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基于生物炭技术的南方稻田土壤改良培肥与固碳减排研究及应用

来源：花匠小妙招时间：2024-11-12 12:31

全球变暖已经成为人类共同面临的严峻挑战。将生物质经过热解制备成生物炭可实现大气中CO2的固定，该方法被认为是人类应对气候变化、实现固碳减排的一种新途径。开发碳素持留率高和稳定性强的生物炭对于持久发挥其固碳减排效应具有重要的理论和现实意义。随着社会经济的发展、农业生产活动的频繁，以及人们对土地的不合理使用和管理，造成我国长期过度依赖和过量施用化肥的现象日益加剧，从而导致肥料效益递减、面源污染、土壤严重退化等弊端，农业生产普遍存在“增肥不增产，减肥就减产”的现象；同时土壤板结、酸化、盐碱化、营养元素失衡、有机质流失等土壤退化问题日益突出，对土壤质量、土壤生产力及农业持续绿色健康生产造成严重影响，成为制约我国农业特别是粮食生产可持续发展的重要限制因素。而我国城乡农林生物质废弃物（作物秸秆、林业加工废弃物及畜禽粪便等）产生量巨大，且大部分未经有效处理和循环利用，不仅造成资源浪费，还对环境产生严重威胁。针对上述问题，浙江省农业科学院、国家林业和草原局竹子研究开发中心等单位在前期合作基础上，利用浙江省农林废弃生物质丰富的区域资源优势，依托浙江省农业科学院和其他合作单位的科研学科优势以及合作企业的产业化与推广能力，以适合我国南方农林废弃物的生物炭制备生产技术为起点，研发高效固碳生物炭材料、系列功能性炭基有机肥、炭基土壤改良剂、生物炭基质等系列炭基新产品及其应用技术，创建农田土壤改良与固碳减排协同技术并推广应用，为减缓全球气候变化、实现固碳减排、解决农林废弃物高效处理处置及相关环境污染等问题提供技术支撑。该技术成果来源于国家公益性行业专项“江南地区冷浸田生产潜力评估”（201003059）、科技部农业科技成果转化项目“新型生物炭肥料生产技术集成转化及产业化”（2012GB24320578）、国家自然科学基金项目“矿物改性生物炭在土壤中的降解特征和激发效应”（41701334）和“长期秸秆黑炭施用对稻麦轮作农田氨挥发影响机制研究”（41807088）、浙江省工程技术研究中心建设计划项目（2012E10031）。主要技术内容和创新点如下： 1）研制出多功能新型生物炭及土壤固碳减排技术。针对传统制炭技术能耗较高、产品碳素持留率与稳定性匹配性能不佳等问题，通过黏土矿物与生物质共热解技术手段，创制出有效同步提高生物炭碳素持留率和稳定性的方法，首次从热化学角度揭示黏土矿物对生物炭稳定性的增强机制，即促进炭化过程中碳素形态由烷基碳和羰基碳向芳香碳的转化，并增强生物炭表面Si–O–C等化学键，研发出比表面积大、表面活性基团丰富、具有高效固碳功能的新型生物炭。针对作物秸秆直接还田导致下茬作物病虫害加剧以及CH4等温室气体大量排放问题，通过长期定位试验，证实秸秆炭化后还田较直接还田显著降低稻田CH4、N2O累积排放量，并揭示出生物炭通过包封和吸附作用对土壤有机碳起到负激发效应，从而抑制土壤本底有机碳矿化，实现土壤固碳；发现生物炭老化过程中决定其光降解的关键芳香碳C-H键功能基团，且其含氧官能团随着光降解过程而增加。 2）研制出系列炭基肥料产品。针对生物炭还田的主要技术途径及现有肥料存在的缺少微生物适宜载体及颗粒不够均匀、造粒大小难以调控等问题，通过黏土矿物、生物炭和功能微生物的配伍组合，显著提升养分利用率和功能微生物活性；采用行星齿轮结构太阳轮输入、行星架和外齿圈两路输出的结构设计，并通过转速比阻尼调节控制环模与切刀之间的转速比，满足不同组分炭基肥的不同造粒要求，实现了炭基肥料高效粘结造粒与有效调控。 3）研发出典型生物炭并建立南方稻田土壤改良技术。针对江南地区冷浸田普遍存在土壤温度低等障碍因子，研发出以550℃热解的稻秆炭为典型材料的土壤改良剂，其通过自身优良的热力学特性和持水性能，增强土壤对太阳光能的吸收，对冷浸田表层土壤温度的调控效果最佳，有效降低土壤每日温差，避免土壤温度过高和过低对作物生长产生的负面影响，促进水稻增产8%-12%。该成果在浙江省内企业实现产业化生产和应用。2019年至2021年，在浙江省嘉兴、临安、宁波、湖州、衢州等地推广新型生物炭及炭基肥料产品面积达110.6万亩，平均每亩增产稻谷50 kg，合计增收稻谷5530万公斤，新增产值15484万元；施用炭基肥料后，平均每亩减少氮肥（化肥）投入3.4 kg，节约肥料开支20元/亩，合计减少肥料投入成本2212万元；两项合计创经济效益共17696万元。2022年8月16日，浙江省农业科学院组织专家在杭州对“基于生物炭技术的南方稻田土壤改良培肥与固碳减排研究及应用”项目进行成果鉴定。鉴定委员会听取项目汇报，审阅相关资料，经质询、讨论，形成如下意见： 1. 提供的材料齐全、规范，符合鉴定要求。 2. 发明了黏土矿物辅助生物质热解制炭技术，创制出有效同步提高生物炭碳素持留率和稳定性的方法，阐明黏土矿物对生物炭稳定性的增强机制，解决了传统制炭技术碳素持留率低、稳定性差及匹配性不高的问题，为农林废弃物精准炭化及生物质资源化高效利用开辟了新途径。 3. 基于长期定位监测，探明了秸秆炭化还田较直接还田显著降低稻田CH4、N2O累积排放量，长期使用生物炭降低活性氮产生的温室效应潜能平均为21.5%，最高达34.3%；生物炭通过包封和吸附作用对土壤有机碳起到负激发效应，从而抑制土壤本底有机碳矿化，增强土壤固碳。 4. 开发出生物炭系列产品和应用技术。冷浸田专用生物炭改良剂，有效调节土壤温度，促进水稻早生快发，在多年多地平均增产8%-12%；水稻富硅生物炭基有机肥有效硅含量高，通过抗倒伏增产10%。发表论文22篇，其中SCI论文9篇，出版著作1部，授权发明专利8件，制定团体标准1件。累计推广技术和产品应用面积110.6万亩，经济、生态和社会效益显著。综上，该成果系统性强，创新性明显，总体达到国际先进水平。