竹子廢棄物基質(zhì)化利用研究進展

祝宇航　周晚來　張冬冬　林偉　楊?！⊥鹾纭∑葜怯?/p>

摘 要： 我國竹子種類豐富、產(chǎn)量大，但綜合利用率較低，每年均會產(chǎn)生大量竹子廢棄物。利用竹子廢棄物開發(fā)園藝基質(zhì)，既可緩解竹子廢棄物帶來的生態(tài)環(huán)境壓力，又可為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。本研究從竹子廢棄物基質(zhì)化利用角度，綜述了竹子廢棄物（包括竹炭基質(zhì)、竹屑基質(zhì)、竹纖維基質(zhì)以及竹醋液基質(zhì)改良劑）基質(zhì)化利用工藝手段及其性能，并闡明了竹子廢棄物基質(zhì)化利用存在的問題以及相關(guān)建議，以期為其綠色、低碳、環(huán)保化再利用提供借鑒，促進我國園藝基質(zhì)栽培產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 基質(zhì)；竹炭；竹屑；竹纖維；竹醋液

中圖分類號：X71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-3020（2023）02-0056-06

Research Progress on Substrate Utilization of Bamboo Waste

Zhu Yuhang（1） Zhou Wanlai（2） Zhang Dongdong（2）

Lin Wei（2） Yang Rui（2） Wang Hong（2） Qi Zhiyong（2）

（1. School of Mechanical Engineering， Chengdu University Chengdu 610100;

2.Institute of Urban Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Sciences Chengdu 610213）

Abstract： There are abundant varieties of bamboo in China， but the comprehensive utilization of bamboo in the industry is low. And a large amount of bamboo waste is produced every year. Develop horticultural substrate by utilization of bamboo waste can alleviate the pressure of ecological environment and guarantee the sustainable development of modern agriculture. From the perspective of substrate utilization of bamboo， Technology and properties of substrate utilization including bamboo biochar substrate， bamboo chip substrate， bamboo fiber substrate and bamboo vinegar substrate conditioner was described this paper. In addition， this paper also illustrates existing problems and suggestions of substrate utilization of bamboo waste in order to provide reference for its green， low carbon， environmental protection recycle， and promote the sustainable development of Chinese horticultural substrate cultivation industry.

Key words： substrate; bamboo charcoal; bamboo chips; bamboo fiber; bamboo vinegar

我國竹子蓄積量長期居于世界第一，竹子種類繁多，竹林面積達(dá)7.02萬m2，年產(chǎn)出竹子41.0億根[1]。在竹材研究、培育和產(chǎn)品開發(fā)方面均走在世界前列，被譽為“世界竹業(yè)大國”[2]。我國竹子加工產(chǎn)品種類近萬種，在傳統(tǒng)竹子加工中，竹材加工廢棄率達(dá)到60%以上，例如在竹材膠合板的生產(chǎn)中， 竹材利用率僅為20%～40%。以四川省主要竹產(chǎn)區(qū)宜賓市為例[3]，2017年宜賓市竹片加工廠共計132家，合計產(chǎn)能達(dá)90萬t，日消耗竹材約2 500 t，日產(chǎn)生竹子廢棄物1 500 t左右。目前我國年均加工消耗竹材約2.5億t，以此估算，全國年產(chǎn)生竹子廢棄物超過了1.3億t。

近年來，我國基質(zhì)栽培產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，園藝基質(zhì)年需求量超過了8 600萬m3。目前絕大多數(shù)基質(zhì)栽培采用泥炭，而泥炭是一種不可再生資源，且受制于資源、技術(shù)等，國內(nèi)供應(yīng)量僅為1 000萬m3左右，主要依賴進口[4]。竹子作為一種可再生資源，其纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為43.52%，半纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為21.49%，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為22.49%[5]。其中，木質(zhì)素與半纖維素以共價鍵的形式將纖維素牢牢包圍，達(dá)到強穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，用作基質(zhì)栽培可對植物根系起到有效支撐和保護[6]。此外，竹材中還含有大量的芳香基團、酚羥基、醇羥基等活性基團，有利于促進根系微生物群落的新陳代謝[7]。

基于上述特點，國內(nèi)外學(xué)者做了一系列以竹子為原材料的基質(zhì)開發(fā)探索，并取得了一定的進展。鑒于此，結(jié)合課題組研究方向，本研究概述了當(dāng)前竹子廢棄物基質(zhì)化利用研究進展、存在問題以及發(fā)展趨勢，以期為綠色、低碳、環(huán)保的竹子廢棄物再利用提供借鑒，促進我國園藝基質(zhì)栽培產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 竹子廢棄物成分

在傳統(tǒng)制作和工業(yè)加工過程中會產(chǎn)生大量竹子廢棄物，其中主要包括竹稈、竹枝，以及竹葉等。這些廢棄物主要由纖維素、半纖維素、以及木質(zhì)素組成，且富含黃酮、多糖、氨基酸萜類、生物堿以及酚酸等。由表1可知[8]，毛竹Phyllostachys edulis是一種富含木質(zhì)纖維素的材料，其各主要部位纖維素含量均高于35%，且半纖維素含量也達(dá)20%以上。目前，一些富含木質(zhì)纖維素的材料作為基質(zhì)材料已廣泛應(yīng)用于園藝栽培領(lǐng)域。由表2可知，竹屑與其他木質(zhì)纖維類基質(zhì)材料有著相近的有機質(zhì)含量，且纖維素及木質(zhì)素含量相對較高，具有較好的基質(zhì)化利用潛能。

2.1 竹炭基質(zhì)

竹炭制備主要采用高溫裂解、低溫水熱以及微波裂解技術(shù)對竹子廢棄物進行處理 [13]。其中高溫裂解技術(shù)應(yīng)用較為普遍，是通過熱裂解器通入惰性載氣進行高溫持續(xù)裂解，其生物質(zhì)能較好，裂解程度較高[14]；低溫水熱技術(shù)相對環(huán)保，是以水為介質(zhì)通過水熱釜低溫炭化數(shù)小時，其能耗較小，裂解程度較低[15]；微波裂解技術(shù)是基于高溫裂解技術(shù)外加微波輔助，可大幅縮短炭化周期，提高裂解程度[16]。

竹炭富含碳成分（碳成分占比約60%～80%），以多層緊密芳香環(huán)片堆積而成，具有強穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)，且竹炭比表面積較大，含有多微孔結(jié)構(gòu)，具有較強吸附能力，用作栽培基質(zhì)時具有明顯的增肥保墑效果[17]。竹炭表面還含有大量負(fù)電荷，陽離子交換能力較其他種類基質(zhì)材料大幅度提升。同時，竹炭表面還存在大量酚羥基、羧基、以及內(nèi)酯基等活性基團，可為離子交換提供更多位點。由于竹炭具有顯著的多孔性狀特征以及較強的陽離子轉(zhuǎn)換能力，用于復(fù)合基質(zhì)配比時，可增加鹽基交換量，保肥效果好，能夠有效促進植物營養(yǎng)吸收[18]。此外，竹炭相較于其他生物質(zhì)炭具有更好的有機碳固定能力（土壤固定碳含量為600～800 mg·kg-1），容重也相對較高（保持在0.25 g·m-3左右），可有效激發(fā)微生物活性，促進植物光合作用[19-20]。由于竹炭穩(wěn)定的理化性能，目前已有研究用其來替代泥炭，且園藝基質(zhì)栽培中的應(yīng)用表明適宜的竹炭復(fù)合配比基質(zhì)在花卉[21]、番茄[22]、鐵皮石斛[23]育苗種植過程中，對植物的莖葉、株苗發(fā)育都有顯著的促進作用。

雖然竹炭基質(zhì)性能整體較好，但其仍存在持水性普遍較差的問題（持水率保持在40%左右），較基質(zhì)材料要求持水率需求45%以上仍有待提升。另外王偉龍[21]、陳開超[24]、張文標(biāo)[25]等發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中竹炭含量過高會抑制植物生長，分析其原因可能是竹子中化感物質(zhì)含量較多，如酚類及生物堿等，使得植物組織破壞加劇。

2.2 竹屑基質(zhì)

竹屑是竹子廢棄物常見形式之一，其基質(zhì)化利用通常采用直接混合配比[26]、堆肥發(fā)酵[27]以及液化樹脂發(fā)泡處理[28]等。直接混合配比主要用于制備菌菇栽培基質(zhì)，且大都以“菌棒”形式存在[29-30]。堆肥發(fā)酵工藝則是在原料中添入有機綠肥、EM菌及生物炭等進行共同堆肥發(fā)酵，其核心是通過微生物菌直接降解原料中的大分子物質(zhì)[31]。液化樹脂發(fā)泡處理主要分為混合液化劑液化階段以及樹脂化形成階段，該方法所制得的基質(zhì)性能結(jié)構(gòu)較好且易于改性處理[32]。

竹屑有別于竹炭，其未經(jīng)裂化裂解處理，因而含有更豐富的木質(zhì)素、纖維素以及半纖維素含量，與木屑類似，可直接用作復(fù)合基質(zhì)主料栽培菌菇，為菌絲提供較好的養(yǎng)分。但由于竹屑中含有較高的酚醛類物質(zhì)，會影響到菌菇生長，目前僅在香菇[29]、毛木耳[33]等方面取得一定進展。為提高竹屑基質(zhì)化利用的實用性，部分研究開始采用堆肥發(fā)酵工藝對竹屑進行基質(zhì)化利用處理。雖竹屑堆肥發(fā)酵基質(zhì)碳成分含量較竹炭基質(zhì)有所下降（其中碳成分約45%～60%），但N、P含量相應(yīng)提高1%～2%。竹屑堆肥基質(zhì)容重一般可達(dá)0.20～0.30 g·m-3，電導(dǎo)率維持在0.9～1.5 ms·cm-1，pH值在7.5～9.0之間，整體理化性狀相對較好[31，34]，研究[35]發(fā)現(xiàn)竹屑堆肥基質(zhì)可減少栽培時外來34.5%有機物和50%化肥輸入量。竹屑液化樹脂發(fā)泡基質(zhì)是一種新型的生物質(zhì)發(fā)泡基質(zhì)材料，具有較好的泡孔結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性較強[32]，且配以聚醚多元醇對其進行改性后，基質(zhì)材料粉化現(xiàn)象可得到有效減輕。如劉震濤[28]等制得的基質(zhì)材料表觀密度為0.04 g·m-3，浸出pH值為2.61，吸水率可達(dá)0.86 g·cm-3，保水率保持在97.68%，與竹炭基質(zhì)相比持水率得到了大幅提升。

目前，竹屑復(fù)合配比基質(zhì)研究報道相對較少，主要應(yīng)用于菌菇[29，33]以及少量園藝作物[36]栽培實驗。且由于竹類本身酚醛類化感物質(zhì)含量較多，在上述實驗中通常會選取相對適宜的竹屑比例來制備復(fù)合基質(zhì)，避免竹屑含量過高抑制作物生長發(fā)育。研究表明，40%竹屑復(fù)合配比基質(zhì)可與木屑相當(dāng)，用于栽培更為經(jīng)濟科學(xué)且處理有效磷、速效鉀能力均高于泥炭配比基質(zhì)，化感現(xiàn)象有所減緩。

2.3 竹纖維基質(zhì)

竹原纖維是將竹子廢棄物加工成雜亂狀的竹微絲（粗竹原纖維）[37]。竹原纖維是竹子自身特有的纖維成分，具有良好的透氣性、瞬間吸水性、抗菌性以及抗紫外線能力，是一種綠色可再生的環(huán)保材料。趙健[38]等采用土壤理化性質(zhì)分析法，比較竹纖維和椰糠纖維的理化性質(zhì)。其中竹纖維容重為0.26 g·cm-3，比重為1.26，總孔隙率達(dá)87.06%，有機質(zhì)含量占94.16%以及CEC（陽離子轉(zhuǎn)化率）控制在16.27 cmol·kg-1。整體而言，竹纖維作為基質(zhì)具有較好的潛力，但仍存在pH值較低、有效磷及速效鉀含量較少的問題，因而作為基質(zhì)使用時，可添加一定量的CaCO3溶液以及礦物質(zhì)元素。目前竹纖維基質(zhì)化利用方式與竹屑基質(zhì)類似，多采用直接復(fù)合配比，陳徐平[39]等用50%～55%的竹纖維介質(zhì)與松鱗以及黃泥進行混合復(fù)配。張瑋[40]等采用0.5 wt%竹纖維高分子材料（竹原纖維經(jīng)過二次處理）添入栽培基質(zhì)中以縮短栽培周期，提高栽培效果。相關(guān)實驗表明[41-42]竹纖維基質(zhì)材料可增強基質(zhì)的透氣性能及基質(zhì)的肥力，但與竹屑基質(zhì)類似，未經(jīng)熱化處理，化感物質(zhì)殘存較大，用于基質(zhì)復(fù)配時不宜添加過多阻礙植物生根。

2.4 竹醋液基質(zhì)改良劑

竹醋液[43]是竹子廢棄物熱解過程中產(chǎn)生的氣體混合物，經(jīng)冷凝器分離后得到的液體物質(zhì)，其中含醋酸、丙酸 、甲醇等物質(zhì)，具有良好的抗氧化性及抑菌性。竹醋液可直接添加于復(fù)合基質(zhì)中作為改良劑使用，如韋強[44]在實驗中將每m3育苗栽培基質(zhì)中添加500 mL竹醋液，并在定植后使用200倍竹醋液灌根栽培黃瓜，得到的黃瓜葉片、莖粗和株高較正常黃瓜有了提升，產(chǎn)量也實現(xiàn)了增加，且不會造成黃瓜中硝酸鹽含量超標(biāo)。張璐[45]做了類似實驗，將農(nóng)業(yè)廢棄物、水、發(fā)酵調(diào)理劑、發(fā)酵菌劑以及竹醋液共同混合經(jīng)二次發(fā)酵處理制備基質(zhì)，制成的基質(zhì)物理性質(zhì)較為穩(wěn)定，有效提高了植物的成活率和觀賞效果。竹醋液基質(zhì)改良劑由于是經(jīng)過熱解反應(yīng)制得，酚醛類物質(zhì)含量相對減少，與其他竹類基質(zhì)產(chǎn)品相比，化感作用得以大幅緩解。但由于竹醋液提取過程較為復(fù)雜且產(chǎn)率較低，目前仍未被廣泛利用。

3 竹子廢棄物基質(zhì)化利用存在的問題

總體而言，竹子廢棄物基質(zhì)化利用產(chǎn)品性能較好，具有可替代泥炭的可能。但目前竹子廢棄物資源化利用主要還停留在工業(yè)材料、生物質(zhì)燃料以及醫(yī)藥品等領(lǐng)域[46]，在基質(zhì)栽培領(lǐng)域應(yīng)用還相對較少，主要存在以下幾個方面的問題：

3.1 竹子廢棄物中植物化感作用強，嚴(yán)重限制植物生長發(fā)育[BT）]

植物種間化感是植物間釋放化感物質(zhì)引起的生化相生相克現(xiàn)象，該現(xiàn)象會極大地影響種子萌發(fā)和生長[47]。大量實驗研究證明，酚類、萜類以及生物堿是造成化感現(xiàn)象的主要物質(zhì)[48]。由于竹類植物中富含酚酸類、三萜類以及生物堿等多種化感物質(zhì)[49]，且大部分竹子廢棄物是由竹材直接加工時所產(chǎn)生，化感物質(zhì)基本未被分解，化感作用相對較強[50]。許蕾[49]、王安可[50]、王淑英[51]等發(fā)現(xiàn)竹子對部分園藝作物的化感作用主要表現(xiàn)為較強的抑制作用。竹子廢棄物中普遍富含化感物質(zhì)，會嚴(yán)重限制植物生長發(fā)育。如何降低其所含化感物質(zhì)，是實現(xiàn)竹子廢棄物基質(zhì)化利用迫切需要解決的問題。

3.2 理化性狀可控性低，產(chǎn)品一致性研究匱乏[BT）]

現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)需要實現(xiàn)科學(xué)與農(nóng)業(yè)的有機統(tǒng)一，對基質(zhì)產(chǎn)品一致性要求較高。然而不同方法制備的基質(zhì)理化性狀差異較大，劉震濤[32]制得的竹屑堆肥基質(zhì)pH值則為2.61，而趙健[38]制備的竹纖維基質(zhì)pH值為4.39?，F(xiàn)階段竹子廢棄物基質(zhì)化利用多采用與其他材料混合配比，但多數(shù)研究仍停留在復(fù)合配方上，對基質(zhì)本身理化性狀研究較少。竹類基質(zhì)產(chǎn)品理化性能差異較大，難以實現(xiàn)高品質(zhì)穩(wěn)定產(chǎn)品輸出。因此，提高竹類基質(zhì)產(chǎn)品可控性、保證其一致性是竹子廢棄物基質(zhì)化利用亟待解決的關(guān)鍵問題。

3.3 基質(zhì)化利用產(chǎn)業(yè)鏈缺失，未能實現(xiàn)綜合開發(fā)利用[BT）]

竹子廢棄物基質(zhì)化利用手段較多，且不同方法制備的基質(zhì)材料都有其自身的優(yōu)勢特點，如竹炭基質(zhì)增肥保墑、竹屑基質(zhì)簡單實用、竹纖維基質(zhì)可塑性強以及竹醋液基質(zhì)抑菌防蟲等。盡管各類型基質(zhì)產(chǎn)品優(yōu)勢較為突出，但目前竹類基質(zhì)化產(chǎn)業(yè)鏈條缺失，基質(zhì)開發(fā)仍需不斷完善?；谥褡訌U棄物基質(zhì)化利用研究相對較少，成規(guī)模的實際應(yīng)用尚有待開發(fā)的問題，創(chuàng)新打造基質(zhì)利用產(chǎn)業(yè)鏈條，實現(xiàn)綜合利用開發(fā)是竹子廢棄物基質(zhì)化利用核心關(guān)鍵。

4 竹子廢棄物基質(zhì)化利用建議

4.1 加強竹材中化感物質(zhì)研究

化感物質(zhì)含量大是阻礙竹子廢棄物基質(zhì)化利用的關(guān)鍵，而少量的化感物質(zhì)不僅可起到抑菌的作用，還能促進植物的生長。因而，合理地調(diào)控化感物質(zhì)含量是竹子廢棄物基質(zhì)化利用后續(xù)研究的核心。目前，基于化學(xué)、生物法降解化感物質(zhì)已經(jīng)取得了一定研究[52，53]，但暫無降解竹材中化感物質(zhì)的相關(guān)研究。研究[51]發(fā)現(xiàn)竹中化感物質(zhì)主要為大黃素－8－甲醚、對羥基苯甲醛以及生物堿等。參考上述物質(zhì)的降解手段，借鑒高效分離純化法[48]和生物菌種降解法[54]以加強竹子廢棄物中化感物質(zhì)降解技術(shù)研究是解決竹子廢棄物中富含化感物質(zhì)的有效措施。另外，經(jīng)研究竹子廢棄物經(jīng)預(yù)加工處理后（浸泡、裂解、堆肥等）化感物質(zhì)相對減少，后續(xù)實驗中應(yīng)進一步探究不同預(yù)加工處理后化感物質(zhì)含量具體變化情況以及適宜植物生長的化感物質(zhì)含量，以確定成套的化感物質(zhì)降解體系。

4.2 健全基質(zhì)化利用集成開發(fā)體系

竹子廢棄物基質(zhì)化利用立足于解決竹子廢棄物總量大、高值化難的問題。為更好地提升基質(zhì)產(chǎn)品質(zhì)量，加強不同基質(zhì)產(chǎn)品理化性狀一致性調(diào)控，后續(xù)的實驗應(yīng)多圍繞基質(zhì)產(chǎn)品理化性狀調(diào)控機理展開，進而從根本上解決基質(zhì)性狀差異大的問題。此外，為滿足未來不同應(yīng)用場景的實際需求，應(yīng)針對現(xiàn)階段不同的基質(zhì)產(chǎn)品進行栽培育苗實驗從而探究竹子廢棄物基質(zhì)化利用形式與應(yīng)用場景。

健全完善竹子廢棄物集成開發(fā)體系，將竹子廢棄物進行預(yù)分類處理，科學(xué)選取基質(zhì)制備方式，打造基質(zhì)工業(yè)制備流水線，以實現(xiàn)高效生產(chǎn)。另外，在基質(zhì)制備時通常會伴隨副產(chǎn)物產(chǎn)出，這些副產(chǎn)物普遍可以作為復(fù)合基質(zhì)輔料及肥料用于栽培，可對其進行收集分類，二次處理實現(xiàn)循環(huán)再利用。

5 總結(jié)與展望

我國正處于設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展階段，栽培基質(zhì)的應(yīng)用可極大地拓展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間以及更好地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)。竹子廢棄物基質(zhì)化利用研究不僅實現(xiàn)了廢棄物資源化利用，還為基質(zhì)原料替代提供了有力的借鑒。竹炭基質(zhì)、竹屑基質(zhì)、竹纖維基質(zhì)以及竹醋液基質(zhì)改良劑等多種基質(zhì)化利用形式，可實現(xiàn)不同類型的竹子廢棄物高價值處理。然而，竹子廢棄物基質(zhì)化利用研究相對較少，信息難以查詢且其中主要以復(fù)合基質(zhì)的配比為主，對基質(zhì)本身理化性狀及作用機理分析較少，且尚未廣泛應(yīng)用于大規(guī)模種植栽培中。

綜上所述，根據(jù)已有文獻(xiàn)在竹子廢棄物基質(zhì)化利用方面的不足，應(yīng)從以下幾個方面加以完善：在已有復(fù)合基質(zhì)配比研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強基質(zhì)性狀調(diào)控及一致性方面研究；加強不同基質(zhì)對植物生長發(fā)育調(diào)節(jié)機理的研究，實現(xiàn)基質(zhì)產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)化應(yīng)用；建立基質(zhì)研究云端信息庫，便于學(xué)者相互溝通學(xué)習(xí)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（編校：鄭京津）

收稿日期：2022-11-29

基金項目：四川省重點研發(fā)項目“竹子廢棄物基質(zhì)化利用關(guān)鍵技術(shù)研究”（2022YFN0028）；成都市重大研發(fā)項目“公園城市立體綠化關(guān)鍵技術(shù)研究”（2021-YF09-00108-SN）。

作者簡介：祝宇航（1999～），男，碩士研究生在讀，研究方向為城市廢棄物基質(zhì)化利用。

戚智勇為通訊作者。