CN114223342B

CN114223342B - 一种提升土壤持水性能并降低co2排放的方法

Info

Publication number: CN114223342B
Application number: CN202111596540.7A
Authority: CN
Inventors: 侯毛毛; 金秋; 陈竞楠; 唐松岩; 肖颖; 钟凤林
Original assignee: Fujian Agriculture and Forestry University; Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources; Fujian Vocational College of Agriculture
Current assignee: Fujian Agriculture and Forestry University; Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources; Fujian Vocational College of Agriculture
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: CN114223342A

Abstract

本发明提供了一种提升土壤持水性能并降低CO₂排放的方法，将不热解原材料M1和热解原材料M2搭配特定的灌溉技术配套使用，实现土壤持水性能的提升和CO₂排放的下降，为水土流失防治和农田碳减排提供了新手段。

Description

一种提升土壤持水性能并降低CO2排放的方法

技术领域

本发明属于农业技术领域，具体涉及一种提升土壤持水性能并降低CO₂排放的灌溉技术及配套方法。

背景技术

近年来，在人为因素（土地利用不当、过度开垦、过度放牧）和自然因素（降雨侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀）的作用下，土壤结构破坏明显，导致土壤持水性能下降，水土流失加剧。另一方面，近40年来碳排放量激增，温室效应持续加强，全球平均气温不断攀升，自然灾害更为频繁且更具破坏性，大量研究表明，人类活动尤其是农业活动是驱动碳排放增加的重要因子，灌溉、施肥、土地扰动均会引起土壤CO₂排放量的变化。因此，提升土壤持水性能、降低土壤CO₂排放是目前农业生产中亟待解决的关键问题。

土壤持水方面，前人研究证明了长期施用有机肥能改善土壤团粒结构、提升土壤持水性能，但将提高土壤CO₂排放量。因此，在碳达峰碳中和背景下，有机肥提升土壤持水性能的生态效应需要进行综合评估。充分发挥无机材料的特性，用胶结、吸附、络合、鳌合等物理化学方法促进土壤大颗粒形成、提高土壤孔隙度、增加土壤持水量是减排背景下提升土壤持水能力的新思路。

土壤碳排放方面，已有研究表明，将不同有机原材料通过混合、热解形成生物质材料，添加进土壤中可有效降低土壤CO₂排放。在亚热带毛竹林中添加5 t/hm²的生物质原材料，CO₂排放量降低19.9%；酸性茶园土中加入生物质原材料土壤CO₂排放量降低7.2-9.3%，降低幅度达到显著水平。然而，由于生物质材料的制备方法、种类、条件不一，也有研究发现生物质材料施进土壤后CO₂排放未显著减少甚至有所增加，因此如何通过材料、工艺的开发稳定生物质材料特性使其达到减排效果，是需要解决的问题。另一方面，灌溉也是影响农田CO₂排放的重要因素，前人研究发现大量抽取深层地下水灌溉农田的做法令中国每年产生3300万吨二氧化碳，相当于整个新西兰的排放量。不合理的灌溉方法如大水漫灌会明显增加CO₂排放，沟灌比喷灌、滴灌等节水灌溉方式增加了CO₂排放，并且CO₂释放量与灌水量呈显著正相关。因此开发新节水灌溉技术或创制新灌溉制度是碳减排的路径之一。

本发明通过自主研发灌溉技术及配套方法，实现土壤持水性能的提升和CO₂排放的下降，为水土流失防治和农田碳减排提供了新手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升土壤持水性能并降低CO₂排放的灌溉技术及配套方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提升土壤持水性能并降低CO₂排放的灌溉技术及配套方法，包括如下步骤：

（1）不热解原材料制备：将80-100份腐殖质（史丹利（STANLEY），型号SDL-YJYYT），10-20份生石灰混合均匀，控制原材料含水率50wt%-65wt%，施入3-5份有效微生物菌液（君德（JUNDE），EM008），夏季26℃以上堆积30-45天，形成材料M1；

（2）热解原材料制备：将15-25份玉米秸秆、20-30份银耳菌渣、10-20份木屑、10-20份森林落叶、15-25份沼渣混合均匀后平铺，铺设高度4-6 cm，将配置好的硝酸铁溶液（控制物料和硝酸铁质量比100:8-20）均匀喷洒在铺设物表面，待彻底干燥后，加入5-15份磷酸钙，混合物拌和均匀后在300、400、500、600℃下逐级热解，每个热解温度热解时间为50-70min，热解后形成有机碳材料M2；

（3）施用：本发明主要针对旱地作物，M1施用时间节点为幼苗移栽前和栽培休闲期，作物幼苗移栽前将M1与0-20 cm厚度土壤混合均匀，全年施用次数为4-6次，每次5 t/hm²；M2采用环状穴施的方法施入植物根区周围，距离根区6-10 cm，施入深度为垄面向下5cm，全年视作物种植茬数确定施用次数，总施用量20 t/ha；

（4）灌溉技术：种植时作物呈条状栽培，作物根区两侧5-10 cm位置各布置一根灌溉管道（记为a，b），2根管道与作物的条状平行，灌溉管道a上为每株作物设一个半圆形环形毛管（上设3个滴头），类似的，灌溉管道b上为每株作物亦设一个半圆形环形毛管（上设3个滴头）。两条半圆形环形毛管组成一个整圆环绕作物，作物在该整圆中心。两根灌溉管道交替打开进行灌溉（不同时灌溉）。总灌溉量按照作物伸根期、旺长期、成熟期分别以30%±5%、40%±5%和30%±5%进行分配。实际应用时总灌溉量可定为当地传统灌溉量的70-90%。灌溉技术记为IR。

以上所述份数为重量份。

本发明的优点在于：

本发明通过自主研发灌溉技术及配套方法，实现土壤持水性能的提升和CO₂排放的下降，为水土流失防治和农田碳减排提供了新手段。本发明中应用了玉米秸秆、银耳菌渣和沼泥作为碳源来热解制备有机碳，其特色和优势在于：（1）玉米秸秆含有丰富的有机质含量（15%左右），质地疏松且含有大量的化学能，热解后有利于为微生物提供更多的能量来源；（2）银耳菌渣具备透气性好、矿质营养元素高的优势，且失水性强，易热解；（3）沼泥有很强的螯合能力，能与锰、铝、铁等金属离子螯合形成螯合物，可以防止土壤板结，形成有机-无机团聚体，同时，考虑利用沼泥也由于近年来沼泥产量大、增速快，热解干化沼泥是其资源化处置的重要方式。

不同热解方式的对比：将实施例1步骤（2）中得到的混合物拌和均匀后在500℃下热解240 min（R1），600℃下热解240 min（R2），300℃下热解120min后500℃下继续热解120min（R3），400℃下热解120 min后600℃下继续热解120 min（R4），和300、400、500、600℃下逐级热解，每个热解温度热解时间为60 min（R5），开展试验，观测其含碳固态物质和挥发性物质（生物原油和合成气），结果如表1所示：

表1 不同热解温度下的生物炭和挥发性物质的比例

从表1中可看出，逐级热解有利于保留更多的含碳固态物质（生物炭）。

铁的加入：有机碳稳定过程中，铁作为在土壤中含量高且氧化还原性质活跃的金属元素，起到了提高土壤有机碳稳定性的重要作用。土壤中铁氧化物不仅可以作为胶结剂参与形成土壤团聚体颗粒（增加持水性能），从而形成对有机碳的物理隔离保护，还可以与可溶性有机碳发生共沉淀，实现CO₂减排。

磷酸钙的加入：有利于热解过程中原料迅速脱水，以防C、H、O以小分子形态损失，保留更多的有机碳，增加了土壤碳库，增加微生物生长所需碳源，增加有益微生物数量，微生物活动代谢产物有利于改善土壤团粒结构，提升土壤持水性能。

Ca：Ca元素对土壤颗粒有胶结的作用，促进土壤大颗粒形成，提升土壤孔隙度，增加土壤持水量。

附图说明

图1不同处理土壤容量、持水指标和碳排放指标在相同年份的比较；

图2为灌溉管路示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明。本发明的方法如无特殊说明，均为本领域常规方法。

实施例1

一种提升土壤持水性能并降低CO₂排放的灌溉技术及配套方法，包括如下步骤（以下所述份数为重量份）：

（1）不热解原材料制备：将90份腐殖质（史丹利（STANLEY），型号SDL-YJYYT），15份生石灰混合均匀，控制原材料含水率60wt%，施入4份有效微生物菌液（君德（JUNDE），EM008），夏季26℃以上堆积35天，形成材料M1；

（2）热解原材料制备：将20份玉米秸秆、25份银耳菌渣、15份木屑、15份森林落叶、20份沼渣混合均匀后平铺，铺设高度5 cm，将配置好的硝酸铁溶液（控制物料和硝酸铁质量比100:15）均匀喷洒在铺设物表面，待彻底干燥后，加入10份磷酸钙，混合物拌和均匀后在300、400、500、600℃下逐级热解，每个热解温度热解时间为60 min，热解后形成有机碳材料M2；

（3）施用：本实施例针对旱地作物莴苣，M1施用时间节点为幼苗移栽前和栽培休闲期，作物幼苗移栽前将M1与10 cm厚度土壤混合均匀，全年施用次数为5次，每次5 t/hm²；M2采用环状穴施的方法施入植物根区周围，距离根区8cm，施入深度为垄面向下5 cm，全年视作物种植茬数确定施用次数每季度施用1次，总施用量20 t/ha；

（4）灌溉技术：种植时作物呈条状栽培，作物根区两侧8 cm位置各布置一根灌溉管道（记为a，b），2根管道与作物的条状平行，灌溉管道a上为每株作物设一个半圆形环形毛管（上设3个滴头），类似的，灌溉管道b上为每株作物亦设一个半圆形环形毛管（上设3个滴头）。两条半圆形环形毛管组成一个整圆环绕作物，作物在该整圆的中心处。两根灌溉管道交替打开进行灌溉（不同时灌溉）。总灌溉量按照作物伸根期、旺长期、成熟期分别以30%、40%和30%进行分配。实际应用时总灌溉量为当地传统灌溉量的80%（传统灌溉即下文的普通滴灌CK，莴苣传统灌溉量为300 mm，实施例1实际应用为240 mm）。灌溉技术记为IR。

2018年10月-2021年10月在福建省漳州市老区果场科技示范基地进行莴苣，试验设5个处理：本发明专利（M1+M2+IR）、M1+M2+普通灌溉（普通滴灌+无半圆形环形毛管）（CK）、M1+CK、M2+CK、CK，每个处理重复3次。用于分析的数值为3个处理的均值，用SPSS17.0的LSD（0.05水平）测算结果之间的差异显著性。土壤田间持水量和容重测定采用环刀法。孔隙度用容重数值换算。CO₂测定采用集气罩（直径60 cm、高80 cm）结合气相色谱仪进行确定，休闲期CO₂在无作物条件下用集气罩采气后测定，栽培期CO₂在有作物条件下用集气罩采气后测定，用于分析的日CO₂排放通量为全年平均值。

表2 土壤容重、孔隙度、田间持水量和CO₂排放通量

注：表中不同字母表示在0.05水平上差异显著（LSD）。

从表2和图1可看出，在施用后第一年，各处理差异并不明显，这主要由于土壤修复需要相对较长历时。第二年（2019）开始，处理之间的差异开始逐步明显，本发明土壤容重显著低于对照处理、M1+CK、M2+CK和M1+M2+CK，相应地土壤孔隙度显著更高，这种差异在第三年（2020）年则更为明显，反映在持水指标（田间持水量）上的结果为，本发明施用后第三年，田间持水量较对照增加了12.8%。与此同时，本发明与CK相比，2018年CO₂平均日排放通量降低7.0%，2019和2020年降幅分别达到16.3%和20.4%。综合上述实测指标与统计学分析，本发明在提升土壤持水性能和降低CO₂排放上的作用显著（ p＜0.05）。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种提升土壤持水性能并降低CO₂排放的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）不热解原材料制备：将80-100重量份腐殖质，10-20重量份生石灰混合均匀，控制原材料含水率50wt%-65wt%，施入3-5重量份有效微生物菌液，夏季26℃以上堆积30-45天，形成材料M1；

（2）热解原材料制备：将15-25重量份玉米秸秆、20-30重量份银耳菌渣、10-20重量份木屑、10-20重量份森林落叶、15-25重量份沼渣混合均匀后平铺，铺设高度4-6 cm，将配置好的硝酸铁溶液按照物料和硝酸铁质量比100:8-20均匀喷洒在铺设物表面，待彻底干燥后，加入5-15重量份磷酸钙，混合物拌和均匀后在300、400、500、600℃下逐级热解，每个热解温度热解时间为50-70 min，热解后形成有机碳材料M2；

（3）施用：针对旱地作物，M1施用时间节点为幼苗移栽前和栽培休闲期，作物幼苗移栽前将M1与0-20 cm厚度土壤混合均匀，全年施用次数为4-6次，每次5 t/hm²；M2采用环状穴施的方法施入植物根区周围，距离根区6-10 cm，施入深度为垄面向下5 cm，总施用量20 t/ha；

（4）灌溉技术：种植时作物呈条状栽培，作物根区两侧5-10 cm位置各布置一根灌溉管道记为a和b，灌溉管道a上为每株作物设一个半圆形环形毛管，灌溉管道b上为每株作物亦设一个半圆形环形毛管，半圆形环形毛管上设3个滴头，两条半圆形环形毛管组成一个整圆环绕作物，两根灌溉管道交替打开进行灌溉，不同时灌溉，总灌溉量按照作物伸根期、旺长期、成熟期分别以30%±5%、40%±5%和30%±5%进行分配。