利用肉桂作物残余物：通过生产水炭（Hydrochar）促进可持续农业发展并减少碳排放

R.A. Don Rasanja Asela Ranasinghe | Gajasinghe Arachchige Ganga Kavindi | Wenjun Liu | Ge Gao | K.H.G.M. Tharanga | Tian Yuan | Motoo Utsumi | Zhongfang Lei

筑波大学科学技术研究生院，日本茨城县筑波市Tennodai 1-1-1，邮编305-8572

摘要

将作物残余物转化为土壤改良剂是一种用于循环农业的负排放技术。然而，关于斯里兰卡肉桂生产过程中产生的大量作物残余物（如木材、树皮和叶子）用于水热炭生产及其农业环境影响的科学研究却很有限。本研究使用肉桂叶废弃物在190°C、220°C和260°C下分别处理30分钟和60分钟，然后与在550°C下处理30分钟所得的原始材料和生物炭进行比较。两种炭化物质均消除了肉桂叶的植物毒性，并降低了其电导率，促进了种子发芽。水热炭的产量随温度升高而降低，但反应时间延长后略有增加（在190°C下处理60分钟时为67%，在260°C下处理30分钟时为49%），而生物炭的产量始终低于30%。水热炭的pH值（5.1-6.3）低于生物炭（约7.8），并且保留的氮含量（>1.6%）也高于生物炭（0.8%）。根据H/C比率测定的碳持久性，260°C下处理60分钟得到的水热炭的平均停留时间较短（111年），碳储存能力更强（442 kg CO_2eq/ha），这归因于其较高的产量和有机碳含量。在260°C下处理60分钟得到的水热炭在碳封存和农业应用方面表现最佳，表明这是一种有前景的利用肉桂叶废弃物实现可持续农业的方法。

引言

热处理可以将作物残余物等木质纤维素材料转化为稳定性高且富含碳的物质，用于多种应用，包括土壤改良、污染物去除和碳封存。传统上使用的热处理方法是热解，即在惰性气氛下将预干燥的原料在350-650°C的温度下进行处理。水热碳化（HTC）是一种类似的过程，其中生物质在封闭容器中在自生压力下加热至180-260°C（Castro等人，2021年）。在此过程中，水既作为溶剂又作为反应物（Lin等人，2025年），促进碳化所需的关键反应。因此，无需预干燥即可使用湿生物质，并且可以混合不同含水量的原料以减少总体用水量，从而提高可持续性。热解的固体产物称为生物炭（BC），而HTC的固体产物称为水热炭（HC）。BC和HC在土壤中都相对稳定，有助于长期碳封存（Liu等人，2023年）。鉴于生物炭将生物碳转移到地质循环中的潜力，政府间气候变化专门委员会将其列为基于陆地的生物二氧化碳去除方法之一，以形成相对惰性的碳（C）形式，从而抵消不可避免的排放，实现净零温室气体（GHG）排放（Babiker等人，2022年）。此外，还包括物理和化学活化、老化、氧化、掺杂和共水热碳化等额外处理方法，可以增加水热炭的表面积，引入含氧官能团，提高孔隙度，并增强吸附能力（Qin等人，2023年；Dhull等人，2024年）。因此，这些策略可以针对特定的环境和农业应用定制水热炭。此外，这些方法还能减少整个过程对环境的影响。

在大型农业区，处置作物残余物是一个挑战（Lin和Begho，2022年），而热处理有助于利用废弃物、提高土壤有机碳含量并减少温室气体排放（Li等人，2022年）。在这方面，热处理比厌氧消化等生物处理方法更受欢迎，因为它们占用的土地较少、排放量更低且处理时间更短。特别是HTC，因为它省去了耗能的预干燥步骤，同时保持了更高的碳含量并保留了更多养分（Dhull等人，2024年）。

真正的肉桂（Cinnamomum zeylanicum Blume，同义名C. verum J. Presl）原产于斯里兰卡。它是该国的重要出口作物，2023年仅37,000公顷的种植面积就带来了超过2.135亿美元的收益（Raby和Hettiarachchi，2024年）。收获和加工肉桂会产生大量作物残余物（见补充材料中的图S1）。其中，木材被用作柴火，树皮大多被焚烧，而废叶量约为每公顷10,000公斤/年（肉桂发展部，2024年），但由于对肉桂叶油的需求非常有限，这些叶子大多被直接丢弃在田地里。这些废弃物在热带田间条件下会迅速分解，对长期土壤碳储存的贡献甚微（Zeng等人，2024年）。通过肉桂叶废弃物，每公顷每年损失的植物养分估计为81.3公斤氮（N）、10.1公斤磷（P）和61.7公斤钾（K）（Samaraweera等人，2020年）。此外，将该国的森林转化为肉桂种植园导致了不可修复的土壤损害，包括侵蚀和氮及有机碳的损失，尤其是由于降雨不规律（Pathirana等人，2020年）。因此，将肉桂叶作为碳质材料返还土壤，而不是用作覆盖物或焚烧，可以恢复土壤碳储存和必需养分，同时为这种原本被浪费的资源提供可持续的利用方式。

然而，从肉桂叶生产水热炭的潜在收益尚未得到充分研究。大多数先前的研究（如Keerthanan等人，2022年和Pallewatta等人，2023年）集中在从肉桂木材中提取的生物炭（BC）上，后者具有作为能源的竞争价值。肉桂叶已被广泛用作覆盖物和堆肥原料，且没有报告显示其中含有重金属，这支持了其作为土壤改良剂的适用性。因此，在初步筛选过程中，对肉桂叶水热炭的物理化学性质、养分含量和植物毒性进行表征是必不可少的。此外，评估BC和水热炭的碳封存和二氧化碳储存潜力对于实现可持续农业也非常重要。

尽管生物炭（BC）和水热炭（HC）被广泛报道可以促进植物生长（Sun等人，2023年；Wang等人，2022年），但新鲜的水热炭也可能具有植物毒性（Suarez等人，2023年；Sun等人，2023年），这取决于其中包含的疏水性或亲水性化合物的成分（Bento等人，2021年）。然而，目前尚不清楚植物毒性是在HTC过程中产生的，还是原本就存在于生物质中并在处理过程中发生变化的。大多数现有研究都是单独评估水热炭的，没有与其原始原料进行直接比较，这限制了对这一转化过程的理解。因此，本研究采用发芽生物测定法来比较原始肉桂叶生物质与所得炭化物质，以阐明植物毒性的起源和转化过程，并评估其作为土壤改良剂的适用性。

此外，BC或HC的降解速率或稳定性决定了其在土壤中的碳持久性，这是减缓气候变化的关键因素（Söderqvist，2019年）。可以使用动力学模型来评估有机物的降解情况。最初使用了单池模型，但后续的长期土壤培养研究发现了易降解和稳定的碳组分，它们的降解速率不同，从而采用了双池模型（Lehmann等人，2015年；Söderqvist，2019年）。人们还建立了持久性与可测量特征之间的关系，如抗性指数（Harvey等人，2012年）、挥发物（Zimmerman，2010年）、香气性（Budai等人，2013年）以及氢或氧与有机碳的原子（摩尔）比率（H/C或O/C）（Lehmann等人，2015年）。其中，H/C比率被国际生物炭倡议（IBI）推荐为预测碳在土壤中的平均停留时间（MRT）和百年稳定分数（HC₊₁₀₀）的可靠指标。Budai等人（2013年）为IBI开发的适用于H/C比率高达0.9的模型后来由Lehmann等人（2015年）进行了修订，他们使用了更广泛的炭化物质范围，H/C比率最高可达1.1，这也适用于水热炭。这些关于碳持久性和其二氧化碳储存能力的估计可以用于评估肉桂叶水热炭在温室气体缓解方面的效果。

因此，本研究旨在（1）从肉桂叶中生产水热炭和生物炭并完成其物理化学表征；（2）基于植物毒性测试评估其作为土壤改良剂的适用性；（3）通过估算碳储存值来阐明其环境效益。

章节摘录

原材料和水热炭生产

肉桂叶是从斯里兰卡的全国肉桂研究与培训中心收集的。叶子在田间晾干后切碎并在家用研磨机中研磨。然后在105°C下干燥过夜，以确保干燥均匀，为HTC和热解过程提供相同的起始条件。不过，HTC可以直接处理湿原料而无需干燥，因此将来可以省略这一步骤。

水热炭的生产和产量变化

水热炭的产量主要取决于原料特性和反应温度（Liu等人，2023年）。如表1所示，在190°C下处理60分钟时获得了最高的产量（67.3%（HC190-60）；而在260°C下处理30分钟时产量最低（49.2%（HC260-30））。肉桂叶水热炭的产量高于许多先前的研究结果，例如Bento等人（2021年）、Daer等人（2024年）和Sun等人（2023年）报告的小于50%的产量。随着温度的升高，水热炭的产量有所下降。

结论

热处理肉桂叶可以消除植物毒性，促进种子发芽，并最大化碳持久性。水热碳化的温度对大多数水热炭性质的影响最大，而电导率则显著受到反应时间的影响。重要的是，高温会降低水热炭的产量和H/C比率，增加碳含量，并消除植物毒性。与生物炭相比，在260°C下处理60分钟获得的水热炭

CRediT作者贡献声明

R.A. Don Rasanja Asela Ranasinghe：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法学研究，数据管理，概念构思。Gajasinghe Arachchige Ganga Kavindi：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。Wenjun Liu：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。Ge Gao：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。K.H.G.M. Tharanga：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。Tian Yuan：指导。Motoo Utsumi：指导。Zhongfang Lei：撰写 –

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Ranasinghe R. A. Don Rasanja Asela获得了日本政府提供的“人力资源开发奖学金”（JDS）的财政支持，用于他在日本筑波大学的研究。Zhongfang Lei获得了日本学术振兴会的财政支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突。

致谢

本工作得到了JSPS KAKENHI项目（编号JP24H00767）的支持。R. A. Don Rasanja Asela Ranasinghe感谢日本发展奖学金计划为其在筑波大学的博士研究提供的财政支持。