CN115623895A - 资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法。与一次性高剂量生物质炭还田策略不同，该方法采用低量生物质炭逐年还田模式，即每年水稻收割后，将上一季得到全部的水稻秸秆生物质制备成生物质炭，在来年水稻秧苗移栽前一周，将生物质炭添加至土壤中，翻耕土壤，将其均匀混合于地表0‑20cm之间。每年水稻收割后种植前，往复重复此操作，发挥生物质炭稻田生态系统碳减排效益。本发明针对稻田生态系统碳减排效果具有经济成本低，效果持久特点，对农业废弃物资源化利用，缓解气候变化的重大现实意义。

Description

资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法
技术领域
本发明属于生物质炭领域，具体涉及一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排技术。
背景技术
为缓解全球气候变化，提出切实有效的碳减排技术是当务之急。稻田生态系统是重要的有机碳库，其特点是进行有机碳存储。同时，稻田生态系统是地球环境第二大甲烷(CH4)排放源，每年排放的CH4量达33-40Tg(CH4)yr-1，约占CH4排放总量的15％。在百年尺度上，CH4的增温潜势是二氧化碳(CO2)的25倍，因此，稻田生态系统碳储存和CH4减排是稻田生态系统碳减排的主要目标。由于水稻是全球人口的主要粮食作物，水稻种植面积巨大，相应的，每年将会产生大量的水稻秸秆，合理处置水稻秸秆是农业上的重要问题。
近年来，将秸秆制备成生物质炭还田是备受提倡的农业废弃物处置方式。水稻秸秆炭化还田具有碳储存、增产、温室气体(GHGs)减排三重碳减排效应。生物质炭本身具有高稳定性，碱性，以及多孔性，高比表面积，富含的大量养分等优良特性。生物质炭添加到稻田土壤中后，由于其高稳定性，难以被微生物降解，大部分碳被封存到土壤中存储起来，减少大气中CO2排放。生物质炭多孔性和碱性特质，富含养分等优良特质不仅有利于土壤养分循环，促进作物生长，同时也削减稻田土壤CH4排放。并且，生物质炭生产过程中将产生气、液、固三相副产品，或进行资源化利用，或进行化石燃料替代，可进一步减少碳排放，发挥多重碳减排效应。因此，生物质炭还田技术不仅有效的解决了农田废弃物处理处置问题，也资源化地发挥农田生态系碳减排环境生态效益。
为了快速取得良好的环境生态效益，目前的生物质炭还田模式主要采用一次性高剂量生物质炭还田模式。此方法的固碳减排效果虽然好，但成本高，且由于输入量高后期没有生物质炭添加，其固碳减排效应的长期有效性还存在质疑。评估一次性高剂量生物质炭碳减排模式的长期碳减排潜力，寻找经济性，可持续的长期稳定性生物质炭碳减排潜力尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中一次性高剂量生物质炭还田模式存在的固碳减排效应长期有效性较差的问题，并提供一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法。
为了解决上述技术问题，本发明具体采用的技术方案如下：
一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，生物质炭还田管理措施如下：
每一季水稻收割后，将全部水稻秸秆制备成生物质炭；然后在下一季水稻秧苗移栽前期，将上一季得到的全部生物质炭添加至土壤中；每年的每一季水稻种植均执行此操作。
作为优选，用于还田的水稻秸秆生物质炭原材料源自于所在稻田生长的水稻秸秆，每一季的生物质炭添加量与上一季收割的水稻秸秆支撑的生物质炭总量相同。
作为优选，每一季水稻秸秆收割后，需马上将水稻秸秆晾晒风干，制备成生物质炭存贮起来，以降低由于秸秆推积产生的甲烷排放引起的碳排放。
作为优选，所述生物质炭采用炭化设备原位就地制备，减少由于物料交通运输产生的碳排放。
作为优选，所述水稻秸秆在500℃缺氧条件下热解炭化2小时，冷却后得到生物质炭。
作为优选，生物质炭生产过程中的副产品全部资源化利用，气、液、固三相副产品作为热源利用代替化石燃料燃烧或者用于发电，从而避免因化石燃料燃烧产生的碳排放。
作为优选，每一季在水稻移栽的前一天，将生物质炭添加入土壤中，翻耕土壤使生物质炭均匀混合于地表0-20cm之间。
作为优选，水稻种植过程中的水肥管理措施按照常规农事活动进行。
该方法能低成本长期稳定得发挥稻田生态系统碳减排效益，包括稻田生态系统固碳、增产、GHGs减排以及生物质炭制备过程中副产品资源化利用抵消的碳排放。生物质炭增加水稻产量的原因主要是其富含养分含量，碱性特质，多孔性结构和其表面丰富的含氧官能团增加了其持留养分的能力和促进养分循环的能力。同时生物质炭强吸附性和表面官能团还具有降低土壤污染物浓度的作用，进而促进根系发展，增加其抗逆行，提高作物产量。生物质炭化工艺将50％左右的碳直接转化为微生物难以降解的稳定性芳香碳，具有良好的储存能力。生物质炭的多孔结构和碱性特质也因促进土壤甲烷氧化活性，增加CH4氧化量，削减甲烷排放。由于每年将收割后的水稻秸秆转化为生物质炭，来年再次输入到稻田中，此方法具有可持续发挥稻田生态系统碳减排的效益。
与一次性高剂量生物质炭还田碳减排技术相比，资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排技术的优势在于：
(1)每年的资源使用量刚好是废弃物产生量，不仅处理了农业废弃物，还保证了每年每块田都可用生物质炭进行改良，发挥稻田生态系统碳减排效益。
(2)一次性高剂量生物质炭由于将生物质炭输入田间过早，生物质炭则经历长时间的老化过程，在植物根系和常年农田翻耕情境下，容易发生过早老化，丧失GHGs减排的作用。
(3)与一次性高剂量生物质炭还田碳减排技术相比，资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排技术每年生物质炭的生产成本低。
本发明适宜于改良我国南方酸性水稻土壤。本发明具有如下效果：长期稳定得实现稻田生态系统碳减排，发挥增产、固碳、GHGs减排，水稻秸秆和生物质炭副产品资源化利用功能。同时，与一次性高剂量生物质炭碳减排模式相比，具有长期稳定增加稻田生态系统碳减排的效益优势，是长期的策略。
附图说明
图1是两种水稻秸秆生物质炭碳减排模式对稻田土壤总碳(TC)的长期影响；
图2是两种水稻秸秆生物质炭碳减排模式对水稻产量的长期影响；
图3是两种水稻秸秆生物质炭碳减排模式的长期GHGs减排效应。
图4是基于生物质炭全生命周期评价的两种水稻秸秆生物质炭碳减排模式长期碳减排潜力。
图5是基于生物质炭全生命周期评价的两种水稻秸秆生物质炭碳减排模式长期碳减排的成本估算。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
本发明中，提供了一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其中生物质炭还田管理措施如下：
每一季水稻收割后，将全部水稻秸秆制备成生物质炭；然后在下一季水稻秧苗移栽前期，将上一季得到的全部生物质炭添加至土壤中；每年的每一季水稻种植均执行此操作。
需要说明的是，本发明中每一年可以种植单季水稻，也可以种植多季水稻。用于还田的水稻秸秆生物质炭原材料源自于所在稻田生长的水稻秸秆，每一季的生物质炭添加量与上一季收割的水稻秸秆支撑的生物质炭总量相同。
由于秸秆推积过程也容易产生甲烷排放，因此每一季水稻秸秆收割后，需马上将水稻秸秆晾晒风干，制备成生物质炭存贮起来，以降低由于秸秆推积产生的甲烷排放引起的碳排放。
另外，为了减少由于物料交通运输产生的碳排放，本发明中生物质炭的制备可以采用小型的便于原位就地制备生物质炭的炭化设备。当水稻秸秆风干后，可立即原位就地支撑生物质炭。生物质炭的制备技术属于现有技术。本发明中，可将水稻秸秆置于碳化设备中，在500℃缺氧条件下热解炭化2小时，冷却后得到生物质炭。
另外，将水稻秸秆制成生物质炭的过程中，会产生多种副产品，副产品形式包含气液固三种类型。为了减少碳排放，生物质炭生产过程中的副产品可全部资源化利用，气、液、固三相副产品作为热源利用代替化石燃料燃烧或者用于发电，从而避免因化石燃料燃烧产生的碳排放。
需要说明的是，上述生物质炭需要在一季水稻秧苗移栽前期施加至土壤中。本发明中，对于每一季水稻可在水稻移栽的前一天，将生物质炭添加入土壤中，与土壤充分混合。
在整个水稻种植过程中，水肥管理措施均可按照常规农事活动进行。
为了对比不同生物质炭碳减排模式的减排效益，需记录每年生物质炭添加情境下水稻产量、总碳含量、GHGs排放含量，以及生物质炭生产过程中的GHGs 排放，生物质炭生产过程中发电和副产品代替化石燃料抵消的碳排放；另外，也需要记录生物质炭生产过程中的设备投入成本，人工成本。
本发明采用水稻收割后，生物质炭添加与未添加土壤的土壤总碳差值作为生物质炭固定土壤总碳的碳减排潜力，并计算基于生物质炭全生命周期评价的稻田生态系统碳减排潜力。
下面将上述资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法应用于一个具体实施例中，以展示其技术效果。
实施例
从2015年开始，在杭州市余杭区径山镇建立生物质炭还田试验基地，田间试验设3个处理，分别为常规施肥对照(CK)，水稻秸秆生物质炭化逐年还田(AL) 和一次性高剂量生物质炭还田模式(HS)。每个处理设3个重复。共计9个试验小区，每个试验小区大小为4m×5m，试验采用完全随机区组设计方法设计。为保证小区单元的独立性，除小区间设置隔离带外，四面隔离田埂以薄膜包被防止串水，薄膜上方铺青石板以供实验人员走路采样。每年6月末开始移栽水稻，11 月收割，每年种植一季水稻。
对该试验基地中的历年水稻秸秆和生物质炭产量进行统计计算，得到水稻秸秆生物质炭的平均产量为0.19t/mu。因此，按照该产量进行相应的试验。
1、AL组的试验方法如下：
在一季水稻收割后，立即将所有水稻秸秆原位就地制备成生物质炭。水稻秸秆生物质炭的制备方法如下：将水稻秸秆自然风干，保证含水率≤10％；将其切割成0.5-1cm后，在500℃缺氧条件下热解炭化2小时，室温下冷却24小时，获得水稻秸秆生物质炭，其粒径为1-3mm，以质量百分比计，碳含量为53％，氮含量1％-2％。生物质炭制备的过程中的副产品充分资源化利用。
在水稻秧苗移栽前一周，将上述水稻秸秆生物质炭按0.19t/mu的比例一次性添加至稻田中，翻耕土壤，将其均匀混合于地表0-20cm之间，期间保持田面积水不超过1cm。
水稻种植过程中的水肥管理措施按照常规农事活动进行：
在秧苗移栽前2-3天开始灌水，维持田间水深3-5cm；
在水稻移栽前一天，对水稻田施基肥，包括尿素31kg mu-1，磷肥(以P计)1 kg mu-1，钾肥(以K计)15kg mu-1；水稻移栽20天后，进行第一次追肥，施加 23kg mu-1尿素，再过20天后进行第二次追肥，施加23kg mu-1尿素。其余按照水稻常规种植方式进行育苗、移栽、灌溉等。
本实施例连续进行了6年的试验，每年生物质炭管理方式相同，每一季水稻收割后，均立即将全部水稻秸秆制备成生物质炭，然后在下一季水稻秧苗移栽前期，将上一季得到的全部生物质炭添加至土壤中。
在这6年中的水稻种植期间，避开下雨天气，每隔一周的早上8:00-9:00采用静态气箱法采集气体样本，随后带回实验室通过气相色谱法分析样本中CO2、 CH4和N2O的浓度。
水稻收割后记录不同处理的水稻干重产量。
采用元素分析法检测水稻收割后土壤总碳(TC)的含量。
2、CK组的试验方法与RSC组相比，其区别仅在于稻田土壤中不添加水稻秸秆生物质炭，其余做法均保持一致。
3、HS组的试验方法与AL组相比，其区别仅在于实验首年向稻田土壤中添加水稻秸秆生物质炭的量为1.52t/mu，往后余年没有生物质炭添加，其余做法均保持一致。
本实施例中，通过测定水稻成熟期的产量，气相色谱法测定GHGs排放量，元素分析法测定土壤中总碳含量，采访咨询代表商家生物质炭制备过程中GHGs 排放量，副产品资源化抵消的碳排放量，以及设备投入成本和人工成本，计算单位稻田生长面积的碳减排潜力和碳减排成本。
本实施例中，稻田生态系统固碳减排量采用以下公式进行计算：
CRP＝ΔCTC+ΔCyield+ΔCGHGs-ΔCharvest-Cproduction+Coffset
其中：CRP，碳减排潜力，单位是g C m-2；
ΔCTC，生物质炭还田土壤总碳的固碳潜力，单位是g C m-2；
ΔCyield，生物质炭还田增产带来的碳减排估计，单位是g m-2；
ΔCGHGs，生物质炭还田削减GHGs带来的碳减排估计，单位是g m-2；
Coffset，生物质炭生产过程中副产品作为替代燃料或者用作发电抵消的碳排放估计，单位是g m-2；
Cproduction，生物质炭生产过程引起的碳排放，单位是g m-2；
Charvest,生物质炭收割过程引起的碳排放，单位是g m-2；
另外本实施例中，采用水稻收割后，生物质炭添加与未添加土壤总碳含量差值作为生物质炭固碳的碳减排潜力。同时，采用年均分摊法计算其成本。
上述常规施肥对照(CK)、水稻秸秆生物质炭化逐年还田(AL)和一次性高剂量生物质炭还田模式(HS)三种模式的最终结果如下：
图1结果表明，水稻秸秆生物质炭化逐年还田(AL)模式下，水稻增产效果稳定，并且在实验的第6年赶超HS组。
图2结果表明，水稻秸秆生物质炭化逐年还田(AL)模式下，土壤总碳含量呈逐年上升趋势，并且在第六年，超越HS处理组。
图3结果表明，水稻秸秆生物质炭化逐年还田(AL)模式下，能够长年稳定削减稻田土壤GHGs排放，并且GHGs减排效果在实验的第二年超越HS，而在实验的第6年已经丧失GHGs减排效果。
图4结果表明，水稻秸秆生物质炭化逐年还田(AL)模式下，其稻田生态系统碳减排潜力在实验的第四年即超过HS，并且与HS相比，AL的碳减排效果越来越好。
图5结果表明，水稻秸秆生物质炭化逐年还田(AL)模式下，其稻田生态系统碳减排潜力成本在实验的第二年即小于HS，并且在实验的后几年，一直比 HS更加经济。
综上可见，水稻秸秆生物质炭化逐年还田(AL)模式下能够长期稳定的削减稻田生态系统碳排放，且成本相较于一次性高剂量生物质炭碳减排模式更加经济。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，生物质炭还田管理措施如下：
每一季水稻收割后，将全部水稻秸秆制备成生物质炭；然后在下一季水稻秧苗移栽前期，将上一季得到的全部生物质炭添加至土壤中；每年的每一季水稻种植均执行此操作。
2.根据权利要求1所述的一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，用于还田的水稻秸秆生物质炭原材料源自于所在稻田生长的水稻秸秆，每一季的生物质炭添加量与上一季收割的水稻秸秆支撑的生物质炭总量相同。
3.根据权利要求1所述的一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，每一季水稻秸秆收割后，需马上将水稻秸秆晾晒风干，制备成生物质炭存贮起来，以降低由于秸秆推积产生的甲烷排放引起的碳排放。
4.根据权利要求1所述的一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，所述生物质炭采用炭化设备原位就地制备，减少由于物料交通运输产生的碳排放。
5.根据权利要求1所述的一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，所述水稻秸秆在500℃缺氧条件下热解炭化2小时，冷却后得到生物质炭。
6.根据权利要求1所述的一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，生物质炭生产过程中的副产品全部资源化利用，气、液、固三相副产品作为热源利用代替化石燃料燃烧或者用于发电，从而避免因化石燃料燃烧产生的碳排放。
7.根据权利要求1所述的一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，每一季在水稻移栽的前一天，将生物质炭添加入土壤中，翻耕土壤使生物质炭均匀混合于地表0-20cm之间。
8.根据权利要求1所述的一种资源化可持续发展的稻田生态系统生物质炭碳减排方法，其特征在于，水稻种植过程中的水肥管理措施按照常规农事活动进行。
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