竹子废弃物基质化利用研究进展

2023-05-30祝宇航周晚来张冬冬林伟杨睿王虹戚智勇

湖北林业科技 2023年2期

祝宇航　周晚来　张冬冬　林伟　杨睿　王虹　戚智勇

摘要：我国竹子种类丰富、产量大，但综合利用率较低，每年均会产生大量竹子废弃物。利用竹子废弃物开发园艺基质，既可缓解竹子废弃物带来的生态环境压力，又可为我国现代农业的可持续发展提供保障。本研究从竹子废弃物基质化利用角度，综述了竹子废弃物（包括竹炭基质、竹屑基质、竹纤维基质以及竹醋液基质改良剂）基质化利用工艺手段及其性能，并阐明了竹子废弃物基质化利用存在的问题以及相关建议，以期为其绿色、低碳、环保化再利用提供借鉴，促进我国园艺基质栽培產业的可持续发展。

关键词：基质；竹炭；竹屑；竹纤维；竹醋液

中图分类号：X71 文献标识码：A 文章编号：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

我国竹子蓄积量长期居于世界第一，竹子种类繁多，竹林面积达7.02万m2，年产出竹子41.0亿根[1]。在竹材研究、培育和产品开发方面均走在世界前列，被誉为“世界竹业大国”[2]。我国竹子加工产品种类近万种，在传统竹子加工中，竹材加工废弃率达到60%以上，例如在竹材胶合板的生产中，竹材利用率仅为20%～40%。以四川省主要竹产区宜宾市为例[3]，2017年宜宾市竹片加工厂共计132家，合计产能达90万t，日消耗竹材约2 500 t，日产生竹子废弃物1 500 t左右。目前我国年均加工消耗竹材约2.5亿t，以此估算，全国年产生竹子废弃物超过了1.3亿t。

近年来，我国基质栽培产业发展迅速，园艺基质年需求量超过了8 600万m3。目前绝大多数基质栽培采用泥炭，而泥炭是一种不可再生资源，且受制于资源、技术等，国内供应量仅为1 000万m3左右，主要依赖进口[4]。竹子作为一种可再生资源，其纤维素质量分数约为43.52%，半纤维质量分数约为21.49%，木质素质量分数约为22.49%[5]。其中，木质素与半纤维素以共价键的形式将纤维素牢牢包围，达到强稳定结构，用作基质栽培可对植物根系起到有效支撑和保护[6]。此外，竹材中还含有大量的芳香基团、酚羟基、醇羟基等活性基团，有利于促进根系微生物群落的新陈代谢[7]。

基于上述特点，国内外学者做了一系列以竹子为原材料的基质开发探索，并取得了一定的进展。鉴于此，结合课题组研究方向，本研究概述了当前竹子废弃物基质化利用研究进展、存在问题以及发展趋势，以期为绿色、低碳、环保的竹子废弃物再利用提供借鉴，促进我国园艺基质栽培产业的可持续发展。

1 竹子废弃物成分

在传统制作和工业加工过程中会产生大量竹子废弃物，其中主要包括竹秆、竹枝，以及竹叶等。这些废弃物主要由纤维素、半纤维素、以及木质素组成，且富含黄酮、多糖、氨基酸萜类、生物碱以及酚酸等。由表1可知[8]，毛竹Phyllostachys edulis是一种富含木质纤维素的材料，其各主要部位纤维素含量均高于35%，且半纤维素含量也达20%以上。目前，一些富含木质纤维素的材料作为基质材料已广泛应用于园艺栽培领域。由表2可知，竹屑与其他木质纤维类基质材料有着相近的有机质含量，且纤维素及木质素含量相对较高，具有较好的基质化利用潜能。

2.1 竹炭基质

竹炭制备主要采用高温裂解、低温水热以及微波裂解技术对竹子废弃物进行处理 [13]。其中高温裂解技术应用较为普遍，是通过热裂解器通入惰性载气进行高温持续裂解，其生物质能较好，裂解程度较高[14]；低温水热技术相对环保，是以水为介质通过水热釜低温炭化数小时，其能耗较小，裂解程度较低[15]；微波裂解技术是基于高温裂解技术外加微波辅助，可大幅缩短炭化周期，提高裂解程度[16]。

竹炭富含碳成分（碳成分占比约60%～80%），以多层紧密芳香环片堆积而成，具有强稳定组织结构，且竹炭比表面积较大，含有多微孔结构，具有较强吸附能力，用作栽培基质时具有明显的增肥保墒效果[17]。竹炭表面还含有大量负电荷，阳离子交换能力较其他种类基质材料大幅度提升。同时，竹炭表面还存在大量酚羟基、羧基、以及内酯基等活性基团，可为离子交换提供更多位点。由于竹炭具有显著的多孔性状特征以及较强的阳离子转换能力，用于复合基质配比时，可增加盐基交换量，保肥效果好，能够有效促进植物营养吸收[18]。此外，竹炭相较于其他生物质炭具有更好的有机碳固定能力（土壤固定碳含量为600～800 mg·kg-1），容重也相对较高（保持在0.25 g·m-3左右），可有效激发微生物活性，促进植物光合作用[19-20]。由于竹炭稳定的理化性能，目前已有研究用其来替代泥炭，且园艺基质栽培中的应用表明适宜的竹炭复合配比基质在花卉[21]、番茄[22]、铁皮石斛[23]育苗种植过程中，对植物的茎叶、株苗发育都有显著的促进作用。

虽然竹炭基质性能整体较好，但其仍存在持水性普遍较差的问题（持水率保持在40%左右），较基质材料要求持水率需求45%以上仍有待提升。另外王伟龙[21]、陈开超[24]、张文标[25]等发现基质中竹炭含量过高会抑制植物生长，分析其原因可能是竹子中化感物质含量较多，如酚类及生物碱等，使得植物组织破坏加剧。

2.2 竹屑基质

竹屑是竹子废弃物常见形式之一，其基质化利用通常采用直接混合配比[26]、堆肥发酵[27]以及液化树脂发泡处理[28]等。直接混合配比主要用于制备菌菇栽培基质，且大都以“菌棒”形式存在[29-30]。堆肥发酵工艺则是在原料中添入有机绿肥、EM菌及生物炭等进行共同堆肥发酵，其核心是通过微生物菌直接降解原料中的大分子物质[31]。液化树脂发泡处理主要分为混合液化剂液化阶段以及树脂化形成阶段，该方法所制得的基质性能结构较好且易于改性处理[32]。

竹屑有别于竹炭，其未经裂化裂解处理，因而含有更丰富的木质素、纤维素以及半纤维素含量，与木屑类似，可直接用作复合基质主料栽培菌菇，为菌丝提供较好的养分。但由于竹屑中含有较高的酚醛类物质，会影响到菌菇生长，目前仅在香菇[29]、毛木耳[33]等方面取得一定进展。为提高竹屑基质化利用的实用性，部分研究开始采用堆肥发酵工艺对竹屑进行基质化利用处理。虽竹屑堆肥发酵基质碳成分含量较竹炭基质有所下降（其中碳成分约45%～60%），但N、P含量相应提高1%～2%。竹屑堆肥基质容重一般可达0.20～0.30 g·m-3，电导率维持在0.9～1.5 ms·cm-1，pH值在7.5～9.0之间，整体理化性状相对较好[31，34]，研究[35]发现竹屑堆肥基质可减少栽培时外来34.5%有机物和50%化肥输入量。竹屑液化树脂发泡基质是一种新型的生物质发泡基质材料，具有较好的泡孔结构，热稳定性较强[32]，且配以聚醚多元醇对其进行改性后，基质材料粉化现象可得到有效减轻。如刘震涛[28]等制得的基质材料表观密度为0.04 g·m-3，浸出pH值为2.61，吸水率可达0.86 g·cm-3，保水率保持在97.68%，与竹炭基质相比持水率得到了大幅提升。

目前，竹屑复合配比基质研究报道相对较少，主要应用于菌菇[29，33]以及少量园艺作物[36]栽培实验。且由于竹类本身酚醛类化感物质含量较多，在上述实验中通常会选取相对适宜的竹屑比例来制备复合基质，避免竹屑含量过高抑制作物生长发育。研究表明，40%竹屑复合配比基质可与木屑相当，用于栽培更为经济科学且处理有效磷、速效钾能力均高于泥炭配比基质，化感现象有所减缓。

2.3 竹纤维基质

竹原纤维是将竹子废弃物加工成杂乱状的竹微丝（粗竹原纤维）[37]。竹原纤维是竹子自身特有的纤维成分，具有良好的透气性、瞬间吸水性、抗菌性以及抗紫外线能力，是一种绿色可再生的环保材料。赵健[38]等采用土壤理化性质分析法，比较竹纤维和椰糠纤维的理化性质。其中竹纤维容重为0.26 g·cm-3，比重為1.26，总孔隙率达87.06%，有机质含量占94.16%以及CEC（阳离子转化率）控制在16.27 cmol·kg-1。整体而言，竹纤维作为基质具有较好的潜力，但仍存在pH值较低、有效磷及速效钾含量较少的问题，因而作为基质使用时，可添加一定量的CaCO3溶液以及矿物质元素。目前竹纤维基质化利用方式与竹屑基质类似，多采用直接复合配比，陈徐平[39]等用50%～55%的竹纤维介质与松鳞以及黄泥进行混合复配。张玮[40]等采用0.5 wt%竹纤维高分子材料（竹原纤维经过二次处理）添入栽培基质中以缩短栽培周期，提高栽培效果。相关实验表明[41-42]竹纤维基质材料可增强基质的透气性能及基质的肥力，但与竹屑基质类似，未经热化处理，化感物质残存较大，用于基质复配时不宜添加过多阻碍植物生根。

2.4 竹醋液基质改良剂

竹醋液[43]是竹子废弃物热解过程中产生的气体混合物，经冷凝器分离后得到的液体物质，其中含醋酸、丙酸、甲醇等物质，具有良好的抗氧化性及抑菌性。竹醋液可直接添加于复合基质中作为改良剂使用，如韦强[44]在实验中将每m3育苗栽培基质中添加500 mL竹醋液，并在定植后使用200倍竹醋液灌根栽培黄瓜，得到的黄瓜叶片、茎粗和株高较正常黄瓜有了提升，产量也实现了增加，且不会造成黄瓜中硝酸盐含量超标。张璐[45]做了类似实验，将农业废弃物、水、发酵调理剂、发酵菌剂以及竹醋液共同混合经二次发酵处理制备基质，制成的基质物理性质较为稳定，有效提高了植物的成活率和观赏效果。竹醋液基质改良剂由于是经过热解反应制得，酚醛类物质含量相对减少，与其他竹类基质产品相比，化感作用得以大幅缓解。但由于竹醋液提取过程较为复杂且产率较低，目前仍未被广泛利用。

3 竹子废弃物基质化利用存在的问题

总体而言，竹子废弃物基质化利用产品性能较好，具有可替代泥炭的可能。但目前竹子废弃物资源化利用主要还停留在工业材料、生物质燃料以及医药品等领域[46]，在基质栽培领域应用还相对较少，主要存在以下几个方面的问题：

3.1 竹子废弃物中植物化感作用强，严重限制植物生长发育[BT）]

植物种间化感是植物间释放化感物质引起的生化相生相克现象，该现象会极大地影响种子萌发和生长[47]。大量实验研究证明，酚类、萜类以及生物碱是造成化感现象的主要物质[48]。由于竹类植物中富含酚酸类、三萜类以及生物碱等多种化感物质[49]，且大部分竹子废弃物是由竹材直接加工时所产生，化感物质基本未被分解，化感作用相对较强[50]。许蕾[49]、王安可[50]、王淑英[51]等发现竹子对部分园艺作物的化感作用主要表现为较强的抑制作用。竹子废弃物中普遍富含化感物质，会严重限制植物生长发育。如何降低其所含化感物质，是实现竹子废弃物基质化利用迫切需要解决的问题。

3.2 理化性状可控性低，产品一致性研究匮乏[BT）]

现代标准化农业需要实现科学与农业的有机统一，对基质产品一致性要求较高。然而不同方法制备的基质理化性状差异较大，刘震涛[32]制得的竹屑堆肥基质pH值则为2.61，而赵健[38]制备的竹纤维基质pH值为4.39。现阶段竹子废弃物基质化利用多采用与其他材料混合配比，但多数研究仍停留在复合配方上，对基质本身理化性状研究较少。竹类基质产品理化性能差异较大，难以实现高品质稳定产品输出。因此，提高竹类基质产品可控性、保证其一致性是竹子废弃物基质化利用亟待解决的关键问题。

3.3 基质化利用产业链缺失，未能实现综合开发利用[BT）]

竹子废弃物基质化利用手段较多，且不同方法制备的基质材料都有其自身的优势特点，如竹炭基质增肥保墒、竹屑基质简单实用、竹纤维基质可塑性强以及竹醋液基质抑菌防虫等。尽管各类型基质产品优势较为突出，但目前竹类基质化产业链条缺失，基质开发仍需不断完善。基于竹子废弃物基质化利用研究相对较少，成规模的实际应用尚有待开发的问题，创新打造基质利用产业链条，实现综合利用开发是竹子废弃物基质化利用核心关键。

4 竹子废弃物基质化利用建议

4.1 加强竹材中化感物质研究

化感物质含量大是阻碍竹子废弃物基质化利用的关键，而少量的化感物质不仅可起到抑菌的作用，还能促进植物的生长。因而，合理地调控化感物质含量是竹子废弃物基质化利用后续研究的核心。目前，基于化学、生物法降解化感物质已经取得了一定研究[52，53]，但暂无降解竹材中化感物质的相关研究。研究[51]发现竹中化感物质主要为大黄素－8－甲醚、对羟基苯甲醛以及生物碱等。参考上述物质的降解手段，借鉴高效分离纯化法[48]和生物菌种降解法[54]以加强竹子废弃物中化感物质降解技术研究是解决竹子废弃物中富含化感物质的有效措施。另外，经研究竹子废弃物经预加工处理后（浸泡、裂解、堆肥等）化感物质相对减少，后续实验中应进一步探究不同预加工处理后化感物质含量具体变化情况以及适宜植物生长的化感物质含量，以确定成套的化感物质降解体系。

4.2 健全基质化利用集成开发体系

竹子废弃物基质化利用立足于解决竹子废弃物总量大、高值化难的问题。为更好地提升基质产品质量，加强不同基质产品理化性状一致性调控，后续的实验应多围绕基质产品理化性状调控机理展开，进而从根本上解决基质性状差异大的问题。此外，为满足未来不同应用场景的实际需求，应针对现阶段不同的基质产品进行栽培育苗实验从而探究竹子废弃物基质化利用形式与应用场景。

健全完善竹子废弃物集成开发体系，将竹子废弃物进行预分类处理，科学选取基质制备方式，打造基质工业制备流水线，以实现高效生产。另外，在基质制备时通常会伴随副产物产出，这些副产物普遍可以作为复合基质辅料及肥料用于栽培，可对其进行收集分类，二次处理实现循环再利用。

5 总结与展望

我国正处于设施农业快速发展阶段，栽培基质的应用可极大地拓展农业生产空间以及更好地实现农业现代化生产。竹子废弃物基质化利用研究不仅实现了废弃物资源化利用，还为基质原料替代提供了有力的借鉴。竹炭基質、竹屑基质、竹纤维基质以及竹醋液基质改良剂等多种基质化利用形式，可实现不同类型的竹子废弃物高价值处理。然而，竹子废弃物基质化利用研究相对较少，信息难以查询且其中主要以复合基质的配比为主，对基质本身理化性状及作用机理分析较少，且尚未广泛应用于大规模种植栽培中。

综上所述，根据已有文献在竹子废弃物基质化利用方面的不足，应从以下几个方面加以完善：在已有复合基质配比研究的基础上，应加强基质性状调控及一致性方面研究；加强不同基质对植物生长发育调节机理的研究，实现基质产品大规模生产化应用；建立基质研究云端信息库，便于学者相互沟通学习。

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