸附實(shí)驗(yàn)和淋溶實(shí)驗(yàn)研究其對陽離子染料亞甲基藍(lán)的吸附及對水體中亞甲基藍(lán)的去除效果。結(jié)果表明，4種生物質(zhì)炭吸附亞甲基藍(lán)能力為稻草炭＞大豆秸稈炭＞花生秸稈炭＞稻殼炭，這一順序與生物質(zhì)炭表面負(fù)電荷數(shù)量和生物質(zhì)炭比表面的大小順序基本一致。生物質(zhì)炭可以用作高效吸附劑去除染料廢水中的亞甲基藍(lán)（徐仁扣等，2012）。

有人通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定對照和添加1%小麥秸稈生物質(zhì)炭，研究生物質(zhì)炭對土壤中氯苯類物質(zhì)老化殘留和生物有效性的影響，并通過丁醇、HPCD和Tenax這3種化學(xué)提取方法以及蚯蚓富集實(shí)驗(yàn)評價(jià)土壤中氯苯類物質(zhì)生物有效性的變化。結(jié)果表明添加生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)氯苯的消減，且顯著降低土壤中氯苯的生物有效性，隨著老化時(shí)間延長，降低效果更為顯著。添加生物質(zhì)炭可顯著降低蚯蚓對氯苯的生物富集系數(shù)，這說明生物質(zhì)炭能降低土壤中有機(jī)污染物的生物有效性（宋洋等，2012）。但高污染殘留存在潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，在長時(shí)間尺度內(nèi)可能會(huì)形成新的次級污染源。

對水稻秸稈生物炭的結(jié)構(gòu)特征及其對有機(jī)污染物的吸附性能的研究表明，水稻秸稈生物炭含有豐富的有機(jī)碳組分和無機(jī)礦物組分，隨著裂解溫度升高，生物炭中有機(jī)組分的含碳量逐漸升高、極性減弱、芳香性增強(qiáng)，而無機(jī)礦物組分的相對含量則不斷增加；當(dāng)裂解溫度從300 ℃升至400 ℃時(shí)，比表面積突然增大，微孔結(jié)構(gòu)被打開，主要由于水稻秸稈中纖維素組分大量分解產(chǎn)氣所致。水稻秸稈生物炭吸附有機(jī)污染物的主要介質(zhì)為有機(jī)組分，等溫吸附曲線符合Freundlich方程，隨炭化溫度升高，等溫吸附曲線由線性變?yōu)榉蔷€性，吸附機(jī)制從分配作用變?yōu)榉峙渥饔?表面吸附作用再到完全的表面吸附作用，吸附容量變大（陳再明等，2013）。生物質(zhì)炭在熱解過程中發(fā)生的變化及其對疏水性有機(jī)污染物吸附特性的影響，跟我們先前所做的干酪根熱模擬成熟演化過程及其對持久性有機(jī)物吸附解吸特性的影響的結(jié)論幾乎完全一致（Zhang et al.，2014）。這體現(xiàn)了生物質(zhì)在地質(zhì)熱演化作用下和熱解作用下發(fā)生演化過程的一致性。

針對環(huán)境中抗生素污染日益嚴(yán)重的問題，有人通過室內(nèi)分析試驗(yàn)研究玉米秸稈生物質(zhì)炭對外源金霉素的吸附與解吸特性，結(jié)果表明玉米秸稈生物質(zhì)炭對金霉素的吸持動(dòng)力學(xué)過程包括快速反應(yīng)和慢速平衡兩個(gè)階段，適合用擬二級動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，反應(yīng)進(jìn)行12 h時(shí)基本達(dá)到吸持平衡；玉米秸稈生物質(zhì)炭對金霉素有很大的吸持容量和吸持強(qiáng)度，能夠強(qiáng)烈吸持溶液中的金霉素且解吸率較低，因此玉米秸稈生物質(zhì)炭對外源金霉素有很好的去除效果。

2.4總結(jié)與前瞻

綜上所述，農(nóng)業(yè)種植秸稈的生物炭處置資源化途徑對碳的固定和溫室氣體的減排、土壤功能形態(tài)和肥力的改良、有害污染物的控制均具有重要的意義。然而，目前生物質(zhì)炭研究在國內(nèi)外仍處于起步階段，制備生物炭所采取的材質(zhì)以及研究的手段、應(yīng)用的場合也各不相同，因此研究結(jié)果缺乏可比性。不同材料、溫度等條件制備的生物質(zhì)炭性質(zhì)差異很大（何緒生等，2011）。同時(shí)且生物質(zhì)炭在制備過程中會(huì)產(chǎn)生少量有毒有機(jī)物質(zhì)，因此施用于作物之前要進(jìn)行有毒有害物暴露風(fēng)險(xiǎn)評估。也有學(xué)者提出必須開展生物質(zhì)炭標(biāo)準(zhǔn)研究和全國多點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)研究（謝祖彬等，2012）。另外，很多研究僅僅在短時(shí)間尺度內(nèi)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對土壤改良有一定的效果，但其長期效應(yīng)仍需進(jìn)一步研究。而且限于實(shí)際條件，大多數(shù)研究僅限于室內(nèi)模擬和小規(guī)模田間試驗(yàn)，在秸稈生物炭大規(guī)模推廣應(yīng)用之前還需考慮其大批量制備及制備成本問題（袁金華等，2011）。生物質(zhì)炭對土壤與植物的效應(yīng)研究上，目前多集中于宏觀現(xiàn)象研究，微觀上作用機(jī)理仍不甚明了，這也是今后研究的重要方向。如果在改良土壤和植物的作用機(jī)理上有所突破，就可以有的放矢的指導(dǎo)生物質(zhì)炭的生產(chǎn)以及確定合理的農(nóng)田施用量（Knowles et al.，2011），以期收到生物炭資源利用的最佳效果。

3　結(jié)論

中國能源資源緊張、“三農(nóng)”問題突出，利用好中國豐富的秸稈生物質(zhì)資源，對于推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、解決能源短缺問題有極大的幫助，對農(nóng)民、農(nóng)業(yè)和農(nóng)村問題的解決具有積極的意義。目前，國際生物質(zhì)資源開發(fā)的主要方向是能源和生物質(zhì)材料的開發(fā)。我們應(yīng)立足于中國的具體國情，選擇最適當(dāng)?shù)馁Y源化利用方式，合理規(guī)劃，合理布局，充分利用起中國豐富的秸稈資源，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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Analysis of the Reutilization Methods for Agricultural Waste of Straw in China

MA Xiaoxuan1,CAI Hongzhen2,FU Peng2,LIU Aiju1*
1.School of Resource and Environment,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China; 2.School of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China

Abstract:This article gives a brief introduction for the pollution and harm of agricultural wastes such as straws in China these years,puts forward two kinds of recovery measures:biomass recycling and biochar recycling，and makes elementary analysis and contrast.Because agricultural straws have a certain formation of element and structure,so they are a kind of fine biomass material.Straw biomass can be used by ways of fertilizer,fodder,plastic,fuel,chemical industrial material and building materials.On the other hand,straws can be transformed to biochar which can be used to capture carbon from the air,improve soil structure,restore polluted soils,keep nutrient element in the soil and increase farm harvest finally,so biochar is also a good way to handle straws.In this article a summary and analysis of both measures for the reutilization methods of straws are made,and the shortcomings nowadays and the potential improvement in the future for both measures are also put forward.

Key words:agricultural straws; reutilization; biochar

收稿日期：2015-09-23

作者簡介：馬驍軒（1981年生），副教授，博士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染物的環(huán)境行為和污染治理。Email:casmxxcas@126.com*通信作者：劉愛菊

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014BL034）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2015DM010）

中圖分類號：X24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）01-0168-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.025

引用格式：馬驍軒,蔡紅珍,付鵬,劉愛菊.中國農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈的資源化處置途徑分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2016,25(1):168-174.