城市草屑作为生物经济原料：热解条件对Kikuyu草（Cenchrus clandestinus）生物炭性质及其对瑞士甜菜（Beta vulgaris）生长的影响

《Biofuels, Bioproducts and Biorefining》：Kikuyu grass clippings as a bioeconomy feedstock: influence of pyrolysis conditions on biochar properties and its effect on the growth of Swiss chard

　　

将城市有机废物流（urban organic waste streams）整合入生物经济（bioeconomy）对推进水–食物–能源纽带（water–food–energy nexus）至关重要。草屑（grass clippings）作为一种丰富但未充分利用的城市残余物（municipal residue），是生产增值材料（value-added materials）的有前景原料。本研究对由Kikuyu草（Cenchrus clandestinus）生产的生物炭（biochar）及其作为土壤改良（soil amendment）和碳封存（carbon sequestration）的潜力进行了综合评估。生物炭在氮气（nitrogen）下通过慢速热解（slow pyrolysis）制备，考察了两种原料粒径（feedstock particle sizes）和三个峰值温度（peak temperatures）（400、500和600 °C）的影响。较高的热解温度提高了生物炭pH和芳香碳结构（aromatic carbon structures）丰度，但相应地降低了生物炭产率（yields）。最大比表面积（specific surface area）在500 °C、使用较大原料粒径级分时实现。在初步发现基础上，本研究建立了生物炭比表面积与持水能力（water retention capacity）及CO₂吸附容量（CO₂ adsorption capacity）之间的直接正相关，证明气候减缓（climate mitigation）与土壤改良的双重效益。所选生物炭作为土壤调理剂（soil conditioners）的性能在含瑞士甜菜（Swiss chard，Beta vulgaris）的温室试验（greenhouse trial）中评估。与未处理对照相比，生物炭施用改善了土壤持水并显著增强了植物生长。基于已发表肥料价格的初步成本考虑（preliminary cost considerations）表明，生物炭可能通过跨越多个生长季（growing seasons）的土壤效益提供长期经济优势。然而，需要田间规模验证（field-scale validation）以确认盈利性，因为本温室研究并非设计为正式技术经济分析（techno-economic analysis）。这些发现突出了将城市草屑增值（valorizing）为生物炭作为循环生物经济（circular bioeconomy）内可行途径的潜力，有助于废物减量、土壤改良和长期碳封存。

城市社区通过常规景观维护和市政管理产生大量草屑，但这些有机残余物大多未充分利用，通常被填埋，其分解会增加温室气体排放。将可生物降解废物从填埋场转移的压力，以及扩大可再生和碳负能源系统的需求，推动了对城市生物质残余物进行热化学增值的兴趣。热解（pyrolysis）可将低值植物废物转化为有价值产品并实现长期碳储存。生物炭（biochar）是热解得到的固体碳质残余物，具有高孔隙度、比表面积（specific surface area, SSA）和吸附能力，可用于水处理、碳封存和土壤改良。其性质受生产条件、原料选择和后处理影响。慢速热解（slow pyrolysis）通常在较低峰值温度（300–700 °C）和较低升温速率（5–7 °C min^?1）下进行，可获得相对较高生物炭产率。热解温度升高通常降低产率，但提高pH、比表面积和碳含量；较高温度（>500 °C）可增强碳含量和表面积。原料类型也影响生物炭性质，草本原料倾向于产生适合土壤改良的生物炭，如较高阳离子交换容量（cation exchange capacity, CEC）。原料粒径通过影响反应器传热影响产率和性质，较小粒径被报道可提高生物炭产率，但与较低溶解有机碳、总碳和pH相关。CO₂吸附方面，多数公开研究关注低压，高压CO₂吸附仍探索不足。生物炭CO₂吸附主要通过物理吸附（physisorption），较大表面积和较高孔隙度通常具有更高CO₂吸附容量。将CO₂捕集直接纳入生物炭生产链可增强气候效益。土壤应用是生物炭最广泛用途之一，可改善植物生长和土壤健康，并缓解化肥相关环境问题。生物炭可改善土壤物理、化学和微生物性质，提高CEC和pH，增强养分保持，减少淋失，改善土壤结构，降低容重，增加持水，尤其在砂质或干旱土壤中。因此，评估CO₂富集生物炭作为土壤改良剂的性能，可揭示其在循环生物能源背景下的更广泛价值。

研究人员开展的研究是：以Kikuyu草（Cenchrus clandestinus）草屑为原料，在不同热解温度和两种原料粒径下制备生物炭，考察生物炭性质、CO₂吸附与保留能力，并在受控植物生长试验中评估富集和未富集生物炭的功能表现。研究结论显示，较高热解温度降低生物炭产率，但提高pH、芳香性和结构稳定性；500 °C、较大原料粒径级分获得最大比表面积和持水能力；生物炭表面积与持水能力和CO₂吸附容量均呈正相关；选定生物炭在温室中改善土壤持水并显著促进瑞士甜菜生长。其意义在于为城市草屑增值为生物炭提供依据，将其作为循环生物经济中的可行路径，有助于废物减量、土壤改良和长期碳封存。

为开展研究用到的主要关键技术方法概括如下（不超过250字）：原料为南非金山大学Braamfontein校区足球场收集的Kikuyu草（Cenchrus clandestinus）剪草，风干3天，75 °C烘干至恒重，筛分为100–500和1000–2000 μm。热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）用于选择峰值温度。管式不锈钢反应器中N₂气氛慢速热解，升温10 °C min^?1，峰值400、500、600 °C，停留50 min。测定产率、pH、CHNS-O元素组成、BET比表面积、拉曼I_D/I_G、场发射扫描电子显微镜（field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM）和水保持能力（water retention capacity, WRC）。CO₂保留在38 bar、40 °C下1 h后以质量法测定。温室用商业Garden Master盆栽土，剂量5、15、40 t ha^?1，种植瑞士甜菜（Beta vulgaris）Fordhook Giant，41天后收获。

研究结果如下。

生物质性质（Biomass properties）：热重分析显示，110 °C前质量损失对应残余水分去除；约110 °C至360 °C发生显著热降解，总质量损失53.27%；继续分解至800 °C再损失18.36%；最终残余19.87%，表明灰分含量，主要由无机材料和固定碳组成。该行为符合文献报道的木质纤维素生物质多阶段降解，即半纤维素、纤维素和木质素随温度升高依次分解。

产物产率（Product yields）：生物炭产率随热解温度升高而下降，L400为48.9%，L600为36.27%；S400为49.81%，S600为33.73%。原料粒径未显著影响生物炭产率；但较小原料粒径的生物油产率始终较高，500 °C时最大为23.04%。较大原料粒径生物油产率为10.86%至16.12%。生物油产率标准偏差较大，反映小规模管式反应器定量收集可冷凝蒸气存在困难；生物炭产率变异性较低，为±1.5%至3.2%，因为固体产物可完全回收。温度与生物炭产率的反比关系与先前研究一致，可能因较高温度下原料挥发增加以及复杂解聚反应推进。元素分析中氢含量随热解温度升高而下降，也表明挥发增加，有利于气体和液体产物，降低固体炭产率。较小原料颗粒因表面积与体积比更大，传热效率高，热解产物快速挥发，减少二次反应，故生物油产率较高；较大原料存在内部传热限制，颗粒表面与中心温差导致逐渐加热，促进二次成炭反应并降低液体产物产率。较大原料生物油产率在500 °C达到峰值，符合挥发物二次裂解占主导之前的优化脱挥发条件。

生物炭表征（Biochar characterization）—生物炭组成与结构（Biochar composition and structure）：元素分析显示，氢浓度随热解温度升高而下降；与原料相比，氢从5.59%降至S600的2.03%，降幅超过50%。400 °C制备的生物炭（L400和S400）氮浓度高于原料，并随热解温度升高而逐渐下降，这可归因于其他非氮化合物损失。所有生物炭碳含量均高于原料的40.67 wt%，增加范围为7.18个百分点（L600）至12.46个百分点（L400），相对增加17.7%至30.6%。碳含量从原料到400 °C急剧增加，并在更高温度相对稳定；L600的下降可能与较高温度下二次反应和碳物种挥发有关。H/C比随热解温度升高而下降，表明氢含量较碳含量下降更快。H/C比是生物炭芳香性和稳定性的有用指标；所有生物炭样品原子H/C比显著低于原料，证实热解过程中发生显著脱氢和芳香环缩合；H/C比随温度升高而下降，表明较高温度下芳香性和碳稳定性逐渐提高。原子H/C比0.62–0.97与类似温度下草本原料产生的中等至高芳香性生物炭报道值一致。H/C随温度下降趋势证实较高热解温度促进更高结构有序性和抗微生物降解性。拉曼光谱进一步支持：较大样品I_D/I_G比从400到600 °C下降，表明结构有序性和芳香缩合增加，并提示从无定形向更高结构有序转变，符合生物炭稳定性增强；较小样品在500和600 °C之间无显著变化，但两者均低于400 °C样品。生物炭组成和I_D/I_G未受原料粒径显著影响。结构有序性增加增强生物炭长期稳定性，有利于碳封存和作为土壤改良剂。

生物炭理化特性（Biochar physicochemical characteristics）：干草原料为酸性（pH 6.25），而所有生物炭样品为碱性（pH 9.87–10.97），且生物炭pH一般随热解温度升高而增加；原料粒径对生物炭pH无明显影响。生物炭比表面积在L500最高，为15.33 m² g^?1，但600 °C时急剧下降。较小原料生物炭的比表面积始终低于较大原料生物炭，并随温度升高而下降。比表面积与WRC呈强正相关（r=0.943）。pH随热解温度升高可能因酸性官能团分解增加。热解温度也显著影响S系列生物炭比表面积。热解过程中原料有机组分挥发为气体，在固体炭结构中形成孔隙；600 °C时高热解温度可能导致孔壁熔融和塌陷，降低比表面积，L600尤为明显。扫描电镜微图可见孔塌陷证据。较小原料产生生物炭的表面积始终较低，可能因快速加热造成过度扩孔。重复间表面积变异归因于每个粒径级分内原料异质性。

表面形貌（Surface morphology）：场发射扫描电子显微镜显示，不同生物炭样品结构中含有丰富孔隙，具有异质且复杂的孔网络，包含不同直径孔隙。图像分析表明，观察到的孔主要为0.5–10 μm的大孔，被归类为储存孔，能够持有植物可利用水。该大孔结构有利于土壤改良应用，有助于改善持水并为有益土壤微生物提供栖息地。

二氧化碳保留能力（Carbon dioxide retention capacity）：除L600外，所有生物炭样品均测定CO₂保留。高压条件（38 bar，40 °C）下，保留值从S600的1.269 mmol CO₂ g^?1至L500的2.125 mmol CO₂ g^?1。L600因样品有限且比表面积最低（1.77 m² g^?1）和平均孔径最低而未进行保留测试。较大粒径通常表现出更高吸附容量，L500最高，S600最低。生物炭比表面积与CO₂保留容量呈强正相关（r=0.856）。CO₂吸附容量与生物炭比表面积的正相关与先前发现一致，提示物理吸附是CO₂吸附的主要机制。虽然物理吸附是预期吸附机制，但富集生物炭在植物生长实验前质量缓慢下降，然而其质量仍高于非富集生物炭，表明CO₂仍保留在生物炭内。观察到的保留容量接近木源生物炭平衡吸附容量报道值，但直接定量比较受方法差异限制（解压后保留与压力下平衡不同）。该性能表明草源生物炭可作为稳定碳汇和后处理过程中额外CO₂捕集介质。

植物生长（Plant growth）：L400和L500被优先选用于植物生长试验，因为其具有所有样品中最大表面积和持水能力，预期对植物生长影响最大。为评估其他生物炭特性是否可能改善发芽，S600作为比较处理纳入，因其表面积和持水能力显著低于其他两种选定生物炭。播种共19个处理（三种生物炭×三个剂量，分非富集和CO₂富集，加一个对照）；其中16组成功发芽并存活至收获，成功率84.2%。失败率可能因本研究范围外未控制变量。生物炭类型、剂量和CO₂富集在初步筛选中对幼苗生长显示明显影响。未富集L500生物炭以15 t ha^?1施用产生最高干生物量（0.6481 g），对照为0.1552 g。CO₂富集L400生物炭以40 t ha^?1产生最低干生物量（0.0030 g）。然而，CO₂富集并未一致改善表现；例如L500在5 t ha^?1未富集时优于对照（+73%），但富集时相对对照下降94%；S600在15 t ha^?1从无CO₂的?70%升至有CO₂的+16%。这些相反响应表明CO₂益处取决于生物炭和剂量，且许多组合表现低于未处理对照。L500生物炭表现提示其作为瑞士甜菜最佳土壤改良剂的潜力。CO₂富集生物炭与生长指标之间的复杂关系可能部分归因于富集与植物生长之间CO₂随时间损失。响应随生物炭剂量和类型变化，表明生物炭性质起重要作用；这些剂量和类型效应为未来优化生物炭利用策略提供基础。

经济考虑（Economic considerations）：结果显示L500生物炭改善土壤持水和瑞士甜菜生长，但这些盆栽尺度结果不能直接转化为田间经济。天气、土壤类型、劳动力和施用成本等现实因素都会影响盈利性。尽管如此，观察到的农艺益处与先前研究一致，即生物炭可减少肥料使用至多30%，并在多个季节产生产量增益。由于肥料是南非种植者的主要成本，即使小幅减少也可能随时间节省费用。使用草屑作为原料也为原本进入填埋场的废物流增加价值。这些经济前景是推测性的，需要田间验证。正经济潜力意味着盈利性，但这将在未知盈亏平衡期内出现。技术经济分析（techno-economic analysis, TEA）需要多季节、多地点试验，考虑真实产量响应、物流和可扩展性。未来工作还应货币化碳封存和CO₂吸附以增强经济论证。目前建议开展田间尺度研究，以确认市政草源生物炭在南非瑞士甜菜生产中是否经济可行。

讨论部分总结：热解生产参数对生物炭性质起关键作用。较高热解温度导致较低生物炭产率，但产生高pH以及碳键结构中结构有序性和稳定性增加的生物炭。对于粒径1000–2000 μm原料，使草基生物炭表面积和持水能力最大化的最佳温度似乎为500 °C；超过该点，孔结构开始塌陷。较大原料粒径（1000–2000 μm）导致生物油产率降低，但增强生物炭孔结构、比表面积和持水能力。草基生物炭能够吸附1.27至2.13 mmol g^?1的CO₂，表面积在保留容量中起关键作用。由粒径1000–2000 μm草屑在500 °C制备的生物炭，以15 t ha^?1剂量施用，在受控温室条件下增加幼苗生长。这些结果提示潜在农艺和经济益处；然而，经济前景仍具推测性并需要田间验证。本温室研究并非设计为正式经济分析，盆栽尺度结果不能直接外推到农场条件。未来研究应优先进行田间试验，以量化肥料减少潜力并建立经济可行性。