CN116267465A - 一种稻田活性氮协同减排的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稻田活性氮协同减排的方法，所述稻田活性氮包括NOy和N2O，所述NOy选自HONO、NO或NO2中的一种或几种的组合，稻田活性氮协同减排的方法包括以下步骤：在水稻移栽前1～2天，将以水稻秸秆为原料制备的载氧生物质炭材料与肥料投放至稻田，翻耕，使载氧生物质炭材料与肥料均匀分布于水稻耕层土壤，并灌水。与现有技术相比，本发明提供的方案对新型活性氮种类NOy(NO、NO2、HONO)和温室气体N2O的协同减排；同时本发明提供的方案能够实现稻草的高值化、资源化利用，实现稻田系统内部的物质高效循环；对降低稻田生态系统活性氮气体排放、提高氮素利用率。
Description
技术领域
本发明涉及农田减排技术领域，尤其是涉及一种稻田活性氮协同减排的方法。
背景技术
NOy(HONO，NO，NO2)和N2O是气态活性氮重要组成部分，其排放对大气环境和人体健康产生一系列不良影响：N2O是最强劲的温室气体之一；HONO、NO和NO2形成的光化学污染具有生物毒性，对植物和人体健康造成威胁。人为活性氮来源中，农业生态系统中氮肥的使用居于主导地位。作为世界上水稻种植面积和产量最高的国家，每年我国稻田生态系统中投入大量的氮肥，导致活性氮气体过量排放。受硝化、反硝化过程影响，NOy和N2O在稻田土壤干湿交替过程(烤田期)中排放量最高。因此开发水稻烤田期活性氮减排措施对于水稻增产、土壤肥力维持和减轻农业源氮排放引起的环境污染至关重要。
中国专利CN103053240A和CN109548598A分别公开了利用生物炭减少氧化亚氮和氨挥发排放的方法，但并未考虑HONO，NO和NO2的协同排放。活性氮气体主要来源于氨挥发和氮循环的中间产物，氧气可以抑制反硝化过程，是影响活性氮气体排放的关键因素。已有研究表明稻田增氧灌溉能够降低N2O排放量(8％～38％)，但是增氧灌溉对农田动力系统建设要求较高，增氧灌溉的电力、人力成本消耗较高。CN109734512A公开了一种水稻包膜缓释增氧气肥，可以为水稻根际长期提供氧气，但是对肥料生产工艺要求高，并且大量改性剂、粘合剂的引入不利于土壤健康。
界面纳米氧可以存在于多孔材料的疏水、粗糙和不规则表面，随材料进入土-水界面，并且可以缓慢释放氧气，且制作成本低、作用时效长、可规模化使用，目前在富营养化水体修复领域有一定的应用，但用于农田活性氮减排领域的研究仍然比较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稻田活性氮协同减排的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种稻田活性氮协同减排的方法，所述稻田活性氮包括NOy和N2O，所述NOy选自HONO、NO或NO2中的一种或几种的组合，
稻田活性氮协同减排的方法包括以下步骤：
在水稻移栽前1～2天，将以水稻秸秆为原料制备的载氧生物质炭材料与肥料投放至稻田，随后立即翻耕，使载氧生物质炭材料与肥料均匀分布于水稻耕层土壤，并灌水。
进一步地，所述载氧生物质炭材料的制备方法为：将水稻秸秆收集并干燥处理，并将水稻秸秆粉碎，在缺氧条件下进行水热炭化处理或热解炭化处理以制得多孔且孔径小于1000nm的生物质炭材料；再通过高压形成氧饱和环境，在生物质炭材料的孔隙及表面形成界面纳米氧，得到载氧生物质炭材料。
进一步地，所述载氧生物质炭材料选取颗粒小于2mm的载氧炭材料颗粒。
进一步地，干燥处理选择风干处理。
进一步地，将水稻秸秆粉碎至1cm以下。
进一步地，水热炭化处理的条件为220℃水热炭化4h。
进一步地，热解炭化处理的条件为600℃热解炭化3h。
进一步地，在投放至稻田以前，将载氧生物质炭材料与肥料混合均匀。
进一步地，所述载氧生物质炭材料按照1.3～2.6kg/亩的用量施用。
进一步地，所述肥料为N、P、K肥料，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾，施用量分别为尿素10.43kg/亩、过磷酸钙68.75kg/亩和氯化钾7.23kg/亩。
进一步地，使载氧生物质炭材料与肥料均匀分布于深度为0-20cm水稻耕层土壤中，其中，深度为0表示位于水稻耕层土壤的表面。
进一步地，灌水的程度为：灌水至土壤表面以上3-5cm。
本发明还提供了验证稻田活性氮协同减排效果的方法，具体为：取深度0-20cm土壤及对应高度田面水立即返回实验室开展动态箱模拟培养系统试验并检测NOy和N2O的排放通量。
进一步地，所述动态箱模拟培养检测系统包括零气生成系统、样品测定系统、气体分析系统和数据采集系统四个部分。稻田土壤和田面水作为培养样品置于动态箱中培养模拟稻田干湿交替过程，并检测系统在此过程中NOy和N2O的排放通量。
进一步地，活性氮气体排放量通过动态箱培养试验进行测定，将培养样品放在10L的动态箱室中，用纯净的零空气(无H2O、NOy、NH3)进行吹扫，直至稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0，样品测定系统和气体分析系统能够分别测定稻田土壤的HONO、NO、NO2、和N2O排放通量。数据采集系统记录稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0的过程中，相应的HONO、NO、NO2、和N2O气体浓度。
将稻田土壤和田面水样品在动态箱中培养，模拟稻田干湿交替过程，随稻田土壤含水率的变化，实时检测了该过程中NOy和N2O的排放通量。
所述稻田土壤NOy和N2O排放通量的计算，是根据公式(1)计算了FN。
式中，FN—土壤Nr气体的通量(ng N m-2·s-1)；Q—流速(m3·s-1)；R—培养皿直径(m)；χ—动态箱室的顶空浓度(ppb)；V0—标准参考大气条件下空气的摩尔体积(m3·mol-1)；MN—N的摩尔质量(g·mol-1)。
根据排放通量FN，通过公式(2)计算排放总量EN。
式中，EN—是稻田土壤中HONO、NO、NO2和N2O在培养期间即涵盖水稻生长整个时期内的排放总量(mg·m-2)；Fi—测量时间ti的Nr气体通量。
与现有稻田氮减排相比，本发明提供的方案对新型活性氮种类NOy(NO、NO2、HONO)和温室气体N2O的协同减排；同时本发明提供的方案能够实现稻草的高值化、资源化利用，实现稻田系统内部的物质高效循环；对降低稻田生态系统活性氮气体排放、提高氮素利用率。
具体实施方式
本发明提供一种稻田活性氮协同减排的方法，所述稻田活性氮包括NOy和N2O，所述NOy选自HONO、NO或NO2中的一种或几种的组合，
稻田活性氮协同减排的方法包括以下步骤：
在水稻移栽前1～2天，将以水稻秸秆为原料制备的载氧生物质炭材料与肥料投放至稻田，随后立即翻耕，使载氧生物质炭材料与肥料均匀分布于水稻耕层土壤，并灌水。
在本发明的一种实施方式中，所述载氧生物质炭材料的制备方法为：将水稻秸秆收集并干燥处理，并将水稻秸秆粉碎，在缺氧条件下进行水热炭化处理或热解炭化处理以制得多孔且孔径小于1000nm的生物质炭材料；再通过高压形成氧饱和环境，在生物质炭材料的孔隙及表面形成界面纳米氧，得到载氧生物质炭材料。
在本发明的一种实施方式中，优选地，所述载氧生物质炭材料选取颗粒小于2mm的载氧炭材料颗粒。
在本发明的一种实施方式中，优选地，干燥处理选择风干处理。
在本发明的一种实施方式中，优选地，将水稻秸秆粉碎至1cm以下。
在本发明的一种实施方式中，优选地，水热炭化处理的条件为220℃水热炭化4h。
在本发明的一种实施方式中，优选地，热解炭化处理的条件为600℃热解炭化3h。
在本发明的一种实施方式中，优选地，在投放至稻田以前，将载氧生物质炭材料与肥料混合均匀。
在本发明的一种实施方式中，优选地，所述载氧生物质炭材料按照1.3～2.6kg/亩的用量施用。
在本发明的一种实施方式中，优选地，所述肥料为N、P、K肥料，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾，施用量分别为尿素10.43kg/亩、过磷酸钙68.75kg/亩和氯化钾7.23kg/亩。
在本发明的一种实施方式中，优选地，使载氧生物质炭材料与肥料均匀分布于深度为0-20cm水稻耕层土壤中，其中，深度为0表示位于水稻耕层土壤的表面。
在本发明的一种实施方式中，优选地，灌水的程度为：灌水至土壤表面以上3-5cm。
本发明还提供了验证稻田活性氮协同减排效果的方法，具体为：取深度0-20cm土壤及对应高度田面水立即返回实验室开展动态箱模拟培养系统试验并检测NOy和N2O的排放通量。
在本发明的一种实施方式中，优选地，所述动态箱模拟培养检测系统包括零气生成系统、样品测定系统、气体分析系统和数据采集系统四个部分。稻田土壤和田面水作为培养样品置于动态箱中培养模拟稻田干湿交替过程，并检测系统在此过程中NOy和N2O的排放通量。
在本发明的一种实施方式中，优选地，活性氮气体排放量通过动态箱培养试验进行测定，将培养样品放在10L的动态箱室中，用纯净的零空气(无H2O、NOy、NH3)进行吹扫，直至稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0，样品测定系统和气体分析系统能够分别测定稻田土壤的HONO、NO、NO2、和N2O排放通量。数据采集系统记录稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0的过程中，相应的HONO、NO、NO2、和N2O气体浓度。
将稻田土壤和田面水样品在动态箱中培养，模拟稻田干湿交替过程，随稻田土壤含水率的变化，实时检测了该过程中NOy和N2O的排放通量。
所述稻田土壤NOy和N2O排放通量的计算，是根据公式(1)计算了FN。
式中，FN—土壤Nr气体的通量(ng N m-2·s-1)；Q—流速(m3·s-1)；R—培养皿直径(m)；χ—动态箱室的顶空浓度(ppb)；V0—标准参考大气条件下空气的摩尔体积(m3·mol-1)；MN—N的摩尔质量(g·mol-1)。
根据排放通量FN，通过公式(2)计算排放总量EN。
式中，EN—是稻田土壤中HONO、NO、NO2和N2O在培养期间即涵盖水稻生长整个时期内的排放总量(mg·m-2)；Fi—测量时间ti的Nr气体通量。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
在上海市青浦区某稻田开展试验。水稻收获后，将干燥的水稻秸秆切段(<1cm)，放在N2气氛下的马弗炉中600℃热解炭化3h，待冷却至室温后取出，研磨过2mm筛网，得到生物炭。将生物炭抽真空，然后置于高压氧气密闭容器中负载，制得界面纳米氧生物炭。
稻田设置如下处理：CK，对照组，稻田不添加材料仅施用肥料；BOC，处理组，稻田添加界面纳米氧生物炭且施用肥料。具体而言，CK是在在水稻移栽前1～2天，施用基肥，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾各10.43kg/亩、68.75kg/亩和7.23kg/亩。BOC是在水稻移栽前1～2天，将上述界面纳米氧生物炭与肥料混合均匀投放至稻田，其中界面纳米氧生物炭施用量为1.3kg/亩，基肥与CK一致，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾各10.43kg/亩、68.75kg/亩和7.23kg/亩，随后立即翻耕使其均匀分布于0-20cm水稻耕层土壤，并灌水至3-5cm。
随后取0-20cm土壤及对应高度田面水立即返回实验室开展动态箱模拟培养系统试验，将培养样品放在10L的动态箱室中，用纯净的零空气(无H2O、NOy、NH3)进行吹扫，直至稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0，分别测定了相应的HONO、NO、NO2、和N2O气体浓度。根据公式(1)计算排放通量FN。
式中，FN—土壤Nr气体的通量(ng N m-2·s-1)；Q—流速(m3·s-1)；R—培养皿直径(m)；χ—动态箱室的顶空浓度(ppb)；V0—标准参考大气条件下空气的摩尔体积(m3·mol-1)；MN—N的摩尔质量(g·mol-1)。
根据排放通量，通过公式(2)计算排放总量EN。
式中，EN—是稻田土壤中HONO、NO、NO2和N2O在培养期间即涵盖水稻生长整个时期内的排放总量(mg·m-2)；Fi—测量时间ti的Nr气体通量。
使用Microsoft Excel 2016进行数据整合和处理，使用SPSS 26.0进行ANOVA单因素方差分析，处理间显著性检验通过Ducuan法进行(P<0.05)。
结果如表1所示，BOC处理组的HONO、NO、NO2和N2O气体排放总量均低于CK对照组，分别下降11.74％、31.14％、92.08％和57.80％。NOy和N2O的减排效率均高达50％以上，其中NO2排放量降低效果最好，有效降低了NO2形成的光化学污染，减少了对植物和人体健康的威胁，N2O减排效果次之，对于缓解稻田系统产生强劲的温室气体具有重要的意义。总的来说，上述应用方法能够协同降低稻田土壤NOy和N2O的排放总量，且减排效率均大于50％。
表1不同类型活性氮气体排放总量EN(mg·m-2)
实施例2：
在上海市青浦区某稻田开展试验。水稻收获后，将干燥的水稻秸秆切段(<1cm)，放在水热炭釜中220℃水热炭化4h，待冷却至室温后取出过滤，研磨过2mm筛网，得到水热炭。将水热炭抽真空，然后置于高压氧气密闭容器中负载，制得界面纳米氧水热炭。
稻田设置如下处理：CK，对照组，稻田不添加材料仅施用肥料；HOC，处理组，稻田添加界面纳米氧水热炭且施用肥料。具体而言，CK是在在水稻移栽前1～2天，施用基肥，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾各10.43kg/亩、68.75kg/亩和7.23kg/亩。HOC是在水稻移栽前1～2天，将上述界面纳米氧水热炭与肥料混合均匀投放至稻田，其中界面纳米氧水热炭施用量为1.3kg/亩，基肥与CK一致，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾各10.43kg/亩、68.75kg/亩和7.23kg/亩，随后立即翻耕使其均匀分布于0-20cm水稻耕层土壤，并灌水至3-5cm。
随后取0-20cm土壤及对应高度田面水立即返回实验室开展动态箱模拟培养系统试验，将培养样品放在10L的动态箱室中，用纯净的零空气(无H2O、NOy、NH3)进行吹扫，直至稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0，分别测定了相应的HONO、NO、NO2、和N2O气体浓度。根据公式(1)计算排放通量FN。
式中，FN—土壤Nr气体的通量(ng N m-2·s-1)；Q—流速(m3·s-1)；R—培养皿直径(m)；χ—动态箱室的顶空浓度(ppb)；V0—标准参考大气条件下空气的摩尔体积(m3·mol-1)；MN—N的摩尔质量(g·mol-1)。
根据排放通量，通过公式(2)计算排放总量EN。
式中，EN—是稻田土壤中HONO、NO、NO2和N2O在培养期间即涵盖水稻生长整个时期内的排放总量(mg·m-2)；Fi—测量时间ti的Nr气体通量。
使用Microsoft Excel 2016进行数据整合和处理，使用SPSS 26.0进行ANOVA单因素方差分析，处理间显著性检验通过Ducuan法进行(P<0.05)。
从表2所示的结果中可以发现，HOC处理组的HONO、NO、NO2和N2O气体排放总量均低于CK对照组，分别下降82.61％、42.11％、97.25％和100％。NOy和N2O的排放量均有明显的下降，其中HONO排放量降低1倍以上，有效减少了HONO带来的光化学污染和生物毒性作用，NO和NO2排放量也明显减少，降低了稻田系统的NOy损失，另外，N2O排放量接近于0，表现出良好的减排效果，大大降低了N2O的危害。总的来说，上述应用方法能够协同降低稻田土壤NOy和N2O的排放总量，减排效率高达42.11％～100％。
表2不同类型活性氮气体排放总量EN(mg·m-2)
实施例3：
在上海市青浦区某稻田开展试验。水稻收获后，将干燥的水稻秸秆切段(<1cm)，放在水热炭釜中220℃水热炭化4h，待冷却至室温后取出过滤，研磨过2mm筛网，得到水热炭。将水热炭抽真空，然后置于高压氧气密闭容器中负载，制得界面纳米氧水热炭。
稻田设置如下处理：CK，对照组，稻田不添加材料仅施用肥料；HOCD，处理组，稻田添加界面纳米氧水热炭且施用肥料。具体而言，CK是在在水稻移栽前1～2天，施用基肥，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾各10.43kg/亩、68.75kg/亩和7.23kg/亩。HOCD是在水稻移栽前1～2天，将上述界面纳米氧水热炭与肥料混合均匀投放至稻田，其中界面纳米氧水热炭施用量为2.6kg/亩，基肥与CK一致，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾各10.43kg/亩、68.75kg/亩和7.23kg/亩，随后立即翻耕使其均匀分布于0-20cm水稻耕层土壤，并灌水至3-5cm。
随后取0-20cm土壤及对应高度田面水立即返回实验室开展动态箱模拟培养系统试验，将培养样品放在10L的动态箱室中，用纯净的零空气(无H2O、NOy、NH3)进行吹扫，直至稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0，分别测定了相应的HONO、NO、NO2、和N2O气体浓度。根据公式(1)计算排放通量FN。
式中，FN—土壤Nr气体的通量(ng N m-2·s-1)；Q—流速(m3·s-1)；R—培养皿直径(m)；χ—动态箱室的顶空浓度(ppb)；V0—标准参考大气条件下空气的摩尔体积(m3·mol-1)；MN—N的摩尔质量(g·mol-1)。
根据排放通量，通过公式(2)计算排放总量EN。
式中，EN—是稻田土壤中HONO、NO、NO2和N2O在培养期间即涵盖水稻生长整个时期内的排放总量(mg·m-2)；Fi—测量时间ti的Nr气体通量。
使用Microsoft Excel 2016进行数据整合和处理，使用SPSS 26.0进行ANOVA单因素方差分析，处理间显著性检验通过Ducuan法进行(P<0.05)。
从表3所示的结果中可以发现，HOC处理组的HONO、NO、NO2和N2O气体排放总量均低于CK对照组，分别下降94.48％、61.51％、96.07％和100％。NOy和N2O的排放量均有明显的下降，其中HONO、NO2和N2O的减排效率接近于100％，明显抑制了NOy和N2O的排放。总的来说，上述应用方法能够协同降低稻田土壤NOy和N2O的排放总量，减排效率高达41.51％～100％。
表3不同类型活性氮气体排放总量EN(mg·m-2)
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，所述稻田活性氮包括NOy和N2O，所述NOy选自HONO、NO或NO2中的一种或几种的组合，
稻田活性氮协同减排的方法包括以下步骤：
在水稻移栽前1～2天，将以水稻秸秆为原料制备的载氧生物质炭材料与肥料投放至稻田，翻耕，使载氧生物质炭材料与肥料均匀分布于水稻耕层土壤，并灌水。
2.根据权利要求1所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，所述载氧生物质炭材料的制备方法为：将水稻秸秆收集并干燥处理，并将水稻秸秆粉碎，在缺氧条件下进行水热炭化处理或热解炭化处理以制得多孔且孔径小于1000nm的生物质炭材料；再通过高压形成氧饱和环境，在生物质炭材料的孔隙及表面形成界面纳米氧，得到载氧生物质炭材料。
3.根据权利要求2所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，水热炭化处理的条件为220℃水热炭化4h。
4.根据权利要求2所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，热解炭化处理的条件为600℃热解炭化3h。
5.根据权利要求1所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，所述载氧生物质炭材料按照1.3～2.6kg/亩的用量施用。
6.根据权利要求1所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，所述肥料为N、P、K肥料，包括尿素、过磷酸钙和氯化钾，施用量分别为尿素10.43kg/亩、过磷酸钙68.75kg/亩和氯化钾7.23kg/亩。
7.根据权利要求1所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，使载氧生物质炭材料与肥料均匀分布于深度为0-20cm水稻耕层土壤中，其中，深度为0表示位于水稻耕层土壤的表面；灌水的程度为：灌水至土壤表面以上3-5cm。
8.根据权利要求1所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，还包括验证稻田活性氮协同减排效果的方法，具体为：取深度0-20cm土壤及对应高度田面水立即返回实验室开展动态箱模拟培养系统试验并检测NOy和N2O的排放通量；
所述动态箱模拟培养检测系统包括零气生成系统、样品测定系统、气体分析系统和数据采集系统四个部分，稻田土壤和田面水作为培养样品置于动态箱中培养模拟稻田干湿交替过程，并检测系统在此过程中NOy和N2O的排放通量。
9.根据权利要求8所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，活性氮气体排放量通过动态箱培养试验进行测定，将培养样品放在10L的动态箱室中，用纯净的零空气进行吹扫，直至稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0，样品测定系统和气体分析系统能够分别测定稻田土壤的HONO、NO、NO2、和N2O排放通量；数据采集系统记录稻田土壤从淹水状态降至持水率(％WHC)为0的过程中，相应的HONO、NO、NO2、和N2O气体浓度；
将稻田土壤和田面水样品在动态箱中培养，模拟稻田干湿交替过程，随稻田土壤含水率的变化，实时检测了该过程中NOy和N2O的排放通量。
10.根据权利要求9所述的一种稻田活性氮协同减排的方法，其特征在于，所述稻田土壤NOy和N2O排放通量的计算，是根据公式(1)计算了FN，
式中，FN—土壤Nr气体的通量(ng N m-2·s-1)；Q—流速(m3·s-1)；R—培养皿直径(m)；χ—动态箱室的顶空浓度(ppb)；V0—标准参考大气条件下空气的摩尔体积(m3·mol-1)；MN—N的摩尔质量(g·mol-1)；
根据排放通量FN，通过公式(2)计算排放总量EN，
式中，EN—是稻田土壤中HONO、NO、NO2和N2O在培养期间即涵盖水稻生长整个时期内的排放总量(mg·m-2)；Fi—测量时间ti的Nr气体通量。
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