孙雪

摘 要 生物质炭是秸秆、畜禽粪便等废弃生物质经低温限氧热裂解产生的固态物质，富含有机质和孔隙结构。根据不同区域土壤条件、不同作物生长特点以及科学施肥原理，以生物质炭为基础载体，与N、P、K等营养元素复配，经造粒后制成生物炭基肥料，能够对土壤环境进行改良并使其保持稳定。生物炭基肥料在提升地力、促进作物生长和农业固碳减排等方面具有巨大的应用潜力，因此属于生态环保型肥料。基于此，就生物炭基肥料的制备及在农业中的推广与应用进行分析。

关键词 生物炭基肥料;秸秆炭化;制备;推广;应用

中图分类号：TQ440.6 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.30.103

我国是农业大国，大量的秸秆焚烧增加了温室气体的排放，同时也是雾霾的成因之一，对环境构成巨大的威胁。生物质炭因具有多种优点已成为当前农业研究的热点之一，在生产期间能够将大量生物质资源消耗，其作为载体使用复混方法制成的生物炭基肥料可保持生物质炭的优点，又能弥补其养分不足的缺点。

我国在增加农作物产量并扩大农业产值时会增加稻壳、秸秆等农副产品的产量，利用率低的农副产品在焚烧时会严重浪费资源并加剧环境污染，因此秸秆等生物质炭化后再还田对利用国内庞大的秸秆资源极为有利。秸秆炭化工业装置可规模化利用秸秆等生物质资源，培育和改良土壤，调整传统农业耕作方式，促进现代绿色农业发展。基于此，针对该肥料的制备及其在农业中的推广应用进行探究。

1 秸秆炭化技术概述

1.1 秸秆炭化工业规模化利用

北京三聚环保新材料股份有限公司（简称三聚环保）成立于1997年，主要从事催化剂、净化剂等能源净化产品的研发、生产、销售和技术服务，并以环保新材料为基础，通过先进工艺技术开发和工程化推广，为能源与石油化工、生态农业和绿色能源提供发展方案。

2016年，三聚环保与南京农业大学达成战略合作，联合开发了农作物秸秆炭化还田-土壤改良技术，具有完全自主知识产权，在秸秆炭化工艺、生物质炭复合肥制备技术、工业化规模方面处于国际领先水平，可有效实现农作物秸秆的资源化、高值化利用。这一技术以热解、分离、分质为核心，去除药残、钝化重金属、富集有机质、回收养分而达到秸秆生物质全循环的安全、低碳、绿色秸秆资源化产业化路径。2017年8月，三聚环保与南京农业大学合作开发的“农作物秸秆炭化还田-土壤改良技术”顺利通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定会。2020年7月，农业农村部印发了《关于开展2020年农业农村部引领性技术集成示范工作的通知》，秸秆炭基肥利用增效技术被列入十大引领性技术之一。

秸秆炭化技术主产物为生物质炭，具有丰富的纳米孔隙结构[1]，又保留了秸秆中丰富的速效氮磷钾，由生物质炭衍生出的炭基系列产品具有缓释功能，可以助力改良土壤结构、提高土壤肥力、减肥减药、增产提质，为土壤健康和粮食安全提供保障。三聚环保开发团队利用国际领先的农作物秸秆炭化还田-土壤改良技术，建立炭基复合肥与土壤改良剂生产成套工艺、工程建造及运营服务，实现土壤改良、农作物增产增质，助力推进农业固碳减排，为我国绿色农业可持续发展做出贡献。

1.2 生物炭基肥料的制备方法

生物质炭与化学肥料相结合制成颗粒状生物炭基肥料，不仅能够利用生物质炭的强吸附性以达到减少养分流失的效果[2]，还能保证这种新型生物质炭基肥料在为作物提供生长养分、提高养分利用率的同时，继续发挥生物质炭改善土壤等作用的优良特性。

小试和中试阶段，生物炭基肥料的制备采用圆盘造粒的方式进行生产，将生物质炭粉碎过20目标准金属筛，称取一定量的生物质炭、尿素、磷酸二氢铵、氯化钾与皂土等粘结剂混合，搅拌均匀后放入圆盘造粒机中，启动圆盘造粒机，用喷雾器将水喷入，与原料混合，待颗粒成型后关闭圆盘造粒机，将成型后的颗粒取出，放入电热鼓风干燥箱中，在120 ℃下干燥约2 h，干燥完成后将颗粒肥料过5 mm及1 mm金属筛，保留1～5 mm粒径的肥料。加工厂中试阶段选择滚筒造粒的方式进行生产。

含有微孔礦物结构的高岭土和膨润土能够使土壤对养分的吸附能力增加，使用磷酸作改性剂活化生物炭基肥料相较于普通生物炭基肥料能够使作物可溶性蛋白含量及果实产量增加;使用膨润土改性造粒生物炭基肥料能够对小白菜叶面积累的硝酸盐进行抑制[3]，提升产量的同时有效促进其吸收维生素C等养分;腐植酸粘接成型的复合生物炭基肥料、膨润土改性剂将钾、磷、氮作为肥芯外裹生物质炭能够大大提高肥料的利用率及缓释性能，从而使作物的产量提高。

2 生物炭基肥料在农业上的推广应用

三聚环保联合南京农业大学，按照“源自农业，反哺农田，惠及农民”的理念，以土地培育和改良为重点，利用秸秆炭化还田土壤改良技术，已在黑龙江、内蒙古、江西等众多区域（不同土质、不同气候、不同作物）采用不同施肥方式，开展了大量的生物炭基肥料的科学实验研究。

2.1 土壤改良

生物质炭能够使土壤的保肥及保水性能得到有效改善，提升土壤有机碳含量的同时使养分损失减少，对微生物在土壤中的活动及栖息十分有利。将该肥料施用于果园能够形成空隙较大的土壤团粒，对微生物系统进行改善并促进吸收根生长。如果混施肥料和生物质炭，则可利用肥料将生物质炭养分低的缺点消除，同时肥料养分可借助生物质炭获得缓释性能的协同与互补作用。生物质炭拥有较强的吸附性，因此可将降雨时雨水的流失有效减少并将部分大气中的水分吸附，最大程度吸附大量雨水至其所在的可耕层，为农作物的生长提供水分。对于干旱缺水地区，能够有效防止沙漠化，使该地区的土壤重新长出植被。生产生物质炭期间会产生木醋液等副产品。研究证明，稀释木醋液原液50倍针对盐碱土进行改良实验，可使土壤的pH值和可溶性盐含量降低[4]，这说明使用木醋液对盐碱土污染进行治理具有十分积极的意义。施用生物质炭基肥料可使疏松土壤的容重提高，使其透水通气性能得以改善并有效调节土壤pH值。

2.2 治理重金属污染土壤

土壤中过量沉积废弃物中的重金属会导致土壤污染，这些来自于废水、大气沉降、农药及污泥等各方面的土壤污染重金属（铬、铅、汞和类金属砷等）有明显的生物毒性[5]。其中砷常被用于除草剂、杀虫剂及杀菌剂，汽车废气沉降和冶炼排放会产生铅与镉的污染，含汞废水则会产生汞污染。农作物会由于土壤中的过量重金属影响而导致营养失调及生理功能紊乱，土壤中的氨化、硝化细菌活动会受到砷与汞的抑制而减弱，如果作物中拥有较高富集系数的汞、镉等元素，超过食品卫生标准时会使作物的发育、生长及产量受到影响。这些过量重金属不会被微生物降解，没有很大的迁移性且不容易被雨水淋滤，一旦经食物被人体吸收会极大地损害人们的身体健康。重金属污染土壤中使用生物炭基肥料可借助生物质炭较强的吸附性有效固定重金属离子，减弱其对微生物的胁迫并减少其有效态含量。

2.3 作物增产提质，农民增产增收

2016—2020年，三聚环保利用农作物秸秆炭化还田-土壤改良技术，在全国范围内广泛开展三聚地沃生物炭基肥料种植试验及产品示范。

2017年，在吉林省柳河县凉水河子镇，水稻施常规肥每667 m2产511.1 kg，施生物炭基肥料每667 m2产598.7 kg，增产87.6 kg，增产率达17%。同时，施生物炭基肥料的水稻植株生长健壮，抗病、抗倒伏能力強。施常规肥的稻穗稻曲病发病率在20%左右，施生物炭基肥料的稻穗稻曲病发病率不足5%。生物炭基肥料可以把秸秆中的营养元素转移至土壤中，再从土壤中转移到新种植的作物上，提高新生作物秸秆中硅的含量，很好地促进了氮从秸秆向籽粒中的运移，可促进作物根系生长，使得作物秸秆表现得比较硬挺，比施常规肥的作物更抗倒伏。

2018年，东北地区大面积遭受夏涝、早霜灾害，黑龙江省黑河市生物炭基肥料示范区大豆表现出较好的抗逆性，每667 m2平均产量较往年提高10%，大豆蛋白质含量达41.56%，比当地常规种植区大豆蛋白质含量高出6.13%。生物质炭为微生物的植入、生长与繁殖提供了有利条件，促进豆科作物结瘤固氮，有效根瘤菌数量较多，大豆生长旺盛、根系发达，抗性强，顶端籽粒饱满。

宁夏回族自治区吴忠市同心县王团镇沟南村的紫花苜蓿草，施生物炭基肥料后增产25%;内蒙古自治区兴安盟科右前旗额尔格图镇的甜菜，施生物炭基肥料后增产39.4%。山东省莘县施生物炭基肥料的圣女果，施常规肥田每667 m2产8 351 kg，糖度6.1;施生物炭基肥料示范田每667 m2产9 655 kg，糖度7.6，增产1 304 kg，增产幅度达15.61%，糖度提升1.5，增产和增甜效果显著。

经过大量的种植试验，作物施用生物炭基肥料比施用普通肥料，有机质增加20%左右，作物每每667 m2增产10%左右，每每667 m2增效10%以上。生物炭基肥料中的生物质炭保留了作物原有的有机质，在土壤中转化成活性有机物，可促进植物代谢，确保植株健康，改善作物品质，增加产量[6]。据测算，农户使用生物炭基肥料每667 m2可增收150～300元。以国家级贫困县内蒙古科右前旗为例，使用三聚地沃生物炭基肥料每667 m2可实现增收220元，人均年增收2 000多元，贫困人口户均增收4 000多元。

2.4 提高肥料利用率

当前国内的不合理施肥极容易造成水体污染、土壤板结等问题，而农作物自身对化肥的吸收利用率有限，生物炭基肥料能够紧密结合生物质炭与化肥，使肥效得以缓释并减少化肥的流失，从而使化肥的使用量降低并提高其利用率[7]。多项试验表明使用该肥料，氮磷钾无机肥使用量减少10%左右，甚至对于残留较多化肥量的农田土壤，当季单纯使用生物质炭而不用化肥便可获得高产效果。生产化肥往往需要大量的石油、天然气及煤等不可再生资源，该肥料的使用也使这些能源的消耗大大节省。农业生产成本中化肥所需的费用占据物资整体费用的50%左右，国家和农民每年需要在这方面支付大量的资金，因此使用生物炭基有机-无机复混肥除了将化肥使用量降低，还可大大节约生产成本。

3 结语

秸秆炭化还田，改良培肥土壤，提高耕地生产能力，提升农产品品质，促进农业固碳减排，是推进农业绿色高质量可持续发展的重要支撑。目前，我国关于生物质炭在大气及土壤碳循环中的作用和地位的研究刚刚起步，因此应当积极探索生物质炭的作用规律并拓宽研究领域，将其技术和理论体系不断丰富完善，如此才能有效促进生物质炭产业的健康发展。

参考文献：

[1] 姚红宇.炭化温度和时间与棉杆炭特性及元素组成的相关关系[J].农业工程学报，2013（7）：199-206.

[2] 陈琳.施用生物质炭基肥对水稻产量及氮素利用的影响[J].生态与农村环境学报，2013，29（5）：671-675.

[3] 苑晓辰.包膜生物炭基肥的制备及特性研究[D].武汉：华中农业大学，2018.

[4] 许允定，侯平，黄勇，等.炭基肥料在低碳农业种植中的技术应用[J].北方园艺，2016（1）：192-195.

[5] 于南卓.生物炭及炭基肥料对小白菜、油菜及玉米的生长和土壤养分的影响[D].泰安：山东农业大学，2018.

[6] 张登晓.城市园林废弃物生物质炭对小白菜生长、硝酸盐含量及氮素利用率的影响[J].植物营养与肥料学报，2014，20（6）：1569-1576.

[7] 张万杰.生物质炭和氮肥配施对菠菜产量和硝酸盐含量的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（10）：

1946-1952.

（责任编辑：赵中正）