玉米秸稈生物炭對土豆種植的影響

摘 要：生物炭還田以“雙碳”目標為導(dǎo)向，實現(xiàn)碳固定和碳減排、改善土壤質(zhì)量、保護水質(zhì)、提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，對綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。用電加熱爐制備不同熱解終溫（300℃、500℃、800℃）條件下的玉米秸稈生物炭，并研究了其熱失重、比表面積、微觀結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)及表征，然后進行了生物炭還田實驗。結(jié)果表明：熱解終溫越高，生物炭熱解越充分；終溫為500℃的生物炭還田后，土豆吸水量最大、土豆地上莖個數(shù)最多，且地上莖的平均高度最高、還田效果最理想。

關(guān)鍵詞：生物炭還田；玉米秸稈；種植實驗

中圖分類號：X17 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9655（2025）01-000-04

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年農(nóng)業(yè)活動會產(chǎn)生大量農(nóng)作物秸稈，是世界上秸稈資源最豐富的國家之一[1]。傳統(tǒng)的露天焚燒會造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費，危害人體健康，并且不利于國家農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。農(nóng)作物秸稈在絕氧或限氧條件下熱解可被制備成富碳多孔固體產(chǎn)物——生物炭。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較強抗降解性、多數(shù)呈堿性的特性，它可以提高土壤陽離子交換量、修復(fù)重金屬污染土壤，改善土壤酸堿性。施加一定量的生物炭能夠提高土壤的綜合性能，促進作物生長，進而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[3]。生物炭還田在土壤改良、土壤污染修復(fù)及保肥增產(chǎn)方面具有巨大的潛力，在節(jié)約資源、提高經(jīng)濟效益、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展上都具有重要意義，在一定程度上可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的有效利用，推動生態(tài)文明建設(shè)，促進綠色經(jīng)濟社會的發(fā)展[4]。

將生物炭返回田間是一種極具潛在價值的農(nóng)業(yè)實踐[5]，它會影響土壤的物理和化學(xué)特性以此改善土壤，提高土壤肥力。Jin等[6]發(fā)現(xiàn)生物炭可以改善我國旱地紅壤地區(qū)的土壤肥力，提高油菜籽的產(chǎn)量，但對土壤pH值、養(yǎng)分含量、微生物生物質(zhì)碳、氮與酶的活性這些土壤肥力指數(shù)的影響會隨時間的推移而減弱。Yan等[7]以玉米秸稈為原料制備生物炭，實驗發(fā)現(xiàn)大量施用生物炭會導(dǎo)致土壤容重較低，不利于水分儲存和小麥的生長，40 t/hm2的生物炭施用量是調(diào)節(jié)土壤水分條件和土壤溫度的最佳選擇。2020年9月我國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標，而稻田生態(tài)系統(tǒng)則是全球CH4和N2O等溫室氣體的重要排放源，研究表明生物炭還田可快速提升土壤穩(wěn)定性碳存儲量，減少溫室氣體的排放。

生物炭還田可以改善土壤的pH值、電導(dǎo)率等性質(zhì)，從而影響農(nóng)作物的生產(chǎn)率。將玉米秸稈以不同的終溫進行電熱解獲得玉米秸稈生物炭，通過農(nóng)作物的長勢可判斷不同終溫生物炭還田的效果。

1 材料和方法

1.1 實驗原料

在網(wǎng)上購買了來自山東省濟寧市的玉米秸稈粉末，使用60目的網(wǎng)篩過篩。

1.2 實驗儀器

利用微機差熱天平對生物質(zhì)原料進行熱失重特性研究（HCT1/2型，北京恒久科學(xué)）；電子天平，用于對生物質(zhì)原料以及生物炭進行精確稱重；電加熱式熱解爐（BJS-40型，天津斯科諾），用于生物質(zhì)熱解實驗制生物炭；3D視頻顯微鏡（SH-5000M型），用于觀察生物炭進行樣貌分析；比表面積儀（F-Sorb3400型比表面積分析儀），對生物炭進行比表面積檢測。

1.3 制備方法

熱解終溫為300℃、500℃、800℃，同一升溫速率10℃/min對玉米秸稈進行電加熱熱解制生物炭，得到三份生物炭樣品。

1.4 種植實驗

將不同熱解終溫300℃、500℃、800℃，同一升溫速率10℃/min制得的玉米秸稈生物炭進行盆栽實驗。每盆土壤重量為7 kg，并且將這四份土壤進行濕潤處理。取不同熱解終溫的生物炭各250 g，將分好的三份生物炭分別與土壤進行充分混合，其中一桶不加生物炭，作為對照組。將相同大小的土豆種子分別放到四個盆栽中，種植在相同深度，放到光照充足、溫度適宜的地方，定期澆水，在種植期間沒有添加任何營養(yǎng)物質(zhì)，觀測并記錄作物的生長情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱重曲線分析

為了探究玉米秸稈熱解機理，采用微機差熱天平實驗研究了其熱失重過程。玉米秸稈在同一終溫800℃、不同升溫速率10、20、30℃/min下的TG和DTG曲線如圖1所示。玉米秸稈的熱分解可以分為三個不同的階段，第一階段0～150℃，主要是水分的析出；第二階段150～500℃，是玉米秸稈的主要熱解階段，該時期質(zhì)量損失和失重速率達到最大，這與半纖維素和纖維素成分的熱分解有關(guān)，并且隨升溫速率的升高，最大熱解速率升高，這是因為隨著升溫速率升高，玉米秸稈中的纖維素和半纖維素更易分解，最后是500～800℃，該階段是固定碳的燃燒[8，9，10]。在相同溫度下，升溫速率越高，樣品越容易發(fā)生熱解，為了使玉米秸稈生物炭中的營養(yǎng)成分更多的保留，為農(nóng)作物的生長提供充足的養(yǎng)分，選用10℃/min的升溫速率，對玉米秸稈進行熱解。

2.2 3D視頻顯微鏡分析

不同熱解終溫條件下，玉米秸稈生物炭的3D視頻微觀表面特征如圖2所示。終溫為300℃時，炭的表面呈金色，由于熱解不充分，炭表面的紋理清晰可見，表面的孔徑大小不一，孔隙較小，分布較為分散。當終溫升到500℃，炭表面凹凸不平，表面呈現(xiàn)彩色光澤，在炭粒的端頭，可以很清晰觀察到孔徑比較均勻，大多都集中在中孔孔徑的范圍之中，此時生物炭的品質(zhì)較好。終溫為800℃時，生物炭表面顏色偏向于黑色，生物炭表面的縫隙之中存在有微量的雜質(zhì)。

2.3 生物炭比表面積分析

將同一升溫速率，不同終溫下制備出的玉米秸稈生物炭進行比表面積的檢測，結(jié)果如圖3所示。在300～500℃的區(qū)間內(nèi)，隨著熱解溫度的升高，比表面積顯著升高，500℃時達到了最大比表面積5.115 m2/g。此時主要是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的分解階段，在500～800℃的區(qū)間內(nèi)比表面積有降低的趨勢，這應(yīng)該是因為生物炭的比表面積隨溫度的變化存在臨界點，超過臨界溫度后，比表面積隨溫度升高而減小，這可能與高溫導(dǎo)致微孔結(jié)構(gòu)破壞、微孔增大有關(guān)。

2.4 土豆種植實驗

種植完成20 d左右，土壤里長出了嫩芽，大約1 cm高，莖稈和葉子都呈墨綠色，上面布滿了小絨毛。種植完成25 d左右，有更多的土豆芽長了出來，并且形成了匍匐莖。觀察得到加入不同終溫生物炭土豆的生芽數(shù)與吸水量如圖4所示，其中生物炭終溫0℃代表不加生物炭的對照組。終溫為300℃的土豆生芽數(shù)最多，為四個；終溫為500℃的土豆吸水量最高，達1200 mL，此時雖然生芽量只有兩個，但是芽長得高而壯，且此時吸水量最高，因此，種植完成25 d時，加入終溫為500℃生物炭的土豆生長情況最理想。

種植完成兩個月時，土豆形成塊莖，主莖急劇拔高，莖葉全部形成，并有分枝和分葉展開。生長情況如圖5所示。對照組兩個直立型地上莖，長80 mm和70 mm，70 mm地上莖分化出匍匐莖長60 mm。有四處芽眼萌發(fā)了幼芽。地上莖尖端呈墨綠色，各有兩片小葉。嫩芽和匍匐莖尖端呈現(xiàn)嫩黃色。加入生物炭終溫為800℃的土豆四個直立型地上莖，兩個緊貼著生長，還有兩個呈對立分布。長度為85 mm、83 mm、90 mm和80 mm。80 mm地上莖分化出兩個匍匐莖，長約50 mm，且已分化出根系。90 mm地上莖分化出一個匍匐莖，長35 mm。地上莖整體呈藕粉色，尖端墨綠色，且都有兩片墨綠色嫩葉。加入生物炭終溫為500℃的土豆6個直立型地上莖，均勻分布在土豆四周，長80 mm、95 mm、90 mm、100 mm、97 mm、85 mm。6個地上莖均已分化出根部，各有四至五條分支，長約30 mm。80 mm的地上莖分化出一個匍匐莖，長110 mm。85 mm和90 mm的地上莖各有一個40 mm左右的匍匐莖。葉片呈現(xiàn)嫩綠色，莖中部呈現(xiàn)藕粉色，尖端墨綠色。匍匐莖整體白色，尖端嫩黃色。加入生物炭終溫為300℃的土豆有三個直立型地上莖，長為100 mm、110 mm和70 mm。100 mm和110 mm地上莖毗鄰生長。110 mm地上莖分化出兩個根系，長約100 mm，尖端分化出6片葉子，并分化出一個匍匐莖。100 mm地上莖分化出6個葉片，兩個半直立型莖和四個小根，小根長約50 mm。地上莖尾部呈白色，中部藕粉色，尖端墨綠色。葉片中部嫩綠色，尖端墨綠色。

加入不同生物炭量的土豆生長出的地上莖個數(shù)及平均高度如圖6所示。加入生物炭終溫為500℃的土豆生長出的地上莖個數(shù)最多，為6個，且地上莖的平均高度最高，為93 mm，此時還田效果最理想，這與比表面積實驗和3D視頻顯微鏡實驗的結(jié)果一致，500℃時生物炭的比表面積最大，炭的孔徑比較均勻，炭的品質(zhì)比300℃和800℃更好，此時吸附污染物的能力更強，持水性更好，從而達到提高作物產(chǎn)量和減污降碳的目的。

3 結(jié)論

對玉米秸稈進行電加熱熱解制生物炭，并研究了其熱失重、比表面積、微觀結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)及表征，然后進行了還田種植土豆實驗，觀察土豆的生長情況，得到了如下結(jié)論：

（1）玉米秸稈熱分解的最大失重率都出現(xiàn)在揮發(fā)分燃燒區(qū)間；并且隨升溫速率的增大，最大失重速率增大。通過使用3D視頻顯微鏡對生物炭進行觀察，500℃下的炭呈現(xiàn)出彩色的光澤、孔徑比較均勻；在同一升溫速率下比表面積隨熱解終溫的升高先增大再減小，500℃時比表面積達到最大。

（2）種植完成兩個月時，終溫500℃的生物炭還田效果最好，終溫300℃、800℃生物炭還田效果較差。

（3）通過熱解秸稈制取生物炭用于農(nóng)業(yè)還田，既達到了減污降碳的目的，同時又增強了土壤肥力，提高了作物產(chǎn)量。

參考文獻：

[1] 郭冬生，黃春紅.近10年來中國農(nóng)作物秸稈資 源量的時空分布與利用模式[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，29（4）： 948-954.

[2] 石祖梁，賈濤，王亞靜，等.我國農(nóng)作物秸稈綜合利用現(xiàn)狀及焚燒碳排放估算[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2017，38（9）： 32-37.

[3] 魏忠平，朱永樂，趙楚峒，等.生物炭吸附重金屬機理及其應(yīng)用技術(shù)研究進展[J].土壤通報，2020，51（3）： 741-747.

[4] 陳溫福，張偉明，孟軍，等.生物炭應(yīng)用技術(shù)研究[J].中國工程科學(xué)，2011，13（2）： 83-89.

[5] 高鋆鳳.不同秸稈還田方式對雙季稻鎘吸收與土壤重金屬鎘有效性的影響[D].南昌： 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2023.

[6] Jin Z W，Chen C，Chen X，et al.The crucial factors of soil fertility and rapeseed yield-A five year field trial with biochar addition in upland red soil，China[J].Science of the Total Environment，2019 （649）： 1467-1480.

[7] Yan Q，Dong F，Li J，et al.Effects of maize straw‐derived biochar application on soil temperature，water conditions and growth of winter wheat[J].European Journal of Soil Science，2019，70（6）： 1280-1289.

[8] Huang X，Cao J，Zhao X，et al.Pyrolysis kinetics of soybean straw using thermogravimetric analysis[J].Fuel，2016 （169）： 93-98.

[9] 趙文霞，楊朝旭，劉帥，等.典型農(nóng)作物秸稈組成及燃燒動力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2019，38（4）： 921-927.

[10] 施永紅，云峰，楊盼盼，等.兩種生物質(zhì)燃燒性能及燃燒動力學(xué)特性的研究[J].節(jié)能技術(shù)，2017，35（5）： 407-410.

收稿日期：2024-02-20

基金項目：天津市研究生科技創(chuàng)新項目（編號2022SKY328）。

作者簡介：王茜茜（2000-），女，山東省濟寧市人，2022年本科畢業(yè)于魯東大學(xué)，現(xiàn)為天津商業(yè)大學(xué)在讀研究生，從事生物質(zhì)應(yīng)用方向研究。

Abstract： The return of biochar to farmland is guided by the “dual carbon” goal， achieving carbon fixation and emission reduction， improving soil quality， protecting water quality， and increasing crop yield and quality， which is of great significance for the development of green agriculture. Corn straw biochar was prepared using an electric heating furnace under different pyrolysis final temperatures （300℃， 500℃， 800℃）， and its physicochemical properties such as thermal weight loss， specific surface area， microstructure， and characterization were studied. Subsequently， biochar returning experiments were conducted. The results showed that the higher the final pyrolysis temperature， the more complete the pyrolysis of biochar; After returning biochar with a final temperature of 500℃ to the field， potatoes have the highest water absorption， the highest number of aboveground stems， and the highest average height of aboveground stems， resulting in the most ideal return effect.