CN110845272A

CN110845272A - 一种褐煤堆肥产物及其在降低土壤氨气及氧化亚氮排放中的应用

Info

Publication number: CN110845272A
Application number: CN201911234586.7A
Authority: CN
Inventors: 曹云; 高航; 黄红英; 贺纪正; 陈德立
Original assignee: Jiangsu Yancheng Environmental Protection Science And Technology City Soil Pollution Remediation Research And Development Center; Jiangsu Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Jiangsu Yancheng Environmental Protection Science And Technology City Soil Pollution Remediation Research And Development Center; Jiangsu Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-02-28
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: CN110845272B

Abstract

本发明公开了一种褐煤堆肥产物及其在降低土壤氨气及氧化亚氮排放中的应用，该褐煤堆肥产物是通过如下方法获得的：将农业废弃物与褐煤混合并调节C/N比为15～30，含水率为55～60％，获得堆肥原料后进行高温好氧堆肥28‑35天，即获得所述褐煤堆肥产物；该堆肥产物与土壤混合后，可减少土壤释放的N₂O与NH₃，实施成本低廉。原材料来源广泛，可以提升土壤有机质含量，增加土壤氮磷钾及微量元素含量，提高土壤肥力。

Description

一种褐煤堆肥产物及其在降低土壤氨气及氧化亚氮排放中的应用

技术领域

本发明涉及一种利用褐煤堆肥及利用该堆肥抑制土壤气态氨和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

我国农田氮肥用量占世界用量的25%，氮素利用率仅30％-40％，损失率高达40％-60％，其中大部分以氨（NH₃）、氮氧化物（NO_X）等气体形式进入大气。氨挥发是氮肥气态损失的重要途径，我国施用化肥排放的NH₃为3.55Tg·NH₃-N·yr^-1，占全国每年NH3排放总量的61.5％。

气态氨(NH₃，氨气) 是大气PM2.5形成的重要前体，对雾霾的形成起着关键性作用。排放到大气中的氧化亚氮是主要温室气体，其单位分子的增温潜势是二氧化碳的298倍，同时在大气中的平均存留时间为150年。农业土壤是温室气体排放的主要来源之一。因此，控制土壤中氨和氧化亚氮排放，是减少氮素损失，提高氮素利用率，有效防控农业面源污染重要手段，也是温室气体减排的迫切需求，对于提高农业经济和社会效益有重要意义。

褐煤是煤化程度最低的煤，它是一种色泽介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤。我国褐煤资源丰富，其总量占我国煤炭重量的13%。目前，我国褐煤主要用于燃烧发电，附加值未得到充分利用。褐煤比表面积大，富含腐殖酸，一般pH值为3~5，褐煤中羧基、酚羟基等活性基团，是一种良好的吸附剂，现有技术中，主要是利用褐煤腐殖酸酸性官能团对铵的吸附，以及褐煤添加改善物料容重、孔隙度等物理性状，增强堆肥微生物活性，增加微生物氮素固定作用。

在控制和降低农田氨挥发和N₂O排放技术研究上，目前主要通过改变农业管理措施进行：如施用控释肥料，研究表明施用控释氮肥氨挥发损失氮总量分别比普通尿素减少12.13~69.19%（孙克君，毛小云，卢其明，贾爱萍，廖宗文. 几种控释氮肥减少氨挥发的效果及影响因素研究. 应用生态学报，2004 ,15 (12) ∶2347～2350；添加生物抑制剂如脲酶抑制剂、硝化抑制剂等（邱炜红，刘金山，胡承孝，谭启玲，孙学成，胡珍兰. 硝化抑制剂双氰胺对菜地土壤N2O 排放的影响. 环境科学，2011,32（11）：3188-3194.）；添加生物炭等。如CN106865523 A 公布了一种利用改良水热生物炭降低稻田氨挥发的方法；即利用水生植物制备生物炭，并用柠檬酸对水热生物炭进行改性，施用后稻田氨挥发减排率40%；CN102308687A公开了一种利用秸秆生物黑炭处理土壤降低农田氧化亚氮排放的方法，通过该方法使得氮肥N₂O的排放降低了11~42%，但生物炭在制备过程中需要耗费大量能源；CN 105409669公开了一种利用微生物菌剂减少农田温室气体排放的方法，稻田中施用后温室气体减排率为35%，但该方法在操作过程中需要在不同生育期多次喷洒生物菌剂，步骤复杂繁琐。而且上述方法都仅能降土壤低一种气体（氨或氧化亚氮）排放，因此提供一种简单、高效的能同时减少土壤中氨和氧化亚氮的排放，对于提高氮素利用率和化肥用量，减少农业温室气体排放具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明在实现褐煤高值利用下，提供一种利用褐煤堆肥产物处理土壤，抑制农田土壤氮肥施用氨挥发和氧化亚氮排放，从而提高氮肥利用率，减少温室气体排放的技术。

具体而言，本发明首先提供了一种褐煤堆肥产物，其是通过下述技术方案获得的：

1）原材料准备：

将农业废弃物与褐煤混合后，获得C/N比为15~30（优选C/N比为25-28），含水率为55~60%（优选含水率55%）的堆肥原料，备用；

所述农业废弃物包括禽畜粪便、秸秆、稻壳、木屑中的一种或多种；

所述褐煤颗粒直径<2mm, pH值介于3~5，含水率<60%；

2）堆肥：利用步骤1）获得的堆肥原料进行高温好氧堆肥，每隔7天翻堆一次，堆肥28-35天后即获得所述褐煤堆肥产物；该褐煤堆肥产物符合畜禽粪便堆肥技术规范（NY/T 3442-2019）的要求；

上述技术术语“高温好氧堆肥”为本领域常规堆肥方式，其堆肥温度是指按照“粪便无害化卫生要求 GB 7959-2012”标准进行。

进一步而言，上述步骤1）中，褐煤与农业废弃物的质量比为1:4~6。

其次，本发明还提供了上述褐煤堆肥产物在减少土壤氨气排放中的应用；具体而言，该应用步骤如下：将褐煤堆肥产物风干至含水率低于20%，粉碎，过筛，使得堆肥产品颗粒直径<2mm；然后将粉碎后的褐煤堆肥产物与土壤混合均匀，获得混合土壤；保持混合土壤水分为田间持水量的60%（模拟常规农事管理操作），即实现减少土壤氨气排放的应用。进一步而言，所加入粉碎后的褐煤堆肥产物占土壤质量的2~5%。

第三，本发明还提供了上述褐煤堆肥产物在减少土壤氧化亚氮排放中的应用；具体而言，该应用步骤如下：将褐煤堆肥产物风干至含水率低于20%，粉碎，过筛，使得堆肥产品颗粒直径<2mm；然后将粉碎后的褐煤堆肥产物与土壤混合均匀，获得混合土壤；保持混合土壤水分为田间持水量的60%，即可实现减少土壤中氨气排放的应用。进一步而言，所加入粉碎后的褐煤堆肥产物占土壤质量的2~5%。

本发明利用褐煤堆肥，一是通过褐煤中的羧基、酚羟基等酸性基团充分吸附堆肥过程中产生的铵态氮；二是通过堆肥过程中添加褐煤改善物料的容重和孔隙度，增强微生物活性，增加微生物生物固氮作用。以上两方面可以提高堆肥产品中的全氮含量，减少后期土壤中化肥氮施用量，褐煤吸附与微生物固定的堆肥氮进入土壤后缓慢释放，因而能降低土壤氨和氧化亚氮排放。将褐煤堆肥后，可以有效克服褐煤因为pH值较低以及灰分含量（盐基离子）较高，不适用于酸性土壤以及盐渍化土壤的缺点，此外，因褐煤吸附反应需要一定时间，直接将氮肥与褐煤同时添加进入土壤，可能来不及吸附，氮素已经挥发损失了。故经过本申请褐煤堆肥处理，堆肥产物与土壤混合后，土壤释放的N₂O下降43%，NH₃排放下降76%。

具体而言，与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1）本发明实施成本低廉。制备褐煤堆肥的原材料来源广泛，且产量大，可适用全球各矿区产生的褐煤（pH值介于3~5），堆肥制备过程中可以实现农业固体废弃物资源化利用。

2）本发明技术操作简便。堆肥过程非常简单，采用常规条垛式、仓式、槽式等均可进行；褐煤堆肥在使用时也很简便，只需要与土壤按照一定比例混合，一次施用即可。

3）褐煤堆肥在减少农业土壤氨和氧化亚氮排放的同时，可以提升土壤有机质含量，增加土壤氮磷钾及微量元素含量，提高土壤肥力。

附图说明

图1为实施例1培养期间不同处理土壤N₂O累计排放量示意图；

图2为实施例1培养期间不同处理土壤N₂O排放速率变化示意图；

图3为实施例1土壤处理结束不同施肥处理总碳、总氮含量示意图；

图4为实施例2培养期间不同处理土壤NH₃累计排放量示意图；

图5为实施例2培养期间不同处理土壤NH₃排放速率变化示意图；

图6为实施例2土壤处理结束后不同施肥处理总碳、总氮含量示意图；

图7为实施例3水稻土培养期间NH₃产生速率示意图；

图8为实施例3水稻土培养期间N₂O 产生速率示意图。

具体实施方式

实施例中褐煤取自于澳大利亚维多利亚省墨尔本Bacchus Marsh矿区，其pH值均介于3~5，将褐煤粉碎并过2mm筛（褐煤颗粒直径<2mm）, 调整含水率<60%；在具体实施中，也可以使用其他产地的褐煤。

堆肥箱购自Maze公司，型号为MCT-D160，尺寸为 725mm 宽×935mm高度×660mm长度）；

气相色谱仪器型号为Agilent 7890 。

实施例中，普通有机肥制备过程是指：除原料不含褐煤外，堆制过程与褐煤堆肥完全一致。

实施例1

本实施例利用鸡粪、木屑、稻壳作为原材料，其具体堆肥步骤如下：

1）将鸡粪、木屑、稻壳风干（三者的质量比例为3:2:1）后剪成1cm小段，即为获得农业废弃物，备用；

2）将农业废弃物与褐煤粉末按照干质量比6:1的比例充分混匀后获得混合物，使得混合物C/N为28,加水使得混合物初始含水率为55%；

3）将混合物50kg（鲜质量）放入体积为160L的堆肥箱进行堆肥，每隔7天人工翻堆一次，28天后堆肥完全腐熟，获得褐煤堆肥产物，经检测，该褐煤堆肥产物符合畜禽粪便堆肥腐熟标准（NY/T3442-2019）。

取本实施例获得的褐煤堆肥产物，风干至含水率20%，粉碎并过2mm筛，备用。

本实施例土壤样品取自澳大利亚维多利亚省墨尔本市郊区的蔬菜土，土壤质地为砂土。土壤采回后，将碎石、植物根系等清理干净，风干，过2mm筛，装入培养瓶，每瓶装土50g。

为检验褐煤堆肥减少土壤氨和氧化亚氮的效果，本实施例所添加的不同堆肥产物如下：

实验组1：普通堆肥产物（COM），除不添加褐煤外，其堆肥方式与本实施例“褐煤堆肥产物”的堆肥方式相同，由于褐煤对堆肥过程中铵态氮的吸附作用，其全氮含量比实施例“褐煤堆肥产物”低25%；故于本实验组堆肥产物中添加少量尿素，使其全氮含量与实验组2一致；

实验组2：褐煤堆肥产物；

实验组3：普通堆肥产物（实验组1）与褐煤的混合物，其中褐煤的添加量与本实施例“褐煤堆肥产物”中褐煤的添加量一致，同时于本实验组堆肥产物中添加少量尿素，使其全氮含量与实验组2一致。

将以上3组堆肥产物分别与土壤充分混合（所添加的堆肥产物占土壤质量的2%），并在实验组1、实验组3中添加少量尿素，使得各处理氮含量一致。控制土壤含水率为田间持水量的60%左右，30℃下培养21天。培养期间定期采集气体样品，N₂O用气相色谱测定。同时设立空白对照组（不施氮）。检测结果如图1-图3所示。

可见，在21天的培养时间内，与普通堆肥（实验组1）相比，褐煤堆肥（实验组2）土壤N₂O的累计排放量下降了43%（图1），最大排放速率下降了40%（图2）；与褐煤+普通堆肥（实验组3）直接添加相比，褐煤堆肥（实验组2）N₂O排放量下降了45%。处理结束后，褐煤堆肥处理（实验组2）的土壤总氮、总碳含量分别比普通堆肥（实验组1）高8.5%、8.4%（图3）。

在具体实施中，只要确保褐煤与农业废弃物混合物C/N于15-30范围内，含水率在55~60%的范围内，均可实现发明之目的。

实施例2

本实施例利用牛粪作为原材料，制备褐煤堆肥产物，具体制备步骤如下：

1)将牛粪风干后粉碎成1cm的小段，与褐煤按照干质量比4:1的比例充分混匀后获得混合物，加水使得混合物初始含水率为55%，C/N为25，即为堆肥原料；

2)将堆肥原料50kg（鲜质量）放入体积为160L的堆肥箱进行堆肥，每隔7天人工翻堆一次，50天后堆肥完全腐熟，获得褐煤堆肥产物；取本实施例获得的褐煤堆肥产物，风干、粉碎后过2mm筛，备用。

为检验褐煤堆肥减少土壤氨挥发效果，本实施例所添加的不同堆肥产物分组如下：

实验组4：尿素（其添加量与实验组5中N含量一致）

实验组5：本实施例褐煤堆肥产物；

实验组6：普通堆肥产物（COM），除不添加褐煤外，其堆肥方式与本实施例“褐煤堆肥产物”的堆肥方式相同，其氮含量比实施例“褐煤堆肥产物”低10%；此外，本实验组中，添加少量尿素是的堆肥产物中全氮含量与实验组5一致。

实验组7：普通堆肥产物（实验组6）与褐煤的混合物，其中褐煤的添加量与本实施例“褐煤堆肥产物”中褐煤的添加量一致，同时添加少量尿素是的堆肥产物中全氮含量与实验组5一致。

将以上4组堆肥产物分别与土壤充分混合（所添加的堆肥产物占土壤质量的4%），控制土壤含水率为田间持水量的60%左右，30℃下培养7天。培养期间定期采集气体样品，NH₃用气相色谱测定。同时设立不施氮的对照组。检测结果如图4-图6所示。

在7天的培养时间内，与尿素（实验组4）相比，褐煤堆肥处理（实验组5）土壤NH₃的累计排放量下降了73%，最大排放速率下降了40%；与普通堆肥（实验组6）相比，褐煤堆肥处理（实验组5）的土壤NH₃的累计排放量下降了28%，最大排放速率下降了27%；与普通堆肥+褐煤（实验组7）直接添加相比，褐煤堆肥处理（实验组5）累计排放量下降了20%，最大排放速率下降了8.2%（图4、图5）处理结束时褐煤堆肥处理（实验组5）土壤总碳、总氮含量分别比尿素提高45.9%、19.1%，比普通堆肥提高31.3%，9.5% （图6）。

实施例3

本实施例利用猪粪、秸秆作为原材料，制备褐煤堆肥产物，具体制备步骤如下：

1）将猪粪与风干后粉碎成1cm的小段的秸秆混合（猪粪与秸秆的干质量比为5:1）,褐煤与猪粪秸秆混合物按照干质量比5:1的比例充分混匀后获得混合物，加水使得混合物初始含水率为55%，C/N为28，即为堆肥原料；

2）将步骤1）获得的堆肥原料100kg（鲜质量）放入体积约180L的堆肥箱（自制，制备方法参照曹云，黄红英，钱玉婷，王琳，徐跃定，靳红梅，孙金金，常志州. 超高温预处理装置及其促进鸡粪稻秸好氧堆肥腐熟效果[J]. 农业工程学报， 2017 ， 33(13) ： 243 － 250.）进行堆肥，每隔7天人工翻堆一次，35天后堆肥完全腐熟，获得褐煤堆肥产物；取本实施例获得的褐煤堆肥产物，风干、粉碎后过2mm筛，备用。

本实施例土壤样品取自江苏省农科院附近水稻土，土壤质地为壤土。土壤采回后，将碎石、植物根系等清理干净，风干，过2mm筛，装入培养瓶，每瓶装土50g。

实验组8：尿素（其添加量与实验组9中N含量一致）；

实验组9：本实施例获得的褐煤堆肥产物；

实验组10：普通堆肥产物（COM），除不添加褐煤外，其堆肥方式与本实施例“褐煤堆肥产物”的堆肥方式相同，经检测，本实施例获得的COM氮含量比实施例“褐煤堆肥产物”低17%，故于本实验组堆肥产物中添加少量尿素使其全氮含量与实验组9一致。

实验组11：普通堆肥产物（实验组10）与褐煤的混合物，其中褐煤的添加量与本实施例“褐煤堆肥产物”中褐煤的添加量一致，同时于本实验组堆肥产物中添加少量尿素使其全氮含量与实验组9一致。

将以上4组堆肥产物分别与土壤充分混合（所添加的堆肥产物占土壤质量的2%）。控制土壤含水率为田间持水量的60%左右，30℃下培养14天，于培养的第1、2、3、7d采集气体样品用于NH₃挥发量的测定，于培养的第1、4、8、14d采集气体用于N₂O含量的测定，NH₃挥发量采用静态吸收-硼酸滴定法测定；N₂O用气相色谱测定。同时设立不施氮的对照组。

检测结果如图7、图8、表1所示。

表1 水稻土培养期间NH₃（mg/kg）和N₂O(μg/kg)累计排放量

处理	NH<sub>3</sub>累计排放量	N<sub>2</sub>O 累计排放量
			空白对照	2.24	0.2
实验组8	31.81	250.6
			实验组9	8.76	144.6
实验组10	9.84	339.9
			实验组11	9.75	323.1

在7天监测时间段内，与尿素（实验组8）相比，褐煤堆肥处理（实验组9）土壤NH₃的累计排放量下降了72%，平均排放速率下降了69%；与普通堆肥（实验组10）相比，褐煤堆肥处理（实验组9）的土壤NH₃的累计排放量下降10.9%；与普通堆肥+褐煤（实验组11）添加相比，褐煤堆肥处理（实验组9）NH₃累计排放量下降了10.1%（图7、表1）。

同时，在14天的监测时间段内，与尿素（实验组8）相比，褐煤堆肥处理（实验组9）土壤N₂O的累计排放量下降了42%，平均排放速率下降了40%；与普通堆肥（实验组10）相比，褐煤堆肥处理（实验组9）的土壤N₂O的累计排放量下降57%；与普通堆肥+褐煤（实验组11）添加相比，褐煤堆肥处理（实验组9）N₂O累计排放量下降了55%（图8、表1）。

通过以上实施例说明褐煤堆肥产物可以有效的降低土壤氨气及氧化亚氮排放。

Claims

1.一种褐煤堆肥产物，其特征在于，该褐煤堆肥产物是通过如下方法获得的：

1)将农业废弃物与褐煤混合并调节C/N比为15~30，含水率为55~60%，获得堆肥原料；

2)将步骤1）获得的堆肥原料进行高温好氧堆肥28-35天，即获得所述褐煤堆肥产物。

2.如权利要求1所述的褐煤堆肥产物，其特征在于，步骤1）所述褐煤直径＜2mm, pH值3~5。

3.如权利要求1所述的褐煤堆肥产物，其特征在于，步骤1）中，褐煤与农业废弃物的质量比为1:4~6。

4.如权利要求1-3任一所述褐煤堆肥产物在减少土壤氨气排放中的应用。

5.如权利要求1-3任一所述褐煤堆肥产物在减少土壤氧化亚氮排放中的应用。

6.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述应用是指：将所述褐煤堆肥产物与土壤混合后保持水分为田间持水量的60%，以减少土壤氨气的排放。

7.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述应用是指：将所述褐煤堆肥产物与土壤混合后保持水分为田间持水量的60%，以减少土壤氧化亚氮的排放。

8.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所加入的褐煤堆肥产物占土壤质量的2~5%。

9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所加入的褐煤堆肥产物占土壤质量的2~5%。