一种稻田面源污染减排及水稻增产方法

1.一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一个步骤：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆盖层；所述的生物炭由以下一种或几种作物残体制备而成：小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、芝麻秸秆、油菜秸秆；所述的生物炭的比表面积不低于50m2/g；
第二个步骤：对生物炭覆盖层进行浅层翻耕，初步形成土壤-生物炭缓冲层；翻耕时控制扰动深度为1-5 cm；
第三个步骤：灌溉初步形成的土壤-生物炭缓冲层，使土壤和生物炭进行充分的粘合，形成稳定的土壤表层，即稳定的土壤-生物炭缓冲层；所述稳定的土壤-生物炭缓冲层，其生物炭质量比例为0.5% w/w；灌溉后形成的稳定的土壤-生物炭缓冲层，其厚度为1-5 cm；
在第一个步骤中，当生物炭pH不高于8.0时，直接施用生物炭于土壤表面；当生物炭pH高于8.0时，在施用生物炭时配施木醋液；配施的木醋液pH介于3-5之间，有效成分的质量百分含量介于3%-10%之间；配施的木醋液的使用量介于50L-200L/ha之间。
2.根据权利要求1所述的一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，其特征在于：所述生物炭覆盖层，其厚度为1-5cm。
3.根据权利要求1所述的一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，其特征在于：所述浅层翻耕，采用锄头、筢子、旋耕机或翻耕机进行浅层翻耕，使翻耕深度为1-5 cm。
4.根据权利要求1所述的一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，其特征在于：在第一个步骤中，在施用生物炭过程中洒水。

一种稻田面源污染减排及水稻增产方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，具体而言，是一种在实际生产上提高生物炭的氮素吸附能力，同时增加水稻产量，兼顾环保和农业的高效生物炭施用方法。\n背景技术\n[0002] 稻田田面水\n[0003] 近年来由于施肥过量、施肥结构不合理，使得大量氮元素输入江、河、湖泊，引起日益严重的农业面源污染问题，导致水质恶化、加剧了水体富营养化。湖泊中氮来源有50％以上来自于农业面源污染，如太湖地区，农业面源排放氮量占入湖总氮量的77％。降低稻田田面中的氮含量对降低农业面源污染有重要意义。由于稻田田面水具有总量大、分布分散等特点，对农村生态环境和民众健康构成潜在威胁。本发明针对的稻田田面水，相比点源污染、未处理的生活污水等污染源，其氮含量较低，但由于分布广泛、产生量高，对水体环境的负面影响也非常显著。使用工程化措施处理稻田田面水的经济性不高，因此，有必要针对稻田田面水设置低成本的、环境友好的净化系统，以降低其氮含量，使稻田田面水达到或接近地表水排放标准，实现良好的生态与经济效益。\n[0004] 生物炭技术\n[0005] 生物炭(Biochar)是在完全或部分缺氧条件下，以及相对较低的温度条件下(<700℃)，经热解炭化产生的一种含碳量丰富、性质稳定的有机物质。生物炭表面具有大量的孔洞，空隙大小不一。这种孔洞结构有利于土壤微生物的生长。生物炭容重小，水、气吸收能力强，且具有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性，能形成电磁场，构成了生物炭良好的吸附特性，能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子及极性或非极性有机化合物，特别是利于吸附土壤和水体中重金属污染物质和有机污染物。在化学成分上，生物炭还包括钙、镁等矿物质以及无机碳酸盐，具有高度的芳香化、生物化学抗分解性和物理的热稳定性，促进植物对营养元素的吸收。此外，生物炭往往呈现一定的碱性，可被用于改良酸性土壤。鉴于上述一系列的优良特性，生物炭在近年来被广泛用于固碳减排、土壤修复改良等方面的研究和实践。\n[0006] 生物炭施用方式\n[0007] 已有报道的生物炭施用方式主要为表施和混施，尚未报道其他施用方式。表施容易造成生物炭随水气搬运作用丢失，而混施造成生物炭利用效率低下，不利于提高作物产量。本发明侧重从施用方式的角度提出一种新型的生物炭施用方案，以强化生物炭与田面水的接触，提高生物炭的利用效率。同时，本方案可以一定程度上增加水稻产量，实现了经济效益和环境效益的统一。\n发明内容\n[0008] 为了进一步提高生物炭在实际生产中的对氮元素的吸附能力，本发明提供一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，充分发挥生物炭对氮元素的吸附能力，形成土壤-生物炭缓冲层，实现对稻田田面水中的氮素进行更高效的吸附、净化，同时提高氮素利用效率。通过本研究的降低稻田田面水氮浓度的生物炭施用方案，可以实现降低面源污染，提高水稻产量等目标，具有成本低、额外投入少等特点。\n[0009] 为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：\n[0010] 一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，其特征在于，包括如下步骤：\n[0011] 第一个步骤：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆盖层；\n[0012] 第二个步骤：对生物炭覆盖层进行浅层翻耕，初步形成土壤-生物炭缓冲层；翻耕时控制扰动深度为1-10cm；\n[0013] 第三个步骤：灌溉初步形成的土壤-生物炭缓冲层，使土壤和生物炭进行充分的粘合，形成稳定的土壤表层，即稳定的土壤-生物炭缓冲层。\n[0014] 所述的生物炭由以下一种或几种作物残体制备而成：小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、芝麻秸秆、油菜秸秆。作为优选方案，所述生物炭采用小麦秸秆制备生物炭，制备温度为700℃。\n[0015] 所述的生物炭的比表面积不低于50m2/g。作为优选，所述生物炭的比表面积为\n2\n80m/g。\n[0016] 在第一个步骤中，当生物炭pH不高于8.0时，直接施用生物炭于土壤表面；当生物炭pH高于8.0时，在施用生物炭时配施木醋液；配施的木醋液pH介于3-5之间，有效成分(所述的有效成分指木醋液中的所有有机物质)的质量百分含量介于3％-10％之间；配施的木醋液的使用量介于50L-200L/ha之间。作为优选方案，所述生物炭施用过程配施木醋液(pH＝5.0)，配施的木醋液使用量为100L/ha。\n[0017] 在第三个步骤中，所述稳定的土壤-生物炭缓冲层，其生物炭质量比例为0.1-10％w/w。作为优选方案，所述生物炭的施用量为0.5％w/w。该质量比例指生物炭占稳定的土壤-生物炭缓冲层的质量百分比。\n[0018] 在第一个步骤中，所述生物炭覆盖层，其厚度为1-5cm。在施用生物炭过程中适当洒水。\n[0019] 所述浅层翻耕，采用锄头、筢子、旋耕机或翻耕机进行浅层翻耕，使翻耕深度为1-\n10cm。作为优选方案，所述浅层翻耕深度为1-5cm，更优选为5cm。\n[0020] 所述灌溉后形成的稳定的土壤-生物炭缓冲层，其厚度为1-10cm。作为优选方案，所述土壤-生物炭缓冲层为1-5cm，更优选为5cm。\n[0021] 一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，处理方法如下：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆盖层，对生物炭覆盖层进行浅层翻耕，适时灌溉形成稳定的土壤-生物炭缓冲层。\n[0022] 相对于现有技术，本发明的有益效果：本发明提供了一种稻田面源污染减排及水稻增产措施，通过改变生物炭施用方式，在不增加额外物质投入，不施加外部能源的条件下提高生物炭吸附稻田田面水氮素的能力，降低稻田田面水造成的面源污染风险，并提高水稻产量。具体而言，本发明实现以下有益效果：\n[0023] 1)充分利用生物炭对氮素的吸附能力，解决了传统稻田田面水氮处理方法成本高的问题，在不增加额外成本、造成环境负效应的前提下降低稻田田面水氮浓度。\n[0024] 2)本发明形成土壤-生物炭缓冲层，除吸附稻田田面水氮素外，可向水稻根系提供氮素，促进水稻生长发育，提高水稻产量。\n[0025] 综上，本发明提出的一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，实现了降低污染，提高作物产量的目标，符合可持续发展的理念。\n附图说明\n[0026] 图1为稻田面源污染减排及水稻增产措施使用后稻田田面水氨氮含量变化的时间曲线；\n[0027] 图2为稻田面源污染减排及水稻增产措施使用后稻田田面水硝氮含量变化的时间曲线；\n[0028] 图3为稻田面源污染减排及水稻增产措施使用后稻田田面水总氮含量变化的时间曲线；\n[0029] 图4为本发明方法的示意图。\n具体实施方式\n[0030] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。\n[0031] 参见图4，一种稻田面源污染减排及水稻增产方法，利用生物炭对氮素的吸附能力，通过对施用方式进行创新，提高生物炭对田面水氮素的富集。为了避免生物炭本身密度较小，容易漂浮、流失的不足，将生物炭与表层土壤进行混合，在稻田土水界面形成一个富含生物炭的缓冲层，实现对田面水氮素的拦截，降低氮素流失，提高养分利用效率。该方式与现有的生物炭施用方式不同，现有的施用方式一般采用完全混合，因水稻土传质阻力很大，这种施用方式不利于生物炭对田面水养分的富集，下层土壤中生物炭难以对表层田面水氮素起到缓冲和吸附作用；另外一种是田间撒施生物炭，这种施用方式会造成生物炭的流失，不利于生物炭效用的发挥。本发明提出的表层混施方法，可以有效避免上述两种施用方式的缺点，实现生物炭利用效能的最大化。将生物炭施用在土壤表层，进行浅层翻耕，在不增加生物炭施用量的前提下，提高生物炭对稻田田面水氮素的吸附能力。核心创新点是增加土壤表层生物炭密度，增加其对稻田田面水中氮素的吸附能力，同时降低土壤亚表层及其以下的生物炭密度，增加水稻根系范围内的土壤氮有效性。在降低稻田田面水氮浓度的同时，提高水稻的氮利用效率，增加水稻产量。该施用方案分为三个过程：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆盖层、对生物炭覆盖层进行浅层翻耕、适时灌溉形成稳定的土壤-生物炭缓冲层。\n[0032] 第一个步骤为施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆盖层，该过程应避免生物炭的流失，特别是因风吹导致的生物炭流失。必要时可在施用生物炭过程中适当洒水。相比传统直接施用的方式，本方法可以防止生物炭在水平方向的移动和流失。为了减少生物炭自身碱性较高导致田面水pH受扰动较大，进而增加氨挥发的排放，应在生物炭施用前喷洒木醋液(生物炭制备过程中的副产品)，调节其pH以减少氨挥发通量。\n[0033] 第二个步骤为对生物炭覆盖层进行浅层翻耕，初步形成土壤-生物炭缓冲层。翻耕不宜过深，控制扰动深度为1-10cm。\n[0034] 第三个步骤为灌溉已经形成的土壤-生物炭缓冲层。在完成步骤一和二的基础上，对稻田进行灌溉，使土壤和生物炭进行充分的粘合，形成新的稳定的土壤表层，即土壤-生物炭缓冲层。\n[0035] 所述的生物炭由以下一种或几种作物残体制备而成：小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、芝麻秸秆、油菜秸秆。所述的生物炭比表面积不低于50m2/g。\n[0036] 为了控制施用生物炭可能导致的氨挥发量增加，以及进一步改良土壤理化条件，当所制备的生物炭pH不高于8.0时(pH值对氨挥发的影响较小)，可以直接施用生物炭；生物炭pH高于8.0时(pH值对氨挥发可能存在较大影响)，则需在施用生物炭时配施木醋液。配施的木醋液pH介于3-5之间，有效成分含量介于3％-10％之间。配施的木醋液折合成单位面积使用量介于50L-200L/ha之间，以确保本施用方式对田面水pH值的扰动较小。木醋液来源于上述秸秆干馏过程的副产品。\n[0037] 所述土壤-生物炭缓冲层，其生物炭质量比例为0.1-10％(w/w)。所述生物炭覆盖层，其厚度为1-5cm。所述浅层翻耕，采用锄头、筢子、旋耕机或翻耕机进行浅层翻耕，使其翻耕深度为1-10cm。所述灌溉后形成的土壤-生物炭缓冲层，其厚度为1-10cm。\n[0038] 处理方法如下：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆盖层、对生物炭覆盖层进行浅层翻耕、适时灌溉形成稳定的土壤-生物炭缓冲层。最终实现降低稻田田面水中氮浓度，减轻面源污染风险；同时通过改善土壤理化条件，提高土壤肥力，增加水稻产量。本发明的稻田面源污染减排及水稻增产方法，通过改变生物炭施用方式，可以在不增加额外物质投入，不施加外部能源的条件下提高生物炭吸附稻田田面水氨氮和硝氮的能力，降低稻田田面水造成的面源污染风险，并提高水稻产量。具有成本低、额外投入少等特点。\n[0039] 实施例1考察了一种稻田面源污染减排及水稻增产措施对稻田田面水氮浓度(氨氮，硝氮和总氮)的影响。于2015年在江苏省农业科学院试验场建立水稻盆栽实验，设定3个处理，分别为不施生物炭(CKU)，常规施用生物炭(W700-CM，生物炭施用量0.5％w/w，施用深度为15cm)，本发明的生物炭施用方案(W700-SM，生物炭施用量0.5％w/w，土壤-生物炭缓冲层为5cm，配施木醋液pH＝4.0，有效成分5％，配施的木醋液使用量为100L/ha，浅层翻耕深度为5cm，小麦秸秆制备生物炭，制备温度为700℃，生物炭的比表面积为80m2/g，生物炭覆盖层3cm)。生物炭为小麦秸秆在700℃烧制而成。在基肥以及分蘖期和穗期追肥后的7天内(施肥量分别为96，96和48kg N/ha)，每天采集田面水水样分析氨氮，硝氮和总氮含量。水稻移栽深度为2-3cm。\n[0040] 实施例2新型的稻田面源污染减排及水稻增产措施对稻田田面水氨氮的阻控效果[0041] 本实施例考察了一种新型的稻田面源污染减排及水稻增产措施对氨氮的吸附效果(图1)。本实施例具体操作方式与实施例1类似。在施用基肥、分蘖肥和穗肥后，与施用肥料但未施用生物炭的处理对比，新型生物炭施用方案处理下，稻田田面水氨氮平均下降\n33.57mg/L，而常规施用方案下，稻田田面水氨氮平均下降16.1mg/L。新型生物炭施用方案能显著降低稻田田面水氨氮含量，在不增加生物炭施用量的前提下，新型生物炭施用方案使稻田田面水氨氮含量降低1倍多。\n[0042] 实施例3新型的稻田面源污染减排及水稻增产措施对稻田田面水硝氮的阻控效果[0043] 本实施例考察了一种新型的稻田面源污染减排及水稻增产措施对硝氮的吸附效果(图2)。本实施例具体操作方式与实施例1类似。在施用基肥、分蘖肥和穗肥后，与施用肥料但未施用生物炭的处理对比，新型生物炭施用方案处理下，稻田田面水硝氮平均下降\n1.62mg/L，而常规施用方案下，稻田田面水硝氮平均上升0.43mg/L。新型生物炭施用方案能显著降低稻田田面水硝氮含量，而常规施用方案对稻田田面水硝氮的吸附能力较弱。\n[0044] 实施例4新型的稻田面源污染减排及水稻增产措施对稻田田面水总氮的阻控效果[0045] 本实施例考察了一种新型的稻田面源污染减排及水稻增产措施对总氮的吸附效果(图3)。本实施例具体操作方式与实施例1类似。在施用基肥、分蘖肥和穗肥后，与施用肥料但未施用生物炭的处理对比，新型生物炭施用方案处理下，稻田田面水总氮平均下降\n9.10mg/L，而常规施用方案下，稻田田面水总氮平均下降4.14mg/L。新型生物炭施用方案能显著降低稻田田面水总氮含量，在不增加生物炭施用量的前提下，新型生物炭施用方案使稻田田面水总氮含量降低1倍多。\n[0046] 实施例5新型的稻田面源污染减排及水稻增产措施对水稻产量的影响[0047] 本实施例考察了一种新型的稻田面源污染减排及水稻增产措施对水稻产量的影响。本实施例具体操作方式与实施例1类似。新型生物炭施用方案处理相比常规施用方案，水稻产量增加15.25％。新型生物炭施用方案中的土壤-生物炭缓冲层可看作氮素的容器，能提高水稻产量和水稻的氮利用效率，进一步降低了农业面源污染的风险，具体结果见表\n1。\n[0048] 表1水稻产量构成因子\n[0049]\n[0050] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。