木醋液的制備及其在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展

盧勝男 ，周 嶺 ，王龍杰 ，劉 龍 ，張紅美

（1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 塔里木大學(xué)，新疆 阿拉爾 843300）

農(nóng)林殘余物主要是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中形成的作物秸稈、樹(shù)木殘枝、葉片和果皮殼等[1]。我國(guó)農(nóng)林殘余物資源豐富，每年產(chǎn)出量可達(dá)20億t[2]。農(nóng)林殘余物料中含有半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等成分，是制備木醋液的有機(jī)生物質(zhì)原料[3]。所以，對(duì)木醋液的研究，可為促進(jìn)資源的高效利用，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)作出一定貢獻(xiàn)。

木醋液是將生物質(zhì)原料高溫加熱后，木質(zhì)素、纖維素、半纖維素?zé)峤猱a(chǎn)生的混合物[4]；木醋液成分復(fù)雜，主要含有酸類、酚類、醇類、醛類等有機(jī)化合物[5]。目前，主要是針對(duì)熱解溫度、原料、精制方法的不同，對(duì)制備的木醋液進(jìn)行成分分析并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行研究。筆者對(duì)木醋液的制備及其在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合闡述，旨在為木醋液的制備、研究、應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

1 木醋液的制備

木醋液的制備過(guò)程中，熱解溫度、原料和制備方法均會(huì)對(duì)木醋液的產(chǎn)率、組分含量、組分種類產(chǎn)生影響[6-7]。根據(jù)熱解溫度和升溫速率的不同，可分為慢速、快速、閃速等裂解形式，不同條件下制備的木醋液組分不同、產(chǎn)率也不同[8]。

1.1 熱解溫度對(duì)木醋液產(chǎn)率的影響

熱解溫度是影響木醋液產(chǎn)率的最重要因素[9]。李夢(mèng)媛[10]在終溫分別為 450、570、690、750 ℃的條件下，對(duì)4種樺木制備木醋液的成分和產(chǎn)率進(jìn)行研究，結(jié)果表明，一定條件下，木醋液的產(chǎn)率和熱解溫度呈正相關(guān)，在終溫690 ℃下4種原料制備木醋液的產(chǎn)率均為最大。吳巧美等[11]的試驗(yàn)也得出相同的結(jié)論，同時(shí)提出隨熱解溫度升高木醋液在精制過(guò)程中產(chǎn)率呈先升高再降低。這表明在制備木醋液過(guò)程中，當(dāng)熱解溫度過(guò)高時(shí)，制備的粗制木醋液中雜質(zhì)含量增多。表1中以榴蓮木材、蘋(píng)果枝為原料熱解制備木醋液，在一定條件下木醋液的產(chǎn)率隨溫度升高而增加，但當(dāng)熱解溫度增加到600 ℃時(shí)，蘋(píng)果枝制備木醋液的產(chǎn)率降低。同樣，在侯曉梅[12]的研究中提到，高溫?zé)峤舛胖僦?，木醋液的產(chǎn)量隨溫度升高呈先增加再降低的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)榈蜏禺a(chǎn)生的物質(zhì)在高溫條件下發(fā)生了二次裂解導(dǎo)致的。所以，在高溫?zé)峤庵苽淠敬滓旱倪^(guò)程中，選取合適的溫度，避免造成二次裂解和降低焦油等雜質(zhì)的產(chǎn)生，對(duì)提高木醋液產(chǎn)率和有效成分十分重要。

表1 熱解溫度對(duì)木醋液產(chǎn)率的影響Tab.1 Effect of pyrolysis temperature on the yield of wood vinegar

1.2 熱解溫度對(duì)木醋液組分的影響

生物質(zhì)原料主要由半纖維素、纖維素、木質(zhì)素組成，各組分熱解溫度、熱解產(chǎn)物不同[11]。因此，在熱解制備木醋液的過(guò)程中，熱解溫度變化，木醋液的成分組成有一定的區(qū)別。表2列出了不同制備原料在不同熱解溫度下，各成分占比和成分種類的變化，結(jié)果表明，木本植物作為原料在690 ℃以下熱解，隨溫度的升高所制備木醋液的成分組成種類越多。但溫度超過(guò)690 ℃時(shí)，高溫導(dǎo)致產(chǎn)生的物質(zhì)二次裂解，木醋液的成分組成種類減少；而棉稈在一定條件下熱解，隨溫度升高產(chǎn)率增加，成分種類呈先增加后減少的趨勢(shì)。郭根茂等[15]研究結(jié)果表明，在木醋液制備過(guò)程中，低于350 ℃時(shí)酸類物質(zhì)相對(duì)含量較多，高于350 ℃時(shí)酚類物質(zhì)增加。

表2 熱解溫度對(duì)木醋液組分的影響Tab.2 Effect of pyrolysis temperature on components of wood vinegar

續(xù)表2 熱解溫度對(duì)木醋液組分的影響Tab.2（Continued） Effect of pyrolysis temperature on components of wood vinegar

眾多學(xué)者研究表明，低溫階段半纖維素、纖維素?zé)峤猓邷仉A段木質(zhì)素?zé)峤?，這是隨溫度變化木醋液成分發(fā)生變化的主要原因；同時(shí)，木醋液制備過(guò)程中隨溫度升高會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)生成的成分產(chǎn)生二次裂解[18]。所以，在木醋液的制備過(guò)程中，研究生物質(zhì)原料的熱解機(jī)制，針對(duì)不同原料選取合適熱解溫度，可以提高生物質(zhì)熱解速率、降低熱解成本，減少成分的二次裂解；同時(shí)根據(jù)使用需求選取合適熱解溫度，可增加成分種類，制備提高某類產(chǎn)物的木醋液。

1.3 原料對(duì)木醋液組分的影響

熱解受原料特性等因素影響[19]，不同生物質(zhì)原料木質(zhì)素、半纖維素、纖維素的含量和組成結(jié)構(gòu)不同[20]，導(dǎo)致制備的木醋液成分存在一定差別[17]，使得不同原料制備的木醋液用途不同。通過(guò)查閱資料，繪制了木醋液成分—用途對(duì)照表表3。

表3 木醋液成分—用途對(duì)照Tab.3 Comparison of components and uses of wood vinegar

由表3可知，多數(shù)酸類物質(zhì)都具有抑菌的作用，且可應(yīng)用于生產(chǎn)農(nóng)藥；酯類物質(zhì)多用做香精、添加劑。結(jié)果表明，2-丙酮、2-丁酮、環(huán)戊酮、2，5-己二酮具有殺菌、驅(qū)蟲(chóng)、生產(chǎn)農(nóng)藥的作用；乙醛、糠醛、香草醛具有抑菌、殺菌的作用可應(yīng)用于生產(chǎn)農(nóng)藥；香草醛還具有促進(jìn)作物生長(zhǎng)的作用。

通過(guò)整理分析周嶺等[21]研究的棉稈、雜木木醋液，以及筆者測(cè)定的煙草木醋液、木醋液1（通過(guò)購(gòu)買(mǎi)得到的木醋液稱為木醋液1）的成分，繪制不同原料制備木醋液有效成分表（表4）、木醋液成分對(duì)比圖（圖1）和木醋液成分種類對(duì)比圖（圖2）。從圖1、2可以看出，不同原料制備的木醋液成分組成及含量都有一定區(qū)別。由表4和圖1可知，棉稈木醋液中酸類、酮類、酚類物質(zhì)含量都很高，其乙酸具有調(diào)節(jié)土壤pH值、促進(jìn)微生物生長(zhǎng)的作用，所含的其他酸類、醇類、酚類等物質(zhì)具有殺蟲(chóng)、除草作為農(nóng)藥使用的功效。雜木木醋液中乙酸含量最高，根據(jù)乙酸的作用，可以研究其對(duì)土壤對(duì)微生物生長(zhǎng)、酶的活性以及養(yǎng)分變化的作用。煙草木醋液中含有90.13%的尼古丁，主要有殺蟲(chóng)的作用。木醋液1中酚類物質(zhì)含量較高，可作為殺菌劑、農(nóng)藥使用。

圖1 木醋液成分對(duì)比分析Fig.1 Comparison analysis of components of wood vinegar

圖2 木醋液成分種類對(duì)比分析Fig.2 Comparison analysis of wood vinegar component types

表4 不同原料制備木醋液有效成分Tab.4 Effective components of wood vinegar prepared from different raw materials %

因此，在研究木醋液的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)木醋液成分的分析，可以初步確定木醋液的作用方向，為研究木醋液提供參考依據(jù)。

1.4 精制方法對(duì)木醋液組分的影響

木醋液制備過(guò)程中有焦油等有害物質(zhì)產(chǎn)生，需精制后投入使用[22]。在木醋液的制備過(guò)程中主要通過(guò)靜置、蒸餾、活性炭吸附和萃取等方法來(lái)精制，木醋液的精制對(duì)提高木醋液的應(yīng)用效果十分重要，不同用途選擇不同的精制方法[23]；萃取是木醋液成分精制和富集的有效方法。盧辛成等[24]對(duì)乙酸乙酯、氯仿、乙醚萃取杉木木醋液成分進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種萃取劑對(duì)酚類物質(zhì)富集作用明顯，但對(duì)酸類、醇類、酯類富集效果較差，且明顯低于粗制木醋液。高俊麗[25]研究表明，以4 000 r/min速度、用NaCl溶液離心5 min，以乙酸乙酯為萃取劑，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)降低焦油、苯酚及提高酚類物質(zhì)的萃取率效果最佳。根據(jù)文獻(xiàn)[22]繪制了精制方法—木醋液成分對(duì)照表表5。由表5可知，將粗制木醋液進(jìn)行靜置和活性炭吸附處理，然后選用溶劑萃取和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的方法精制木醋液，木醋液組分和組分種類都較高。

表5 精制方法—木醋液成分對(duì)照Tab.5 Comparison of refining methods and wood vinegar components

目前常用的精制方法都有一定的缺點(diǎn)，靜置法操作簡(jiǎn)單、成本低，但制備周期長(zhǎng)，液體損耗大[26]；蒸餾法、吸附法木醋液成分損失較大；萃取法富集效果單一；因此，為保證木醋液有效組分及含量，需聯(lián)合使用不同萃取方法，或者探尋其他新的萃取方法。

2 木醋液在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

2.1 木醋液對(duì)改良土壤的作用

一定條件下，噴施或滴灌木醋液于土壤中，可有效鈍化土壤中重金屬的活性、調(diào)節(jié)pH值、降低鹽分，增加小分子團(tuán)粒數(shù)量和養(yǎng)分含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高酶的活性。

土壤中高濃度的鉛污染嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)潛力，損傷植物細(xì)胞，造成植株死亡。食用重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)作物，也會(huì)影響人類身體健康[27]。徐熙[27]研究發(fā)現(xiàn)，以柞樹(shù)為原料制備的5%的生物質(zhì)炭與0.2%的木醋液配施對(duì)土壤中鉛含量的鈍化效果最佳。常青等[28]在土壤中施加木醋液對(duì)土壤pH值和EC值影響的研究中發(fā)現(xiàn)，稀釋10倍以下的木醋液對(duì)土壤的pH值和EC值有改良效果，不稀釋的木醋液處理效果最佳，但施加稀釋300倍的木醋液時(shí)，與清水處理效果無(wú)異。潘玉蕊等[29]通過(guò)煙稈和竹子2種不同原料制備木醋液，研究木醋液對(duì)土壤理化性質(zhì)影響，結(jié)果表明，2種木醋液均能增加土壤中的養(yǎng)分含量。土壤酶是生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，木醋液施加土壤后，能夠促進(jìn)土壤中淀粉酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶等酶的活性[30]，同時(shí)提高了土壤對(duì)氮的轉(zhuǎn)化。微生物對(duì)土壤中的有機(jī)物分解、維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性、肥力的演變和發(fā)育都有重要的作用[31]。張傳進(jìn)等[32]探究木醋液對(duì)土壤生物學(xué)性狀和細(xì)菌群落影響的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施加的木醋液稀釋600倍時(shí)，土壤中微生物數(shù)量以及土壤的其他理化性質(zhì)都有顯著提高，但稀釋900倍時(shí)，對(duì)土壤改良效果不顯著。

以木醋液培養(yǎng)土壤，常青等[28]、張傳進(jìn)等[32]都提到低濃度木醋液對(duì)土壤改良效果不佳，但在改良土壤過(guò)程中，需考慮高濃度木醋液是否會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒害，所以，在木醋液改良土壤過(guò)程中要結(jié)合作物生長(zhǎng)情況合理選用稀釋倍數(shù)。另外，木醋液改良土壤可以促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，使土壤中酶活性增加，從而提升土壤中的養(yǎng)分含量，提高土壤肥力，但要注意土壤中氮元素的供給，同時(shí)避免土壤中微生物過(guò)量，與作物產(chǎn)生爭(zhēng)氮的現(xiàn)象[31]。

2.2 木醋液對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)的作用

木醋液成分復(fù)雜，根據(jù)使用劑量的不同，對(duì)作物生長(zhǎng)具有促進(jìn)或毒害的作用[33]。一定條件下，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中使用木醋液具有提高作物葉綠素含量、抗氧化酶活性、養(yǎng)分吸收率[34]，降低重金屬含量[35]，提高作物抗旱性、抗寒性、受脅迫性[36]，促進(jìn)種子萌發(fā)、提高種子繁育質(zhì)量[37]，促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提升品質(zhì)的作用[38]。李艷寧[39]以沖施方式將木醋液施用在黃瓜地，在75 kg/（hm2·次）以下范圍內(nèi)，木醋液的施用濃度與黃瓜產(chǎn)量成正比。李丹洋等[40]研究表明，木醋液對(duì)玉米成熟期的株高、根長(zhǎng)均有促進(jìn)作用。在木醋液的使用過(guò)程中，不同施入方式和不同施入量對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)效果不同[41]。木醋液在烤煙生長(zhǎng)過(guò)程中，灌施比葉面噴施效果更好，每株灌施9 g對(duì)作物生長(zhǎng)促進(jìn)作用最佳[42]。木醋液不僅能促進(jìn)作物生長(zhǎng)，還可以提高作物的品質(zhì)。薛彤昕等[43]通過(guò)對(duì)木醋液作用于水培油菜進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)可以提高維生素C量。

在一些研究中，木醋液在和其他肥料耦合使用時(shí)，對(duì)作物的生長(zhǎng)和品質(zhì)提升同樣具有促進(jìn)作用。徐熙[27]的研究表明，木醋液和生物炭搭配使用，可有效降低小白菜對(duì)土壤中鉛的吸收，提高葉片葉綠素含量，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，使植株的干鮮質(zhì)量都有一定的增加。王正等[44]將2%木醋液和2%生物炭配施在油葵中，對(duì)作物生長(zhǎng)促進(jìn)作用顯著，提高作物產(chǎn)量，且作用效果最佳。覃青青等[45]在施加木醋液、草木灰、菇渣對(duì)烤煙生長(zhǎng)的影響研究中發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)施用和配施均能提高烤煙的農(nóng)藝性狀，但木醋液配施草木灰或菇渣促進(jìn)效果更佳。

綜上可知，因制備木醋液的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焦油等有害物質(zhì)，所以，在促進(jìn)作物生長(zhǎng)過(guò)程中有雙向作用，應(yīng)選取合適濃度，以達(dá)到木醋液的最佳使用效果。并且因木醋液成分有限，在使用過(guò)程中搭配其他肥料使用，可能存在更佳的作用效果。

2.3 木醋液對(duì)防控病蟲(chóng)草害的作用

木醋液中含量較高的物質(zhì)為酸類物質(zhì)和酚類物質(zhì)，酸類物質(zhì)具有抑菌的作用，酚類物質(zhì)具有抑菌和抗氧化的作用，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，可以作為抑菌劑、除草劑、殺蟲(chóng)劑使用。韓建瑋[46]通過(guò)木醋液對(duì)蘋(píng)果再植病的研究表明，木醋液可以通過(guò)抑制真菌達(dá)到防治病害的最好效果，稀釋100倍和200倍的木醋液在試驗(yàn)處理后期防治效果較好，但當(dāng)木醋液稀釋400倍時(shí)，作用效果不顯著。AGUIRRE等[47]研究表明，木醋液作為除草劑時(shí)，噴施比灌施效果更好。木醋液中的有機(jī)酸具有除草功效，但不同原料制備的木醋液，在相同有機(jī)酸濃度下除草效果不同。孫付超等[48]通過(guò)對(duì)竹醋、木醋、秸稈醋除草效果的研究，發(fā)現(xiàn)都具有較好的除草效果，但相同濃度有機(jī)酸，竹醋除草效果更好，表明竹醋液中存在使有機(jī)酸增效的物質(zhì)。木醋液具有殺蟲(chóng)的作用，不同濃度的木醋液對(duì)殺蟲(chóng)的效果也不相同[49]。謝映[50]研究表明，木醋液濃度越高，其對(duì)南方根結(jié)線蟲(chóng)的抑制作用越強(qiáng)，試驗(yàn)中稀釋300倍處理效果最好。

通過(guò)對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)木醋液在病蟲(chóng)草害防治過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)濃度越高處理效果越顯著的情況，因此，在應(yīng)用過(guò)程中要結(jié)合農(nóng)作物生長(zhǎng)情況選擇合適的使用濃度。

2.4 木醋液對(duì)制備生物質(zhì)肥的作用

木醋液應(yīng)用在堆肥過(guò)程中，具有提高物料的含水率、總氮含量、總磷含量、K十含量及有機(jī)質(zhì)降解率，降低pH值、電導(dǎo)率的作用[51]。張航[52]、周嶺等[53]的研究表明，木醋液在牛糞堆肥過(guò)程中通過(guò)改變重金屬形態(tài)，使其生物活性降低，達(dá)到鈍化重金屬Cu、Zn的效果。劉飛等[54]的研究表明，棉稈木醋液在牛糞堆肥過(guò)程中通過(guò)抑制CH4和CO2的排放，減少堆肥過(guò)程中碳的損失，提高堆肥品質(zhì)。秦翠蘭等[55]的研究表明，木醋液在牛糞堆肥過(guò)程中可以提高堆肥初期的升溫速率和堆肥后期的溫度。HAGNER等[56]的試驗(yàn)證明，木醋液可以降低牛糞的NH3排放速度。

眾多學(xué)者的研究表明，木醋液在堆肥過(guò)程中，對(duì)維持溫度穩(wěn)定、促進(jìn)微生物生長(zhǎng)、加快肥料腐熟、增加有機(jī)質(zhì)降解率、提高肥料養(yǎng)分含量、減小糞肥中重金屬含量、減少碳、氮的損失、提高堆肥品質(zhì)具有重要作用。但目前對(duì)堆肥應(yīng)用于作物生長(zhǎng)過(guò)程中的研究較少，尚不確定堆肥過(guò)程中的變化是否會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害作用，所以，應(yīng)針對(duì)使用情況進(jìn)行深入研究。

3 結(jié)論

木醋液作為一種低成本、高效、環(huán)保肥料，不同種類木醋液和不同施加濃度在改良土壤、促進(jìn)作物生長(zhǎng)、抑菌殺蟲(chóng)、制備生物質(zhì)肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛研究。但木醋液成分復(fù)雜，在應(yīng)用過(guò)程中具體作用成分尚不清楚。因此，需針對(duì)木醋液中不同成分開(kāi)展進(jìn)一步的研究，探究不同成分的變化對(duì)應(yīng)用過(guò)程中的影響，充分發(fā)揮不同成分的作用，為制備高效、高產(chǎn)的木醋肥提供參考依據(jù)。