农业生物质的水热裂解与盐渍土改良

全球土壤盐渍化正成为农业可持续发展的关键制约因素。据联合国粮农组织统计，全球盐渍化土壤面积已超13亿公顷，且每年以200万公顷的速度持续扩张。与此同时，秸秆、畜禽粪便等农业废弃物年产生量巨大，传统堆肥、焚烧等处理方式存在周期长、二次污染等弊端。水热裂解（HTC）技术，为同步解决农业废弃物处置与盐渍土改良两大难题，提供了科学且高效的耦合方案。该技术可在温和条件下将湿态有机废弃物转化为兼具碳固持潜力与土壤改良功能的水热炭（固体产物）和水热液（液体产物），实现“废弃物资源化-盐渍土修复-碳减排”的三维协同。

图1 HTC技术的全链条资源化利用与环境协同处理路径示意图（Nguyen et al., 2023）

一、HTC工艺

HTC工艺是一种简便的湿热解方法，它以水为介质，在180至250℃的温和环境中完成炭化过程。该工艺既能以节能方式处理湿生物质，又可将大分子有机材料裂解转化为中分子物质或相对稳定的碳质材料——这类材料被称为“水热炭”，同时还会生成液态水热液与少量气态产物。与传统热解技术相比，HTC工艺具有成本效益高的显著优势：无需耗费能源进行预干燥，即可直接将湿原料转化为碳质固体；而优化反应温度、反应时间、催化剂及固液比等关键参数，对于充分挖掘原料潜力至关重要。通过这样的优化，能够生产出高质量的水热炭；在最佳工艺条件下，此类水热炭可显著改善土壤结构、提升养分含量，并有效促进微生物活性。

图2 HTC过程示意图（钟兴豪等，2025）

二、HTC产物改良盐渍土的科学机制

水热炭与水热液通过多维度协同作用，实现盐渍土理化性质优化、碳库提升与作物抗盐性增强，其科学机制可分为三方面：

（1）盐渍化消减：多路径协同改善土壤理化性质

水热炭凭借多孔结构、丰富活性官能团及优异离子交换能力，通过四重路径改良盐碱地：一是吸附固持土壤中过量盐分，降低盐胁迫；二是调节土壤酸碱度，缓解碱性危害；三是提升土壤大团聚体比例，增强保水保肥能力；四是活化土壤速效养分，提高养分利用率。相关研究显示，酸性玉米秸秆水热炭可显著降低松嫩平原盐碱地的pH值、电导率及碱化度，使高粱产量最高提升51.37%；水热炭改良苏打盐碱土后，水稻育苗期幼苗生物量显著增加，验证了该技术的田间应用潜力。

（2）土壤增碳：碳库输入与稳定性调控的科学逻辑

水热炭的固碳机制源于三方面：一是高碳组分直接输入土壤碳库；二是易分解组分初期流失后，难降解组分长期稳定留存；三是抑制土壤原生碳的分解。需注意的是，水热炭稳定性低于完全碳化的生物炭，核心原因在于其脂肪族化合物占比高、表面亲水官能团丰富。不过，通过工艺优化可提升固碳持久性，例如将反应温度控制在210-230℃并循环利用工艺液，可显著提高水热炭的碳含量；玉米青贮水热炭在土壤中的半衰期可达19年，具备长期固碳潜力。

（3）作物抗盐性提升：土壤-植物-微生物的协同调控

水热炭与水热液产物通过“土壤环境改良-生理代谢调节-微生物互作”的多维度路径，提升作物抗盐性。水热炭降低土壤盐度与pH值，缓解离子毒害与渗透胁迫，为根系生长创造适宜条件；水热液富含氮、钾等营养元素，可作为优质液体肥料。研究表明，向土壤中添加水热炭可减少玉米对钠的吸收，增加钾、钙、镁等营养元素含量，调节抗氧化系统活性，维持植株离子平衡；稻草水热炭改良剂配合水溶性肥料施用，可显著提升松嫩平原盐碱土中苜蓿、羊草的生物量与抗盐性。

三、环境效益评估与科学研究展望

生命周期评估（LCA）数据表明，水热炭化（HTC）技术具有显著的环境优势。以棉秆为原料的HTC过程中，每处理1千克原料可实现约0.000049千克二氧化碳当量的净减排；与传统热解技术相比，该技术在全球变暖潜势、生态毒性等环境指标上的负担降幅达11%~29%。从碳固存效益角度看，每公顷盐渍土施用10吨水热炭，可实现约1.2吨二氧化碳当量的碳固存，同时减少传统堆肥过程中甲烷等温室气体的排放。

水热裂解技术凭借其独特的科学原理与应用优势，为农业废弃物资源化利用与盐渍土改良提供了创新路径。从实验室研究到规模化应用，该技术的发展既需要持续优化工艺参数，也离不开多学科交叉的科学探索。随着研究的不断深入，水热裂解技术必将在推动农业绿色发展与“双碳”目标实现的过程中，发挥日益重要的作用。

参考文献：

[1]钟兴豪,谢更新,张虹,等.水热炭在土壤改良中的应用潜力与技术挑战[J].农业工程学报,2025,41(02):12-25.

[2]Malghani S, Jüschke E, Baumert J, et al. Carbon sequestration potential of hydrothermal carbonization char (hydrochar) in two contrasting soils; results of a 1-year field study[J]. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51(1): 123-134.

[3]Nguyen T A H, Bui T H, Guo W S, et al. Valorization of the aqueous phase from hydrothermal carbonization of different feedstocks: challenges and perspectives[J]. Chemical engineering journal, 2023, 472: 144802.

[4]Torabian S, Farhangi-Abriz S, Alaee T. Hydrochar mitigates salt toxicity and oxidative stress in maize plants[J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2021, 67(8): 1104-1118.

[5]Zhao S, Liu G, Xiong J, et al. Evaluation of hydrochar-derived modifier and water-soluble fertilizer on saline soil improvement and pasture growth[J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 16759.

[6]Zhou Z, Li Z, Zhang Z, et al. Treatment of the saline-alkali soil with acidic corn stalk biochar and its effect on the sorghum yield in western Songnen Plain[J]. Science of the Total Environment, 2021, 797: 149190.

[7]Elendu, C.C., Duo, J., Okopi, S.I., 2025. Optimization and life cycle assessment of cotton straw hydrothermal carbonization: a sustainable approach for enhanced saline-alkali soil remediation. Waste Management 205, 115029.