CN105612846A - 一种应用生物炭与硝化抑制剂减缓农业面源污染的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种综合应用生物炭与硝化抑制剂减缓农业面源污染的方法，属于农业面源污染研究领域，专用于减缓稻田和菜地生态系统氮素气态损失及随后的大气沉降导致的面源污染。包括在稻麦轮作稻田及集约化蔬菜种植生态系统中田间施用生物炭和硝化抑制剂，有效减少N2O和NOx等气态氮的排放，减少大气沉降，减缓面源污染；提高作物氮素利用率和产量，减少土壤硝态氮含量及向水体的迁移，减缓面源污染。该方法提供了一种全新的、快速、简易、高效的面源污染减缓方法，可用于广泛的农业生态系统，操作方便，材料易得，可广泛应用于稻田和菜地农业面源污染和防控研究，为深入研究农业面源污染提供有效手段。

Description

一种应用生物炭与硝化抑制剂减缓农业面源污染的方法
技术领域
本发明属于农业面源污染研究领域，涉及一种应用生物炭与硝化抑制剂减缓农业面源污染的方法。
背景技术
我国集约化农业包括粮食作物和园艺经济作物等，复种指数高、氮肥通常过量投入，带来严重的面源污染以及土壤质量退化等重大问题，制约着农业可持续发展。大量活性氮排放进入大气，引起大气沉降不断增加。大气沉降是一个全球性问题，对生态系统功能的威胁逐渐增加。长江三角洲是中国工业和农业都很发达的地区之一，活性氮排放量很大，导致氮沉降量也很大。大气沉降中的氮磷等营养元素对陆地和水域生态系统的影响越来越明显，直接影响水体质量和农业生态系统养分平衡，加剧面源污染。因此需要提供一种减缓农业面源污染的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供生物炭或/和硝化抑制剂在减缓农业面源污染中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种减缓农业面源污染的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
生物炭或/和硝化抑制剂在减缓农业面源污染中的应用。
上述的应用，其在于向农业土壤中施加生物炭或/和硝化抑制剂以缓解农业面源污染。
所述的农业面源污染为由农业生产中氮肥的氮素气态损失及随后的大气沉降所造成的面源污染。
所述的硝化抑制剂为氯甲基吡啶或双氰胺。
所述的氮素气态损失为氮素以N2O和NOx等气态氮形式的排放。
一种减缓农业面源污染的方法，该方法为向农业土壤中施加生物炭或/和硝化抑制剂以阻控氮肥的氮素气态损失及随后的大气沉降所造成的农业面源污染。
所述的农业土壤为稻麦田或菜地。
生物炭和硝化抑制剂组合使用以阻控氮肥的氮素气态损失及随后的大气沉降所造成的农业面源污染。
所述生物炭或硝化抑制剂的施加量为：所述生物炭或硝化抑制剂的施加量分别为：所述生物炭的施加量为氮肥质量的0.5～200倍，所述硝化抑制剂的添加量为硝化抑制剂和氮肥总质量的0.2％～5％。所述生物炭的施加量优选为氮肥质量的5～200倍，所述硝化抑制剂的添加量优选为硝化抑制剂和氮肥总质量的0.2％～0.5％。
硝化抑制剂和生物炭同时施用时，生物炭的施用量优选为15～25t.ha-1，硝化抑制剂的添加量优选为硝化抑制剂和氮肥总质量的0.2％～0.3％。一般情况下，常规的氮肥施肥量为160kgNha-1crop-1。
根据本发明的实验表明，生物炭施用到土壤中可以改善土壤肥力、提高作物产量、降低氧化亚氮(N2O)排放，同时还能增加土壤中的碳固定。硝化抑制剂通过抑制土壤中的硝化作用提高氮肥利用率、减少N2O和NOx排放的同时，也能保证作物的产量。因此，向农田中施入生物炭和添加硝化抑制剂是减缓面源污染的有效措施。
本发明方法选择我国典型农区长江中下游开展系统研究，针对该流域典型生态系统中化肥氮的各损失途径进行综合定量，尤其是氧化亚氮与NOx排放以及随后的大气沉降，明确化肥通过何种不同途径进入面源污染的实际贡献份额。针对稻作体系和菜地体系提出利用硝化抑制剂和生物炭等高效阻控化肥氮气态损失、综合治理面源污染的技术方案。目前，国内外没有方案或报道利用生物炭或硝化抑制剂阻控氮肥气态损失，从而减缓大气沉降，最终实现减缓农业面源污染。
本发明的有益效果：
本发明一种综合应用生物炭与硝化抑制剂减缓面源污染的方法，属于农业面源污染研究领域，专用于减缓稻田和菜地生态系统氮素气态损失及随后的大气沉降导致的面源污染。可用于广泛的农业生态系统，操作方便，材料易得，可广泛应用于稻田和菜地农业面源污染和防控研究。本实例研究表明，生物炭与硝化抑制剂减缓面源污染随生态系统、时间、空间的变异性都十分明显，包含着氮素循环各过程的丰富内涵，值得深入研究。
附图说明
图1.为各处理氮肥偏生产力、吸氮量和氮肥利用率
注：N1:常规氮施肥,N2:4/3常规施肥C0:不施用生物炭,C1:20t.ha-1生物炭,C2:40t.ha-1生物炭；同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)；***p<0.001；**p<0.01；*p<0.05；n.s.差异不显著
图2.不同氮肥水平下常规尿素(U)和新型硝化抑制剂(CP)氮肥处理土壤中0-15cm内a)NO3 --N与b)NH4 +-N浓度比较
图3.N2O累积排放量与施氮水平之间的定量关系曲线图
图4.不同氮肥水平尿素(U)和新型硝化抑制剂(CP)氮肥对菜地土壤NO排放通量的影响
具体实施方式
实施例一、生物炭施用对稻麦轮作系统氧化亚氮排放和作物产量的影响
以我国稻麦轮作系统为对象，研究小麦秸秆生物炭施用对N2O排放规律的影响；结合小麦和水稻总产量进而评估对该生态系统的综合影响，为生物炭减缓农业面源污染的应用提供科学依据。在不施氮肥(N0)或施250kg/hm2/crop氮肥(N1)的条件下，田间原位观测小麦季施用0(B0)、20(B1)、40t/hm2(B2)生物炭对稻麦轮作系统N2O周年排放和谷物产量，设置不施氮肥不施生物炭(N0B0)、不施氮肥施20t/hm2生物炭(N0B1)、施氮肥不施生物炭(N1B0)、氮肥与20t/hm2生物炭配施(N1B1)、氮肥与40t/hm2生物炭配施(N1B2)等5个处理，各处理3次重复。结果表明，单施氮肥(N1B0)与不施氮肥(N0B0)处理相比，增加了稻麦轮作产量82.8％，增加了N2O排放6.5倍。单施生物炭(N0B1)与不施生物炭(N0B0)处理相比，显著增产25.4％，却不能减少N2O排放。在施氮同时，配施20t/hm2生物炭与单施氮肥处理相比，显著增加稻麦轮作产量21.6％，小麦和水稻总产量也比配施40t/hm2生物炭处理高；配施40t/hm2生物炭与单施氮肥处理相比，显著降低稻麦轮作系统N2O排放20.9％，比配施20t/hm2生物炭的排放量低。随着生物炭配施量的增加，N2O减排效果更明显(表1)。
表1生物炭施用对稻麦轮作体系周年N2O排放通量、累积排放量和产量的影响(n＝3)
注:同列不同字母表示处理间差异显著(p<0.05).
实施例二、生物炭对土壤理化性质、N2O排放量和蔬菜产量的影响
田间试验设9个处理，氮肥施用水平为不施氮肥(N0)、常规施肥量每年4茬作物施1200kg/hm2/yr(N1)和4/3常规氮肥施用量(N2)，施用生物炭水平则为不施用生物炭(C0)、施用20t/hm2生物炭(C1)和施用40t/hm2生物炭(C2)。每个处理分别设置3个重复，蔬菜种植体系、翻耕和灌溉水平、施肥方法及时间等都按照当地管理措施进行。试验期间连续种植9茬蔬菜，分别为苋菜(AmaranthusmangostanusL.)、空心菜(IpomoeaaquaticaForssk.)、菜秧(BrassicachinensisL.)、香菜(CoriandrumsativumL.)、空心菜(IpomoeaaquaticaForssk.)、菜秧(BrassicachinensisL.)、苋菜(AmaranthusmangostanusL.)、菜秧(BrassicachinensisL.)和菠菜(SpinaciaoleraceaL.)。
在相同的生物炭水平下，氮肥显著增加了土壤全氮1.9–25％、土壤电导率17.2–241.1％和土壤容重0.75–9.3％。除此之外，虽然氮肥的施用还显著增加了土壤有机质含量7.1–23.4％(p<0.01)，但在不施用生物炭的处理中，氮肥的施用显著减少了土壤有机质含量7.7–13.8％(p<0.01，表2)。从表2中还可以看出，在相同的生物炭水平下，氮肥的施用显著减少了0.1–1.19个单位的土壤pH值(p<0.01)。
表2氮肥与生物炭处理对菜地土壤理化性质的影响
注：N0:不施用氮肥,N1:常规氮施肥,N2:4/3常规施肥C0:不施用生物炭,C1:20tha- 1生物炭,C2:40tha-1生物炭；同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)；***p<0.001；**p<0.01；*p<0.05；n.s.差异不显著
在相同的氮肥水平下，生物炭的施用显著增加了菜地土壤全氮0.6–16.6％和土壤有机质含量4.2–48.3％。除此之外，生物炭的施用还显著减降低了土壤pH值，土壤电导率和土壤容重(p<0.01)。生物炭在N1和N2组处理中显著降低了0.02–0.23个单位的土壤pH值，但是在N0组中生物炭显著增加了0.11–0.23个单位的土壤pH值(p<0.01)。在整个试验期内，氮肥与生物炭对土壤全氮、土壤有机质、土壤酸碱度、土壤电导率和土壤容重的影响均存在交互效应(表2,p<0.05)。
试验期内各处理N2O累积排放量存在显著差异(表3)。最高的N2O累积排放量出现在N2C0处理，排放量为128.9±7.2kgNha-1，比对照处理N0C0高出158.8％。双因子方差分析显示，在相同的生物炭水平下，氮肥显著增加了50.8–158.8％的N2O累积排放量；而在相同的氮肥施用水平下，生物炭显著降低了4.2–38.9％的N2O累积排放量。在不施用氮肥的N0组处理中(N0C0、N0C1和N0C2)，生物炭的施用增加了菜地N2O累积排放量，但不显著。施用氮肥各处理的菜地N2O排放系数变化范围为0.58±0.15至1.89±0.16％。在相同的生物炭水平下，氮肥的施用显著增加了8.6–124.6％的菜地N2O排放系数；而在相同的氮肥施用水平下，生物炭显著的施用显著减少了15.9–66.6％的N2O排放系数(p<0.05)。在整个试验期内，氮肥与生物炭对菜地N2O累积排放量和N2O排放系数的影响存在交互效应(p<0.05)。
表3氮肥与生物炭处理菜地N2O排放量、排放系数和单位产量N2O排放量
注：N0:不施用氮肥,N1:常规氮施肥,N2:4/3常规施肥C0:不施用生物炭,C1:20tha- 1生物炭,C2:40tha-1生物炭；同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)；***p<0.001；**p<0.01；*p<0.05；n.s.差异不显著
各处理蔬菜产量差异显著(表3)。最高的蔬菜产量为N1C2处理的475.5tha-1，比对照N0C0处理高出50％。在整个试验期内，氮肥与生物炭均可以显著增加蔬菜的产量，且存在交互效应(p<0.01)。整个试验期内各处理单位产量N2O排放量范围为0.149±0.019至0.362±0.008kgN2O–Nt-1。综合氮肥与生物炭对菜地N2O累积排放量以及蔬菜产量的影响可以得出，氮肥施用显著增加单位产量N2O排放量13.8–130.6％，而生物炭的施用显著减少单位产量N2O排放量13.8–53.1％。最低的单位产量氧化亚氮排放量为N1C2处理的0.149kgN2O–Nt-1。在整个试验期内，氮肥与生物炭对单位产量N2O排放量的影响存在交互作用(p<0.01)。
由于生物炭对蔬菜增产作用，生物炭显著增加了菜地氮肥偏生产力9.3–43.8％(图1,p<0.01)。但是在相同的生物炭水平下，氮肥显著减少各处理氮肥偏生产力19.3–31.1％(p<0.01)。在试验期内，氮肥与生物炭对氮肥偏生产力的影响存在交互作用(p<0.05)。各处理氮肥利用率的范围为0.4–12.6％(图1)，且N1C2处理氮肥利用率最高。整个试验期内，氮肥对菜地氮肥利用率没有显著影响，且生物炭显著增加了菜地氮肥利用率(p<0.01)。
实施例三、新型硝化抑制剂对不同施氮量下菜地N2O及NO排放的影响研究
在我国蔬菜地生态系统开展连续种植九季蔬菜的大田试验，研究了新型硝化抑制剂CP氮肥对N2O及NO排放的影响。结果表明，在氮肥施用水平为0–480kgNha-1crop-1下(0、80、160、240、320、480kgNha-1crop-1)，CP氮肥处理有效地抑制了土壤硝化作用；与常规尿素相比，CP氮肥处理土壤硝态氮浓度降低18.2％，铵态氮浓度增加14.1％(图2)。无论氮肥中是否添加硝化抑制剂，N2O排放总量与氮肥用量均呈线性增长关系(图3)。与不添加硝化抑制剂相比，添加硝化抑制剂能抑制蔬菜地N2O排放总量0–24.6％，平均10.9％；增加蔬菜产量4.6％–14.3％，平均9％；显著削减单位产量N2O排放量8.6％–29.6％，平均17.5％；N2O排放系数由2.3％–5.9％降低到2.3％–3.7％(表4)。因此，我国蔬菜地常规尿素最佳施氮量为160kgNha-1crop-1。添加硝化抑制剂的CP氮肥最佳施氮量也为160kgNha-1crop-1，但产量更高，是一种有效的减排增产措施(表4)，本实施例中按质量百分含量计，硝化抑制剂占CP氮肥总量的0.3％。
随着施肥量增加，各处理菜地NO排放通量增加。但是添加硝化抑制剂处理NO排放速率要显著低于常规尿素处理，具有明显的NO减排作用(图4)。
表4.硝化抑制剂对不同施氮水平下蔬菜产量、N2O累积排放量、单位产量排放量及N2O排放系数的影响
注：不同字母表示每种菜地土壤不同处理之间差异显著(p<0.05)；1/3N处理于后期2014-09-10添加，故缺累积排放与产量。
实施例四、联合施用硝化抑制剂与生物炭对菜地蔬菜产量和单位产量N2O排放量的影响。
试验共设置6个处理，各处理施用氮素水平一致，施用量根据当地农民常规施肥水平来确定(最佳施氮量为160kgNha-1crop-1)。共设置3个生物炭水平，分别为C0(0t·ha-1)、C1(20t·ha-1)和C2(40tha-1)。在每个生物炭水平下，设施用复合肥(CF)和添加氯甲基吡啶CP硝化抑制剂(CP)两个氮肥处理，每个处理设置3次重复(表5)。试验期间连续种植7茬蔬菜，分别为苋菜(AmaranthusmangostanusL.)、空心菜(IpomoeaaquaticaForssk.)、菜秧(BrassicachinensisL.)、香菜(CoriandrumsativumL.)、空心菜(IpomoeaaquaticaForssk.)、菜秧(BrassicachinensisL.)、苋菜(AmaranthusmangostanusL.)。
硝化抑制剂处理对土壤全氮量和土壤有机质含量无显著影响，而生物炭的施用则显著增加了土壤全氮和土壤有机质含量(表5，p<0.01)。与不施用生物炭的处理相比，生物炭显著增加了土壤全氮含量81.599.3％和土壤有机质含量66.985.1％(p<0.01)。除此之外，硝化抑制剂显著增加了0.972.15个单位的菜地土壤pH值，但生物炭的施用显著降低了菜地土壤的0.451.63个单位的pH值(p<0.01)。在整个试验期内，硝化抑制剂与生物炭对菜地土壤全氮、土壤有机质含量和土壤pH值的影响存在交互作用(p<0.01)。
表5硝化抑制剂与生物炭处理菜地的理化性质
注：T0为试验开始前土壤理化性质；CF,复合肥；CP,碧晶尿素；C0,生物炭0t·ha-1；C1,生物炭20t·ha-1；C2,生物炭40t·ha-1。整个土层全氮和有机质的增加量以20厘米土层计算。同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)；***显著性p<0.001
各处理菜地N2O累积排放量差异显著(表6，p<0.05)。最高的N2O累积排放量时CF-C0的54.6±1.5kgNha-1，而最低的N2O累积排放量是CP-C0处理的37.1±4.4kgNha-1。如表6所示，硝化抑制剂显著降低了菜地N2O累积排放量15.932.1％(p<0.001)。生物炭与硝化抑制剂联合使用显著提高了土壤的性质和作物的产量，特别是生物炭施用量为20t·ha-1时与硝化抑制剂联合使用的效果最佳。
表6硝化抑制剂与生物炭处理蔬菜产量和单位产量N2O排放量
注：CF,复合肥；CP,含硝化抑制剂的碧晶尿素；C0,生物炭0t·ha-1；C1,生物炭20t·ha-1；C2,生物炭40t·ha-1。同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)；***p<0.001；**p<0.01；*p<0.05；n.s.差异不显著
试验期内，各处理中CP-C1处理的蔬菜鲜重最大(535.4±16.7tha-1)，比CF-C0处理增加了71.7％(表6)。硝化抑制剂(p<0.001)和生物炭(p<0.05)均显著增加了蔬菜的产量。生物炭的施用降低了CP-C2处理中的蔬菜产量，但不显著。整个试验期内，硝化抑制剂和生物炭对蔬菜产量的影响存在交互作用。
各处理单位产量N2O排放量变化范围为0.074±0.004至0.175±0.017kgN2O-Nt-1，综合反应硝化抑制剂与生物炭对菜地N2O排放和蔬菜产量的影响。各处理中CP-C1处理，蔬菜产量最高。双因子方差分析结果显示，硝化抑制剂(p<0.001)和生物炭(p<0.05)均能够显著降低菜地单位产量N2O排放量，且硝化抑制剂和生物炭对菜地单位产量N2O排放量的影响存在交互作用(p<0.05)。
讨论
(1)该生物炭与硝化抑制剂减缓面源污染的方法可直接提高氮肥作物利用率，减少氮肥气态损失，减少随后的大气沉降，从而在根本上减缓面源污染，具有增产、减排、可持续发展的显著优势。
(2)该生物炭与硝化抑制剂减缓面源污染的方法，可以生物炭和硝化抑制剂分别单独施用，也可以联合施用，没有明显的交互作用，简单易行，取材方便。
(3)该方法的剂量范围广，可根据情况随时调节，效果都非常明显，便于操作推广。
(4)该方法所用材料没有不良影响，无副作用，可安心施用，有利于可持续发展。

Claims (10)

1.生物炭或/和硝化抑制剂在减缓农业面源污染中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于向农业土壤中施加生物炭或/和硝化抑制剂以缓解农业面源污染。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于所述的农业面源污染为由农业生产中氮肥的氮素气态损失及随后的大气沉降所造成的面源污染。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述的硝化抑制剂为氯甲基吡啶或双氰胺。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于所述的氮素气态损失为氮素以N2O和NOx等气态氮形式的排放。
6.一种减缓农业面源污染的方法，其特征在于该方法为向农业土壤中施加生物炭或/和硝化抑制剂以阻控氮肥的氮素气态损失及随后的大气沉降所造成的农业面源污染。
7.根据权利要求6所述的减缓农业面源污染的方法，其特征在于所述的农业土壤为稻麦田或菜地。
8.根据权利要求6所述的减缓农业面源污染的方法，其特征在于生物炭和硝化抑制剂组合使用以阻控氮肥的氮素气态损失及随后的大气沉降所造成的农业面源污染。
9.根据权利要求6所述的减缓农业面源污染的方法，其特征在于所述生物炭或/和硝化抑制剂的施加量分别为：所述生物炭的施加量为氮肥质量的0.5～200倍，所述硝化抑制剂的添加量为硝化抑制剂和氮肥总质量的0.2％～5％。
10.根据权利要求8所述的减缓农业面源污染的方法，其特征在于硝化抑制剂和生物炭同时施用时，生物炭的施用量优选为15～25t.ha-1，硝化抑制剂的添加量优选为硝化抑制剂和氮肥总质量的0.2％～0.3％。
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