專利名稱：一種降低農(nóng)田氧化亞氮排放的秸稈生物黑炭土壤處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及一種利用農(nóng)業(yè)秸稈生物黑炭大幅度抑制農(nóng)田氧化亞氮排放的方法，屬于溫室氣體減排和資源循環(huán)利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化亞氮是主要的溫室氣體，100年的時間尺度下，其單位分子的增溫潛勢是二氧化碳的 298 倍[Forster, P. , Ramaswamy, V. , Artaxo, P. , et al. 2007. Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing. In: Solomon, S. , Qin, D. , Manning, Μ. , et al. (Eds. ), Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, pp. 130 - 234]。農(nóng)業(yè)源 N2O 排放主要來自農(nóng)田氮肥和施用禽畜糞便，占全球總?cè)藶檠趸瘉喌欧诺?0%。1990年-2005年間，農(nóng)田N2O排放增力口了近 17%[Smith P, Martino D, Cai Ζ, Gwary D, Janzen H, Kumar P, et al. Agriculture. In: Metz B, Davidson OR, Bosch PR, Dave R, Meyer LA. Climate Change 2007: Mitigation. Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, 2007. pp. 497-540]，預(yù)計到 2030 年將增力口 35-60%[Food and Agricultural Organization (FAO), 2003. World Agricultural Towards 2015/2030. An FAO Perspective, FA0. Rome]。中國是農(nóng)業(yè)大國，占世界總糧食收獲面積的12%，中國每年消耗的化學氮肥由1980年的9. 34 Tg N增加到2000年的21. 62 Tg N [FA0STAT, Food and Agriculture Organization of the UN, 2002. Available from: http://appa.fao. org/]，與此同時，農(nóng)田氧化亞氮的排放大量增加。每年由肥料直接導(dǎo)致的隊0的排放由80年代115. 7 Gg N2O-N增加到90年代的210. 5 Gg N2O-N,其 ±曾力口速率為每年的 9. 14 Gg N2O-N [Zou J, Lu Y, Huang Y. Estimates of synthetic fertilizer N—induced direct nitrous oxide emission from Chinese croplands during 1980-2000. Environment Pollution 158(2010)631-635] 中國三大作物水稻、 小麥、玉米的氮肥利用率平均為30%左右，而發(fā)達國家平均達到42% [ Huang Y, Tan Y. An estimate of greenhouse gas (N2O and CO2) mitigation potential under various scenarios of nitrogen use efficiency in Chinese croplands. Global Change Biology (2010) 16, 29584970]，氮肥利用率低了 12%，氮肥導(dǎo)致N2O排放造成的損失也是主要原因。提高氮肥的利用率，降低氮肥導(dǎo)致的農(nóng)田隊0排放系數(shù)不但是溫室氣體減排的迫切需求，更是提高氮肥利用率的農(nóng)業(yè)技術(shù)需求。在控制和降低農(nóng)田N2O排放技術(shù)研究上， 前人的研究主要是
控釋化肥稻田施用包膜型復(fù)合肥隊0累積排放量僅為未包膜型復(fù)合肥料的13.45 % 21.26 %，是尿素處理的71.17 % 112.47 % [李方敏，樊小林，劉芳等.控釋肥料對稻田氧化亞氮排放的影響.應(yīng)用生態(tài)學報，2004，15 (11) 2170 2174]。但是包膜型復(fù)合肥價格偏高，目前國內(nèi)緩控釋肥每噸加工費用在600-800元，加上工廠管理和經(jīng)營， 每噸800-1000元。目前尚沒有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用[緩控釋肥價格高難推廣.http:// www. fert. cn/ news/ 2008/ 7/4/20087410482979162. shtml]。 長效碳酸氫銨和長效尿素是使用生物抑制劑如脲酶抑制劑氫醌/硝化抑制劑雙氰胺與碳酸氫銨/尿素按一定的比例制成。與施用普通碳酸氫銨和尿素相比，長效碳酸氫銨與長效尿素能顯著減少隊0排放27% 88%[岳進，梁巍，吳杰等.黑土稻田CH4與 N2O排放及減排措施研究.應(yīng)用生態(tài)學報，2003，14 (11) 2015 2018.梁巍，張穎，岳進等.長效氮肥施用對黑土水旱田CH4與隊0排放的影響.生態(tài)學雜志，2004，23 44 48.陳利軍，史弈，李榮華等.脲酶抑制劑和硝化抑制劑的協(xié)同作用對尿素氮轉(zhuǎn)化和N2O排放的影響.應(yīng)用生態(tài)學報，1995，6 (4) 368 372. Xu X, Boeckx P, Cleemput V, Zhou L. Urease and nitrification inhibitors to reduce emissions of CH4 and N2O in rice production. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002, 64: 203 211. Xu X, Boeckx P, Zhou L, Cleemput V. Inhibition experiments on nitrous oxide emission from paddy soils. Global Biogeochemical Cycles, 2002, 16(3),1044, doi: 1011029 /2001GB001397]。同時，我國農(nóng)業(yè)每年產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)秸稈，大部分沒有得到循環(huán)利用。每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量約7億噸，估計高達40%的秸稈在收獲后被田間焚燒[曹國良，張小曳，鄭方成，等.中國大陸秸稈露天焚燒的量的估算[J]資源科學，2006，觀(1):9-13],其產(chǎn)生的黑碳、揮發(fā)性有機物、有機碳、一氧化碳和二氧化碳等排放分別可以占它們的全國總排放的 11%到6%不等[曹國良，張小曳，王亞強，鄭方成等.中國區(qū)域農(nóng)田秸稈露天焚燒排放量的估算[J]·科學通報2007，52 (15): 1826-1831]。上世末以來，秸稈轉(zhuǎn)化為生物黑炭的熱裂解技術(shù)日益成熟。如果將生物黑炭施用于農(nóng)田，避免因秸稈焚燒導(dǎo)致的溫室氣體直接排放，增加土壤碳匯，并且減少農(nóng)田N2O的排放，不但有利于農(nóng)業(yè)秸稈循環(huán)利用，而且在減少我國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放和減少化肥施用上具有重大意義和農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在實現(xiàn)作物秸稈農(nóng)田循環(huán)利用下，解決既保持和提高作物生產(chǎn)力又大幅度抑制農(nóng)田氮肥施用的隊0排放從而提高氮肥農(nóng)學效率的技術(shù)問題。其目的是提供一種通過生物黑炭土壤處理而大幅度就地降低農(nóng)田氮肥隊0排放的簡便農(nóng)業(yè)技術(shù)，它不僅可以為秸稈生物黑炭農(nóng)田循環(huán)利用提供回田處理方案，并且可以為降低我國農(nóng)田隊0排放提供一種關(guān)鍵解決途徑。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種降低農(nóng)田氧化亞氮排放的秸稈生物黑炭土壤處理方法，該方法步驟如下
1)秸稈熱裂解生產(chǎn)生物黑炭收集農(nóng)作物秸稈，風干或晾曬使之含水量低于20%，然后在300-50(TC進行熱裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，過篩，并混合均勻化，得到顆粒直徑<0. 25 mm的生物黑炭；
2)生物黑炭土壤處理前茬作物收割后，將顆粒直徑<0.25mm的生物黑炭按照10-40 t ha—1的用量均勻撒施土壤表面，耕耙使之均勻混合于耕層20 cm厚的土壤內(nèi)；對于水田， 土壤處理后灌溉淹水2-5 cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接種植作物。其農(nóng)田管理措施灌溉、施肥和植保與當?shù)剞r(nóng)田管理一致。所述農(nóng)作物秸稈為小麥秸稈、水稻秸稈或者玉米秸稈。所述熱裂解炭化在池式限氧熱裂解炭化爐或立窯式限氧熱裂解炭化爐中進行。本發(fā)明的工作原理秸稈生物黑炭為微堿性，疏松多孔，容重為0.42 g cm_3，穩(wěn)定性有機質(zhì)和螯合性有機官能團豐富，對無機態(tài)氮素吸附力強，并含有部分生物抑制成分，施用于土壤中增加土壤通氣性，提高土壤碳氮比，抑制硝化反硝化微生物活動，從而阻抑了氮素轉(zhuǎn)化為隊0，同時，由于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物總體活性，保持或者促進了作物生長。達到大幅度降低農(nóng)田隊0排放的效果。本發(fā)明具有以下有益效果
秸稈生物黑炭的農(nóng)田土壤處理通過循環(huán)利用秸稈避免了農(nóng)業(yè)秸稈田間焚燒引起的溫室氣體，關(guān)鍵在于大幅度降低了氮肥產(chǎn)生的農(nóng)田隊0排放，而提高了氮肥的農(nóng)學效率。另外，還通過土壤結(jié)構(gòu)改善促進了作物生長。在太湖地區(qū)稻田的兩年試驗表明，在施氮肥下， 用量為10，20及40 t ha—1時，與不施生物黑炭相比，施用生物黑炭土壤N2O的排放降低了 31%-58%，稻田氮肥的N2O直接排放系數(shù)降低了 48%-83% (見圖2)；氮肥利用效率提高84 %-130% (見圖3)。在黃淮海平原潮土的試驗表明，施氮肥下，與不施生物黑炭相比，生物黑炭土壤處理降低了氮肥N2O排放的11%-似％ A2O直接排放系數(shù)降低16%-53%(圖4)；相應(yīng)提高氮肥農(nóng)學效率達58%-83%(圖幻。因此，生物黑炭土壤處理無論是水田還是旱地均大幅度降低了土壤隊0的排放和由氮肥直接導(dǎo)致的隊0的直接排放系數(shù)。這些試驗表明，生物黑炭土壤處理通過改善土壤結(jié)構(gòu)，促進了根系生長。保持和提高了作物產(chǎn)量。


圖1生物黑炭的生產(chǎn)工藝流程。圖2生物黑炭的施用對稻田N2O排放系數(shù)的影響(其中⑶，Cl，C2和C3分別代表生物黑炭的用量為0，10，20和40 t ha-1)。圖3生物黑炭的施用對稻田氮肥農(nóng)學效率的影響(其中com，CINi，c2m和C3m 分別代表生物黑炭的用量為0，10，20和40 t ha—1，Nl指的是300 kg N ha-1的氮肥)。圖4生物黑炭的施用對旱地N2O排放系數(shù)的影響(其中C0，Cl和C2分別代表生物黑炭的用量為0，20和40 t ha-1)。圖5生物黑炭的施用對旱地氮肥農(nóng)學效率的影響(其中CONl，ClNl和C2W分別代表生物黑炭的用量為0，20和40 t ha—1，Nl指的是300 kg N ha—1的氮肥)。
具體實施例方式實施例1
收集小麥秸稈、水稻秸稈或者玉米秸稈，風干或晾曬使之含水量低于20% ；然后放入池式限氧熱裂解炭化爐或立窯式限氧熱裂解炭化爐中在300-50(TC進行炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，過篩，并混合均勻化，得到顆粒直徑<0. 25 mm的生物黑炭； 實施例2
黃淮海平原旱地
試驗處理，選用實施例1制備出顆粒直徑<0.25 mm的生物黑炭，其用量20，40 tha—1(記為Cl，C2) 2個處理，為了檢驗生物黑炭施用減少隊0效果，另設(shè)不施黑炭的處理 (記為CO)，同時設(shè)不施氮(NO)和施氮(Ni，用量為300 kg N ha—1，肥料為尿素，其中60%用于基肥，40%用于追肥)，共6個處理，試驗設(shè)3次重復(fù)，共18個小區(qū)，隨機區(qū)組排列，單個小區(qū)面積20 m2。農(nóng)藝管理各小區(qū)與當?shù)厣a(chǎn)相同。玉米栽培管理玉米(鄭單958)于2010年6月17日播種，與2010年9月沈號收獲。所有處理中基肥還包括75 kg P2O5 ha—1的磷酸二氫鈣和90 kg K2O ha—1的氯化鉀。 收割后現(xiàn)場測產(chǎn)。溫室氣體監(jiān)測采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜(Agilent 7890 Α)法，底座放置于兩行玉米的中間，與植株的間隔為7. 5 cm。采樣箱面積為35 cm X 35 cm，高度是20 cm，底座及采樣箱用PVC材質(zhì)制成，底座埋入土中10 cm，阻止玉米根系進入采樣箱內(nèi)；箱體外圍包一層海綿和鋁箔以限制采樣箱內(nèi)空氣溫度的變化，箱內(nèi)配制小風扇使氣體混合均勻。每次采樣時間為上午8:00-10:00，每隔10分鐘采樣一次，在0，10，20，30 min時采集，共4次，每次抽樣60 ml。N2O的監(jiān)測器是E⑶，載氣為95%氬氣+5%甲烷，流速為30 ml.mirT1，檢測器溫度是320。C，燃氣為氫氣。氣體排放速率由4個氣樣濃度值經(jīng)線性回歸分析得出，排放通 SFlux由式1求得，加權(quán)平均求全生育期隊0的季節(jié)排放總量。
權(quán)利要求
1.一種降低農(nóng)田氧化亞氮排放的秸稈生物黑炭土壤處理方法，其特征在于該方法步驟如下1)秸稈熱裂解生產(chǎn)生物黑炭收集農(nóng)作物秸稈，風干或晾曬使之含水量低于20%，然后在300-500 °C進行熱裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，過篩，并混合均勻化，得到顆粒直徑<0. 25 mm的生物黑炭；2)生物黑炭土壤處理前茬作物收割后，將顆粒直徑<0.25 mm的生物黑炭按照10-40 t ha—1的用量均勻撒施土壤表面，耕耙使之均勻混合于耕層20 cm厚的土壤內(nèi)；對于水田， 土壤處理后灌溉淹水2-5 cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接種植作物；農(nóng)田管理措施灌溉、 施肥和植保與當?shù)剞r(nóng)田管理一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低農(nóng)田氧化亞氮排放的秸稈生物黑炭土壤處理方法， 其特征在于所述農(nóng)作物秸稈為小麥秸稈、水稻秸稈或者玉米秸稈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低農(nóng)田氧化亞氮排放的秸稈生物黑炭土壤處理方法， 其特征在于所述熱裂解炭化在池式限氧熱裂解炭化爐或立窯式限氧熱裂解炭化爐中進行。
全文摘要
一種適用于水田和旱地的抑制農(nóng)田氧化亞氮排放的方法，方法步驟如下1)秸稈熱裂解生產(chǎn)生物黑炭收集農(nóng)作物秸稈，風干或晾曬使之含水量低于20%，進行熱裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，過篩，并混合均勻化，得到顆粒直徑<0.25mm的生物黑炭；2)生物黑炭土壤處理前茬作物收割后，將生物黑炭均勻撒施土壤表面，耕耙使之均勻混合于耕層的土壤內(nèi)；對于水田，土壤處理后灌溉淹水2-5cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接種植作物；農(nóng)田管理措施灌溉、施肥和植保與當?shù)剞r(nóng)田管理一致。經(jīng)過在作物生長期的田間觀測，可以使水稻、玉米等作物的太湖平原稻田、黃淮海平原旱地土壤N2O的排放分別減少31%-58%和11%-42%。
文檔編號C09K17/02GK102308687SQ20111017177
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者劉玉明, 張旭輝, 張阿鳳, 李戀卿, 潘根興, 鄭金偉 申請人:南京農(nóng)業(yè)大學