玉米秸稈生物炭對(duì)土豆種植的影響

摘 要：生物炭還田以“雙碳”目標(biāo)為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)碳固定和碳減排、改善土壤質(zhì)量、保護(hù)水質(zhì)、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。用電加熱爐制備不同熱解終溫（300℃、500℃、800℃）條件下的玉米秸稈生物炭，并研究了其熱失重、比表面積、微觀結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)及表征，然后進(jìn)行了生物炭還田實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：熱解終溫越高，生物炭熱解越充分；終溫為500℃的生物炭還田后，土豆吸水量最大、土豆地上莖個(gè)數(shù)最多，且地上莖的平均高度最高、還田效果最理想。

關(guān)鍵詞：生物炭還田；玉米秸稈；種植實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：X17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9655（2025）01-000-04

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年農(nóng)業(yè)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量農(nóng)作物秸稈，是世界上秸稈資源最豐富的國(guó)家之一[1]。傳統(tǒng)的露天焚燒會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，危害人體健康，并且不利于國(guó)家農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。農(nóng)作物秸稈在絕氧或限氧條件下熱解可被制備成富碳多孔固體產(chǎn)物——生物炭。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)抗降解性、多數(shù)呈堿性的特性，它可以提高土壤陽(yáng)離子交換量、修復(fù)重金屬污染土壤，改善土壤酸堿性。施加一定量的生物炭能夠提高土壤的綜合性能，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，進(jìn)而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[3]。生物炭還田在土壤改良、土壤污染修復(fù)及保肥增產(chǎn)方面具有巨大的潛力，在節(jié)約資源、提高經(jīng)濟(jì)效益、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展上都具有重要意義，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的有效利用，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)，促進(jìn)綠色經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[4]。

將生物炭返回田間是一種極具潛在價(jià)值的農(nóng)業(yè)實(shí)踐[5]，它會(huì)影響土壤的物理和化學(xué)特性以此改善土壤，提高土壤肥力。Jin等[6]發(fā)現(xiàn)生物炭可以改善我國(guó)旱地紅壤地區(qū)的土壤肥力，提高油菜籽的產(chǎn)量，但對(duì)土壤pH值、養(yǎng)分含量、微生物生物質(zhì)碳、氮與酶的活性這些土壤肥力指數(shù)的影響會(huì)隨時(shí)間的推移而減弱。Yan等[7]以玉米秸稈為原料制備生物炭，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大量施用生物炭會(huì)導(dǎo)致土壤容重較低，不利于水分儲(chǔ)存和小麥的生長(zhǎng)，40 t/hm2的生物炭施用量是調(diào)節(jié)土壤水分條件和土壤溫度的最佳選擇。2020年9月我國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，而稻田生態(tài)系統(tǒng)則是全球CH4和N2O等溫室氣體的重要排放源，研究表明生物炭還田可快速提升土壤穩(wěn)定性碳存儲(chǔ)量，減少溫室氣體的排放。

生物炭還田可以改善土壤的pH值、電導(dǎo)率等性質(zhì)，從而影響農(nóng)作物的生產(chǎn)率。將玉米秸稈以不同的終溫進(jìn)行電熱解獲得玉米秸稈生物炭，通過(guò)農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)可判斷不同終溫生物炭還田的效果。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

在網(wǎng)上購(gòu)買了來(lái)自山東省濟(jì)寧市的玉米秸稈粉末，使用60目的網(wǎng)篩過(guò)篩。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

利用微機(jī)差熱天平對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行熱失重特性研究（HCT1/2型，北京恒久科學(xué)）；電子天平，用于對(duì)生物質(zhì)原料以及生物炭進(jìn)行精確稱重；電加熱式熱解爐（BJS-40型，天津斯科諾），用于生物質(zhì)熱解實(shí)驗(yàn)制生物炭；3D視頻顯微鏡（SH-5000M型），用于觀察生物炭進(jìn)行樣貌分析；比表面積儀（F-Sorb3400型比表面積分析儀），對(duì)生物炭進(jìn)行比表面積檢測(cè)。

1.3 制備方法

熱解終溫為300℃、500℃、800℃，同一升溫速率10℃/min對(duì)玉米秸稈進(jìn)行電加熱熱解制生物炭，得到三份生物炭樣品。

1.4 種植實(shí)驗(yàn)

將不同熱解終溫300℃、500℃、800℃，同一升溫速率10℃/min制得的玉米秸稈生物炭進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)。每盆土壤重量為7 kg，并且將這四份土壤進(jìn)行濕潤(rùn)處理。取不同熱解終溫的生物炭各250 g，將分好的三份生物炭分別與土壤進(jìn)行充分混合，其中一桶不加生物炭，作為對(duì)照組。將相同大小的土豆種子分別放到四個(gè)盆栽中，種植在相同深度，放到光照充足、溫度適宜的地方，定期澆水，在種植期間沒(méi)有添加任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，觀測(cè)并記錄作物的生長(zhǎng)情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱重曲線分析

為了探究玉米秸稈熱解機(jī)理，采用微機(jī)差熱天平實(shí)驗(yàn)研究了其熱失重過(guò)程。玉米秸稈在同一終溫800℃、不同升溫速率10、20、30℃/min下的TG和DTG曲線如圖1所示。玉米秸稈的熱分解可以分為三個(gè)不同的階段，第一階段0～150℃，主要是水分的析出；第二階段150～500℃，是玉米秸稈的主要熱解階段，該時(shí)期質(zhì)量損失和失重速率達(dá)到最大，這與半纖維素和纖維素成分的熱分解有關(guān)，并且隨升溫速率的升高，最大熱解速率升高，這是因?yàn)殡S著升溫速率升高，玉米秸稈中的纖維素和半纖維素更易分解，最后是500～800℃，該階段是固定碳的燃燒[8，9，10]。在相同溫度下，升溫速率越高，樣品越容易發(fā)生熱解，為了使玉米秸稈生物炭中的營(yíng)養(yǎng)成分更多的保留，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分，選用10℃/min的升溫速率，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行熱解。

2.2 3D視頻顯微鏡分析

不同熱解終溫條件下，玉米秸稈生物炭的3D視頻微觀表面特征如圖2所示。終溫為300℃時(shí)，炭的表面呈金色，由于熱解不充分，炭表面的紋理清晰可見(jiàn)，表面的孔徑大小不一，孔隙較小，分布較為分散。當(dāng)終溫升到500℃，炭表面凹凸不平，表面呈現(xiàn)彩色光澤，在炭粒的端頭，可以很清晰觀察到孔徑比較均勻，大多都集中在中孔孔徑的范圍之中，此時(shí)生物炭的品質(zhì)較好。終溫為800℃時(shí)，生物炭表面顏色偏向于黑色，生物炭表面的縫隙之中存在有微量的雜質(zhì)。

2.3 生物炭比表面積分析

將同一升溫速率，不同終溫下制備出的玉米秸稈生物炭進(jìn)行比表面積的檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。在300～500℃的區(qū)間內(nèi)，隨著熱解溫度的升高，比表面積顯著升高，500℃時(shí)達(dá)到了最大比表面積5.115 m2/g。此時(shí)主要是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的分解階段，在500～800℃的區(qū)間內(nèi)比表面積有降低的趨勢(shì)，這應(yīng)該是因?yàn)樯锾康谋缺砻娣e隨溫度的變化存在臨界點(diǎn)，超過(guò)臨界溫度后，比表面積隨溫度升高而減小，這可能與高溫導(dǎo)致微孔結(jié)構(gòu)破壞、微孔增大有關(guān)。

2.4 土豆種植實(shí)驗(yàn)

種植完成20 d左右，土壤里長(zhǎng)出了嫩芽，大約1 cm高，莖稈和葉子都呈墨綠色，上面布滿了小絨毛。種植完成25 d左右，有更多的土豆芽長(zhǎng)了出來(lái)，并且形成了匍匐莖。觀察得到加入不同終溫生物炭土豆的生芽數(shù)與吸水量如圖4所示，其中生物炭終溫0℃代表不加生物炭的對(duì)照組。終溫為300℃的土豆生芽數(shù)最多，為四個(gè)；終溫為500℃的土豆吸水量最高，達(dá)1200 mL，此時(shí)雖然生芽量只有兩個(gè)，但是芽長(zhǎng)得高而壯，且此時(shí)吸水量最高，因此，種植完成25 d時(shí)，加入終溫為500℃生物炭的土豆生長(zhǎng)情況最理想。

種植完成兩個(gè)月時(shí)，土豆形成塊莖，主莖急劇拔高，莖葉全部形成，并有分枝和分葉展開(kāi)。生長(zhǎng)情況如圖5所示。對(duì)照組兩個(gè)直立型地上莖，長(zhǎng)80 mm和70 mm，70 mm地上莖分化出匍匐莖長(zhǎng)60 mm。有四處芽眼萌發(fā)了幼芽。地上莖尖端呈墨綠色，各有兩片小葉。嫩芽和匍匐莖尖端呈現(xiàn)嫩黃色。加入生物炭終溫為800℃的土豆四個(gè)直立型地上莖，兩個(gè)緊貼著生長(zhǎng)，還有兩個(gè)呈對(duì)立分布。長(zhǎng)度為85 mm、83 mm、90 mm和80 mm。80 mm地上莖分化出兩個(gè)匍匐莖，長(zhǎng)約50 mm，且已分化出根系。90 mm地上莖分化出一個(gè)匍匐莖，長(zhǎng)35 mm。地上莖整體呈藕粉色，尖端墨綠色，且都有兩片墨綠色嫩葉。加入生物炭終溫為500℃的土豆6個(gè)直立型地上莖，均勻分布在土豆四周，長(zhǎng)80 mm、95 mm、90 mm、100 mm、97 mm、85 mm。6個(gè)地上莖均已分化出根部，各有四至五條分支，長(zhǎng)約30 mm。80 mm的地上莖分化出一個(gè)匍匐莖，長(zhǎng)110 mm。85 mm和90 mm的地上莖各有一個(gè)40 mm左右的匍匐莖。葉片呈現(xiàn)嫩綠色，莖中部呈現(xiàn)藕粉色，尖端墨綠色。匍匐莖整體白色，尖端嫩黃色。加入生物炭終溫為300℃的土豆有三個(gè)直立型地上莖，長(zhǎng)為100 mm、110 mm和70 mm。100 mm和110 mm地上莖毗鄰生長(zhǎng)。110 mm地上莖分化出兩個(gè)根系，長(zhǎng)約100 mm，尖端分化出6片葉子，并分化出一個(gè)匍匐莖。100 mm地上莖分化出6個(gè)葉片，兩個(gè)半直立型莖和四個(gè)小根，小根長(zhǎng)約50 mm。地上莖尾部呈白色，中部藕粉色，尖端墨綠色。葉片中部嫩綠色，尖端墨綠色。

加入不同生物炭量的土豆生長(zhǎng)出的地上莖個(gè)數(shù)及平均高度如圖6所示。加入生物炭終溫為500℃的土豆生長(zhǎng)出的地上莖個(gè)數(shù)最多，為6個(gè)，且地上莖的平均高度最高，為93 mm，此時(shí)還田效果最理想，這與比表面積實(shí)驗(yàn)和3D視頻顯微鏡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致，500℃時(shí)生物炭的比表面積最大，炭的孔徑比較均勻，炭的品質(zhì)比300℃和800℃更好，此時(shí)吸附污染物的能力更強(qiáng)，持水性更好，從而達(dá)到提高作物產(chǎn)量和減污降碳的目的。

3 結(jié)論

對(duì)玉米秸稈進(jìn)行電加熱熱解制生物炭，并研究了其熱失重、比表面積、微觀結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)及表征，然后進(jìn)行了還田種植土豆實(shí)驗(yàn)，觀察土豆的生長(zhǎng)情況，得到了如下結(jié)論：

（1）玉米秸稈熱分解的最大失重率都出現(xiàn)在揮發(fā)分燃燒區(qū)間；并且隨升溫速率的增大，最大失重速率增大。通過(guò)使用3D視頻顯微鏡對(duì)生物炭進(jìn)行觀察，500℃下的炭呈現(xiàn)出彩色的光澤、孔徑比較均勻；在同一升溫速率下比表面積隨熱解終溫的升高先增大再減小，500℃時(shí)比表面積達(dá)到最大。

（2）種植完成兩個(gè)月時(shí)，終溫500℃的生物炭還田效果最好，終溫300℃、800℃生物炭還田效果較差。

（3）通過(guò)熱解秸稈制取生物炭用于農(nóng)業(yè)還田，既達(dá)到了減污降碳的目的，同時(shí)又增強(qiáng)了土壤肥力，提高了作物產(chǎn)量。

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收稿日期：2024-02-20

基金項(xiàng)目：天津市研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)2022SKY328）。

作者簡(jiǎn)介：王茜茜（2000-），女，山東省濟(jì)寧市人，2022年本科畢業(yè)于魯東大學(xué)，現(xiàn)為天津商業(yè)大學(xué)在讀研究生，從事生物質(zhì)應(yīng)用方向研究。

Abstract： The return of biochar to farmland is guided by the “dual carbon” goal， achieving carbon fixation and emission reduction， improving soil quality， protecting water quality， and increasing crop yield and quality， which is of great significance for the development of green agriculture. Corn straw biochar was prepared using an electric heating furnace under different pyrolysis final temperatures （300℃， 500℃， 800℃）， and its physicochemical properties such as thermal weight loss， specific surface area， microstructure， and characterization were studied. Subsequently， biochar returning experiments were conducted. The results showed that the higher the final pyrolysis temperature， the more complete the pyrolysis of biochar; After returning biochar with a final temperature of 500℃ to the field， potatoes have the highest water absorption， the highest number of aboveground stems， and the highest average height of aboveground stems， resulting in the most ideal return effect.