利用水稻秸秆生物质炭保产增产并减少氨挥发排放的方法与流程

本发明属于生物质炭领域，具体涉及一种利用水稻秸秆生物质炭保产增产并减少氨挥发排放的方法。

背景技术：

氮素是在土壤中经历各种转化的主要植物营养物，水稻农业生态系统依靠氮素的投入来维持提高生产力，但农民经常在一些地区施用比所需更多的氮肥。在高氮素输入条件下，氮素在环境中的损失量也就愈大。土壤氨挥发是稻田氮素损失的最主要形式之一，它不仅导致直接的氮肥损失，减少了作物生长的可利用氮量，还造成严重的环境污染，并通过显着促进全球变暖导致环境退化。由于日照强烈和水稻生长季节的高温，氨挥发损失率可高达季节性施氮量的40％，氨(nh3)挥发尤需受到高度关注。农业中常用的氮肥形式是尿素(46％氮)，磷酸氢二铵(18％氮)，家禽粪肥(3％氮)等。这些肥料显着改变着土壤的化学性质，如ph值和阳离子交换量(cec)，从而影响nh3挥发。优化氮素利用形式，减少氮素流失，保氮持氮是保证水稻增产稳产的有效措施。因此开发稻田减缓氨挥发排放措施对于水稻增产，土壤肥力保持，改变氮肥利用量大，利用率低，缓解农业环境污染具有重要的现实意义。

近年来，由于生物炭在螯合碳和提高土壤养分利用效率方面的作用，已经创造了许多研究和商业利益。生物炭通过改变氮素转化过程的速率来影响土壤中的氮动态，在此过程中，生物炭可以减少氮的径流和淋失，并使植物更容易获得养分。另外，生物炭还可以诱导氮循环微生物固定在土壤中。因此生物质炭通过减少氨挥发排放大大减少了氮素损失。

我国水稻秸秆资源丰富，将水稻秸秆制备成生物质炭，利用生物质炭本身富含的大量养分，以及多孔性，高比表面积，强吸附性等优良特性。如何施用此类生物质炭，使其具有保产增产并减少氨挥发排放的作用，是急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对水稻田氮肥流失严重问题，提供一种利用水稻秸秆生物质炭保产增产的同时减少氨挥发的方法，以实现在长期减少肥料利用的同时减少氨挥发排放，减少氮素流失，提高氮素利用率，增加水稻产量。

为了解决上述技术问题，本发明具体采用的技术方案如下：

一种利用水稻秸秆生物质炭保产增产并减少氨挥发排放的方法，该方法在水稻种植过程中的水肥管理措施如下：

在水稻秧苗移栽前一周，将水稻秸秆生物质炭按比例一次性添加至缺钾少钙稻田，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；

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；水稻移栽18～22天后，进行第一次追肥，再过18～22天后进行第二次追肥。

采用本发明的方法在保证长期不减产的同时，减少水稻生长时期氨挥发排放，减少氮肥的使用，提高氮肥利用率，同时实现秸秆资源化利用，保障全球粮食安全。

作为优选，所述水稻秸秆生物质炭的添加量为0.19t/mu。

作为优选，所述基肥包括尿素31kgmu^-1，以p计的磷肥1kg/mu，以及以k计的钾肥15kg/mu。

作为优选，第一次追肥为尿素，施用量为23kg/mu。

作为优选，第一次追肥为尿素，施用量为23kg/mu。

作为优选，所述缺钾少钙稻田中，耕作层土壤的理化参数如下：总碳占比2.13％，总氮占比7.6％，有效磷0.0073g·kg^-1，有效钾0.0076g·kg^-1，有效钙0.708g·kg^-1，ph值为5.1，阳离子交换量8.91cmol·kg^-1，为砂壤土。

作为优选，水稻种植过程中的其他农事操作(例如育苗、移栽、灌溉等)按照种植地常规种植方式进行。

作为优选，所述的水稻秸秆生物质炭以如下方法制得：将水稻秸秆自然风干，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。

进一步的，所述的水稻秸秆自然风干后含水率≤10％。

进一步的，所述的水稻秸秆生物质炭粒径为1-3mm，碳含量为53wt.％，氮含量1-2wt.％。

该方法能从物理、化学、生物学等诸多土壤特性上影响氮素循环，影响氨氧化和硝化反硝化过程，减少田面水nh4⁺浓度，减缓氮素流失，提高氮肥和养分利用率，尤其是对中地产地土壤，将生物质炭配合水稻专用复合肥施用，能在一定程度上持留施加养分与土壤养分，增加土壤钾、钙含量的同时促进氨氧化过程，减少氨气排放提高水稻产量；水稻秸秆生物质炭配合水稻专用复合肥应用之所以能减少氨气排放，持留氮素，提高肥效，促进水稻长期增产，主要是因为：

1)生物质炭具有高比表面积，高孔隙度以及丰富的表面官能团，使得生物质炭吸附持留尿素分解产生的nh4⁺，并且生物质炭具有大量阳离子交换位点，能直接与碱性气体发生离子交换，同时生物质炭表面的酸性含氧官能团也能与氨气发生化学反应，能将其固定到生物质炭表面，减少田面水nh4⁺浓度，从而削弱氨挥发。2)生物质炭吸附氨氮是不可逆的，被生物质炭吸附的氨氮再次回到仍具有较强的作物可利用性，避免被吸附的氨氮再次回到田面水中。3)氨氧化过程是土壤氮素循环的中心环节，生物质炭还田能显著提升稻田土壤aoa和aob的基因拷贝数，有利于提高土壤的硝化潜势，促进稻田土壤硝化作用，增加对铵态氮的利用。生物质炭还田通过促进硝化作用，降低田面水的nh4⁺-n浓度(图4)，从而有利于降低稻田土壤氨挥发。4)生物质炭在增加土壤肥力，持留土壤肥力的同时，减少了氮素流失，增加了氮素利用率，既保障了水稻产量，又降低了氨气排放。

本发明适宜于改良我国南方养分贫瘠的水稻中低产地。本发明具有如下有益效果：能够实现水稻保产增产的同时削减氨挥发排放，明显提高氮肥利用率，减少水稻种植过程中肥料成本；能够尽可能的减少由于化肥流失带来的农业面源污染；能够避免秸秆焚烧带来的环境污染问题，实现水稻秸秆变废为宝。

附图说明

图1是水稻秸秆生物质炭施用对水稻产量的影响；

图2是水稻秸秆生物质炭施用对稻田土壤氨气排放总量的影响；

图3是水稻秸秆生物质炭施用对稻田土壤氨气排放通量的影响；

图4是水稻秸秆生物质炭施用对稻田土壤田面水氨氮浓度的影响。

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。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在杭州市余杭区径山镇建立生物质炭还田试验基地，该土壤基本理化性质如下：耕作层土壤总碳占比2.13％，总氮占比7.6％，有效磷0.0073g·kg^-1，有效钾0.0076g·kg^-1，有效钙0.708g·kg^-1，ph值(1:2.5h2o)为5.1，阳离子交换量8.91cmol·kg^-1，为砂壤土。田间试验设2个处理，分别为常规施肥对照(ck)和水稻秸秆生物质炭(rsc)。每个处理设3个重复。共计6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。

rsc组的试验方法如下：

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％。

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。

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31kgmu^-1，磷肥(以p计)1kgmu^-1，钾肥(以k计)15kgmu^-1；水稻移栽20天后，进行第一次追肥，施加23kgmu^-1尿素，再过20天后进行第二次追肥，施加23kgmu^-1尿素。其余按照水稻常规种植方式进行育苗、移栽、灌溉等。

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。

通过测定水稻成熟期的产量，用磷酸甘油-双层海绵吸收通气法测定稻田土壤氨气挥发量，用纳氏试剂比色法测定田面水铵态氮浓度，反应秸秆生物质炭对水稻田氨挥发的削减效果。

图1结果表明，一次施用0.19t/mu水稻秸秆生物质炭，水稻依然能够实现增产，相比于空白对照组，秸秆生物质炭还田能够显著提高水稻产量，增产7％以上。

图2结果表明，一次施用0.19t/mu水稻秸秆生物质炭，能够有效减少水稻田氨挥发排放量，水稻秸秆生物质炭还田将减少12％以上的氨挥发排放总量。

图3结果表明，一次施用0.19t/mu水稻秸秆生物质炭，能够在氨挥发排放峰值期显著减少氨挥发。

图4结果表明，水稻秸秆生物质炭减少氨挥发的机理在于减少了田面水氨氮浓度。

综上可见，0.19t/mu秸秆生物质炭施加于水稻田能够在保证增产的同时显著削减氨挥发，能够节省肥料，减少面源污染，提高农业经济效益。

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。