低碳農(nóng)業(yè)種植中炭基肥料技術(shù)的運(yùn)用研究

1、低碳農(nóng)業(yè)種植中炭基肥料技術(shù)的運(yùn)用研究生物質(zhì)炭（biochar）是指植物或動(dòng)物生物質(zhì)在缺氧的條件下進(jìn)行高溫處理，其中的部分有機(jī)質(zhì)中的油和氣燃燒掉后剩余的高碳物質(zhì)。生物質(zhì)炭含碳量很高，具有很高的穩(wěn)定性，若被埋到地下后可以在土壤中封存很長(zhǎng)時(shí)間，有助于減緩全球變暖，因而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣1-2.農(nóng)業(yè)種植中有機(jī)廢棄物短時(shí)間內(nèi)將經(jīng)土壤排放到大氣中，而這些有機(jī)廢棄物經(jīng)高溫?zé)峤夂?，成為性質(zhì)穩(wěn)定的生物炭質(zhì)，由于生物黑炭的化學(xué)和微生物惰性以及土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)使得其成為土壤的惰性碳庫(kù)，只有5%的碳經(jīng)過土壤微生物的作用重新釋放到大氣，將減少95%的碳排放3.低碳農(nóng)業(yè)是針對(duì)傳統(tǒng)高排放的農(nóng)業(yè)而言，是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)按

2、照低碳的方式進(jìn)行。主要方式有保持多樣性的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的低碳排放。走有機(jī)、生態(tài)、高效農(nóng)業(yè)的新路子。在低碳理念的指導(dǎo)下，農(nóng)民可以利用聯(lián)合耕作、有機(jī)農(nóng)業(yè)、土壤改良等新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式來應(yīng)對(duì)氣候變化，提高農(nóng)民利潤(rùn)率和農(nóng)業(yè)能源效率并改進(jìn)大氣和土壤的質(zhì)量。其中，將生物炭研碎與化肥混合造粒后形成一種混合肥料，可以很好的保持土壤肥力，實(shí)現(xiàn)土地的碳元素平衡。這將是低碳農(nóng)業(yè)種植中肥料發(fā)展的方向。1 炭基肥料1.1生物炭質(zhì)來源農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈、稻殼、食用菌渣等，林業(yè)的木材、竹類等，都是生物炭質(zhì)的來源。來源豐富，我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植中，秸稈占一半以上，以玉米秸稈、棉花秸稈、小麥秸稈和水稻

3、秸稈為主。秸稈的利用率并不高，北方有些直接焚燒，還有簡(jiǎn)單漚制或者直接還田，秸稈的利用現(xiàn)狀極大地浪費(fèi)了生物質(zhì)炭資源。人類最早發(fā)現(xiàn)南美洲一種含有機(jī)質(zhì)高于35%的黑色土壤，稱為黑色碳（black carbon）4.它是土壤有機(jī)物中最古老的部分，可在土壤中長(zhǎng)期存在上千年，難以被氧化釋放成為CO2而排放。20世紀(jì)90年代中后期以來，以熱裂解生物質(zhì)生產(chǎn)生物炭，科學(xué)界探索將生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)化成難以被氧化的高炭狀態(tài)，以減緩有機(jī)質(zhì)快速的氧化帶來的CO2排放。生物炭就是有機(jī)物在有限氧氣供應(yīng)條件下，并且在相對(duì)較低溫度下（1.2制備工藝現(xiàn)在的商品炭基肥料，包括炭基復(fù)合肥、生物肥、有機(jī)肥，混合肥等。炭基化學(xué)肥料以木炭（35%

4、45%）為載體，添加尿素、氯化鉀、硝酸銨、氯化銨等化學(xué)肥料，占50%,其余為粘合劑、木醋液。生物炭有機(jī)肥主要利用有機(jī)肥進(jìn)行綠色有機(jī)種植，利用堆置的有機(jī)肥和木炭混合造粒。炭基有機(jī)肥料產(chǎn)品技術(shù)要求如下，有機(jī)質(zhì)含量≥30%;總養(yǎng)分≥4.0%;水分（游離水）≤15%（顆粒）≤20%（粉劑）；pH 5.58.0;蛔蟲卵死亡率≥95%.以炭基有機(jī)肥為例：1）有機(jī)肥好氧發(fā)酵堆肥工藝。將有機(jī)固體廢棄物混合物料按照一定的高度和寬度分層鋪成條垛狀，條垛平行排列在露天或室內(nèi)平坦的堆肥場(chǎng)上，采用高效率的專業(yè)翻堆機(jī)騎跨在料堆上連續(xù)翻堆作業(yè)。2）炭基有機(jī)肥料制肥工藝。首先將發(fā)酵后的堆肥產(chǎn)物粉

5、碎，然后和秸稈炭粉分別裝入電子配料秤進(jìn)行配料，二者一起在攪拌機(jī)中連續(xù)混合后，再進(jìn)入打散機(jī)粉碎混合，混合后的物料輸送至造粒機(jī)。對(duì)顆粒物料進(jìn)行篩分使最終產(chǎn)品顆粒一致，若篩分出的顆粒過大或過小，需返回前面工序重新造粒。最后使用滾筒烘干機(jī)和冷卻器使篩分后的物料水分降低，溫度降低，合格成品最終計(jì)量包裝、入庫(kù)5.生物炭制備技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。生物炭制備技術(shù)的瓶頸由中國(guó)工程院院士沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)教授陳溫福率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)打破，該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了可移動(dòng)組合式半封閉炭化爐和亞高溫缺氧干餾制炭新工藝;,該工藝使得農(nóng)林廢棄物收集儲(chǔ)運(yùn)異地集中炭化和深加工大規(guī)模炭化利用成為可能6.在低碳農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用也有大量研究。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)潘根興教授主

6、要從事農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化及生物質(zhì)碳與農(nóng)業(yè)低碳技術(shù)研究，積累了不同生物質(zhì)制備生物炭的大量數(shù)據(jù)，探討不同來源的生物廢棄物生產(chǎn)的生物質(zhì)炭用于農(nóng)田固碳減排和低產(chǎn)土壤改良的可行性，并探索形成生物質(zhì)炭溫室氣體減排、提高氮肥利用率而減少氮肥損失、鹽堿土和低劣地土壤改良和污染土地處置等相應(yīng)農(nóng)業(yè)技術(shù)。2 炭基肥料應(yīng)用現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代開始，炭基肥逐步推廣應(yīng)用，在糧食作物、果蔬、花卉和林業(yè)方面都得到了很好的成效。1996年遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院積極推廣應(yīng)用炭基肥。在東北4地試驗(yàn)田的試驗(yàn)顯示，施炭基肥的玉米、高粱增產(chǎn)634.5804.0kg/hm2,水稻增產(chǎn)1 012kg/hm2左右。炭基肥可增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大扁杏核28.3%3

7、2.2%,提高日本落葉松苗高20.5%23.2%,地徑42.85%61.90%.2008年以來，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、商丘三利新能源有限公司及中儲(chǔ)糧三方合作，在河南、天津等多地推廣應(yīng)用炭基肥，連續(xù)5年的試驗(yàn)和實(shí)踐結(jié)果表明，施炭基肥的玉米、小麥、煙草等作物，不僅苗壯、個(gè)大、葉綠，連年保持10%30%的增產(chǎn)，而且病蟲害明顯減少，有的基本沒有病蟲害。大量研究表明，不同肥料含量的炭基肥料，對(duì)花生7、大豆8、玉米9、高粱10、水稻11等主要糧油作物在提高土壤透氣保水性、提高作物產(chǎn)量上效果明顯。2.1炭基肥料優(yōu)勢(shì)2.1.1環(huán)保緩釋生物質(zhì)炭具有高度穩(wěn)定性和較強(qiáng)的養(yǎng)分吸附持留特性，具備作為緩釋肥包膜材料的基本要求。生

8、物炭延緩肥料在土壤中的養(yǎng)分釋放，降低養(yǎng)分損失，提高肥料養(yǎng)分利用率，生物炭是肥料的增效載體。同時(shí)采用植物秸稈和農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物作肥料載體，既是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，又避免了工業(yè)化學(xué)肥料合成的環(huán)境污染。2.1.2改良土壤生物炭能夠提高土壤有機(jī)碳含量，改善土壤保水、保肥性能，減少養(yǎng)分損失，有益于土壤微生物棲息和活動(dòng)，特別是菌根真菌，是良好的土壤改良劑。果園里施用生物炭肥，可以形成比較大的土壤團(tuán)粒。這些團(tuán)?？障侗容^大，保肥保水，改善微生物系統(tǒng)，促進(jìn)吸收根生長(zhǎng)。單施生物炭就能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)或增產(chǎn)，但是生物炭與肥料混施，或復(fù)合后對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量幾乎都表現(xiàn)為正效應(yīng)，這緣于肥料消除了生物炭養(yǎng)分低的缺陷，而生物炭

9、賦予肥料養(yǎng)分緩釋性能的互補(bǔ)和協(xié)同作用。施用炭基肥料可以調(diào)節(jié)土壤pH值向中性靠近，提高疏松土壤的容重從而改善其通氣透水性能，且這種調(diào)節(jié)作用均隨炭粉施用量的增加而加大，可見生物炭質(zhì)對(duì)土壤的改良作用十分明顯。2.1.3增匯減排李傳章12通過測(cè)定有機(jī)碳的殘留量分析不同有機(jī)肥料在土壤中的分解狀況，從而研究有機(jī)肥碳素分解特性及對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響。不同有機(jī)肥料施入土壤近1年后的分解速率相差較大：玉米稻稈分解最快，分解率達(dá)到74.53%;草炭的分解速率最低，年分解率僅為28.31%;雞糞的分解率低于玉米稻桿的但是高于菌渣的分解率（47.77%）。有機(jī)肥未分解部分參與土壤有機(jī)質(zhì)的積累。分解趨勢(shì)為玉米稻稈雞糞1

10、菌渣草炭。說明草炭對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量效果較優(yōu)，更有利于培肥土壤，有機(jī)碳分解最慢，更有效增加土壤碳庫(kù)。KAUFFMAN等13的研究表明，在土壤中添加生物炭后，作物的CH4、N2O排放通量減少，但確切的原因仍需進(jìn)一步驗(yàn)證?，F(xiàn)認(rèn)為由于生物黑炭施入后土壤容重降低，通氣性改善，加上生物黑炭的高C/N比，限制了氮素的微生物轉(zhuǎn)化和反硝化。也可能是生物黑炭施進(jìn)土壤后影響土壤pH值導(dǎo)致的14.2.1.4元素豐富生物質(zhì)炭中含有多種植物生產(chǎn)必需的硫、鈣、鎂、鐵、錳、鋅等中量元素，這些中量元素在傳統(tǒng)的有機(jī)肥和化學(xué)肥料的含量不全或者較低。中量元素的施用可以促進(jìn)植物中特定色素和酶的形成，進(jìn)而催化和增加植物蛋白質(zhì)合成和糖

11、分積累。從生產(chǎn)效果上講，可以提高果實(shí)耐儲(chǔ)性、果實(shí)品質(zhì)，特別是提高果實(shí)中的芳香物質(zhì)和可溶性糖含量。施用生物炭基氮肥可顯著提高土壤有機(jī)碳含量，提高土壤pH值、陽離子交換量、土壤速效磷、速效鉀和礦質(zhì)態(tài)氮含量，增強(qiáng)土壤保肥能力，促進(jìn)作物增產(chǎn)15.2.1.5穩(wěn)定性高生物炭的固碳效果取決于生物炭的穩(wěn)定性。生物炭的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性，因高度碳化且主要由芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和烷基成分組成，在一定條件下可以在土壤中穩(wěn)定存在上千年，平均停留時(shí)間約為2 000年，半衰期為1 400年16-18.2.2炭基肥料使用技術(shù)2.2.1拌土施肥生物炭質(zhì)是天然的土壤改良劑，炭基肥料的使用最好是拌土施肥。將炭

12、基肥料與土壤充分混合，作為基肥施用。種植蔬菜用量在1020t/hm2,肥料施散在土壤表面，充分旋耕混合，使得炭基肥料分布在根系活動(dòng)層。果樹的施用不同于傳統(tǒng)挖穴施用，在新生根發(fā)生區(qū)域，在樹冠邊沿刨4條深1030cm的溝，一棵成年樹施有機(jī)肥2530kg.總之，炭基肥料要充分與土壤混合，根系施用，才能起到疏松土壤，改良土壤保水透氣性的作用。2.2.2加入微生物菌種炭基肥料的穩(wěn)定特性可以改良微生物生存環(huán)境，以炭基為載體，混合微生物菌種。炭基生物肥料中的微生物菌種具有更強(qiáng)的抗逆性。有報(bào)道，施用有機(jī)肥和生物炭的土壤比施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料的土壤的微生物群落數(shù)量更多、微生物活力也更強(qiáng)。2.2.3采用有機(jī)種植炭基有

13、機(jī)肥和炭基生物肥的最佳用途是進(jìn)行有機(jī)農(nóng)業(yè)種植，充分發(fā)揮其環(huán)保緩釋、低碳有機(jī)的意義。同時(shí)炭基肥料的土壤改良用作和肥效是緩慢釋放的過程，在短期內(nèi)效果不顯著，但在連續(xù)施用后土壤將有質(zhì)的變化。有機(jī)農(nóng)業(yè)的種植規(guī)范和種植環(huán)境，更有利于炭基肥料緩慢的逐步的改良土壤的理化環(huán)境。3 展望根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織公布的數(shù)據(jù)，耕地釋放出的溫室氣體超過全球人為溫室氣體排放總量的30%,相當(dāng)于150億t的二氧化碳。而生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在降低因農(nóng)業(yè)導(dǎo)致的全球溫室氣體排放量方面具有重要的作用，使化肥施用量大大減低，降低30%的農(nóng)業(yè)排放19,碳基肥料使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)回歸有機(jī)農(nóng)業(yè)，符合低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展方向。同時(shí)我國(guó)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活產(chǎn)生大量生物質(zhì)廢棄物，資源化處理壓力日益增大。我國(guó)農(nóng)作物秸稈數(shù)量大、種類多、分布廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年各類秸稈可收集量約為7億t,綜合利用率70.6%,其中13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)約為5億t,約占全國(guó)總量的73%.農(nóng)林廢棄生物質(zhì)炭化技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的推廣應(yīng)用能夠極大提高陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳減排的潛力，改良土壤和肥料增效，凈化水體，修復(fù)污染土壤，解決糧食安全和能源危機(jī)等20.目前，我國(guó)在生物炭研究與開發(fā)領(lǐng)域，特別是利用農(nóng)林廢棄生物質(zhì)制備生物炭技術(shù)創(chuàng)新及其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應(yīng)用方面也已積累了先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)6.但對(duì)生物炭在環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域作用機(jī)理方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究