利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法与流程

本发明涉及一种利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法，属于温室气体减排技术以及绿色农业技术领域。

背景技术：

目前，因温室气体排放导致的全球气候变化问题，引起国际社会的广泛关注。按照联合国政府间气候变化委员会（intergovernmentalpanelonclimatechange，ipcc）的规定：温室气体包括二氧化碳（co2）、甲烷（ch4）、一氧化二氮（n2o）、氢氟烃（hfcs）、全氟碳化物（pfcs）和六氟化硫（sf6）。首先，大气中n2o浓度较低（约为大气中co2浓度的1/1100），其对红外线辐射具有较强的吸收能力（是co2的190-290倍，是ch4的4-21倍），因此n2o具有极高的温室效应强度。其次，n2o化学性质较为稳定，可以在大气中存在100年以上不分解。最后，n2o能够穿透大气层进入同温层，通过光化学反应产生no，进而破坏臭氧层（no+o3→no2+o2），迫使人类健康和生态系统面临紫外线过度辐射的侵害。

截至目前，n2o排放问题引起国际社会的关注。2013年11月21日联合国环境规划署最新发布的《削减一氧化二氮排放保护臭氧层和缓解气候变化》报告指出，n2o严重消耗臭氧层物质并产生温室效应，且每年以0.2%-0.3%的速度增长，若不采取任何措施，到2050年其浓度将平均增加83%。此外，《京都议定书》也规定，n2o属于抵御全球气候变暖必须控制的一种温室气体。

综上，人类社会亟需采取措施控制甚至减少n2o的排放。n2o排放源包括自然源和人为源。其中，自然源包括森林、海洋和自然土壤；人为源包括农田施肥、畜牧业生产、物质燃烧和工业过程等。统计数据显示，农业生产活动，占全球排放总量的68%。对于我国而言，这一比例甚至高达73.9%。因此，减少我国农业生产过程中n2o的排放，既有利于减少n2o的环境危害，又有助于提升我国温室气体减排的履约能力。

现代农业生产过程中离不开化肥，尤其是氮肥。施用氮肥是农业源排放n2o的主要原因。施入农业土壤中的氮肥通常以铵态氮肥或产生铵态氮的氮肥为主。土壤中硝化细菌（好氧菌）将铵态氮转变为硝态氮。硝态氮扩散至厌氧区，在反硝化细菌（异养、兼性厌氧菌）的作用下，生成n2o和n2等气体。为了满足全球持续增长的人口对于农作物的需求，以氮肥为主的化肥需求量在今后仍将持续增加。因此，人类需要采取措施，调和氮肥施用和由其导致的n2o排放之间的矛盾。对于n2o减排，通过管理水肥、选用优良品种、施用长效或者控释肥、提高氮肥利用率和使用生物抑制剂等，均能够一定程度上减少n2o排放，但是为了有效减排n2o，仍需要采取人为干预措施。截至目前，向土壤添加生物炭的方法被证明是最行之有效的n2o固定化措施。生物炭减少土壤n2o排放，主要源于其良好的吸附性能。生物炭通过吸附作用固定n2o，进而减少或避免n2o从土壤圈进入大气圈。专利号为zl102308687a的中国发明专利提出了一种利用农作物秸秆制备生物炭，将其与土壤混合进而降低农田中释放n2o方法；专利号为zl103053240a的中国发明专利提出了一种利用芦竹制备生物炭，最终降低农田中释放n2o的方法；专利号为zl102992918的中国发明专利提出了一种利用硝化抑制剂和生物炭配合使用降低农田中释放的n2o方法。分析可知：虽然投加生物炭法可有效减少土壤中n2o的释放，但是该方法仍存在以下不足：（1）生物炭制备过程中会产生废气、废水和颗粒物，引发二次污染；（2）生物炭制备过程中消耗大量能源；（3）生物炭在使用过程中会导致土壤发生其他形式的氮流失，同样会引发水体富营养化等环境问题。

技术实现要素：

为了弥补现有技术中投加生物炭控制土壤释放n2o方法的不足，本发明提出了一种利用煤体削减土壤n2o释放量及提高氮肥利用率的方法；首先，该方法利用天然煤体作为土壤中n2o的固定材料，显著降低了减排土壤n2o释放量的成本；其次，基于煤体具有的发达孔隙结构和丰富的含氧官能团特征，实现对土壤中n2o的吸附，进而减少n2o排放；最后，煤体通过化学吸附，将部分一氧化二氮转化为酰胺基，进而提高氮肥利用率，最终提高农作物和经济作物的产量。

利用煤体固定土壤中的n2o具有以下优势：（1）煤体是一种天然矿物，储量丰富且分布广泛。以我国为例，有数据表明，我国煤炭探明可采储量应在2000亿吨以上，资源量可达3万亿吨。其中，无烟煤和烟煤共5094.91亿吨，次烟煤和褐煤共4747.20亿吨。因此，相比投加生物炭法，利用煤体固定土壤中n2o整个实施过程的成本将显著降低。（2）煤体具有发达的孔隙结构和丰富的含氧官能团，因此具有较强的吸附能力。（3）煤体尤其是低变质程度的褐煤其具有较高的化学活性。因此煤体可以通过化学吸附，将部分一氧化二氮转化为酰胺基，进而提高氮肥利用率，最终提高农作物和经济作物的产量。

本发明首先将煤体研磨成特定粒径的颗粒，然后按照特定配比，将煤体颗粒均匀施于目标土壤中，实现削减土壤n2o释放量并同步提高氮肥利用率的目标。

所述煤体为褐煤、烟煤或无烟煤。

所述土壤为黑土、黄土或红土。

所述煤体的颗粒粒径为20-500目；该粒径范围，既能保证煤体有效地吸附土壤中的n2o，又能充分发挥煤体的化学活性，将部分一氧化二氮转化为酰胺基，提高氮肥利用率。

所述煤体与土壤的掺配比例为0.1kg/m²-1.5kg/m²。

所述农作物为小麦、高粱或玉米。

所述经济作物为棉花、油菜或大豆。

如图2所示，本发明的原理为：

（1）本发明利用容量法测定了煤体对n2o的吸附/解吸性能；由图3可知：煤体对n2o具有良好的吸附能力，且随着n2o吸附平衡压力的升高，煤体的n2o吸附容量（记作gse）呈递增趋势。

（2）观察图3中煤体对n2o，吸附/解吸曲线发现：解吸等温线和吸附等温线之间存在明显的滞后环（即迟滞回线）；迟滞回线的存在表明吸附于煤体的n2o分子将很难解吸。因此，n2o与煤体之间除了物理吸附效应，还存在一定的化学吸附效应。本发明联用x射线光电子能谱（xps）表征和元素分析证实吸附n2o后煤体含氮量明显升高，即证实了煤体和n2o分子之间的确存在化学吸附效应。进一步对xps扫描谱图进行分峰拟合发现：发生化学吸附的n2o分子，主要以酰胺基（-conh2）的形式与煤体结合。酰胺态氮可以在土壤中转化为铵态氮或者硝态氮后被作物直接吸收利用。因此，上述化学吸附效应有助于提高氮肥利用率，进而提高作物产量。

本发明的有益效果为：

（1）本发明利用煤体削减土壤n2o释放量并提升氮肥利用率的方法，利用煤体来源广泛，且廉价易得的优势，显著地降低了实施本发明的成本；

（2）本发明利用煤体削减土壤n2o释放量并提高氮肥利用率的方法，利用煤体具有良好的吸附能力，进而固定土壤中的n2o，实现减排土壤中n2o的目标；

（3）本发明利用煤体削减土壤n2o释放量并提高氮肥利用率的方法，利用煤体可以将部分n2o转化为酰胺基的能力，提高氮肥利用率，进而实现作物增产的目标；

（4）本发明利用煤体削减土壤n2o释放量并提高氮肥利用率的方法，对于清洁高效地利用煤炭资源，进而推进节能减排工作具有重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的流程示意图，其中a图为不添加煤体的土壤，b图为添加煤体的土壤；

图2为本发明利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的机理示意图；

图3为容量法测定的煤体对n2o的吸附/解吸等温线。

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详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，实施例分别对黑土、黄土和红土实施了本发明提出的利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法。

实施例1：如图1所示，利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法，具体包括以下步骤：

（1）将褐煤研磨成粒径为20-100目的颗粒；

（2）选取一块自然环境下的黑土壤；

（3）按照0.1kg/m²的配比，向步骤（2）的黑土壤中掺配步骤（1）中褐煤颗粒；

（4）在步骤（3）土壤中种植小麦；

（5）利用静态箱法测定步骤（4）中黑土壤在3个月内中n2o的总释放量；

（6）待小麦成熟后，收获并称重；

（7）将步骤（5）和步骤（6）获得的n2o总释放量以及小麦产量，与不掺配褐煤的相同黑土壤的n2o释放量以及小麦产量做对比，进而明确本实施例提出的利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的可行性。

结果表明：相比相同操作条件下未掺配褐煤的黑土壤，（1）掺配褐煤后黑土壤的n2o释放量降低21%；（2）掺配褐煤后黑土壤的小麦产量提高6%。

上述实施例表明，以黑土壤为目标改良土壤，本发明提出的掺配褐煤的方法，既能够利用褐煤良好的吸附能力，固定黑土壤中的n2o，又能够利用褐煤将部分吸附的n2o转化为酰胺基的能力，提高氮肥利用率，进而提高小麦产量。

实施例2：利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法，具体包括以下步骤：

（1）将褐煤研磨成粒径为100-180目的颗粒；

（2）选取一块自然环境下的黄土壤；

（3）按照0.3kg/m²的配比，向步骤（2）黄土壤中掺配步骤（1）褐煤颗粒；

（4）在步骤（3）土壤中种植高粱；

（5）利用静态箱法测定步骤（4）中黄土壤在3个月内中n2o的总释放量；

（6）待高粱成熟后，收获并称重；

（7）将步骤（5）和步骤（6）获得的n2o总释放量以及高粱产量，与不掺配褐煤的相同黄土壤的n2o释放量以及高粱产量做对比，进而明确本发明提出的利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的可行性。

结果表明：相比相同操作条件下未掺配褐煤的黄土壤，（1）掺配褐煤后黄土壤的n2o释放量降低23%；（2）掺配褐煤后黄土壤的高粱产量提高7%。

上述实施例表明，以黄土壤为目标改良土壤，本发明提出的掺配褐煤的方法，既能够利用褐煤良好的吸附能力，固定黄土壤中的n2o，又能够利用褐煤将部分吸附的n2o转化为酰胺基的能力，提高氮肥利用率，进而提高高粱产量。

实施例3：利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法，具体包括以下步骤：

（1）将烟煤研磨成粒径为180-250目的颗粒；

（2）选取一块自然环境下的红土壤；

（3）按照0.5kg/m²的配比，向步骤（2）红土壤中掺配步骤（1）烟煤颗粒；

（4）在步骤（3）土壤中种植玉米；

（5）利用静态箱法测定步骤（4）中红土壤在3个月内中n2o的总释放量；

（6）待玉米成熟后，收获并称重；

（7）将步骤（5）和步骤（6）获得的n2o总释放量以及玉米产量，与不掺配烟煤的相同红土壤的n2o释放量以及玉米产量做对比，进而明确本发明提出的利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的可行性。

结果表明：相比相同操作条件下未掺配烟煤的红土壤，（1）掺配烟煤后红土壤的n2o释放量降低25%；（2）掺配烟煤后红土壤的玉米产量提高5%。

上述实施例表明，以红土壤为目标改良土壤，本发明提出的掺配烟煤的方法，既能够利用烟煤良好的吸附能力，固定红土壤中的n2o，又能够利用烟煤将部分吸附的n2o转化为酰胺基的能力，提高氮肥利用率，进而提高玉米产量。

实施例4：利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法，具体包括以下步骤：

（1）将烟煤研磨成粒径为250-330目的颗粒；

（2）选取一块自然环境下的黑土壤；

（3）按照0.8kg/m²的配比，向步骤（2）黑土壤中掺配步骤（1）烟煤颗粒；

（4）在步骤（3）土壤中种植棉花；

（5）利用静态箱法测定步骤（4）中黑土壤在3个月内中n2o的总释放量；

（6）待棉花成熟后，收获并称重；

（7）将步骤（5）和步骤（6）获得的n2o总释放量以及棉花产量，与不掺配烟煤的相同黑土壤的n2o释放量以及棉花产量做对比，进而明确本发明提出的利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的可行性。

结果表明：相比相同操作条件下未掺配烟煤的黑土壤，（1）掺配烟煤后黑土壤的n2o释放量降低31%；（2）掺配烟煤后黑土壤的棉花产量提高6%。

上述实施例表明，以黑土壤为目标改良土壤，本发明提出的掺配烟煤的方法，既能够利用烟煤良好的吸附能力，固定黑土壤中的n2o，又能够利用烟煤将部分吸附的n2o转化为酰胺基的能力，提高氮肥利用率，进而提高棉花产量。

实施例5：利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法，具体包括以下步骤：

（1）将无烟煤研磨成粒径为330-400目的颗粒；

（2）选取一块自然环境下的黄土壤；

（3）按照1.3kg/m²的配比，向步骤（2）黄土壤掺配步骤（1）无烟煤颗粒；

（4）在步骤（3）土壤中种植油菜；

（5）利用静态箱法测定步骤（4）中黄土壤在3个月内中n2o的总释放量；

（6）待油菜成熟后，收获并称重；

（7）将步骤（5）和步骤（6）获得的n2o总释放量以及油菜产量，与不掺配无烟煤的相同黄土壤的n2o释放量以及油菜产量做对比，进而明确本发明提出的利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的可行性。

结果表明：相比相同操作条件下未掺配无烟煤的黄土壤，（1）掺配无烟煤后黄土壤的n2o释放量降低29%；（2）掺配无烟煤后黄土壤的油菜产量提高4%。

上述实施例表明，以黄土壤为目标改良土壤，本发明提出的掺配无烟煤的方法，既能够利用无烟煤良好的吸附能力，固定黄土壤中的n2o，又能够利用无烟煤将部分吸附的n2o转化为酰胺基的能力，提高氮肥利用率，进而提高油菜产量。

实施例6：利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的方法，具体包括以下步骤：

（1）将无烟煤研磨成粒径为400-500目的颗粒；

（2）选取一块自然环境下的红土壤；

（3）按照1.5kg/m²的配比，向步骤（2）红土壤中掺配步骤（1）无烟煤颗粒；

（4）在步骤（3）土壤中种植大豆；

（5）利用静态箱法测定步骤（4）中红土壤在3个月内中n2o的总释放量；

（6）待大豆成熟后，收获并称重；

（7）将步骤（5）和步骤（6）获得的n2o总释放量以及大豆产量，与不掺配无烟煤的相同红土壤的n2o释放量以及大豆产量做对比，进而明确本发明提出的利用煤体削减土壤一氧化二氮释放量及提高氮肥利用率的可行性。

结果表明：相比相同操作条件下未掺配无烟煤的红土壤，（1）掺配无烟煤后红土壤的n2o释放量降低35%；（2）掺配无烟煤后红土壤的大豆产量提高5%。

上述实施例表明，以红土壤为目标改良土壤，本发明提出的掺配无烟煤的方法，既能够利用无烟煤良好的吸附能力，固定红土壤中的n2o，又能够利用无烟煤将部分吸附的n2o转化为酰胺基的能力，提高氮肥利用率，进而提高大豆产量。