牛明芬，劉 歡*，張玉蘭，周建宇

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110044；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所/遼寧沈陽(yáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，遼寧沈陽(yáng) 100016；3.東北大學(xué)生命科學(xué)與健康學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110004)

玉米秸稈炭與炭化溫度和時(shí)間的關(guān)系

牛明芬1，劉 歡1*，張玉蘭2，周建宇3

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110044；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所/遼寧沈陽(yáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，遼寧沈陽(yáng) 100016；3.東北大學(xué)生命科學(xué)與健康學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110004)

摘要[目的]篩選出最適宜炭化溫度和時(shí)間條件下的生物炭。[方法]以玉米秸稈為生物質(zhì)炭制作原料，對(duì)比研究不同炭化溫度(350、450、550 ℃)和時(shí)間(1.5、2.0、2.5 h)制備的玉米秸稈炭的pH、電導(dǎo)率等特性及有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等元素含量及其間的相互關(guān)系。[結(jié)果]玉米秸稈炭有機(jī)質(zhì)含量隨炭化溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)而降低[62.23%(350 ℃)>48.52%(450 ℃)>35.78%(550 ℃)]；在350 ℃炭化溫度下pH隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，450和550 ℃炭化溫度下pH基本保持在10 左右；電導(dǎo)率隨炭化溫度和炭化溫度的變化不明顯，炭化溫度350 ℃對(duì)玉米秸稈炭電導(dǎo)率的影響相對(duì)較大。玉米秸稈炭中速效鉀含量隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，全氮和堿解氮?jiǎng)t相反，速效磷含量較高，表現(xiàn)出574.53 mg/kg(450 ℃)> 493.75 mg/kg(350 ℃)>283.98 mg/kg(550 ℃)的變化趨勢(shì)。[結(jié)論] 350 ℃(2.5 h)和450 ℃(2.0 h)制備的玉米秸稈炭的農(nóng)業(yè)利用預(yù)期效應(yīng)較好，農(nóng)業(yè)價(jià)值較高。

關(guān)鍵詞玉米秸稈；生物炭；炭化溫度；炭化時(shí)間

玉米是我國(guó)的第三大種植作物，年產(chǎn)量達(dá)2.7億t，但目前玉米秸稈資源利用仍然不夠充分。大部分玉米秸稈堆積在田間地頭自然腐爛，或者直接在地里焚燒，既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境[1]。將玉米秸稈炭化后還田可有效解決上述問題。秸稈炭化物稱為生物炭或者黑炭，是指將作物秸稈在無(wú)氧高溫條件下熱解生成的含碳豐富的固體物質(zhì)[2]。

研究表明，制備生物質(zhì)炭的條件如溫度、時(shí)間等對(duì)生物質(zhì)炭的活性有機(jī)碳[3]、生態(tài)學(xué)特征[4]和微量化學(xué)[5]具有重要影響。生物炭在低溫制備過程中生成草酸鹽，在高溫制備過程中主要生成碳酸鹽等。生物炭在低于300 ℃制備條件下產(chǎn)率較低，且理化性質(zhì)變化較明顯，而在350～650 ℃下制備的生物炭結(jié)構(gòu)和性質(zhì)較穩(wěn)定[6]。生物質(zhì)炭對(duì)于提高土壤的肥力以及維系土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡有重要意義。生物炭施入土壤不僅可減少病蟲害，其豐富的有機(jī)碳也可增加土壤的有機(jī)質(zhì)或腐殖質(zhì)含量，從而提高土壤的養(yǎng)分吸持容量及持水容量，同時(shí)具有良好的物理性質(zhì)和養(yǎng)分調(diào)控作用，從而促進(jìn)作物生產(chǎn)力[7]。我國(guó)東北地區(qū)是重要糧食基地，每年生產(chǎn)大量玉米秸稈，其主要的農(nóng)業(yè)利用方式是直接秸稈還田，但這種方式存在影響耕作、加重病蟲害等負(fù)面作用。鑒于此，筆者以當(dāng)?shù)刎S富的生物質(zhì)資源——玉米秸稈為試材，研究了不同炭化溫度和時(shí)間對(duì)玉米秸稈炭特性及其元素組成的影響，旨在為東北玉米秸稈資源的高效利用和制備適宜的玉米秸稈炭及其推廣利用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料供試玉米秸稈取自遼寧沈陽(yáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站。

1.2方法

1.2.1玉米秸稈炭的制備。將玉米秸稈風(fēng)干后粉碎，放入設(shè)定好溫度和時(shí)間的炭化爐中，在設(shè)定溫度下炭化。3個(gè)炭化溫度分別為350、450、550 ℃，每種溫度下分別設(shè)置炭化時(shí)間為1.5、2.0、2.5 h，共獲得9種炭化物產(chǎn)品。

1.2.2生物炭理化性質(zhì)的測(cè)定。容重、孔隙度和電導(dǎo)率等物理性質(zhì)均采用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定。容重測(cè)定采用環(huán)刀法；孔隙度測(cè)定采用飽和水浸漬法；電導(dǎo)率測(cè)定采用電導(dǎo)率測(cè)定儀[8]。化學(xué)性質(zhì)包括有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH，其測(cè)定方法分別為重鉻酸鉀氧化-外加熱法、半微量凱氏法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和中性醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法，采用pH 計(jì)測(cè)定pH[9]。

1.3數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010軟件和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1玉米秸稈炭pH和電導(dǎo)率隨炭化溫度和時(shí)間的變化由圖1可知，玉米秸稈炭的pH 隨溫度的升高而增加。炭化溫度在350 ℃下，炭化時(shí)間在1.5～2.0 h時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，玉米秸稈炭的pH隨之增加，炭化時(shí)間在2.0～2.5 h時(shí)，玉米秸稈炭的pH變化不大。炭化溫度在450和550 ℃時(shí)，pH保持在9.99～10.39，炭化時(shí)間與秸稈炭pH之間的關(guān)系不明顯。說(shuō)明低溫短時(shí)間(350 ℃，1.5～2.0 h)炭化對(duì)秸稈炭pH的影響較大，而溫度大于450 ℃后炭化時(shí)間對(duì)秸稈炭pH的影響不大。

在同一炭化溫度下，炭化時(shí)間對(duì)玉米秸稈炭電導(dǎo)率的影響不大。不同炭化溫度下玉米秸稈炭的電導(dǎo)率變化也不明顯，玉米秸稈炭的電導(dǎo)率平均在0.98～1.20 ms/cm；電導(dǎo)率最高出現(xiàn)在炭化條件為350 ℃、2.0 h時(shí)。由此可見，不同炭化溫度和時(shí)間條件下的炭化對(duì)玉米秸稈炭電導(dǎo)率的影響相對(duì)較小。

注：柱上不同小寫字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level between treatments.圖1　玉米秸稈炭pH、電導(dǎo)率隨溫度和時(shí)間的變化Fig.1　Changes of pH and conductivity of corn straw carbon with time and temperature

2.2玉米秸稈炭有機(jī)質(zhì)含量隨溫度和時(shí)間的變化隨著炭化溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，玉米秸稈炭中的有機(jī)質(zhì)含量逐步降低(圖2)。350、450、550 ℃炭化溫度下玉米秸稈炭中的有機(jī)質(zhì)平均含量分別為62.23%、48.52%和35.78%。在不同的炭化溫度下，玉米秸稈炭中的有機(jī)質(zhì)含量隨炭化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，炭化時(shí)間在1.5～2.0 h時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量降低明顯；炭化時(shí)間在2.0～2.5 h時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量趨于穩(wěn)定。通過分析表明，玉米秸稈炭中的有機(jī)質(zhì)含量與炭化時(shí)間之間呈顯著相關(guān)。這與Antal等[10]的研究結(jié)果“生物質(zhì)炭中的有機(jī)質(zhì)含量隨著裂解溫度的升高而減少”相吻合。說(shuō)明在低溫(350 ℃)下玉米秸稈炭化有利于玉米秸稈炭中有機(jī)質(zhì)的積累，而在高溫(>450 ℃)下，玉米秸稈炭中的有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)降低，且隨著炭化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸相對(duì)穩(wěn)定。

注：柱上不同小寫字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Different lowercases indicated significant differences at 0.05 level between treatments.圖2　玉米秸稈炭中有機(jī)質(zhì)隨溫度和時(shí)間的變化Fig.2　Changes of organic matter of corn straw carbon with time and temperature

2.3 玉米秸稈炭氮、磷和鉀元素組成隨溫度和時(shí)間的變化隨著炭化溫度的升高，玉米秸稈炭中的全氮平均含量呈逐步降低趨勢(shì)(表1)，表現(xiàn)出1.75%(350 ℃)>1.66%(450 ℃)>1.41%(550 ℃)，其受炭化溫度的影響不大。在350 ℃炭化溫度下，炭化2.0 h時(shí)含氮最高達(dá)1.95%，炭化1.5和2.5 h時(shí)全氮含量較低，但相差不大。在同一溫度不同炭化時(shí)間內(nèi)，玉米秸稈炭中全氮含量總體上呈逐漸降低的趨勢(shì)且較緩慢。玉米秸稈中的堿解氮隨著炭化溫度的升高也呈降低趨勢(shì)，平均含量表現(xiàn)為33.95 mg/kg(350 ℃)>13.05 mg/kg(450 ℃)>11.00 mg/kg(550 ℃)，且與炭化溫度呈顯著相關(guān)。同一炭化溫度下，炭化2.0 h時(shí)堿解氮含量最高，但與其他2個(gè)炭化時(shí)間差別不大，與炭化時(shí)間關(guān)系不顯著。

玉米秸稈炭中速效磷含量很高，其受炭化溫度的影響也較大，表現(xiàn)為574.53 mg/kg(450 ℃)>493.75 mg/kg(350 ℃)>283.98 mg/kg(550 ℃)，且與炭化溫度之間呈顯著相關(guān)關(guān)系；同一炭化溫度下，速效磷含量總體上隨著炭化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低；速效磷含量與炭化時(shí)間之間的關(guān)系不明顯。玉米秸稈炭中的速效鉀含量隨著溫度的升高呈增加趨勢(shì)，表現(xiàn)為12.67 g/kg(550 ℃)>12.37 g/kg(450 ℃)>11.68 g/kg(350 ℃)；在同一溫度下，隨著炭化時(shí)間的增加，速效鉀含量呈先增加后降低的趨勢(shì)，但與炭化時(shí)間之間的關(guān)系不明顯。上述分析說(shuō)明，炭化溫度和時(shí)間對(duì)玉米秸稈炭的速效養(yǎng)分含量具有一定的影響，因此，可根據(jù)研究需要設(shè)定合適的溫度和時(shí)間，得出適宜的速效養(yǎng)分參數(shù)。

表1　秸稈炭氮、磷、鉀隨溫度和時(shí)間的變化

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間在0.05 水平差異顯著。

Note：Different lowercases in the same row indicated significant differences at 0.05 level.

3討論

生物質(zhì)炭富含有機(jī)質(zhì)(40%～75%)且其性質(zhì)穩(wěn)定、降解慢，同時(shí)它在固炭含減排、土壤改良和肥料增效上也具有顯著效果[2]。玉米秸稈炭的有機(jī)質(zhì)含量隨著炭化溫度的升高而降低，550 ℃下有機(jī)質(zhì)含量相比350 ℃下降低了42.5%。這可能是由于炭化溫度升高使有機(jī)物分解加快，玉米秸稈中的含碳物質(zhì)、低分子有機(jī)化合物因溫度升高而熱解損失變大所致。pH是生物質(zhì)炭化成生物質(zhì)炭的重要性質(zhì)之一，研究表明生物質(zhì)炭一般呈堿性[11]，且隨著炭化溫度的升高而升高，該研究結(jié)果與之相符。這是因?yàn)橛衩捉斩捥績(jī)?nèi)含有一定的灰分，而玉米秸稈炭中的灰分大多是礦質(zhì)元素鈉、鉀、鎂、鈣等以碳酸鹽或氧化物的形式存在，而玉米秸稈炭中堿性物質(zhì)的主要存在形態(tài)就是碳酸鹽[12]。

大量試驗(yàn)證明，生物炭含有較豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分元素如磷、鉀、鈣、鎂及氮素，施入土壤后能夠提高土壤中養(yǎng)分含量[13]，對(duì)保持土壤肥力的可持續(xù)性具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭中元素含量除了受其生物質(zhì)來(lái)源的影響外，炭化溫度和時(shí)間也同樣決定其元素含量豐度[14]。其中，速效磷的減少主要是由于炭化溫度越高，生物質(zhì)炭的堿性更強(qiáng)，易形成鈣、鎂的磷酸鹽所致。玉米秸稈炭中不穩(wěn)定元素全氮和堿解氮的含量隨著炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而降低，有研究表明炭化溫度從100 ℃升至500 ℃，牛糞炭化的生物質(zhì)炭中全氮降低了98.72%，而全氮中堿解氮所占的比例較小，所以也呈降低狀態(tài)[15]，這與該研究結(jié)果相吻合；礦物質(zhì)元素速效鉀含量則隨著炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)富集；速效磷含量則隨炭化溫度的升高表現(xiàn)為574.53 mg/kg(450 ℃)>493.75 mg/kg(350 ℃)>283.98 mg/kg(550 ℃)。

4結(jié)論

通過對(duì)玉米秸稈炭化產(chǎn)物性能的分析，結(jié)果表明：玉米秸稈炭有機(jī)質(zhì)含量隨炭化溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)而降低；pH隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，最后趨于穩(wěn)定；電導(dǎo)率隨炭化溫度和炭化溫度的變化不明顯。秸稈炭中全氮和堿解氮的含量隨著炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)而降低，礦物質(zhì)元素速效鉀含量則隨著炭化溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)富集；速效磷含量表現(xiàn)出450 ℃最高，350和550 ℃次之，炭化時(shí)間對(duì)其影響相對(duì)較小。通過對(duì)生物炭的理化性質(zhì)分析，可以看出350 ℃(2.5 h)和450 ℃(2.0 h)制備的玉米秸稈炭的農(nóng)業(yè)利用預(yù)期效應(yīng)較好。

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Relationship between the Corn Straw Carbon and the Carbonization Temperature and Time

NIU Ming-fen1, LIU Huan1*, ZHANG Yu-lan2et al

(1. Municipal and Environmental Engineering Institute, Shenyang Jianzhu University, Shenyang, Liaoning 110044; 2. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, National Field Research Station of Shenyang Agroecosystems, Shenyang, Liaoning 100016)

Abstract[Objective] To screen the charcoal under the most suitable carbonization temperature and time. [Method] With corn straw as the raw material of biomass charcoal, comparative study was carried out to research the relation of different carbonization temperatures (350, 450, 550 ℃) and time (1.5, 2.0 and 2.5 h) with corn straw carbon pH, conductivity properties, organic matter content, and contents of nitrogen, phosphorus and potassium elements. [Result] The organic matter content of corn straw was decreased with the increase of carbonization temperature and time[62.23%(350 ℃)>48.52%(450 ℃)>35.78%(550 ℃)]. Under 350 ℃ carbonization temperature, pH increased with the time. Under 450 and 550 ℃ carbonization temperature, pH basically maintained at about 10. The electrical conductivity showed no obvious changes with the changes of carbonization temperature. And 350 ℃carbonization temperature had relatively great impacts on corn straw carbon and conductivity. In corn straw carbon, content of available K increased gradually with the rise of temperature and the prolonging of time. Total nitrogen and alkali-hydrolyzable nitrogen were the opposite. Available phosphorus content was relatively high, showing the change trend of 574.53 mg/kg(450 ℃) >493.75 mg/kg(350 ℃) > 283.98 mg/kg(550 ℃). [Conclusion] Corn straw carbon prepared under 350 ℃(2.5 h) and 450 ℃ (2.0 h) has relatively good expected effect of agricultural use, and relatively high agronomical value.

Key wordsCorn straw carbon; Charcoal; Carbonization temperature; Carbonization time

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301325)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303095-9)。

作者簡(jiǎn)介牛明芬(1967- )，女，遼寧本溪人，教授，博士，從事土壤生物修復(fù)技術(shù)、固體廢棄物資源化處理研究。*通訊作者，碩士研究生， 研究方向：固體廢棄物資源化處理。

收稿日期2016-03-09

中圖分類號(hào)S 216；X 171.3;X 71

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)12-025-03