一種利用蘆竹生物炭減少土壤氧化亞氮排放的方法
2023-12-08 19:29:36
專利名稱：一種利用蘆竹生物炭減少土壤氧化亞氮排放的方法
技術領域：
本發明屬於溫室氣體減排技術領域，具體涉及一種利用蘆竹生物炭減少土壤氧化亞氮(N2O)排放的方法。
背景技術：
N2O是一種重要的溫室氣體，在大氣中的含量約為320ppb，但其對於全球大氣環境卻有十分重要的意義。N2O可以吸收紅外輻射，其全球增溫潛能分別是同質量的二氧化碳和甲烷的298倍和11. 9倍，並且在大氣中存留時間長達114年。同時，N2O可以與平流層的臭氧發生反應，是目前消耗臭氧層最主要的排放物，已成為21世紀破壞臭氧層的罪魁禍首。大氣中N2O的年逸出量為16. 4Tg(lTg = IO12g)氮，並以每年O. 2 % O. 3 %的速度增加。大氣中N2O的來源有土壤釋放、生物質或生物能源燃燒、化石燃料燃燒和工業釋放等，其中，農田土壤中氮肥的使用引起的N2O排放是大氣中N2O的主要來源，佔大氣中N2O的60%以上。隨著全球人口劇增，為了使糧食增產滿足人口增加的需要，農業氮肥的使用量不斷增加，導致農業土壤N2O的釋放隨之加劇。農業土壤N2O的大量排放勢必會對整個地球環境造成巨大的影響，而人類必須設法解決N2O對全球溫室效應和臭氧層的破壞加劇的難題，以維護生態平衡和人類賴以生存的環境。 目前，減少肥料用量和採用科學耕種方法是減少農田N2O釋放量的重要途徑，如選用合適的氮肥品種、採用合理的施肥方式(深施或混施)、使用硝化抑制劑(雙氰胺(DCD)、氮吡啉(CP))等。科學的耕種方法廣泛推廣應用的前提是需要農業工作者和研究者根據不同地區的氣候環境條件和作物種類，進行系統的研究，使肥料供應儘可能與作物生長需求相吻合。然而，在我國廣大農村地區推廣應用科學的施肥和耕種方法，還需要做很多的基礎性研究工作。硝化抑制劑是一類對硝化細菌有毒的有機化合物。加入銨態氮肥中以抑制土壤內亞硝酸細菌對銨態氮的硝化，從而減少銨態氮轉化為硝態氮而流失所用的添加劑。但是，目前市場上硝化抑制劑主要有四類①含硫化合物類易揮發，不穩定乙炔類氣體，操作不便，不適用氰胺類有一定效果，但用量大，長期使用效果遞減，容易淋溶，長期的使用還會引起土壤質地變差雜環類效果最明顯，綠色安全，技術門檻高。因此，在追求高產的利益驅動下，盲目的大量施肥往往成為農民們的首要選擇，從而導致我國農業陷入「增加施肥一土壤質地惡化一增加施肥」的惡性循環中，這勢必會引起更多的N2O的排放。綜上所述，由於當前農業土壤中的各種N2O減排技術自身的局限性，開發可有效減少農業土壤中N2O的釋放的新型材料和技術已成為廣大科學家關注的熱點問題。利用有機廢棄物製備生物炭等環境友好材料，並利用其進行環境問題的治理，既可以實現廢物資源化利用又可以達到環境保護的目的，近年來受到政府部門和科學界的廣泛關注。蘆竹(Arundo donax L),禾本科蘆竹屬多年生草本植物,根系發達,適應能力強,抗旱、耐澇、耐鹽鹼，抗逆性強，一年種植多年生長。蘆竹產量高，畝產量可達3 5噸。因此，蘆竹被廣泛應用於溼地修復和植物修復等環境技術中。但是，目前蘆竹一般用來造紙，利用途徑單一，經濟價值較低，嚴重限制了溼地修復和植物修復等環境生物技術的推廣和應用。因此，以蘆竹為原料製備生物炭，可以更有效的實現蘆竹資源化利用，為環境生物修復技術提供技術支持。生物炭主要應用於兩個方面添加或填埋於土壤中，封存大氣中的二氧化碳；添加於土壤中，改善土壤肥力，增加作物產量，同時利用生物炭鎖控土壤中的氮、磷、農藥、殺蟲劑等面源汙染物，削減環境汙染風險。但是，目前利用蘆竹為原料製備生物炭且將製備的生物炭用於減少農田土壤N2O的排放，還未見相關報導。
發明內容
本發明的目的在於利用蘆竹製備的生物炭減少農田土壤N2O的排放，以提供一種操作簡單、成本低廉的農業土壤N2O溫室氣體減排的方法。本發明提出利用蘆竹生物炭減少農業土壤N2O排放的方法，主要以蘆竹為原料，在適當的條件下製備成生物炭，按照一定的方式將其添加到土壤中，在一定的培養時間和培養條件下，可有效減少土壤N2O的排放，具體步驟如下I)原材料準備收割蘆竹風乾後，剪至I 5cm的小段；2)生物炭製備 將蘆竹放入氣氛爐，在流速為200 500mL/min的惰性氣體的保護下，以I 20°C /min的升溫速率升至250 650°C進行炭化，炭化時間為I 4h。炭化結束後，在惰性氣體的保護下，冷卻至室溫。將製備的生物炭粉碎至I 5mm，密封，保存於乾燥處備用。3)炭土混合將粉碎好的生物炭按照O. 1% 10%的比例施加到農田土壤中，充分混勻，土壤水分含量應60%以上。施加蘆竹生物炭後，土壤釋放N2O總量下降40%以上。本發明與已有N2O減排技術相比，具有以下優點I)製備生物炭的原材料來源廣泛，方便易得，且產量大，生物炭製備過程還可以實現廢物資源化利用。2)利用生物炭減少農業土壤N2O的釋放，不需投加任何化學藥品，不會產生二次汙染。3)生物炭在減少農業土壤N2O釋放的同時，可以保持土壤氮磷等養分，改善土壤肥力，增加作物產量；可以有效截留殺蟲劑、除草劑等汙染物的淋失，削減環境汙染風險；可以實現二氧化碳的「封存」，為溫室氣體的減排做出巨大貢獻。4)本方法以溼地修復和植物修復中的末端產物低價值的蘆竹為原料製備生物炭，而製備的生物炭又可以應用於農業土壤中，減少N2O的減排，「封存」C02，改良土壤，促進作物生長，因而形成了以環境友好材料生物炭產品、生態建設、生物工程、環保為一體，低投入，高效率，零排放甚至負排放為特徵的循環經濟生產模式，對生態環境建設，能源開發利用，節能減排和全球環境問題的解決起到積極推動作用。5)本發明方法簡單，對管理要求條件低，工藝成熟，易於控制。
具體實施例方式實施例1利用蘆竹地上莖作為原材料，將蘆竹地上莖去葉，剪至Icm小段，風乾，儲存待用。將風乾蘆竹置於氣氛爐中，以300mL/min的速率通入高純氮氣作為保護氣，以10°C /min的速率升至350°C炭化2h，在氮氣的保護下，自然冷卻至室溫。土壤採自山東省青島市城陽區郊區玉米田。土壤採回後，將碎石、草根等雜物清理乾淨，風乾，過2mm 土壤篩，裝入培養罐，每罐60g，將粉碎至2mm的生物炭按5%的比例和土壤混合均勻，於30°C下培養7天，培養期間保持土壤含水量為100%。培養期間定期採集氣體樣品,N2O含量採用氣相色譜測定。實驗結果表明，在7天的培養時間內，N2O的累積釋放量比未加生物炭的土壤減少了 70. 6%。實施例2利用蘆竹葉作為原材料，剪至5cm小段，風乾，儲存待用。將風乾蘆竹葉置於氣氛爐中，以200mL/min的速率通入高純氮氣作為保護氣，以5°C /min的速率升至600°C炭化1.5h，在氮氣保護下，自然冷卻至室溫。土壤採自山東省青島市城陽區郊區蔬菜大棚。土壤採回後，將碎石、草根等雜物清理乾淨，風乾，過2mm 土壤篩，裝入培養罐，每罐60g，將粉碎至Imm的生物炭按1%的比例和土壤混合均勻，於25°C下培養30天，培養期間保持土壤含水量為80%。培養期間定期採集氣體樣品，N20含量採用氣相色譜測定。實驗結果表明，在30天的培養時間內，N2O 的釋放減少了 48. 2%。
權利要求
1.一種利用蘆竹生物炭減少農業土壤氧化亞氮排放的方法，其特徵在於通過熱裂解方法把低價值的蘆竹製成生物炭，然後將其添加到農業土壤中以減少氧化亞氮的排放。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於生物炭的製備以乾燥的蘆竹為原料，原料尺寸大小為I 5cm的小段，在流速為200 500mL/min的惰性氣體的保護下，以I 20°C /min的升溫速率升至250 650 °C下炭化I 4h。
3.根據權利要求1所述的方法，生物炭向土壤中添加，其特徵在於生物炭添加前必須磨碎為I 5mm的顆粒，且土壤中生物炭的添加比例為O.1 10%。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於保持土壤含水量為60%以上。
全文摘要
一種利用蘆竹生物炭減少農業土壤氧化亞氮(N2O)排放的方法，屬於溫室氣體減排技術領域。為了減少農業生產過程中大量使用氮肥引起的土壤N2O的排放，本發明公開了一種利用蘆竹生物炭減少農業土壤N2O排放的方法，其技術方案是先將採集的蘆竹風乾，剪成1～5cm的小段，在流速為200～500mL/min惰性氣體的保護下，在200～650℃下通過熱裂解的方法將其製備成生物炭。將製備好的生物炭粉碎至1～5mm的顆粒，按照0.1～10％的比例和農業土壤充分混勻，保持土壤含水量在70～110％，於20～30℃下培養6～100天，可以有效的減少農業土壤中N2O的排放。本方法既可用於一般農田土壤，也可用於設施農業土壤。
文檔編號A01B79/00GK103053240SQ20121050994
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者鄭浩, 王震宇, 李鋒民, 羅燁, 姜志祥 申請人:中國海洋大學