CN103053240A

CN103053240A - 一种利用芦竹生物炭减少土壤氧化亚氮排放的方法

Info

Publication number: CN103053240A
Application number: CN2012105099476A
Authority: CN
Inventors: 郑浩; 王震宇; 李锋民; 罗烨; 姜志祥
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-04-24

Abstract

一种利用芦竹生物炭减少农业土壤氧化亚氮(N₂O)排放的方法，属于温室气体减排技术领域。为了减少农业生产过程中大量使用氮肥引起的土壤N₂O的排放，本发明公开了一种利用芦竹生物炭减少农业土壤N₂O排放的方法，其技术方案是：先将采集的芦竹风干，剪成1～5cm的小段，在流速为200～500mL/min惰性气体的保护下，在200～650℃下通过热裂解的方法将其制备成生物炭。将制备好的生物炭粉碎至1～5mm的颗粒，按照0.1～10％的比例和农业土壤充分混匀，保持土壤含水量在70～110％，于20～30℃下培养6～100天，可以有效的减少农业土壤中N₂O的排放。本方法既可用于一般农田土壤，也可用于设施农业土壤。

Description

一种利用芦竹生物炭减少土壤氧化亚氮排放的方法

技术领域

本发明属于温室气体减排技术领域，具体涉及一种利用芦竹生物炭减少土壤氧化亚氮(N₂O)排放的方法。

背景技术

N₂O是一种重要的温室气体，在大气中的含量约为320ppb，但其对于全球大气环境却有十分重要的意义。N₂O可以吸收红外辐射，其全球增温潜能分别是同质量的二氧化碳和甲烷的298倍和11.9倍，并且在大气中存留时间长达114年。同时，N₂O可以与平流层的臭氧发生反应，是目前消耗臭氧层最主要的排放物，已成为21世纪破坏臭氧层的罪魁祸首。

大气中N₂O的年逸出量为16.4Tg(1Tg＝10¹²g)氮，并以每年0.2％～0.3％的速度增加。大气中N₂O的来源有土壤释放、生物质或生物能源燃烧、化石燃料燃烧和工业释放等，其中，农田土壤中氮肥的使用引起的N₂O排放是大气中N₂O的主要来源，占大气中N₂O的60％以上。随着全球人口剧增，为了使粮食增产满足人口增加的需要，农业氮肥的使用量不断增加，导致农业土壤N₂O的释放随之加剧。农业土壤N₂O的大量排放势必会对整个地球环境造成巨大的影响，而人类必须设法解决N₂O对全球温室效应和臭氧层的破坏加剧的难题，以维护生态平衡和人类赖以生存的环境。

目前，减少肥料用量和采用科学耕种方法是减少农田N₂O释放量的重要途径，如选用合适的氮肥品种、采用合理的施肥方式(深施或混施)、使用硝化抑制剂(双氰胺(DCD)、氮吡啉(CP))等。科学的耕种方法广泛推广应用的前提是需要农业工作者和研究者根据不同地区的气候环境条件和作物种类，进行系统的研究，使肥料供应尽可能与作物生长需求相吻合。然而，在我国广大农村地区推广应用科学的施肥和耕种方法，还需要做很多的基础性研究工作。硝化抑制剂是一类对硝化细菌有毒的有机化合物。加入铵态氮肥中以抑制土壤内亚硝酸细菌对铵态氮的硝化，从而减少铵态氮转化为硝态氮而流失所用的添加剂。但是，目前市场上硝化抑制剂主要有四类：①含硫化合物类：易挥发，不稳定；②乙炔类：气体，操作不便，不适用；③氰胺类：有一定效果，但用量大，长期使用效果递减，容易淋溶，长期的使用还会引起土壤质地变差；④杂环类：效果最明显，绿色安全，技术门槛高。因此，在追求高产的利益驱动下，盲目的大量施肥往往成为农民们的首要选择，从而导致我国农业陷入“增加施肥——土壤质地恶化——增加施肥”的恶性循环中，这势必会引起更多的N₂O的排放。综上所述，由于当前农业土壤中的各种N₂O减排技术自身的局限性，开发可有效减少农业土壤中N₂O的释放的新型材料和技术已成为广大科学家关注的热点问题。

利用有机废弃物制备生物炭等环境友好材料，并利用其进行环境问题的治理，既可以实现废物资源化利用又可以达到环境保护的目的，近年来受到政府部门和科学界的广泛关注。芦竹(Arundo donax L)，禾本科芦竹属多年生草本植物，根系发达，适应能力强，抗旱、耐涝、耐盐碱，抗逆性强，一年种植多年生长。芦竹产量高，亩产量可达3～5吨。因此，芦竹被广泛应用于湿地修复和植物修复等环境技术中。但是，目前芦竹一般用来造纸，利用途径单一，经济价值较低，严重限制了湿地修复和植物修复等环境生物技术的推广和应用。因此，以芦竹为原料制备生物炭，可以更有效的实现芦竹资源化利用，为环境生物修复技术提供技术支持。

生物炭主要应用于两个方面：添加或填埋于土壤中，封存大气中的二氧化碳；添加于土壤中，改善土壤肥力，增加作物产量，同时利用生物炭锁控土壤中的氮、磷、农药、杀虫剂等面源污染物，削减环境污染风险。但是，目前利用芦竹为原料制备生物炭且将制备的生物炭用于减少农田土壤N₂O的排放，还未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于利用芦竹制备的生物炭减少农田土壤N₂O的排放，以提供一种操作简单、成本低廉的农业土壤N₂O温室气体减排的方法。

本发明提出利用芦竹生物炭减少农业土壤N₂O排放的方法，主要以芦竹为原料，在适当的条件下制备成生物炭，按照一定的方式将其添加到土壤中，在一定的培养时间和培养条件下，可有效减少土壤N₂O的排放，具体步骤如下：

1)原材料准备：收割芦竹风干后，剪至1～5cm的小段；

2)生物炭制备：将芦竹放入气氛炉，在流速为200～500mL/min的惰性气体的保护下，以1～20℃/min的升温速率升至250～650℃进行炭化，炭化时间为1～4h。炭化结束后，在惰性气体的保护下，冷却至室温。将制备的生物炭粉碎至1～5mm，密封，保存于干燥处备用。

3)炭土混合：将粉碎好的生物炭按照0.1％～10％的比例施加到农田土壤中，充分混匀，土壤水分含量应60％以上。施加芦竹生物炭后，土壤释放N₂O总量下降40％以上。

本发明与已有N₂O减排技术相比，具有以下优点：

1)制备生物炭的原材料来源广泛，方便易得，且产量大，生物炭制备过程还可以实现废物资源化利用。

2)利用生物炭减少农业土壤N₂O的释放，不需投加任何化学药品，不会产生二次污染。

3)生物炭在减少农业土壤N₂O释放的同时，可以保持土壤氮磷等养分，改善土壤肥力，增加作物产量；可以有效截留杀虫剂、除草剂等污染物的淋失，削减环境污染风险；可以实现二氧化碳的“封存”，为温室气体的减排做出巨大贡献。

4)本方法以湿地修复和植物修复中的末端产物低价值的芦竹为原料制备生物炭，而制备的生物炭又可以应用于农业土壤中，减少N₂O的减排，“封存”CO₂，改良土壤，促进作物生长，因而形成了以环境友好材料生物炭产品、生态建设、生物工程、环保为一体，低投入，高效率，零排放甚至负排放为特征的循环经济生产模式，对生态环境建设，能源开发利用，节能减排和全球环境问题的解决起到积极推动作用。

5)本发明方法简单，对管理要求条件低，工艺成熟，易于控制。

具体实施方式

实施例1

利用芦竹地上茎作为原材料，将芦竹地上茎去叶，剪至1cm小段，风干，储存待用。将风干芦竹置于气氛炉中，以300mL/min的速率通入高纯氮气作为保护气，以10℃/min的速率升至350℃炭化2h，在氮气的保护下，自然冷却至室温。土壤采自山东省青岛市城阳区郊区玉米田。土壤采回后，将碎石、草根等杂物清理干净，风干，过2mm土壤筛，装入培养罐，每罐60g，将粉碎至2mm的生物炭按5％的比例和土壤混合均匀，于30℃下培养7天，培养期间保持土壤含水量为100％。培养期间定期采集气体样品，N₂O含量采用气相色谱测定。实验结果表明，在7天的培养时间内，N₂O的累积释放量比未加生物炭的土壤减少了70.6％。

实施例2

利用芦竹叶作为原材料，剪至5cm小段，风干，储存待用。将风干芦竹叶置于气氛炉中，以200mL/min的速率通入高纯氮气作为保护气，以5℃/min的速率升至600℃炭化1.5h，在氮气保护下，自然冷却至室温。土壤采自山东省青岛市城阳区郊区蔬菜大棚。土壤采回后，将碎石、草根等杂物清理干净，风干，过2mm土壤筛，装入培养罐，每罐60g，将粉碎至1mm的生物炭按1％的比例和土壤混合均匀，于25℃下培养30天，培养期间保持土壤含水量为80％。培养期间定期采集气体样品，N₂O含量采用气相色谱测定。实验结果表明，在30天的培养时间内，N₂O的释放减少了48.2％。

Claims

1.一种利用芦竹生物炭减少农业土壤氧化亚氮排放的方法，其特征在于通过热裂解方法把低价值的芦竹制成生物炭，然后将其添加到农业土壤中以减少氧化亚氮的排放。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于生物炭的制备以干燥的芦竹为原料，原料尺寸大小为1～5cm的小段，在流速为200～500mL/min的惰性气体的保护下，以1～20℃/min的升温速率升至250～650℃下炭化1～4h。

3.根据权利要求1所述的方法，生物炭向土壤中添加，其特征在于生物炭添加前必须磨碎为1～5mm的颗粒，且土壤中生物炭的添加比例为0.1～10％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于保持土壤含水量为60％以上。