CN102308687A - 一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于水田和旱地的抑制农田氧化亚氮排放的方法，方法步骤如下：1)秸秆热裂解生产生物黑炭：收集农作物秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%，进行热裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，过筛，并混合均匀化，得到颗粒直径<0.25mm的生物黑炭；2)生物黑炭土壤处理：前茬作物收割后，将生物黑炭均匀撒施土壤表面，耕耙使之均匀混合于耕层的土壤内；对于水田，土壤处理后灌溉淹水2-5cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接种植作物；农田管理措施：灌溉、施肥和植保与当地农田管理一致。经过在作物生长期的田间观测，可以使水稻、玉米等作物的太湖平原稻田、黄淮海平原旱地土壤N₂O的排放分别减少31%-58%和11%-42%。

Description

一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法

技术领域    

该发明涉及一种利用农业秸秆生物黑炭大幅度抑制农田氧化亚氮排放的方法，属于温室气体减排和资源循环利用技术领域。

背景技术

氧化亚氮是主要的温室气体，100年的时间尺度下，其单位分子的增温潜势是二氧化碳的298倍[Forster, P., Ramaswamy, V., Artaxo, P., et al. 2007. Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing. In: Solomon, S., Qin, D., Manning, M., et al. (Eds.), Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, pp. 130–234]。农业源N₂O排放主要来自农田氮肥和施用禽畜粪便，占全球总人为氧化亚氮排放的60%。1990年-2005年间，农田N₂O排放增加了近17%[Smith P, Martino D, Cai Z, Gwary D, Janzen H, Kumar P, et al. Agriculture. In: Metz B, Davidson OR, Bosch PR, Dave R, Meyer LA. Climate Change 2007: Mitigation. Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, 2007. pp. 497-540]，预计到2030年将增加35-60%[Food and Agricultural Organization (FAO), 2003. World Agricultural Towards 2015/2030.An FAO Perspective, FAO. Rome]。中国是农业大国，占世界总粮食收获面积的12%，中国每年消耗的化学氮肥由1980年的9.34 Tg N 增加到2000年的21.62 Tg N [FAOSTAT, Food and Agriculture Organization of the UN, 2002. Available from: http://appa.fao.org/]，与此同时，农田氧化亚氮的排放大量增加。每年由肥料直接导致的N₂O 的排放由80年代115.7 Gg N₂O-N 增加到90年代的210.5 Gg N₂O-N，其增加速率为每年的9.14 Gg N₂O-N [Zou J, Lu Y, Huang Y. Estimates of synthetic fertilizer N-induced direct nitrous oxide emission from Chinese croplands during 1980-2000. Environment Pollution 158(2010)631-635]。中国三大作物水稻、小麦、玉米的氮肥利用率平均为30%左右，而发达国家平均达到42% [ Huang Y, Tan Y. An estimate of greenhouse gas (N₂O and CO₂) mitigation potential under various scenarios of nitrogen use efficiency in Chinese croplands. Global Change Biology (2010)16, 2958-2970]，氮肥利用率低了12%，氮肥导致N₂O排放造成的损失也是主要原因。提高氮肥的利用率，降低氮肥导致的农田N₂O排放系数不但是温室气体减排的迫切需求，更是提高氮肥利用率的农业技术需求。在控制和降低农田N₂O排放技术研究上，前人的研究主要是：

控释化肥：稻田施用包膜型复合肥N₂O累积排放量仅为未包膜型复合肥料的 13.45 %～21.26 %，是尿素处理的 71.17 %～112.47 % [李方敏, 樊小林, 刘芳等. 控释肥料对稻田氧化亚氮排放的影响.应用生态学报, 2004, 15 (11) : 2170～2174]。但是包膜型复合肥价格偏高，目前国内缓控释肥每吨加工费用在600-800元，加上工厂管理和经营，每吨800-1000元。目前尚没有在农业生产中普遍应用[缓控释肥价格高难推广. http:// www. fert.cn/ news/ 2008/ 7/4/20087410482979162.shtml]。

长效碳酸氢铵和长效尿素：是使用生物抑制剂如脲酶抑制剂氢醌/硝化抑制剂双氰胺与碳酸氢铵/尿素按一定的比例制成。与施用普通碳酸氢铵和尿素相比，长效碳酸氢铵与长效尿素能显著减少N₂O排放27%～88%[岳 进, 梁巍, 吴杰等. 黑土稻田 CH₄与 N₂O排放及减排措施研究. 应用生态学报, 2003, 14 (11) : 2015～2018. 梁巍, 张颖, 岳进等.长效氮肥施用对黑土水旱田CH₄与N₂O排放的影响. 生态学杂志, 2004, 23 (3) : 44～48. 陈利军, 史弈, 李荣华等. 脲酶抑制剂和硝化抑制剂的协同作用对尿素氮转化和N₂O 排放的影响. 应用生态学报, 1995, 6 (4) : 368～372.  Xu X, Boeckx P, Cleemput V, Zhou L. Urease and nitrification inhibitors to reduce emissions of CH₄ and N₂O in rice production. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 64: 203～211. Xu X, Boeckx P, Zhou L, Cleemput V. Inhibition experiments on nitrous oxide emission from paddy soils. Global Biogeochemical Cycles, 2002, 16(3),1044, doi: 1011029 /2001GB001397]。

同时，我国农业每年产生大量的农业秸秆，大部分没有得到循环利用。每年农作物秸秆产生量约7亿吨，估计高达40%的秸秆在收获后被田间焚烧[曹国良,张小曳,郑方成,等.中国大陆秸秆露天焚烧的量的估算[J]资源科学,2006, 28(1):9-13]，其产生的黑碳、挥发性有机物、有机碳、一氧化碳和二氧化碳等排放分别可以占它们的全国总排放的11%到6%不等[曹国良,张小曳,王亚强,郑方成等.中国区域农田秸秆露天焚烧排放量的估算[J].科学通报：2007,52(15):1826-1831]。上世纪末以来，秸秆转化为生物黑炭的热裂解技术日益成熟。如果将生物黑炭施用于农田，避免因秸秆焚烧导致的温室气体直接排放，增加土壤碳汇，并且减少农田N₂O的排放，不但有利于农业秸秆循环利用，而且在减少我国农业温室气体排放和减少化肥施用上具有重大意义和农业应用前景。

发明内容    

本发明是在实现作物秸秆农田循环利用下，解决既保持和提高作物生产力又大幅度抑制农田氮肥施用的N₂O排放从而提高氮肥农学效率的技术问题。其目的是提供一种通过生物黑炭土壤处理而大幅度就地降低农田氮肥N₂O排放的简便农业技术，它不仅可以为秸秆生物黑炭农田循环利用提供回田处理方案，并且可以为降低我国农田N₂O排放提供一种关键解决途径。

为了实现上述目的，本发明提供一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法，该方法步骤如下： 

1)秸秆热裂解生产生物黑炭：收集农作物秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%，然后在300-500℃进行热裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，过筛，并混合均匀化，得到颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭；

2)生物黑炭土壤处理：前茬作物收割后，将颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭按照10-40 t ha^-1的用量均匀撒施土壤表面，耕耙使之均匀混合于耕层20 cm厚的土壤内；对于水田，土壤处理后灌溉淹水2-5 cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接种植作物。其农田管理措施：灌溉、施肥和植保与当地农田管理一致。

所述农作物秸秆为小麦秸秆、水稻秸秆或者玉米秸秆。

所述热裂解炭化在池式限氧热裂解炭化炉或立窑式限氧热裂解炭化炉中进行。

本发明的工作原理：秸秆生物黑炭为微碱性，疏松多孔，容重为0.42 g cm^-3，稳定性有机质和螯合性有机官能团丰富，对无机态氮素吸附力强，并含有部分生物抑制成分，施用于土壤中增加土壤通气性，提高土壤碳氮比，抑制硝化反硝化微生物活动，从而阻抑了氮素转化为N₂O，同时，由于改善土壤结构，提高土壤微生物总体活性，保持或者促进了作物生长。达到大幅度降低农田N₂O排放的效果。

本发明具有以下有益效果：

秸秆生物黑炭的农田土壤处理通过循环利用秸秆避免了农业秸秆田间焚烧引起的温室气体，关键在于大幅度降低了氮肥产生的农田N₂O排放，而提高了氮肥的农学效率。另外，还通过土壤结构改善促进了作物生长。在太湖地区稻田的两年试验表明，在施氮肥下，用量为10, 20及40 t ha^-1时，与不施生物黑炭相比，施用生物黑炭土壤N₂O的排放降低了31%-58%，稻田氮肥的N₂O直接排放系数降低了48%-83% (见图 2)；氮肥利用效率提高84 %-130% (见图 3)。在黄淮海平原潮土的试验表明，施氮肥下，与不施生物黑炭相比，生物黑炭土壤处理降低了氮肥N₂O排放的11%-42%；N₂O直接排放系数降低16%-53%(图4)；相应提高氮肥农学效率达58%-83%(图5)。因此，生物黑炭土壤处理无论是水田还是旱地均大幅度降低了土壤N₂O的排放和由氮肥直接导致的N₂O的直接排放系数。这些试验表明，生物黑炭土壤处理通过改善土壤结构，促进了根系生长。保持和提高了作物产量。

附图说明

图1生物黑炭的生产工艺流程。

图2生物黑炭的施用对稻田N₂O排放系数的影响(其中C0，C1，C2和C3分别代         表生物黑炭的用量为0，10，20 和40 t ha^-1)。

图3生物黑炭的施用对稻田氮肥农学效率的影响(其中C0N1，C1N1，C2N1和C3N1分别代表生物黑炭的用量为0，10，20 和40 t ha^-1，N1指的是300 kg N ha^-1的氮肥)。

图4生物黑炭的施用对旱地N₂O排放系数的影响(其中C0，C1和C2分别代表生物黑炭的用量为0，20 和40 t ha^-1)。

图5生物黑炭的施用对旱地氮肥农学效率的影响(其中C0N1，C1N1和C2N1分别代表生物黑炭的用量为0, 20 和40 t ha^-1，N1指的是300 kg N ha^-1的氮肥)。

具体实施方式

实施例1

    收集小麦秸秆、水稻秸秆或者玉米秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%；然后放入池式限氧热裂解炭化炉或立窑式限氧热裂解炭化炉中在300-500℃进行炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，过筛，并混合均匀化，得到颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭；

实施例2

黄淮海平原旱地：

试验处理，选用实施例1制备出颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭，其用量: 20，40 t ha^-1(记为C1，C2) 2个处理，为了检验生物黑炭施用减少N₂O效果，另设不施黑炭的处理(记为C0)，同时设不施氮（N0）和施氮（N1，用量为300 kg N ha^-1，肥料为尿素，其中60%用于基肥，40%用于追肥)，共6个处理，试验设3次重复，共18个小区，随机区组排列，单个小区面积20 m²。

农艺管理各小区与当地生产相同。

玉米栽培管理：玉米(郑单958)于2010年6月17日播种，与2010年9月26号收获。所有处理中基肥还包括75 kg P₂O₅ ha^-1的磷酸二氢钙和90 kg K₂O ha^-1的氯化钾。收割后现场测产。

温室气体监测：采用静态暗箱-气相色谱（Agilent 7890 A）法，底座放置于两行玉米的中间，与植株的间隔为7.5 cm。采样箱面积为35 cm×35 cm，高度是20 cm，底座及采样箱用PVC材质制成，底座埋入土中10 cm，阻止玉米根系进入采样箱内；箱体外围包一层海绵和铝箔以限制采样箱内空气温度的变化，箱内配制小风扇使气体混合均匀。每次采样时间为上午8:00-10:00，每隔10分钟采样一次，在 0，10，20，30 min时采集，共4 次，每次抽样60 ml。N₂O的监测器是ECD，载气为95%氩气+5%甲烷，流速为30 ml.min^-1，检测器温度是320 ℃，燃气为氢气。气体排放速率由4个气样浓度值经线性回归分析得出，排放通量Flux由式1求得，加权平均求全生育期N₂O的季节排放总量。

式中

为N₂O的气体密度(g l^-1)，M为N₂O的摩尔质量(44 g mol^-1)，R为普适气体常数(8.314 Pa m³ mol^-1K^-1)，T为采样时箱内平均气温(℃)，dC/dt 为N₂O排放速率(L L^-1 min^-1)，A为采样箱横截面积(m²)；H为采样箱的高度(m)；V是整个采样系统的体积(m³)，V=A×H；P是标准大气压，P=1.013×10⁵ Pa。

施氮肥的情况下，生物黑炭的施用，降低了土壤N₂O 季节排放总量，当用量为20、40 t ha^-1时，与对照相比，分别降低11%-42%；但是与不施氮肥的情况下没有显著性差异。氮肥导致的土壤N₂O的直接排放系数由不施生物黑炭情况下的3.4±0.3 g N₂O-N kg^?1 N降低到生物黑炭用量为40 t ha^-1时的1.6±0.2 g N₂O-N kg^?1 N（图4）。而施用生物黑炭氮肥的农学效率增加58%-83%（图5），同时玉米的产量增加7%-18%。

实施例3

太湖平原稻田：

试验处理：选用实施例1制备出颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭，其生物黑炭用量: 10，20，40 t ha^-1（记为C1，C2，C3）3个处理，为了检验生物黑炭施用减少N₂O效果，另设不施黑炭的处理(C0)，同时设不施氮（N0）和施氮（N1，用量为300 kg N ha^-1，肥料为尿素，其中40%用于基肥，40%用于分蘖肥，20%用于穗肥）；共8个处理，每个处理3个重复, 共计24个小区，单个小区面积20m²，随机区组排列。农艺管理各小区与当地生产相同。

水稻栽培管理：水稻（武运粳 7）于2009年6月13日插秧，6月16日补施苗肥，8月5日和8月25日分别施用分蘖肥和穗肥。所有处理中基肥还包括125 kg P₂O₅ ha^-1的磷酸二氢钙和125kg K₂O ha^-1的氯化钾。水分管理是淹水-烤田-淹水-湿润(淹水的时间为6月10日到7月23日，之后是持续七天的烤田，复水时间是8月1日到9月17日，至收获之前土壤一直为湿润状态)。收割后现场测产。  

温室气体的监测：同黄淮海平原旱地。

施氮肥的情况下，与不施生物黑炭相比，用量为10, 20及40 t ha^-1时降低了土壤N₂O季节排放总量的40%-58%；而不施氮肥的情况下个处理之间没有显著性的差异。生物黑炭的施用降低氮肥导致的土壤N₂O的直接排放系数48%-83%(图2)，而氮肥的农学效率在生物黑炭的施用下增加84%-130% (图3)。

实施例4

太湖平原稻田：

2010年水稻试验，品种武运粳23，为直播，同时测定土壤N₂O排放和生态系统N₂O排放。在2009年有氮肥的小区，继续进行试验观测。但各小区均施用氮肥，氮肥、磷肥和钾肥各小区处理相同，肥料用量分别为300kgN ha^-1（其中40%用于基肥，40%用于分蘖肥，20%用于穗肥），125kg P₂O₅ ha^-1的磷酸二氢钙以及125kg K₂O ha^-1的氯化钾。作为生态系统N₂O的排放监测，在水稻出苗后每个底座里定植水稻8株，并保证底座外围四周20cm范围内无水稻。密闭箱的规格为 35cm ×35cm ×50cm /100cm，视水稻的株高而定。水分管理模式与2009年基本相同，为水湿润-淹水-烤田-淹水-湿润（具体时间是6月5日播种，直到6月30日一直为湿润状态，继之到7月29日为淹水状态，随后烤田，持续7天，8月8日灌溉至9月30日为持续淹水，之后直到收割土壤保持湿润状态）。

选用实施例1制备出颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭，其生物黑炭的用量为10，20，40 t ha^-1 时，土壤N₂O季节排放总量降低了31%-56%，而生态系统N₂O的季节排放总量降低了29%-48%。不同处理之间水稻的产量没有显著差异。

从以上实例可以看出，生物黑炭的农田施用降低了水田和旱地的N₂O排放，降低了由氮肥导致的N₂O的直接排放系数，增加了氮肥的农学效率。此技术的农田推广为我国农田减排提供巨大的潜力。

Claims (3)

1.一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法，其特征在于该方法步骤如下：

1)秸秆热裂解生产生物黑炭：收集农作物秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%，然后在300-500 ℃进行热裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，过筛，并混合均匀化，得到颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭；

2)生物黑炭土壤处理：前茬作物收割后，将颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭按照10-40 t ha^-1的用量均匀撒施土壤表面，耕耙使之均匀混合于耕层20 cm厚的土壤内；对于水田，土壤处理后灌溉淹水2-5 cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接种植作物；农田管理措施：灌溉、施肥和植保与当地农田管理一致。

2.根据权利要求1所述的一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法，其特征在于：所述农作物秸秆为小麦秸秆、水稻秸秆或者玉米秸秆。

3.根据权利要求1所述的一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法，其特征在于：所述热裂解炭化在池式限氧热裂解炭化炉或立窑式限氧热裂解炭化炉中进行。

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