生物质炭在畜禽生产中的应用

韩 杰 孟 军

用农林废弃物生产的生物质炭具有微孔结构丰富、比表面积大、pH高、吸附力和抗分解能力强等独特的结构和理化性质。生物质炭的概念在20世纪末被提出后，将其应用于土壤改良和环境治理等领域的研究迅速升温。特别是近年来，生物质炭潜在的应用价值和应用空间被进一步拓展，国内外学者发现在畜禽饲粮、垫料或堆肥粪便中直接添加生物质炭能起到改善动物肠道健康、促进畜禽生长、提高养分利用效率、降低饲粮毒性、调控反刍动物瘤胃微生物发酵、减少畜禽粪便污染环境等有益作用。此作用已经引起政府［1－2］、科研组织［3］及企业［4］等广泛关注。本文综述了国内外学者在畜禽生产中应用生物质炭的最新研究成果，对当前生物质炭的应用现状提出建议，旨在为生物质炭更好地服务于畜禽养殖业提供参考资料。

1 生物质炭的概念及理化特性

1.1 概念

生物质炭(biochar)也称生物炭、生物焦炭，是生物质在无氧或近无氧状态下高温(＜700℃)热解炭化产生的一类稳定的富碳物质［1，5］，大多为粉状颗粒。制备生物质炭的原料主要为农业活动中产生的作物和森林残茬、木材加工废料、畜禽粪便等，工业和城镇生活产生的有机固体废弃物、工业废水和生活污泥等也可作为原料来源［6］。科学研究和生产实践中一般以原料名称命名生物质炭，如秸秆炭、玉米芯炭、稻秆炭、竹炭、木炭等。

1.2 理化特性

生物质炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，一般含有60%以上碳元素，还含有氢、氧、氮、磷、钾、钙、钠、镁等元素。其元素组成与制炭过程中的炭化温度密切相关［7］，具体表现为在一定范围内炭化温度越高，碳、磷含量越高，氧、氢含量越少。生物质炭的矿物元素通常以氧化物或碳酸盐形式存在，水溶液呈碱性(pH＞7)，且碱性随热解温度升高而增强［8］。生物质炭的可溶性极低，熔沸点极高，具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构［9］，使生物质炭表现出一定的亲、疏水特性和很高的生物化学和热稳定性［10］，还使其具备了极强的吸附能力和抗氧化能力［10］。此外，生物质炭化后能保持其原有的良好孔隙结构，使其具有较大的孔隙度和比表面积［11］。

1.3 与活性炭、黑炭的关系

生物质炭与活性炭［12］、黑炭［13］同属于生物质高温热解产物，具有相似的理化和生物学特性。活性炭是生物质炭或黑炭在化学制剂激活下产生的，其比表面积(超过1 000 m2/g)远大于生物质炭(300 m2/g)［12］，售 价 为 生 物 质 炭 的 5 ～ 10倍［14］。黑炭涵盖了生物质略微炭化到燃烧后黑烟颗粒的炭化物质，生物质炭和活性炭均属于广义概念上黑炭的一种类型［15］。但它们在应用范畴上不尽相同。生物质炭更多被定位于农业土壤、环境生态等领域，强调保护环境和固碳减排。而黑炭侧重强调随地质年代变迁逐渐形成的自然产物，主要用于工业和能源领域。

2 生物质炭在畜禽生产中的应用

2.1 在家禽生产中的应用

目前，生物质炭影响家禽生产的研究在国内还鲜见报道，国外研究主要表明生物质炭可在饲粮、垫料或粪便中添加，其能提高家禽生长性能、改善饲粮利用效率和肠道健康、促进养殖环境的改善等。

2.1.1 提高生长性能

国外很多研究表明，饲粮添加生物质炭或其与木醋的混合物对提高肉鸡、蛋鸡和鸭的平均日增重(ADG)作用较大，而对平均日采食量(ADFI)影响趋于不显著。Gerlach等［16］推荐家禽饲粮中生物质炭使用量以0.2%～0.6%为宜，产蛋家禽应每饲喂10～15 d暂停2～3 d。如果在家禽饲粮和垫料中同时使用生物质炭时，应酌情减少垫料中的用量。Kana 等［17］研究发现，0.2%、0.4%和0.6%的玉米芯炭或橄榄种子炭均能提高肉鸡末重(FW)，0.2%添加量的2种炭均使肉鸡取得了最佳的生长性能，添加量高于0.6%时对肉鸡FW 和ADG有负面影响。Samanya等［18］在白来航鸡饲粮中添加1%或3%的木炭与木醋液混合物(4∶1)取得了较高的ADG，但ADFI和饲粮利用效率不受影响。Ruttanavut等［19］发现饲粮添加 1%的竹炭与竹醋液混合物能显著提高日本合鸭的ADG。

2.1.2 改善肠道健康

国外学者发现生物质炭对改善蛋鸡、鸭和肉鸡的肠绒毛高度、肠绒毛细胞形态、面积等作用显著。Watarai等［20］研究发现，饲粮添加活性炭能有效减少肠炎沙门氏菌(S.enteritidis)的数量并降低其对肠道的危害。Hsu［21］观察到饲粮添加0.2%竹炭能提高肉仔鸡空肠和回肠绒毛高度。Samanya等［22］发现饲粮添加1%木炭与木醋液混合物使来航鸡十二指肠、空肠、回肠绒毛顶端上皮细胞轮廓清晰度显著提高，细胞突起明显，其效果比单独添加1%木炭或0.1%木醋液对来航鸡肠功能的激活作用明显。Ruttanavut等［19］研究表明，1%竹炭与竹醋液混合物能显著提高日本合鸭肠绒毛高度、面积、上皮细胞面积，促进上皮细胞有丝分裂，使肠绒毛顶端出现了很多隆起的细胞，提示竹炭与竹醋液混合物能改善鸭的肠道功能。

2.1.3 降低饲粮毒素毒性

国外很多试验表明，生物质炭能吸附饲粮中的黄曲霉毒素(AF)，降低饲粮毒素对机体的损伤。美国塔斯克基大学研究发现，饲粮添加0.1%活性炭能抑制黄曲霉毒素B1(AFB1)引起的肉仔鸡ADG、ADFI以及肝脏微粒体细胞色素含量的下降，还能阻止AFB1引起的肉仔鸡肝脏损伤［23］。Edrington等［24］发现活性炭能缓解AF引起的肉仔鸡ADG、血液尿素氮(UN)和无机磷含量的下降、红细胞容积率和肝脏重量的上升。Kana等［25］研究表明，饲粮添加玉米芯炭或橄榄种子炭(0.2%、0.4%和 0.6%)均能改善由 AFB1(22.02 μg/kg)引起的肉仔鸡ADFI和肠比重下降。这提示生物质炭在缓解AF对肉仔鸡毒性效应上起一定作用。

2.1.4 减少粪尿污染环境

家禽粪便在堆肥过程中，粪便中的氮会以氨气(NH3)形式挥发污染环境，同时还造成粪便中氮、磷等损失。Steiner等［26］将家禽粪便同20%松针炭混合堆肥42 d，NH3排放减少了64%，总氮损失减少52%，这提示生物质炭可以作为理想的富氮原料的堆肥剂。Doydora等［27］研究表明，酸化的松针炭或花生壳炭能使施入土壤后的家禽粪便中氮损失减少56%～60%。在肉仔鸡垫料中添加竹炭能有效降低垫料中NH3浓度、球虫卵数、水分和酸度值，从而改善家禽舍内环境［21］。

2.1.5 改善胴体品质

Kana等［17］试验指出，玉米芯炭或橄榄种子炭对肉仔鸡屠宰率、肝脏重、腹脂率、肠长度和重量无显著影响;但0.4%玉米芯炭能显著降低肉仔鸡肌胃重，0.8%橄榄种子炭显著降低肉仔鸡肠比重。Hsu［21］研究观察到饲粮添加0.2%竹炭能显著提高肉仔鸡胸肌蛋白质和腿肌粗灰分含量。这提示生物质炭可用于改善肉仔鸡的某些胴体品质。

2.2 在家畜养殖中的应用

欧洲90%的生物质炭都应用于家畜养殖中，养殖户普遍认为在使用生物质炭1～4周内即可看到明显效果，包括减少家畜腹泻率和死亡率，增进家畜健康和活力，改善产奶家畜乳房状况和乳品质量，极大减少家畜蹄部疾病的发生［12］。而国内的研究主要将生物质炭用于减少家畜堆肥粪便对环境的污染。

2.2.1 提高生长性能

国外研究发现生物质炭在反刍动物生产中的应用效果与其饲粮中非蛋白氮(NPN)种类有关。仔猪饲粮中应用适宜剂量的生物质炭可以取得与抗生素相似的效果。

Van等［28］发现在含豆科植物的饲粮中添加0.5 g/kg BW竹炭不影响山羊的ADFI，但使ADG显著提高 20.45%。Leng等［29］发现 NPN 为尿素(干物质的1.83%)时，添加生物质炭使黄牛ADG增加25%，而NPN为硝酸钾(干物质的6.00%)时有降低黄牛ADG的趋势。Mekbungwan等［30］研究表明，饲粮添加3%木炭与木醋液混合物(4∶1)使仔猪的饲粮利用效率最佳。饲粮中添加0.3%或0.6%竹炭显著提高了育肥猪的ADG和饲粮利用效率［31］。育肥猪饲粮中添加0.3%竹炭与添加0.3%抗生素取得的ADG和饲粮利用效率相当，这提示竹炭可以作为抗生素的替代物促进动物生长［32］。蒋竹英等［33］研究发现，饲粮添加 2%竹炭对仔猪ADG、ADFI和饲粮利用效率影响不显著，这提示2%竹炭可能对仔猪有毒害作用。

2.2.2 提高饲粮养分利用率

Van等［28］发现在山羊饲粮中添加竹炭(0、0.5、1.0、1.5 g/kg BW)对豆科灌木植物干物质摄入量，中性、酸性洗涤纤维的消化率无显著影响，但能显著提高有机物和粗蛋白质消化率;添加0.5和1 g/kg BW 的竹炭较对照组和1.5 g/kg BW 组有较高的氮保留率。Leng等［29］发现以尿素作为NPN时，饲粮添加生物质炭能促进饲粮干物质的利用率。

2.2.3 保持正常肠道组织形态

生物质炭对仔猪的肠绒毛细胞形态、面积也有积极的影响。Mekbungwan等［30］试验表明，饲喂3%木炭与木醋液混合物(4∶1)使仔猪十二指肠绒毛顶端细胞增大，轮廓清晰，向肠腔内隆起，提示3%木炭与木醋液混合物对肠功能有激活作用。泰国梅州大学研究表明，添加木炭与木醋液混合物能缓解仔猪饲粮中生木豆种子粉对仔猪肠道功能的有害影响，从而使仔猪恢复正常的生长状态［34］。

2.2.4 调控瘤胃微生物发酵

体内外试验均表明，生物质炭能有效减少反刍动物瘤胃微生物有害气体的产生量。台湾国立宜兰大学2011

年研究发现，饲喂竹炭对安装瘘管的羊瘤胃液pH和NH3产生量无显著影响，但可提升瘤胃乙酸、丙酸、丁酸百分比，降低瘤胃表面张力［3］。Leng 等［4］研究表明，在体外培养的瘤胃液中添加1%生物质炭使甲烷(CH4)气体通量减少12.0%;如NPN为硝酸钾和尿素各50%时，1%生物质炭能使瘤胃 CH4气体通量减少 40.5%，而NPN全部为硝酸钾时，瘤胃液CH4气体通量可减少 49.0%。

2.2.5 减少粪便对环境的污染

生物质炭降低家畜粪便有害气体排放的作用已经被国内外很多试验所证实。黄向东［35］研究发现，在堆肥猪粪中添加3%、6%、9%竹炭及3%竹炭+0.2%竹醋液、3%竹炭+0.4%竹醋液和3%竹炭+0.6%竹醋液可使堆肥过程氮损失分别减少28%、61%、65%、66%、74%和 50%，这提示氮损失随竹炭添加量提高而减少，且添加适当比例的竹炭和竹醋液对氮损失具有协同控制效果。李丽劼［36］发现堆肥猪粪中添加3%竹炭可使NH3产生量减少6.1%，氮损失率降低10%;一氧化二氮(N2O)总排放量降低25.9%，有助于控制堆肥过程的温室气体排放。Chu等［31］在育肥猪饲粮中添加0.6%竹炭能显著降低粪便中大肠杆菌、沙门氏菌数量，以及NH3、CH4和硫化氢(H2S)等排放。饲粮添加0.3%竹炭能降低育肥猪粪便中大肠型细菌和沙门氏菌数量，其增加粪便厌氧菌和乳酸菌的效果同添加0.3%抗生素效果相当［32］。

3 小结

我国是一个农业大国，生物质炭的原料来源十分广泛且价格低廉，加之其生产工艺相对简单，容易实现产业化生产，且有助于我国庞大的农业废弃资源的有效利用。因此，在强调环境和经济可持续发展的背景下，生物质炭以其在畜禽养殖中发挥的有益作用必将成为一种重要的饲料添加剂资源和一项畜禽粪便资源化处理技术。未来在畜禽生产中应用生物质炭还应加强以下几个方面的研究:1)由于生物质炭在养殖生产中的作用与其理化特性密不可分，因此应加强不同生物质原料和生产工艺对生物质炭理化特性的影响研究，逐渐建立原料、工艺条件与理化特性的关系模型。2)不同原料生产的生物质炭在不同种类畜禽生产中的应用效果差别较大，应探讨不同原料生物质炭在畜禽饲粮、垫料和粪便中的有效添加量，并就畜禽种类及应用途径对生物质炭原料配方和应用技术给出合理化建议。3)加强生物质炭与其制备过程的副产物木醋的联合应用效果研究。4)加强生物质炭在畜禽生产中的作用机制研究，为生物质炭在畜禽生产中的应用提供理论支持。5)生物质炭在畜禽养殖中应用的安全性研究尚属空白领域，应加强其潜在风险性的研究和探讨。

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