玉米秸秆生物炭发展概述

杨 康，许艳红，马鹏远，高靖勋，孙 多，刘佳梁

(北华大学林学院，吉林 132013)

中国是传统农业大国，玉米作物大面积种植，产生了大量的秸秆，当前玉米秸秆除去沤肥和沼气生产之外，剩余数量还是很大。我国现代化农业起步较晚，发展水平不高，先进的农业秸秆处理方式还无法及时有效地在农村得到推广[1]。目前我国玉米秸秆的资源利用效率低，创造的综合经济效益差，大部分是农民收获之后直接在田间焚烧，这种处理方式严重污染了环境，因此，如何妥善处置玉米秸秆问题越发引起学者们的关注。为了解决这一问题，很多学者做了大量实验进行研究，结果表明利用玉米秸秆得到的生物炭在解决农业农村能源危机、改良肥料过度使用的土壤、减缓温室气体固碳减排等方面均具有重要价值[2]。

1 玉米秸秆生物炭介绍

玉米秸秆生物炭是以玉米秸秆为原料，在达到特定的环境条件(无氧、限氧、饱和水蒸气等)与压力条件(常压或高压)时，高温分解所生成的固态产物。玉米秸秆生物炭的主要成分如表1所示[3]。

表1 玉米秸秆生物炭的主要成分

玉米秸秆生物炭中C元素含量为61.47%，H元素含量为1.87%，O元素含量为13.0%, N元素含量为0.70%，S元素含量为0.21%。营养元素包括 P、K、Na、Ca、Mg、Fe等，相对于一般土壤，生物炭具有较高的有效P和有效K，玉米秸秆生物炭有效P质量分数为0.57g/kg，有效K质量分数为70 g/kg[4]。此外，玉米秸秆生物炭还含有 Ca、Mg、Na、Fe等金属元素，重金属元素包括 Cu、Mn、Zn、Mo、Ni、Cr、Pb、As、Cd、Hg 等，其中Cu、Mn、Zn、Mo、Ni 为微量矿物质元素，Cr、Pb、As、Cd、Hg 为有毒重金属元素。玉米秸秆生物炭样品微量矿物质元素中Cu质量分数23.2 mg/kg，Mn质量分数217 mg/kg，Zn质量分数20.3 mg/kg，Mo质量分数0.91 mg/kg，Ni 质量分数2.09 mg/kg。有毒重金属中，Cr元素20.0 mg/kg，Pb质量分数5.67 mg/kg，As 质量分数2.64 mg/kg，Cd质量分数0.15 mg/kg，Hg未检出。生物炭的pH呈碱性，一般为7.0～10.3。

2 玉米秸秆生物炭作用

2.1 改良土壤，固碳减排

温室气体主要以CO2、CH4、N2O为主，除了工业来源外，农业生产也是重要产生方式，特别是最近几十年，随着农业机械化推进，土壤肥力逐渐下降，土壤中有机碳以CO2和 CH4的形式进入大气。近年来大量实验数据表明，利用玉米秸秆制成的生物炭在抑制温室气体方面可以发挥作用，利用玉米秸秆生物炭的特殊作用机理可以增强土壤汇集温室气体。玉米秸秆生物炭在土壤中的作用机理主要是由于其本身化学pH高、物理结构孔隙度高、比表面积大等特点，玉米秸秆生物炭搭配不同的肥料或者加入特殊的试剂改造，可对目标土壤的理化性质进行改良，进而影响土壤中以及土壤中微生物的活性、结构和丰度，导致温室气体在土壤中产生、氧化和传输过程被玉米秸秆生物炭改变，从而达到抑制排放的目的[5]。生物炭作为一种土壤改良剂施入稻田，可以提高土壤pH，改善酸性土壤的生物生存环境。因此，开发生物炭在稻田土壤中的应用研究，对农业固碳减排和废弃物资源化的利用具有重要意义。

2.2 化肥增效，降量增产

玉米秸秆生物炭除了其比表面积大、孔隙丰富外，还富含植物生长所需要矿物质，在提高肥料利用率、促进作物生长等方面发挥着独特的优势。化肥是我国基础农业生产应用中最重要的物质，因为其使用方便、增加农作物产量被农民所喜爱。然而，由于农民对于化肥的使用方式存在一定的误区，导致化肥利用率较低，化肥在土地中释放的养分大部分都没有被利用在增加产量上，农民错误地认为产量和化肥施用量成正比，导致使用强度和施用总量逐年增加，相应的土壤问题突显出来，导致耕地表层土壤板结、重要土壤营养比例失调。大量大田实验发现玉米秸秆生物炭与化肥配施后，利用现有发现的玉米秸秆生物炭的化学特性，吸附、负载和缓释多余的肥料养分，缓解养分流失的情况，可以减少化肥的施用量，符合现代农业的发展需求，促进农业可持续发展[6]。将各种原料制备得到的生物炭与化肥配施是近年来国内外农业领域的研究热点。

2.3 新型环保吸附剂

玉米秸秆制成的生物炭，理化特性中最突出的就是比表面积大，pH测定碱性，玉米秸秆生物炭表面富含可以进行交换的大量阳离子和大量的含氧官能团，可以吸附重金属和中和土壤酸性，降低其含量，减少环境危害[7-9]。试验发现控制不同变量制得的产品，对于重金属的吸附以及土壤酸性中和的性能存在明显差异。其他因素也会影响其吸附能力，例如制备温度和使用环境的pH、添加量，以及环境中腐殖酸的影响等。

研究将玉米秸秆集中收集，利用大型工业生产设备生产生物炭，经过不同的生产工艺制成不同的吸附剂，为消耗大量剩余的玉米秸秆提供新的思路，减少农业生产资源的浪费，实现现代绿色农业的目标，具有重要意义。

2.4 良好的催化剂替代品

目前玉米秸秆制备生物炭的主要方法有慢速热解、快速热解、水热炭化等技术。近些年来较多是利用热解技术进行回收利用，能够获得大量的玉米秸秆生物炭，随之而来的就是工艺生产过程中产生的附加产品。在工业生产的热解过程中，产生的焦油有毒，常温下黏度大，易造成设备堵塞，阻碍连续生产。目前，消减焦油主要使用天然矿石和镍基催化剂，虽然可以有效解决相关问题，但是天然矿石耐磨性差，镍基催化剂成本较高，且易发生中毒失活。

高温条件下得到的玉米秸秆生物炭可以为焦油裂解提供其所需要的活性表面，而且生物炭表面含有碱金属和碱土金属元素，可以很好地在加工过程中催化焦油裂解，生物炭目前在实验室条件下已被证明可有效催化焦油的加工，但在生产中没有被重视起来，导致生物炭作催化剂的使用相对较少[10-12]。

2.5 替代化石能源

玉米秸秆生物炭的发热量一般为30 MJ/kg。玉米秸秆在400～600 ℃条件下热解产生的生物炭接近于优质无烟煤。玉米秸秆生物炭燃料发热量比木炭略低一些，是因为玉米秸秆生物炭中的灰分较高，可燃物相对较少，影响玉米秸秆生物炭燃烧的发热量，但完全燃烧时产生的发热量比大多数木质燃料发热量要稍微高一些，完全可以作为能源炭的替代品进行日常使用。将收集的玉米秸秆制成生物炭后，利用燃烧制备成相应的煤，为实现解决农村大量燃烧化石能源的问题提供了新的解决方案。尤其是玉米秸秆在制备生物炭生产过程中产生的木焦油等附产物，通过对生物炭附产物的深入研究和综合利用，有望为让木焦油等附产物成为代替不可再生的化石能源的新型能源，行业前景广阔，发展潜力巨大。

3 玉米秸秆生物炭产业发展概况

玉米秸秆生物炭产业包括玉米秸秆收集、存储以及运输、工厂集中炭化工艺处理、生物炭产品及附加产物的开发与应用、成型产品的市场推广及销售等诸多环节，产业链复杂，合作范围较大，交叉领域广泛。生物炭加工制造作为新兴产业，企业在实际生产中应因地制宜，结合当地玉米秸秆的收集和运输、生产企业的生产技术特色、生产产品的类型，总结出秸秆生物炭发展方式。

3.1 “肥料化”生产模式

一般指在普通化肥生产中以玉米秸秆生物炭为基础，生产相应的炭基肥料，以“肥料化”的形式应用在农业生产实践。这些特殊的化肥一般以玉米秸秆生物炭为重点，根据生产企业销售地区土壤情况与农作物的养分需求，采用科学技术手段，将玉米秸秆生物炭与各种可以作为肥料使用的有机或者无机物质进行科学混配，开发而成的新型肥料产品[13]。以玉米秸秆生物炭为基础得到的化肥相对于普通化肥的优势：一是固碳，提高土壤有机质含量；二是改良土壤结构及物理特性；三是发挥生物炭吸附特性，提高土壤肥力水平。通过利用玉米秸秆生物炭优异的理化特性，改良施用土壤的微生态环境，吸附重金属中和土壤酸性，从而达到对于土壤的改良和农作物增产。玉米秸秆生物炭肥料化应用符合绿色农业的发展要求，近些年来,对于玉米秸秆生物炭的肥料方向的大量应用研究，玉米秸秆生物炭碳基肥料的相关系列产品已经得到越来越多市场与用户的认可。

3.2 土壤改良剂生产模式

将大量玉米秸秆工业化生产后得到的生物炭，根据当地土壤条件和农业种植，与其他有机、无机土壤改良剂按照预定配比方式进行干混。玉米秸秆生物炭因其独特的理化特性被使用在改良土壤。传统土壤改良使用的改良剂大多数有比较高昂的费用，在改良之后农民再次耕种后会反弹回原有状态，大量使用改良剂会对农田及其生态环境产生次生危害，在改良土壤的推广上比较困难。使用玉米秸秆生产的生物炭作土壤改良剂相对于传统改良剂具有较强优势：加工和使用成本低、原料可再生、理化特性稳定、符合可持续的发展理念、不会因为后续化肥的使用反弹、对于农业生产环境次生危害比较低、经济效益高。利用玉米秸秆加工制备土壤改良剂，为土壤改良和玉米秸秆产生经济效益提供新途径。

3.3 能源化生产模式

研究发现，在加工生产玉米秸秆生物炭的过程中，改变不同的加工条件，可以使生产得到的固、液、气产物比例发生变化，而且成正比例关系。这样就可以得到想要的加工结果，生产工艺中产出的生物炭可加工制备为煤，用于能源及冬季供暖燃烧使用，产出的气可用于冬季供暖。可以改变农村能源使用结构，在农村区域玉米秸秆可就地取材，就地生产加工，不仅可减少政府对于预防农民焚烧秸秆带来大量污染问题的处理压力，也可以改变农民处理玉米秸秆的方式，实现玉米秸秆资源绿色环保利用，促进美丽新农村建设。

3.4 炭化副产物综合利用产业模式

玉米秸秆生物炭在加工过程中还会产生木醋液、焦油类等液相副产物，经深加工处理后可制备为其他产品或工业原料。木醋液的综合利用主要集中在土壤病虫害防治、植物生长调节剂、化工与饲料添加剂。精炼后的木醋液还可作为香水等的组分，起到除汗臭、清新剂等作用，提高体表舒适度。木焦油，可用于浮选法精选矿物、杀虫剂、溶剂及燃料等化工原料，其中提取的轻油可用于制作名贵药材及园艺用喷剂，重油可用于浸渍木材，亦可用作消毒剂、防腐剂等。

4 秸秆生物炭发展存在的问题

4.1 原料收集运输体系不健全

实际应用中，玉米秸秆生物炭生产一般采用两种方式：异地集中深加工和就地分散加工。受限于生产设备，大多数的玉米秸秆难于近地处理、就地加工，只有形成规模化生产，生物炭的生产才会提高生产效率，有助于形成相关产业集群，提高农业剩余资源的利用率，进而提高生物炭的综合效益[14]。

玉米秸秆由于其资源分散性大、收纳需要地方大、大量收集比较困难、不易存储、条件变化会导致腐烂变质等缺点，产业集群化生产需要运输大量原材料并集中储存，需要投入大量的人力物力，导致成本上涨。而且工业开发秸秆，能源消耗和对于加工剩余物的处理会带来相应的次生问题和大量环境问题。因此，玉米秸秆生物炭前期需要投入大量的人力物力，收集运输原材料及废弃物，这成为目前集中制炭深加工模式发展的桎梏[15]。

4.2 产业生产标准不明确

为了规范监督和管理产业化玉米秸秆生物炭及其相关衍生产品质量，在未来需要完整、系统地梳理玉米秸秆生物炭理化特性以及有毒污染物含量要求等。确定玉米秸秆生物炭生产的指标体系是目前行业亟须解决的问题。国家标准目前尚无明确的产品质量标准，不同企业生产规模、加工方式差异大，导致生产的玉米秸秆生物炭理化性能区别也很大，直接影响了相关玉米秸秆生物炭产业集群化的发展，严重制约了产业发展，导致生物炭的应用停滞不前，导致玉米秸秆当前还是大量就地处理，没有形成生物炭的加工体系。因此，亟需建立玉米秸秆生物炭检测指标体系和质量评价方法，为产业发展提供便利条件。

4.3 玉米秸秆生物炭的研究需要更加深入

玉米秸秆生物炭在改善酸性土壤、保持土壤水分、促进根际土壤微生物活性、增强土壤肥力和助力发展绿色可持续农业方面均有巨大应用潜力，但是玉米秸秆生物炭在农业生产中，具体的各方面使用机理不明晰，长期使用的产品效能不太明确。因此，需要针对玉米秸秆生物炭在各个方面的具体作用机理进行全面长期监测，相关研究不应局限于实验现象的重现与实验规律的总结，应深入微观层面详细分析现象形成的机理[16]。目前，改性之后的玉米秸秆生物炭在环境修复中的作用得到了广泛认识，但由于产业发展限制，玉米秸秆制作的生物炭在生产之后改性费用较高，导致成本增加，改性后生物炭对于农业生产环境的使用风险需要深入研究[17]。

5 小 结

玉米秸秆制备的生物炭是一种环境友好型材料，是玉米秸秆变废为宝的重要途径，对农业废弃物的回收具有重要意义。相关政府部门应尽快落实与玉米秸秆生物炭相关的优惠政策，加大对于玉米秸秆生物炭应用的推广和宣传，让广大农民了解并且接受这种特殊加工产物。只有农民接受，才能促进玉米秸秆原料收集体系的改进，有利于玉米秸秆生物炭产业结构进一步提升。另尽快发布且落实好规范玉米秸秆生物炭市场的相关规定和标准，有助于玉米秸秆生物炭产业有序性发展。此外，深入玉米秸秆生物炭相关衍生品的创新研究，深入探究其作用机理，才能促进玉米秸秆生物炭的有效利用，创造更多经济价值和社会价值。