专利名称：一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法
技术领域：
该发明涉及一种利用农业秸秆生物黑炭大幅度抑制农田氧化亚氮排放的方法，属于温室气体减排和资源循环利用技术领域。
背景技术：
氧化亚氮是主要的温室气体，100年的时间尺度下，其单位分子的增温潜势是二氧化碳的 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]。农业源 N2O 排放主要来自农田氮肥和施用禽畜粪便，占全球总人为氧化亚氮排放的60%。1990年-2005年间，农田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]，预计到 2030 年将增力口 35-60%[Food and Agricultural Organization (FAO), 2003. World Agricultural Towards 2015/2030. An FAO Perspective, FA0. Rome]。中国是农业大国，占世界总粮食收获面积的12%，中国每年消耗的化学氮肥由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/]，与此同时，农田氧化亚氮的排放大量增加。每年由肥料直接导致的队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 ±曾力口速率为每年的 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] 中国三大作物水稻、 小麦、玉米的氮肥利用率平均为30%左右，而发达国家平均达到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%，氮肥导致N2O排放造成的损失也是主要原因。提高氮肥的利用率，降低氮肥导致的农田队0排放系数不但是温室气体减排的迫切需求，更是提高氮肥利用率的农业技术需求。在控制和降低农田N2O排放技术研究上， 前人的研究主要是
控释化肥稻田施用包膜型复合肥队0累积排放量仅为未包膜型复合肥料的13.45 % 21.26 %，是尿素处理的71.17 % 112.47 % [李方敏，樊小林，刘芳等.控释肥料对稻田氧化亚氮排放的影响.应用生态学报，2004，15 (11) 2170 2174]。但是包膜型复合肥价格偏高，目前国内缓控释肥每吨加工费用在600-800元，加上工厂管理和经营， 每吨800-1000元。目前尚没有在农业生产中普遍应用[缓控释肥价格高难推广.http:// www. fert. cn/ news/ 2008/ 7/4/20087410482979162. shtml]。 长效碳酸氢铵和长效尿素是使用生物抑制剂如脲酶抑制剂氢醌/硝化抑制剂双氰胺与碳酸氢铵/尿素按一定的比例制成。与施用普通碳酸氢铵和尿素相比，长效碳酸氢铵与长效尿素能显著减少队0排放27% 88%[岳进，梁巍，吴杰等.黑土稻田CH4与 N2O排放及减排措施研究.应用生态学报，2003，14 (11) 2015 2018.梁巍，张颖，岳进等.长效氮肥施用对黑土水旱田CH4与队0排放的影响.生态学杂志，2004，23 44 48.陈利军，史弈，李荣华等.脲酶抑制剂和硝化抑制剂的协同作用对尿素氮转化和N2O排放的影响.应用生态学报，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]。同时，我国农业每年产生大量的农业秸秆，大部分没有得到循环利用。每年农作物秸秆产生量约7亿吨，估计高达40%的秸秆在收获后被田间焚烧[曹国良，张小曳，郑方成，等.中国大陆秸秆露天焚烧的量的估算[J]资源科学，2006，观(1):9-13],其产生的黑碳、挥发性有机物、有机碳、一氧化碳和二氧化碳等排放分别可以占它们的全国总排放的 11%到6%不等[曹国良，张小曳，王亚强，郑方成等.中国区域农田秸秆露天焚烧排放量的估算[J]·科学通报2007，52 (15): 1826-1831]。上世末以来，秸秆转化为生物黑炭的热裂解技术日益成熟。如果将生物黑炭施用于农田，避免因秸秆焚烧导致的温室气体直接排放，增加土壤碳汇，并且减少农田N2O的排放，不但有利于农业秸秆循环利用，而且在减少我国农业温室气体排放和减少化肥施用上具有重大意义和农业应用前景。
发明内容
本发明是在实现作物秸秆农田循环利用下，解决既保持和提高作物生产力又大幅度抑制农田氮肥施用的队0排放从而提高氮肥农学效率的技术问题。其目的是提供一种通过生物黑炭土壤处理而大幅度就地降低农田氮肥队0排放的简便农业技术，它不仅可以为秸秆生物黑炭农田循环利用提供回田处理方案，并且可以为降低我国农田队0排放提供一种关键解决途径。为了实现上述目的，本发明提供一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法，该方法步骤如下
1)秸秆热裂解生产生物黑炭收集农作物秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%，然后在300-50(TC进行热裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，过筛，并混合均勻化，得到颗粒直径<0. 25 mm的生物黑炭；
2)生物黑炭土壤处理前茬作物收割后，将颗粒直径<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层20 cm厚的土壤内；对于水田， 土壤处理后灌溉淹水2-5 cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接种植作物。其农田管理措施灌溉、施肥和植保与当地农田管理一致。所述农作物秸秆为小麦秸秆、水稻秸秆或者玉米秸秆。所述热裂解炭化在池式限氧热裂解炭化炉或立窑式限氧热裂解炭化炉中进行。本发明的工作原理秸秆生物黑炭为微碱性，疏松多孔，容重为0.42 g cm_3，稳定性有机质和螯合性有机官能团丰富，对无机态氮素吸附力强，并含有部分生物抑制成分，施用于土壤中增加土壤通气性，提高土壤碳氮比，抑制硝化反硝化微生物活动，从而阻抑了氮素转化为队0，同时，由于改善土壤结构，提高土壤微生物总体活性，保持或者促进了作物生长。达到大幅度降低农田队0排放的效果。本发明具有以下有益效果
秸秆生物黑炭的农田土壤处理通过循环利用秸秆避免了农业秸秆田间焚烧引起的温室气体，关键在于大幅度降低了氮肥产生的农田队0排放，而提高了氮肥的农学效率。另外，还通过土壤结构改善促进了作物生长。在太湖地区稻田的两年试验表明，在施氮肥下， 用量为10，20及40 t ha—1时，与不施生物黑炭相比，施用生物黑炭土壤N2O的排放降低了 31%-58%，稻田氮肥的N2O直接排放系数降低了 48%-83% (见图2)；氮肥利用效率提高84 %-130% (见图3)。在黄淮海平原潮土的试验表明，施氮肥下，与不施生物黑炭相比，生物黑炭土壤处理降低了氮肥N2O排放的11%-似％ A2O直接排放系数降低16%-53%(图4)；相应提高氮肥农学效率达58%-83%(图幻。因此，生物黑炭土壤处理无论是水田还是旱地均大幅度降低了土壤队0的排放和由氮肥直接导致的队0的直接排放系数。这些试验表明，生物黑炭土壤处理通过改善土壤结构，促进了根系生长。保持和提高了作物产量。
图1生物黑炭的生产工艺流程。图2生物黑炭的施用对稻田N2O排放系数的影响(其中⑶，Cl，C2和C3分别代表生物黑炭的用量为0，10，20和40 t ha-1)。图3生物黑炭的施用对稻田氮肥农学效率的影响(其中com，CINi，c2m和C3m 分别代表生物黑炭的用量为0，10，20和40 t ha—1，Nl指的是300 kg N ha-1的氮肥)。图4生物黑炭的施用对旱地N2O排放系数的影响(其中C0，Cl和C2分别代表生物黑炭的用量为0，20和40 t ha-1)。图5生物黑炭的施用对旱地氮肥农学效率的影响(其中CONl，ClNl和C2W分别代表生物黑炭的用量为0，20和40 t ha—1，Nl指的是300 kg N ha—1的氮肥)。
具体实施例方式实施例1
收集小麦秸秆、水稻秸秆或者玉米秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20% ；然后放入池式限氧热裂解炭化炉或立窑式限氧热裂解炭化炉中在300-50(TC进行炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，过筛，并混合均勻化，得到颗粒直径<0. 25 mm的生物黑炭； 实施例2
黄淮海平原旱地
试验处理，选用实施例1制备出颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭，其用量20，40 tha—1(记为Cl，C2) 2个处理，为了检验生物黑炭施用减少队0效果，另设不施黑炭的处理 (记为CO)，同时设不施氮(NO)和施氮(Ni，用量为300 kg N ha—1，肥料为尿素，其中60%用于基肥，40%用于追肥)，共6个处理，试验设3次重复，共18个小区，随机区组排列，单个小区面积20 m2。农艺管理各小区与当地生产相同。玉米栽培管理玉米(郑单958)于2010年6月17日播种，与2010年9月沈号收获。所有处理中基肥还包括75 kg P2O5 ha—1的磷酸二氢钙和90 kg K2O ha—1的氯化钾。 收割后现场测产。温室气体监测采用静态暗箱-气相色谱(Agilent 7890 Α)法，底座放置于两行玉米的中间，与植株的间隔为7. 5 cm。采样箱面积为35 cm X 35 cm，高度是20 cm，底座及采样箱用PVC材质制成，底座埋入土中10 cm，阻止玉米根系进入采样箱内；箱体外围包一层海绵和铝箔以限制采样箱内空气温度的变化，箱内配制小风扇使气体混合均勻。每次采样时间为上午8:00-10:00，每隔10分钟采样一次，在0，10，20，30 min时采集，共4次，每次抽样60 ml。N2O的监测器是E⑶，载气为95%氩气+5%甲烷，流速为30 ml.mirT1，检测器温度是320。C，燃气为氢气。气体排放速率由4个气样浓度值经线性回归分析得出，排放通 SFlux由式1求得，加权平均求全生育期队0的季节排放总量。
权利要求
1.一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法，其特征在于该方法步骤如下1)秸秆热裂解生产生物黑炭收集农作物秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%，然后在300-500 °C进行热裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，过筛，并混合均勻化，得到颗粒直径<0. 25 mm的生物黑炭；2)生物黑炭土壤处理前茬作物收割后，将颗粒直径<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层20 cm厚的土壤内；对于水田， 土壤处理后灌溉淹水2-5 cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接种植作物；农田管理措施灌溉、 施肥和植保与当地农田管理一致。
2.根据权利要求1所述的一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法， 其特征在于所述农作物秸秆为小麦秸秆、水稻秸秆或者玉米秸秆。
3.根据权利要求1所述的一种降低农田氧化亚氮排放的秸秆生物黑炭土壤处理方法， 其特征在于所述热裂解炭化在池式限氧热裂解炭化炉或立窑式限氧热裂解炭化炉中进行。
全文摘要
一种适用于水田和旱地的抑制农田氧化亚氮排放的方法，方法步骤如下1)秸秆热裂解生产生物黑炭收集农作物秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%，进行热裂解炭化，得到生物黑炭，然后磨碎，过筛，并混合均匀化，得到颗粒直径<0.25mm的生物黑炭；2)生物黑炭土壤处理前茬作物收割后，将生物黑炭均匀撒施土壤表面，耕耙使之均匀混合于耕层的土壤内；对于水田，土壤处理后灌溉淹水2-5cm，3-5天后移栽水稻；旱地直接种植作物；农田管理措施灌溉、施肥和植保与当地农田管理一致。经过在作物生长期的田间观测，可以使水稻、玉米等作物的太湖平原稻田、黄淮海平原旱地土壤N2O的排放分别减少31%-58%和11%-42%。
文档编号C09K17/02GK102308687SQ20111017177
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘玉明, 张旭辉, 张阿凤, 李恋卿, 潘根兴, 郑金伟 申请人:南京农业大学