農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)研究與應(yīng)用
——以“三聚環(huán)保”模式為例

王成己，李潔靜，黃毅斌

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/農(nóng)業(yè)部福州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，福建 福州 350013； 2.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，江蘇 南京 210008； 3.北京三聚環(huán)保新材料股份有限公司，北京 100044； 4.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建 福州 350013)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈種類多、數(shù)量大、分布廣。由于秸稈產(chǎn)業(yè)化利用程度低、經(jīng)濟(jì)效益差以及成本高等因素，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)作物秸稈或廢棄或直接燃燒，既浪費(fèi)資源又造成環(huán)境污染，引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-7]。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和農(nóng)村生活方式的改變，使農(nóng)業(yè)廢棄物處理壓力日益增大，廢棄物資源化利用技術(shù)成為重要的研究課題。

近年來，科研工作者針對(duì)農(nóng)作物秸稈資源化利用進(jìn)行了有益探索。受南美洲亞馬遜流域分布的黑土“terra preta”性質(zhì)及其產(chǎn)生原理的影響[8-10]，科學(xué)家在Nature刊文提議使用廢棄物生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)來培肥不斷退化的土壤[11-12]。2007年以來，廢棄物生物質(zhì)熱裂解處理和生物質(zhì)炭研究與技術(shù)開發(fā)得到農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。本文立足農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，探討農(nóng)作物秸稈資源化利用途徑，并以“三聚環(huán)保”模式為例分析農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)的形成及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上指出農(nóng)作物秸稈炭化還田技術(shù)存在的問題并提出對(duì)策，以期為我國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 我國(guó)農(nóng)作物秸稈利用存在的問題

農(nóng)作物秸稈指水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物收割后的莖、葉等殘留物。據(jù)國(guó)家權(quán)威部門調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈理論資源量約10.4億t，可收集資源量約9.0億t，實(shí)際利用量約7.2億t，秸稈綜合利用率約80.1%；實(shí)際利用農(nóng)作物秸稈作肥料占43.2%、作飼料占18.8%、作燃料占11.4%、作原料占2.7%、作基料占4.0%[13]。近年來，由于農(nóng)作物秸稈的不合理利用產(chǎn)生很多生態(tài)環(huán)境問題[4,7]。就農(nóng)作物秸稈利用問題，有學(xué)者從政策層面進(jìn)行了探討，認(rèn)為我國(guó)治理秸稈焚燒的法律法規(guī)不健全，很多地方還需要完善[14-15]。陳超玲等[16]研究了1949-2015年間國(guó)家發(fā)布的51份有關(guān)秸稈資源管理的政策文件，認(rèn)為秸稈焚燒引起空氣的污染嚴(yán)重和秸稈循環(huán)利用潛力之間的問題需要盡快解決。陳向科等[17]和梅艷艷等[18]解讀1982-2017年中央一號(hào)文件發(fā)現(xiàn)，改革開放以來我國(guó)對(duì)農(nóng)作物秸稈利用政策經(jīng)歷了“單一化利用→綜合轉(zhuǎn)化利用→多元化利用”的過程，但是仍有政策缺陷，如果能“提高農(nóng)民對(duì)秸稈綜合利用意義的認(rèn)識(shí)”、 “明確農(nóng)民秸稈補(bǔ)貼”政策，則可以提高秸稈利用政策的效果，從源頭上解決農(nóng)作物秸稈不合理利用造成的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。

2 農(nóng)作物秸稈炭化技術(shù)

2.1 農(nóng)作物秸稈炭化技術(shù)工藝

農(nóng)作物秸稈等廢棄物生物質(zhì)炭化技術(shù)源于自然界熱裂解基本原理，其基本流程是采用特定反應(yīng)器來控制水分、溫度、氧氣、速率等參數(shù)，使生物質(zhì)原料快速熱裂解，以獲取需要的能源、炭質(zhì)和養(yǎng)分。生物質(zhì)熱裂解系統(tǒng)主要由三部分組成：即原料處理模塊、炭化窯核心模塊和產(chǎn)物分離產(chǎn)出模塊[19](圖1)，生物質(zhì)廢棄物經(jīng)過初步脫水后置于密閉缺氧的反應(yīng)器中在高溫下(>300℃)熱解，待處理的生物質(zhì)被聚合或縮合，其中的礦質(zhì)元素化合為礦物質(zhì)，重金屬元素則被吸附、螯合而鈍化。熱解產(chǎn)物進(jìn)一步冷卻分離，揮發(fā)性的有機(jī)分子被析出成為可燃?xì)怏w，非可燃?xì)饫鋮s為木醋液，固態(tài)殘?jiān)闯蔀樯镔|(zhì)炭。農(nóng)作物秸稈炭化過程中，病原微生物被殺滅，藥殘等有機(jī)污染物分子被破壞，這為含有大量病原菌而不能直接還田的作物秸稈(如煙稈等)的資源化利用提供了新的途徑。

圖1 廢棄物生物質(zhì)熱裂解工程技術(shù)基本結(jié)構(gòu)[19]

近5年來，針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)作物秸稈處理的實(shí)際國(guó)情，我國(guó)開展了各種作物秸稈熱裂解炭化和生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用的試驗(yàn)研究，并勾畫出秸稈生物質(zhì)炭綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)路線圖和秸稈熱裂解產(chǎn)業(yè)化技術(shù)途徑藍(lán)圖[20]。熱裂解炭化技術(shù)消減了農(nóng)作物秸稈資源化利用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，提高了秸稈循環(huán)利用的安全性，保留和富集了穩(wěn)定性炭質(zhì)、提高了養(yǎng)分有效性；熱裂解技術(shù)制備的農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)炭賦予土壤良好的質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)功能，創(chuàng)造了綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)的新方向。

2.2 農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)炭特性

如前所述，生物質(zhì)炭是生物質(zhì)廢棄物在厭氧或絕氧條件下熱裂解產(chǎn)生的高度芳香化物質(zhì)[21]。康奈爾大學(xué)Johannes Lehmann博士呼吁人類利用生物質(zhì)熱裂解技術(shù)制備的生物質(zhì)炭來改良土壤，以增加土壤有機(jī)質(zhì)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，減緩氣候變化[12,22]，其核心內(nèi)容就是將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)炭后再歸還到土壤中。研究證實(shí)生物質(zhì)炭可顯著改善土壤肥力水平，且生物質(zhì)炭化生成的有機(jī)質(zhì)在土壤中的更新周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年[23]。隨著生物質(zhì)炭化技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)炭被廣泛用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境試驗(yàn)研究。盡管生物質(zhì)炭的性質(zhì)和施用效應(yīng)因生物質(zhì)來源和炭化條件存在差異[24]，卻能顯著影響土壤生物地球化學(xué)過程。農(nóng)作物秸稈等廢棄物炭化還田，避免了直接焚燒或堆埋，還有效改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提升土壤肥力，是土壤可持續(xù)管理的重要途徑[25-26]。生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)提供改良土壤、化肥替代和環(huán)境治理的新型農(nóng)業(yè)資源，將服務(wù)于未來綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展[19]。

3 農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)的研究與應(yīng)用

3.1 農(nóng)作物秸稈資源化利用的“三聚環(huán)保”模式

北京三聚環(huán)保新材料有限公司(簡(jiǎn)稱三聚環(huán)保)成立于1997年，從事催化劑、添加劑和環(huán)保新材料開發(fā)、生產(chǎn)、銷售及相關(guān)技術(shù)服務(wù)，產(chǎn)品應(yīng)用于石油化工、天然氣、化肥等領(lǐng)域。“三聚環(huán)保”通過區(qū)域性秸稈資源條件與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求相結(jié)合、秸稈分布式收集與統(tǒng)籌利用相結(jié)合、秸稈炭化生產(chǎn)與農(nóng)化服務(wù)相結(jié)合途徑，構(gòu)建生物質(zhì)規(guī)模化綜合利用模式，將炭基緩釋復(fù)合肥、土壤改良劑等產(chǎn)品作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，形成農(nóng)作物秸稈資源化利用的“三聚環(huán)保”模式。為專業(yè)化推進(jìn)農(nóng)作物秸稈資源化利用工作，“三聚環(huán)保”組建了北京三聚綠能科技有限公司(簡(jiǎn)稱三聚綠能)，按照“源自農(nóng)業(yè)、反哺農(nóng)田、惠及農(nóng)民”的理念，圍繞“三農(nóng)”需求，推進(jìn)農(nóng)作物秸稈資源化，培育和改良農(nóng)田土壤，引領(lǐng)中國(guó)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

3.2 農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)的形成

近年來，“三聚綠能”與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京三聚生物質(zhì)新材料科技有限公司合作，探索農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)化還田[27-28]、開發(fā)生物質(zhì)熱裂解綠色工程技術(shù)[19, 29]，形成農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)及生物質(zhì)炭綠色農(nóng)業(yè)路線[20](圖2)。熱裂解技術(shù)使生物質(zhì)原料全部產(chǎn)品化，其中的能源、有機(jī)質(zhì)以及養(yǎng)分實(shí)現(xiàn)了最大程度的循環(huán)利用。利用熱裂解技術(shù)制備的生物質(zhì)炭可用于生產(chǎn)生物質(zhì)炭基肥而替代化學(xué)肥料[30]，可用于重金屬污染農(nóng)田可持續(xù)治理[31]及鹽堿土快速改良[32-33]，且具有快速恢復(fù)退化土地和生態(tài)重建的資源潛力。生物質(zhì)炭作為穩(wěn)定性有機(jī)質(zhì)歸還土壤，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)固碳減排[34]。2013年國(guó)家發(fā)展改革委將生物質(zhì)熱裂解綠色工程技術(shù)列入低碳關(guān)鍵技術(shù)目錄[35]。2017年農(nóng)業(yè)部將秸稈炭化還田改土技術(shù)列為秸稈農(nóng)業(yè)利用的十大關(guān)鍵模式之一[36]，并據(jù)此研究出臺(tái)了炭基肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 3041-2016)。

圖2 秸稈熱裂解與生物質(zhì)炭綠色農(nóng)業(yè)路線[20]

“三聚綠能”首席科學(xué)家、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院潘根興教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)10多年的技術(shù)攻關(guān)，研究開發(fā)出中溫慢速熱解炭化工藝，并據(jù)此生產(chǎn)出萬噸級(jí)中溫慢速熱解炭化設(shè)備和炭化產(chǎn)物分離成套設(shè)備，從技術(shù)層面解決了作物秸稈和秸稈顆粒的連續(xù)熱解炭化問題，并成功實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)炭、木醋液等產(chǎn)物的快速分離。農(nóng)作物秸稈經(jīng)過熱裂解可獲得可燃?xì)?5%～30%、木醋液10%～15%、生物質(zhì)炭30%～37%[37]。

近年來，“三聚環(huán)保”利用自己研發(fā)的秸稈炭化與復(fù)合技術(shù)，開發(fā)出“三聚地沃”生物質(zhì)炭基肥、土壤改良劑及液體肥等系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品保留了農(nóng)作物秸稈中的氮、磷、鉀速效養(yǎng)分和活性有機(jī)質(zhì)，具有納米孔隙結(jié)構(gòu)和緩釋功能[38]。施用生物質(zhì)炭基肥等系列產(chǎn)品可顯著減少作物病蟲害，從而減少農(nóng)藥用量、降低農(nóng)藥過度使用及殘留對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康的影響。同時(shí)，“三聚環(huán)保”根據(jù)作物需肥規(guī)律定制肥料及施肥方案，充分實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的均衡供應(yīng)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

3.3 農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)的示范推廣

2016年 6月以來，“三聚環(huán)保”研發(fā)團(tuán)隊(duì)相繼在黑龍江、內(nèi)蒙古、寧夏、河北等 14個(gè)省區(qū)開展了針對(duì)水稻、小麥、玉米等18種作物的“三聚炭肥”肥效試驗(yàn)，累計(jì)建設(shè)示范田305塊、面積達(dá)333多hm2。與普通復(fù)合肥相比，“三聚炭肥”使農(nóng)產(chǎn)品粗蛋白含量提高約15%，土壤有機(jī)質(zhì)提升20%，氮磷鉀復(fù)合肥用量減少5%～10%，增產(chǎn)10%，每667 m2增收100～200元[37]。

2017年8月 27日，“三聚環(huán)保”宣布：公司將依托自主研發(fā)的農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)，瞄準(zhǔn)秸稈生物質(zhì)綜合利用方向，全面進(jìn)軍生態(tài)農(nóng)業(yè)。該舉措是重要的農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略，可為我國(guó)土壤改良、大氣環(huán)境改善、溫室氣體減排提供技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)可行的解決方案[37,39]。“三聚環(huán)保”在創(chuàng)新發(fā)展過程中，采取“以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”的創(chuàng)新模式，利用科研院所、高等院校等各種創(chuàng)新資源，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品技術(shù)水平，有效提升了企業(yè)的自主創(chuàng)新能力[40-41]。

4 展望

“三聚環(huán)保”依托農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)，瞄準(zhǔn)秸稈生物質(zhì)綜合利用這個(gè)農(nóng)業(yè)痛點(diǎn)，全面進(jìn)軍生態(tài)農(nóng)業(yè)，是貫徹落實(shí)“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念的具體實(shí)踐[42]；農(nóng)作物秸稈炭化還田-土壤改良技術(shù)具有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有強(qiáng)大的工業(yè)技術(shù)支撐，發(fā)展前景廣闊。

基于生物質(zhì)炭的優(yōu)點(diǎn)，生物質(zhì)炭特別是含有病原菌的生物質(zhì)炭化形成的生物質(zhì)炭[43-46]及生物質(zhì)炭基肥[47-51]研究受到越來越多的關(guān)注。但是相關(guān)研究大都是短期的，不系統(tǒng)、不全面。關(guān)于生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基礎(chǔ)研究較弱，生物質(zhì)炭固碳減排作用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)說服力還不足。目前，在一些關(guān)鍵問題上還存在爭(zhēng)議，這與生物質(zhì)炭的種類、制備工藝及其所投入使用的土壤環(huán)境等因素有關(guān)[53-54]，需要進(jìn)一步深入研究。

生物質(zhì)炭基肥作為新型緩釋肥備受農(nóng)業(yè)及環(huán)保領(lǐng)域關(guān)注。經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用實(shí)踐，生物質(zhì)炭基肥農(nóng)業(yè)應(yīng)用已經(jīng)取得一定成效，在制備工藝研發(fā)方面也開展了一些有益探索，但也存在不少問題，今后還需要加強(qiáng)以下幾方面的研究和應(yīng)用[55-56]：

(1)加強(qiáng)生物質(zhì)炭基肥的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。從目前的研究趨勢(shì)來看，生物質(zhì)炭及炭基肥對(duì)土壤環(huán)境的積極影響占主流，但其對(duì)土壤和農(nóng)業(yè)環(huán)境影響的作用機(jī)制還不完全清楚。

(2)加強(qiáng)生物質(zhì)炭基肥的制備工藝和成型設(shè)備研制。應(yīng)加大對(duì)新型粘接劑材料及炭基肥制作工藝研發(fā)力度，生物質(zhì)炭與粘接劑及改性劑的作用性能是炭基肥緩釋技術(shù)的根本。新型環(huán)保炭基肥緩釋技術(shù)是今后研究的重點(diǎn)；要探索制備多功能炭基肥的新方法。

(3)加快生物質(zhì)炭基肥緩釋技術(shù)的推廣和示范。要研究適合不同地域、氣候、土壤、栽培和水分管理?xiàng)l件下的炭基肥產(chǎn)品、施用量及施用方法等。

(4)生物質(zhì)炭基肥規(guī)模應(yīng)用下的農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等效應(yīng)及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將是今后重要研究課題。要長(zhǎng)期、系統(tǒng)、全面地研究和評(píng)估生物質(zhì)炭及炭基肥大規(guī)模應(yīng)用的生態(tài)效應(yīng)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

相信隨著研究的不斷深入，生物質(zhì)炭和炭基肥會(huì)得到科學(xué)合理的廣泛應(yīng)用，不僅可以有效利用農(nóng)林廢棄物資源，而且可以減少環(huán)境污染，為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。