CN212669579U

CN212669579U - 一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统

Info

Publication number: CN212669579U
Application number: CN202021950022.1U
Authority: CN
Inventors: 卢学强; 李海笑; 李玉鑫; 刘玉海
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2030-09-09

Abstract

本实用新型涉及一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统，它包括：施用附载氮磷生物炭肥料的农田、农田径流生物炭截留带、回用的截留生物炭；其中农田径流生物炭截留带位于施用附载氮磷生物炭肥料的农田的主径流方向后端0.5‑1米，回用的截留生物炭装填在农田径流生物炭截留带中。本实用新型构造简单、操作简便、实用性强、成本低廉，实现了在控制土壤氮磷面源流失的同时回用截留的氮磷营养元素并提高土壤质量。

Description

一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统

技术领域

本实用新型属于土壤面源污染控制研究领域，涉及农田氮磷流失控制和氮磷循环利用体系，特别是一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统。

背景技术

农田氮磷肥料的施用在显著提升农田作物产量保证我国粮食巨大需求的同时，其过量的施用也会明显增加农田土壤氮磷流失的风险，造成周边水体富营养化等次生环境问题。据统计，2011年我国农田土壤磷径流流失总量为6.37万吨，土壤氮径流流失总量和淋溶流失总量分别为236.54万吨和179.74万吨。

缓释肥料的施用可以有效的提高土壤氮磷的利用率并减小其流失风险。由作物残体热解生成的生物炭具备较高的比表面积和孔隙率，因而具备良好的吸附能力。生物炭可以作为氮磷的载体，并是附着于其孔隙中的氮磷缓慢释放于土壤中，达到缓释肥料的效果。研究指出相较于矿质磷肥，附载磷的玉米秸秆生物炭肥料可以在长时间内提升土壤磷的有效性，从而降低农田土壤的磷肥用量和流失风险。则利用生物炭附载尿素的缓释肥料提升了氮素在土壤中的保持和利用。另一方面，由于生物炭良好的吸附能力，也可以被直接施用于土壤中，通过吸附和改善土壤结构等作用来提升对土壤氮磷流失的控制。

除了减少土壤氮磷的流失，不少研究也利用以植物为主体的生物缓冲带来截留从农田流失的氮磷，以防止其进入周边的水体。这种生物缓冲带的方法虽然可以较好的截留从农田土壤流失的氮磷，但却很难将截留的氮磷重新利用于农田中，仍无法解决因农田氮磷肥料流失造成的氮磷利用率降低的问题。因此，研究开发一种农田氮磷循环体系是从根本上解决农田氮磷流失的关键。生物炭因其对土壤氮磷的吸附固持和作为氮磷缓释肥料基材的作用，为构建农田氮磷循环体系提供了基础。

我国农业生产面临着严重的农田氮磷面源流失，及其带来的次生环境污染问题。简单有效的农田氮磷流失控制和回用体系可以有效的减少农田面源污染，并提升肥料的利用率。基于这一现状，本实用新型构建了一种农田土壤氮磷流失生物炭截留及回用系统。其原理是首先利用附载氮磷的生物炭缓释肥料，在保证土壤氮磷水平的基础上，通过肥料缓释和土壤改良来减小土壤氮磷的流失。然后针对农田土壤的氮磷流失，通过设置生物炭截留带收集地表径流，依靠生物炭的吸附以及氮磷的沉淀使流失的氮磷附着在截留带的生物炭中。最后将截留带中的生物炭作为土壤改良剂或肥料以适当比例施用于土壤中，完成农田生物炭的回用。整个系统设计简便、操作简单、能同时减小农田氮磷流失和提高肥料利用率，并改善土壤质量，具有较好的实用前景。

发明内容

本实用新型的目的是构造一种以生物炭为基础的农田氮磷流失截留及回用体系，其构造简便、成本低廉，在减小农田氮磷流失的同时弥补传统氮磷截留方式无法实现截留氮磷农田回用的不足。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统，其特征在于它包括：施用附载氮磷生物炭肥料的农田1、农田径流生物炭截留带2、回用的截留生物炭3；其中农田径流生物炭截留带2位于施用附载氮磷生物炭肥料的农田1的主径流方向后端0.5-1米，回用的截留生物炭3装填在农田径流生物炭截留带2中，回用的截留生物炭在测定氮磷含量后可通过重新附载氮磷回用进入施用附载氮磷生物炭肥料的农田1的生物炭肥料中构成整个截留回用系统。

本实用新型进一步公开了农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统进行截留的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）施用附载氮磷生物炭肥料的农田：其施用的生物炭制备为将粒径2mm的果壳生物炭按固液比1:20浸泡于1:2的高浓度的混合磷酸二氢钾和硝酸钾溶液中，每升溶液含100g KH₂PO₄和200g KNO₃，混匀后静置24小时，用筛网收集浸渍后的生物炭，在烘箱中50℃下烘干3天，分别利用0.5M碳酸氢钠和1M氯化钠溶液按固液比1:20浸提生物炭测得生物炭磷和硝态氮含量为8.3%和7.3%；浸泡生物炭溶液中过量的磷酸二氢钾和硝酸钾可以反复使用。生物炭肥料在农田中的施用比例依据具体的作物需求制定，且单季最大用量不能超过土壤总质量的5%（按20cm土层计算）。

(2) 农田径流生物炭截留带：生物炭截留带尺寸按照农田区域能产生的每月最大降雨径流量设计，截留带深度设为20-25cm，长宽依据实际区域条件设定，对于没有明显径流方向的农田区域，需设置适当的导流设施；截留带中填充有0.15m厚的粒径为2mm的600℃果壳生物炭；当雨水或农田灌溉产生径流时，径流流入生物炭截留带中，通过生物炭储水能力使径流阻滞在截留带内，后通过生物炭吸附以及水分自然蒸发的过程使径流中的氮磷以吸附和表面沉淀的形式附着在生物炭上。

（3）回用的截留生物炭：在截留带收集农田径流的间隙，利用0.5M的碳酸氢钠溶液和1M的氯化钠溶液按1:20的固液比分别浸提生物炭中的磷和氮，利用紫外分光光度法分别在882nm、275nm和420nm测定生物炭附载的磷、硝态氮和铵态氮含量。其中截留带中的生物炭可直接回用于农田作为土壤改良剂。

本实用新型更进一步公开了农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统进行截留方法在有效降低农田氮磷流失提高农田氮磷利用率方面的应用。实验结果详见表1-表3的说明：

表1生物炭肥料对农田氮磷流失控制效果

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表2生物炭截留带对农田氮磷流失控制效果

Figure DEST_PATH_979255DEST_PATH_IMAGE002

表3运行两月后截留带生物炭氮磷含量

Figure DEST_PATH_758992DEST_PATH_IMAGE003

从表1-表3的结果可以看出：（1）氮磷附载生物炭肥料可以明显降低初期的农田氮磷的径流损失，包括59%的磷损失、69%的硝态氮损失和53%的铵态氮损失。

（2）生物炭截留带的存在可以明显阻止田间土壤流失的氮磷扩散至其他环境中。有生物炭截留带的区域，田后土壤中的磷、硝态氮和铵态氮含量为田间土壤的12.9%、113.9%和86.9%。而没有设置生物炭截留带的实施区域，其数值为87.0%、209.1%和102.0%。

（3）随着流入截留带中的径流蒸发，截留带中的生物炭可以富集农田流失的氮磷，并回用于农田。

本实用新型更加详细的描述如下：

附载氮磷生物炭肥料的农田施用：生物炭选用500-600℃下热解的生物炭，保证生物炭具备足够的比表面积和孔隙度，拥有较好的氮磷附载能力。生物炭粒径选择为2mm，保证肥料适当的颗粒度，满足运输、储存和施用的需求。生物炭氮磷采用磷酸二氢钾和硝酸钾混合溶液浸泡后干燥附载，氮磷以孔隙内吸附和表面沉淀等方式附载在生物炭上。生物炭氮磷总含量需达到肥料总质量的15%，以保证在考虑生物炭不老化的情况下，生物炭肥料施用15-20年后土壤中的生物炭总量也不会超过土壤总质量的1%。

农田径流生物炭截留带布设：截留带生物炭选用500-600℃下热解的果壳或椰壳生物炭，保证生物炭良好的吸附能力以及高于水的比重。生物炭粒径为2mm，便于生物炭运输、储存和使用。生物炭截留带尺寸按照农田区域能产生的每月最大降雨径流量设计，截留带深度一般设为20cm，长宽依据实际区域条件设定。对于没有明显径流方向的农田区域，需设置适当的导流设施（如导流沟或临时导流板）。

截留生物炭的农田回用：在截留带收集农田径流的间隙，且生物炭干燥的情况下收集截留带底部的生物炭。利用0.5M的碳酸氢钠溶液和1M的氯化钠溶液按1:20的固液比分别浸提生物炭中的磷和氮。利用紫外分光光度法分别在882nm（磷钼蓝法）、275nm（220nm）和420nm（纳氏试剂法）测定生物炭附载的磷、硝态氮和铵态氮含量。截留带中的生物炭可直接回用于农田作为土壤改良剂，当该生物炭作为肥料回用于农田时，需先利用附载氮磷生物炭肥料的制作方法附载足量的氮磷。

本实用新型公开的农田土壤氮磷流失生物炭截留及回用系统的有益效果：

（1）本实用新型利用附载氮磷生物炭肥料，通过肥料缓释供给作物养分，同时增加土壤对氮磷的保持，减小了土壤氮磷流失量。

（2）本实用新型通过构建农田生物炭截留带有效降低了农田氮磷流失向农田以外区域的风险。

（3）本实用新型通过向农田中回用截留带的生物炭实现了对农田流失氮磷的再利用，提高了农田氮磷的利用率。

本实用新型主要解决了农田氮磷面源流失利用截留带截留后无法回用的问题，重点考察了附载生物炭肥料降低农田氮磷面源流失的能力、生物炭截留带截留土壤氮磷流失的能力以及截留带生物炭将截留的氮磷回用于农田的作用，主要的难点在于生物炭截留带尺寸的设计，需保证截留带能容纳足够的农田径流同时截留带生物炭回用的频率可保证在20年内不会超过农田土壤的生物炭受纳量（1%的土壤总质量）。

附图说明

图1：农田土壤氮磷流失生物炭截留及回用系统示意图；

其中1、生物炭肥料的农田、2、农田径流生物炭截留带3、回用的截留生物炭。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本实用新型。除非特别说明，本实用新型所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本实用新型的范围，本实用新型的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本实用新型实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本实用新型的保护范围。

实施例1

实施例2

农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统进行截留的方法，按如下的步骤进行：

实施例3

白洋淀区玉米种植农田土壤氮磷流失生物炭截留及回用系统的应用实例

生物炭肥料制备和施用：将购置的粒径2mm的果壳生物炭按固液比1:20浸泡于1:2的高浓度（接近饱和）的混合磷酸二氢钾和硝酸钾溶液中，混匀后静置24小时。用筛网收集浸渍后的生物炭，后在烘箱（上海博迅GZX-9076MBE）中50℃下烘干3天。分别利用0.5M碳酸氢钠和1M氯化钠溶液按固液比1:20浸提生物炭测得生物炭磷和硝态氮含量为8.3%和7.3%，合计大于15%。玉米种植每亩地氮磷需求量约为5kg氮和5kg磷，即每亩地每年生物炭肥料使用量约为68.5kg。通常每亩地20cm厚的土层总质量为185t，按生物炭总质量不超过土壤质量的1%计，一亩地的生物炭受纳量为1850kg。按当前施肥量，不考虑生物炭老化情况亦可连续施肥超过27年，满足生物炭作为肥料连续施用的要求。

生物炭截留带布设：白洋淀区域年降雨量约600mm，年均温15℃，其中七月为降雨最大月份，降雨量约为125mm。依据

Figure DEST_PATH_685360DEST_PATH_IMAGE004

径流计算方法，白洋淀农田土壤一亩地一年的径流量约为12m³，其中单月最大径流量为2.5m³。本实施例中的农田区域田块尺寸为5m×5m，设计的生物炭截留带尺寸为0.2m×0.5m×5m，满足生物炭截留带尺寸需求。截留带中填充有0.15m厚的粒径为2mm的600℃果壳生物炭。

农田土壤氮磷流失生物炭截留及回用系统应用：实施区域分为四块5m×5m的农田区域，编号为1-4，各区域之间间隔1m。各区域内玉米种植密度为5行，行距0.4m，每行内株距0.75m。区域1和2施用生物炭肥料，施用量为含有0.19kg氮的生物炭肥料（即2.6kg生物炭肥料），区域3和4添加等量的氮磷矿质肥料（即1.37kg硝酸钾和0.92kg磷酸二氢钾颗粒）。区域1和3后设置生物炭截留带，区域2和4后不设生物炭截留带。整个种植测试过程于2020年6月12日开始至2020年8月12日结束，持续两个月。期间农田区域灌溉采取人工浇灌，各区域等时浇灌，且人为控制过量水量以形成适当的农田径流。实施过程中分别对各区域径流水样、田间土壤、田后土壤、以及截留带生物炭中的磷、硝态氮和铵态氮含量进行测定。

其结果表明：

（1）氮磷附载生物炭肥料可以明显降低初期的农田氮磷的径流损失，包括59%的磷损失、69%的硝态氮损失和53%的铵态氮损失。

（3）随着流入截留带中的径流蒸发，截留带中的生物炭可以富集农田流失的氮磷，并回用于农田。且实施例数据表明依据设计尺寸布设的生物炭截留带容量可保证其正常使用超过900年，亦表明实际应用中可进一步减小生物炭截留带布设所挤占的农田区域和布设成本。

综上，本实用新型提出的一种农田土壤氮磷流失生物炭截留及回用系统设计简便、操作简单、效果显著、成本低廉，有着较好的生产实用性。

Claims

1.一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统，其特征在于它包括：施用附载氮磷生物炭肥料的农田（1）、农田径流生物炭截留带（2）、回用的截留生物炭（3）；其中农田径流生物炭截留带（2）位于施用附载氮磷生物炭肥料的农田（1）的主径流方向后端0.5-1米，回用的截留生物炭（3）装填在农田径流生物炭截留带（2）中。