生物炭之农业废弃物堆肥

       我国是农业大国，在科学技术不断发展的今天，农业技术也在逐步提高，农产品产量增加的同时，农业废弃物也越来越多，倘若将这些废弃物进行回收再利用则会降低能源消耗，提高资源使用率。生物炭以其富碳多孔的功能性结构被广泛应用于农业废弃物堆肥中，促进了农业生产的可持续发展。

一、农业废弃物资源化利用的途径

（一）饲料化利用

农业生产造成的废弃物可以经过相关技术加工处理后制成畜禽饲料，具体可分为动物性饲料和植物纤维饲料，动物性饲料主要指的是畜禽的粪便中残留的矿物质和蛋白，它们经过风干或者烘干处理后可以加入到动物的饲料中。

（二）能源化利用

在废弃物的能源化利用方面，我国近年来已经开展了大量的研究，废弃物的能源化利用技术逐渐成熟，目前主要分为发酵和热解两类，不管是农作物产生的秸秆或者是畜禽的粪便都可以经过发酵转化成为沼气，沼气用于人们的日常生活中，可以给人们的生活带来极大的便捷。

（三）材料化利用

部分植物废弃物中含有较多的高纤维性的物质和蛋白质，这些物质在废弃物的利用方面有较大的挖掘空间。例如，棉杆皮可以制作成聚合阳离子交换树脂，玉米渣可以制作成膳食纤维产品，经过碳化后的秸秆可以制作成为保温材料，秸秆中的纤维素经过相关处理可以制作成保健品和环保餐具。

（四）生态化利用

农业废弃物在生态环境中的利用可以促使其在生产链中发挥较大的作用， 从而形成生态化的模式，这种模式包括桑基养鱼、林木间作等形式，其在资源空间利用上进行优势互补，形成复合式的生产体系，发挥生物共生的作用。

（五）肥料化利用

随着土地的开发程度越来越高，土壤的肥力下降，土壤越来越贫瘠，可耕作能力也越来越低。将农业废弃物直接回填，经过长时间的腐烂、分解可以用作土地的肥料，农业废弃物中含有大量的有机物质和营养物，经过发酵可以当做肥料，不但能够帮助农作物生长还能促使土壤的肥力上升，更容易被农作物吸收，减少化学肥料的使用，促进农业生产的绿色、健康、生态、有机发展。

二、生物炭的性质

生物炭的理化特性是开展其研究与应用的重要基础。生物炭的主要性质包括 pH、比表面积和孔隙体积、灰分含量和阳离子交换量等。

（一）pH

生物质原料显著影响生物炭的pH范围。常见的生物炭种类主要包括木本类、秸秆类和畜禽粪污类。其中，秸秆类生物炭的pH范围在7.1—10.9之间；畜禽粪污类生物炭的pH范围在6.3—13.0之间；而木本类生物炭pH范围可以拓宽到 4.6—11.6之间。

生物炭pH也与热解温度密切相关。随着热解温度升高，生物炭pH呈升高的趋势。这主要是由于随着热解温度的升高，生物炭的C-O键、C-H键和O-H键等减少，致使羟基和羧基等含氧官能团数量下降。因此，酸性官能团数量降低，而碱性官能团数量增加，造成生物炭的pH值升高。

（二）比表面积和孔隙体积

生物炭比表面积和孔隙体积的大小随热解温度增加呈现规律性变化。热解温度升高，生物质原料的外表面经历脱水过程。随着脱水过程的不断加剧，原料外表面呈凹坑状，比表面积得以增加。由于生物质原料中的纤维素、半纤维素和木质素经历了脱水和热解过程，生物质内部结构被破坏而致孔壁变薄，大量微孔结构得以产生。

（三）灰分含量

灰分含量表征生物炭中的可溶性盐总量。一般通过马弗炉灼烧的方法测定灰分。灰分含量的多少与生物质原料有关。一般来说，不同原料来源生物炭的灰分含量表现为：畜禽粪污类＞秸秆类＞木本类。

电导率在一定程度上可以反映灰分含量的多少。生物炭的电导率与热解温度和生物质原料有关。就热解温度而言，在中低温300—600℃条件下，生物炭的电导率随温度的升高而增加；不同原料来源生物炭的电导率表现为：畜禽粪污类＞秸秆类＞木本类。

（四）阳离子交换量

阳离子交换量是衡量离子交换和吸附性能的主要指标，可以反映出生物炭表面的负电荷参数，其大小也决定了生物炭在堆肥过程或者土壤中对阳离子的持留能力。生物炭的阳离子交换量与生物质原料和热解温度有关，随着热解温度升高，秸秆生物炭的阳离子交换量呈增加趋势。

三、生物炭应用于农业废弃物堆肥

堆肥指生物可降解废弃物在好氧条件下经微生物降解发生矿（质）化和腐殖化作用，形成稳定腐殖质的过程。堆肥不仅可以有效杀灭废弃物中的病菌和虫卵，而且能把废弃物中含有的营养元素转化为有机肥，直接用于农田。腐殖质具有改善土壤通气透水以及加强土壤保水保肥的功能，而且腐殖质中含有稳定的碳素，长期施用可增加土壤中有机碳的含量。因此，堆肥是将废弃物转化为土壤肥料和调节剂的有效手段。

（一）调控堆肥过程

温度是监测堆肥过程的主要参数。堆肥过程中物料在微生物的作用下发生降解，产生的能量以热形式释放，使堆体温度升高，一般会达到50℃以上。

pH值是衡量堆肥产物酸碱度的指标。我国行业标准要求堆肥产品pH值应在5.5-8.5范围（NY/T 525—2021）。堆肥初期，微生物大量繁殖加速有机物料分解，有机氮被转化为铵态氮在堆体中积聚，致使堆体pH升高；随着堆体温度升高，积累的铵态氮以NH3形式大量释放，有机物分解过程中产生了小分子有机酸、无机酸等酸性物质致使堆体pH值下降；随着堆肥过程的持续，小分子有机酸被分解以及局部缺氧造成硝态氮的反硝化作用，致使堆体pH值稍稍升高；堆肥末期堆体达到腐熟状态，堆体的pH逐渐趋于稳定。

（二）促进腐殖化

堆肥的最终产物为腐殖质，主要由类胡敏酸和类富里酸组成。腐殖质的组成和数量可以评价堆肥产品质量。一般来说，新鲜的堆肥混合物中类胡敏酸含量较低而类富里酸含量较高。随着堆肥进行，混合物中的类胡敏酸含量逐渐增加而类富里酸含量逐渐减少。由此可见，堆肥过程中类富里酸向类胡敏酸的转化可以促进堆肥腐熟，提高腐殖化程度。

（三）减少氮排放

堆肥中的氮素损失主要发生在堆肥高温期，该期间微生物增殖以及有机氮矿化产生了大量的铵态氮。铵态氮在高pH和高温条件下，以NH3形式释放到大气中，造成了堆肥过程中的氮素损失。随着堆体温度下降堆体内氧气含量不足，硝化作用和反硝化作用加强导致N2O产生。而生物炭表面的官能团（-COO-、-OH-等）可以吸附堆肥过程中的NH4+、NO3-和气体NH3以及抑制反硝化作用而减少NH3和N2O的排放。

（四）减少碳排放

堆肥物料中的有机碳降解后主要以CO2和CH4的形式而损失。其中，前者是主要的损失形式，占初始总有机碳的14.0%—59.0%；而以CH4形式损失的碳占比不足碳损失总量的6.0%。研究表明，生物炭的添加可以减少CO2和CH4的排放，主要是由于生物炭增加了堆肥通气量，减少厌氧气囊的形成，从而减少了CH4排放；生物炭降低了水溶性有机物的移动性，从而减少了CO2排放。

（五）钝化重金属

农业废弃物主要包括作物秸秆和畜禽粪污。一般而言，秸秆中较少存在重金属风险。畜禽生长过程中Cu和Zn等的添加具有促进机体代谢、加速生长和抑制动物肠道有害微生物的重要作用，然而由于饲料中添加的重金属和饲料原料中所含有的重金属被畜禽吸收的比例只有5.0%—30.0%，绝大部分的重金属随着粪便排出。因此，重金属在畜禽粪污中积累，而这种积累与畜禽种类、畜禽年龄以及畜禽粪污的收集方式和处理方式等有关。

（六）提高可利用性氮磷钾

堆肥可以将废弃物中含有的营养元素转化为有机肥。肥效的衡量标准主要包括氮素、磷素和钾素。堆肥产品中的氮素以蛋白质、氨基酸等有机态氮以及铵硝态氮等无机氮形式存在。磷素主要由核酸类、植素类和磷脂类为主的有机磷以及正磷酸盐为主的无机磷构成。尽管不同形态的磷会相互转化，但不会挥发损失。钾素以无机态形式存在且较为稳定。生物炭的吸附性能对物料中的铵硝态氮及气态NH3等有较强的吸附作用，因此堆肥产品中的氮素得以提高。

生物炭的增施促进了堆肥产品总磷中可被NaHCO3溶解的无机态磷逐渐解吸，无机态磷在总磷中的占比得以提高。秸秆生物炭富含钾素，有利于提高堆肥产品中的钾素含量。不同生物炭类型对堆肥产品中氮磷钾养分含量的增效不一致，主要与生物炭原料和热解温度不同有关。相对于木本类生物炭而言，秸秆类生物炭灰分含量较高，易于提高堆肥产品中的全量和速效养分。

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