CN102405706A

CN102405706A - 一种利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法

Info

Publication number: CN102405706A
Application number: CN201110230887XA
Authority: CN
Inventors: 刘玉明; 潘根兴; 康全德; 林振衡; 李恋卿; 郑金伟; 张旭辉
Original assignee: SHANGQIU SANLI NEW ENERGY CO LTD; Nanjing Agricultural University
Current assignee: SHANGQIU SANLI NEW ENERGY CO LTD; Nanjing Agricultural University
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2012-04-11

Abstract

一种利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法，步骤如下：秸秆热裂解炭化生产生物黑炭和木醋液；生物黑炭和木醋液土壤改良材料的施用方法。本发明具有的优点和显著效果：本方法改良盐碱土效果显著，在中度和重度盐化面碱土，其含盐量0.5%-1.35%，在小麦播种前施用生物黑炭改良剂和木醋液作为底肥，可将pH值大于10的盐碱地，当年就可以改造成可以耕作的农田，农作物产量大幅度提高。

Description

一种利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法

技术领域

本发明属于盐碱土改良技术领域，主要利用作物秸秆热裂解炭化得到的主产品——生物黑炭和木醋液改良土壤盐碱性和土壤板结，从而保证小麦正常生长，同时鉴于该技术采用秸秆热裂解产物生物黑炭和木醋液用于改良土壤，又属于资源综合利用技术领域。

技术背景

盐碱土是分布广泛的一种土壤类型，全球盐碱土的面积约占陆地总面积的25%（李海峰等，2002）。我国盐碱化土地主要分布在华北平原、东北平原、西北内陆地区及滨海地区。根据中国科学院自然资源综合考察委员会在80年代初的调查估算，中国有受盐碱化危害的农林牧土地面积有 3382万ha，占农林牧总土地面积的4.91%。另外，中国有潜在盐碱土约1733万ha（王遵亲等，1993），这些土壤会在不合理利用和管理下可能发生次生盐碱化。从中国土地盐碱化程度、发展趋势、次生盐碱化发生的危险性以及对21世纪中国食物需求安全性和世界食物贸易的影响等方面考虑中国土地盐碱化防治问题远比其他国家迫切。

我国是世界上耕地资源最紧张的国家， 2008年我国尚存耕地18.26亿亩，比1997 年的19.49亿亩净减1.23亿亩，人均耕地已不到世界平均的一半。全国人大农业与农村工作委员会2011年强调，严格控制用地，确保占补平衡和整治修复置换土地作为保住18亿亩耕地红线的战略基本对策。因此，如果盐碱土的改良熟化并能用于正常农业生产，则可以为实现耕地占补平衡提供的补充途径，而大大缓解我国耕地紧张。中国盐碱地大部分分布于干旱、半干旱和半湿润地区，这些地区地处中国自然生态环境脆弱带，不利和有利的农业生产条件同时存在。大部分地区气候资源丰富，土层深厚，地势平坦，有一定的水资源开发潜力，相对人少地多农业生态潜力较大。一旦消除了土地盐碱化这一主导制约因素后，农业生态系统的巨大潜力必将得到发挥。盐碱土一般土层深厚，其关键问题是作物在盐分环境中不能正常生长。盐碱土治理一般要历经隔离-洗盐-改土-种植等几个阶段，首先围坝或开沟，断开盐分的来源；其次洗盐，采用降水淋洗和化学技术将土壤（至少是表土）盐分洗脱；再次改土，采用改良剂改造土壤物理和化学性质，一般采用石膏，客土等方法。传统的盐碱土改良方法成本高，费时长，不能适合大规模改造盐碱土。例如滨海滩涂盐碱土改造一般要开沟排水，淋盐爽碱，围埝蓄淡，植苇养鱼，然后再引水种稻等环节，成本高、耗时长，不符合现代市场化农业生产的快速需求。

农业废弃物生物质热裂解炭化利用已是世界趋势，热裂解主要产物生物黑炭在农业固碳减排和改良土壤等方面表现出巨大的应用潜力，被国际公认为21世纪新的农业绿色革命新技术[Taylor P. 2010.]。我国秸秆等农业废弃物生物质热裂解炭化的工厂化生产工艺条件已经成熟，2011年国家能源局、财政部和农业部联合启动了“绿色能源示范县建设”计划，秸秆热裂解气炭联产炭化得到国家财政支持。因此，秸秆热裂解炭化产业化前景十分明朗。秸秆气炭联产的主要产物除了生物质燃气外，还主要得到固体生物黑炭和液体木醋液，解决其应用的去向将是生物质炭化产业化的必然需求。我们前期的研究表明，农田施用生物黑炭可减少温室气体排放、提高氮肥利用率[Zhang, et al.2010]，同时在污染稻田可以起到大幅度降低农产品有毒重金属积累[Cui, et al.2011]。我国每年大约有作物秸秆7亿吨，可以生物质热裂解炭化可得到约2亿吨生物黑炭，鉴于生物黑炭可以快速增加土壤有机质从而促进良好土壤结构快速，加快盐分分离，从而为植物生长创造良好条件。木醋液是酸性有机物溶液，且含有部分植物生长刺激物质[闫玉等，2011]，其次，木醋液具有促进作物生长和防治病虫害的良好作用。生物黑炭和木醋液在盐碱土改良上具有广阔的应用潜力，同时也可能为大规模发展农业废弃物生物质炭化和后背耕地补充培育提供可靠的途径。

发明内容

解决的技术问题

本发明根据生物黑炭增加土壤有机质，快速改善土壤结构，以及木醋液快速中和碱性，从而可以快速熟化改良盐碱土的理论假设，通过采用小麦秸秆炭化产物-生物黑炭和木醋液的田间试验证明其对盐碱地土壤改良和小麦生长和产量的良好作用，提出生物黑炭和木醋液联合改良盐碱土的技术方法。该技术方法具有以下几方面作用：1，可大幅度降低盐碱地耕层土壤含盐量和pH值；2，显著降低土壤容重，改善土壤结构，阻断盐分毛管上升，促使作物根系健康生长；3，生物黑炭和木醋液的联合作用提高作物的出苗率和成活率，从而提高作物产量； 4，实现了农业废弃物生物质循环利用。其成本可以为农民所接受，可以发展为大规模治理和改良盐渍化土壤的实用技术。该技术的核心是生产，植物构建土壤块状和粒状结构，阻断盐分毛管上升，提高作物出苗率和成活率，从而增加作物产量，提出施用生物质炭土壤改良材料处理盐碱地土壤，从而达到作物正常生长并大幅度降低盐分对作物的毒害提高作物产量的目的。

技术方案

本发明的工作原理：利用生物黑炭疏松多孔，比表面积大，吸水性强，可以在盐碱土中夺水而持水；生物黑炭构建土壤块状和粒状结构，阻断盐分毛管上升，使植物得以在根层生长；另外，利用木醋液含有低分子有机酸，以酸中和碱，高效压盐洗盐。形成了化学改良-生物熟化-耕作施肥为一体的土壤结构快速构建，盐分水分有效分离-根系避盐生长的快速改良熟化利用盐碱土的技术方案。技术核心：以醋（木醋液）压盐，增炭改土，盐水分离，生物熟化，根系避盐生长的盐碱土快速改良熟化技术。

利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的技术方法按以下步骤进行：

1，秸秆热裂解炭化生产生物黑炭和木醋液：收集农作物秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%wt，然后放入炭化炉中在300-500℃进行炭化，得到生物黑炭和混合气体，把混合气体经过气液分离装置通过除尘器把固体粉尘除去后，再根据各气体的凝固点不同通过冷凝器把混合气体分离开来，得到木醋液，然后把生物黑炭磨碎，过筛，并混合均匀化，得到颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭，木醋液过滤备用；

2，生物黑炭和木醋液土壤改良材料的施用方法：中度或重度盐化面碱土，在前茬作物播种前施用由生物黑炭和木醋液按重量比为5：1组成的改良剂，生物黑炭的撒施量为0.75-15t.ha^-1，木醋液的施用量为0.15-3t.ha^-1，同时施用基肥，其中N-P₂O₅-KCl为15%-15%-15%，然后均匀撒施在土壤表层，再深耕到30cm，耙匀，使之与土壤充分混合。

所述农作物秸秆为小麦、玉米、稻壳、高粱或大豆秸秆。

所述炭化炉为池式限氧热裂解炭化炉或立窑式限氧热裂解炭化炉。

3，作物生产管理：在小麦播种前，对步骤1所述的方法处理后的盐碱地土壤在墒情良好前，按当地最适播种期适时播种，直播10公斤/亩的小麦种子。生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地管理模式相同。

4，土壤分析和作物长势观察分别在苗期（返青前拔节期）和灌浆期实地观测作物长势（植株高度、根系长度、根重和分蘖数），收获期实测小麦产量；测定苗期和收获期土壤盐分含量、pH值和容重等）。

所述一种利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法的主要特征为:

1）生物黑炭是稳定有机质，可以快速提供培育土壤的大量有机质；

2）生物黑炭多孔，吸水性强，可以在盐碱土中夺水而持水；

3）生物黑炭构建土壤块状和粒状结构，阻断盐分毛管上升，使植物得以在根层生长；

4）木醋液含有低分子有机酸，以酸中和碱，高效压盐洗盐；

5）原料价格低廉，方法简便易行，不会污染土壤及环境。

有益效果

本发明具有的优点和显著效果：本方法改良盐碱土效果显著，在中度或重度盐化面碱土，其含盐量0. 5%-1.35%，在小麦播种前施用生物黑炭改良剂和木醋液作为底肥，可将pH值大于10的盐碱地，当年就可以改造这个可以耕作的农田。土壤的容重与对照相比有显著降低，土壤的可溶性盐含量由对照的6.42 g kg^-1降低到5.63 g kg^-1降低了12.3%， pH值从8.23降低到7.94降低了0.29，K⁺、Na⁺等盐分离子也相应降低。使用生物黑炭和化肥混配，可提高作物的出苗率和成活率，使出苗率达到70%以上，小麦产量达到450公斤/亩，而未改良盐碱地不足150公斤/亩。本发明施用的生物黑炭和木醋液是由小麦秸秆高温裂解而成，有利于消纳农业废弃物生物质炭化产品。我国每年大约有作物秸秆7亿吨，可以炭化得到约2亿吨生物黑炭，按每公顷施用10吨，可以再造后备耕地2000万公顷，3年轮换可以完成新增耕地的全部整治和恢复。同时还可能新增巨大的土壤碳汇。

附图说明

图1：生物黑炭和木醋液的生产工艺流程。

图2：生物黑炭和木醋液的施用对盐碱地土壤容重的影响。

图3：生物黑炭和木醋液的施用对盐碱地的盐分含量的影响。

图4：生物黑炭和木醋液的施用对盐碱地小麦产量的影响。

具体实施方式

实施例1

收集小麦秸秆或者玉米秸秆，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300-500℃进行炭化，得到生物黑炭和混合气体，把混合气体通过除尘器把固体粉尘除去后，再根据各气体的凝固点不同通过冷凝器把混合气体分离开来，得到木醋液，然后把生物黑炭磨碎，过筛，并混合均匀化，得到颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭，把木醋液过滤备用。在含盐量0.5%，碱化度16.5%的盐化面碱土壤，2010年10月中旬在小麦播种前施用颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭改良剂7.5t.ha^-1，木醋液1.5t.ha^-1，把生物黑炭和木醋液混匀后均匀撒施在土壤表层，同时施用基肥，基肥用量为 112.5kg N ha^-1， 112.5kg P₂O₅ ha^-1，112.5kg K₂O.ha^-1，然后均匀撒施在土壤表层，然后深耕到30cm，并将其0-20cm耙匀，使之与耕层土壤充分混合。没有施用生物黑炭和木醋液的相同面积的盐碱地田块作为对照，施肥量和耕作方式与试验地相同。小麦生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地管理模式相同。

施用生物黑炭和木醋液之后，能明显观察到土壤表面的盐分含量与对照相比明显降低，小麦的出苗率和成活率达到了70%以上，而没有施用生物黑炭和木醋液的土壤小麦的出苗率只有40%，并且长势参差不齐。土壤容重由对照的1.28g.cm^-3降低到1.20g.cm^-3，土壤的可溶性盐含量由对照的6.42 g kg^-1降低到5.63 g kg^-1降低了12.3%，pH值从8.23降低到7.94降低了0.29，土壤的K⁺、Na⁺等盐分离子也相应降低。收获小麦产量450公斤/亩，而未改良地（对照）仅为150公斤/亩。2011年3月干旱时，土壤含水量增加2%，容重降低0.1g/cm³，小麦根系生长健康。2011年5月，小麦长势正常，估产达到200公斤/亩，因此，在盐碱荒滩上实现了小麦的正常生产。在盐分超过0.4%临界值的盐渍化土壤，当年改良当年获得正常产量，实现了快速改良进行小麦生产的目标。

实施例2

在实例1的同一地点的，在含盐量＞0.5%的盐化面碱土壤，2011年6月上旬在小麦收割后玉米种植前施用颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭0.75t.ha^-1，木醋液0.15t.ha^-1，把生物黑炭和木醋液混匀后均匀撒施在土壤表层，同时施用基肥，然后均匀撒施在土壤表层，然后深耕到20cm，并将其0-20cm耙匀，使之与耕层土壤充分混合。没有施用生物黑炭和木醋液的相同面积的盐碱地田块作为对照，施肥量和耕作方式与试验地相同。玉米生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地管理模式相同。玉米生长期间观察施生物黑炭和木醋液的田块出苗率和成活率可达60%以上，植株高度显著高于未施炭田。土壤的可溶性盐分含量减少，盐斑面积大大减少。

实施例3

该利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法的施用量为生物黑炭改良剂1.5t.ha^-1，木醋液0.3t.ha^-1。玉米生长期间观察施生物黑炭和木醋液的田块玉米的出苗率和成活率可达70%以上，植株高度显著高于未施炭田。pH值降低，土壤的可溶性盐分含量减少，几乎没出现盐斑现象。

实施例4

该利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法的施用量为生物黑炭和木醋液改良剂的施用量为生物黑炭3t.ha^-1，木醋液0.6t.ha^-1。玉米生长期间观察施生物黑炭和木醋液的田块玉米的出苗率和成活率可达70%以上，植株高度显著高于未施炭田，长势良好。pH值降低，土壤的可溶性盐分含量减少，未出现盐斑现象。

实施例5

该利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法的施用量为生物黑炭和木醋液改良剂的施用量为生物黑炭4.5t.ha^-1，木醋液0.9t.ha^-1。玉米生长期间观察施生物黑炭和木醋液的田块玉米的出苗率和成活率可达70%以上，植株高度显著高于未施炭田，长势良好。pH值降低，土壤的可溶性盐分含量减少，未出现盐斑现象。

实施例6

该利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法的施用量为生物黑炭和木醋液改良剂的施用量为生物黑炭6t.ha^-1，木醋液1.2t.ha^-1。玉米生长期间观察施生物黑炭和木醋液的田块玉米的出苗率和成活率可达70%以上，植株高度显著高于未施炭田，长势良好整齐。pH值降低，土壤的可溶性盐分含量减少，未出现盐斑现象。

Claims

1.一种利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法，其特征在于步骤如下：

1)秸秆热裂解炭化生产生物黑炭和木醋液：收集农作物秸秆，风干或晾晒使之含水量低于20%wt，然后放入炭化炉中在300-500℃进行炭化，得到生物黑炭和混合气体，把混合气体通过除尘器把固体粉尘除去后，再通过冷凝器把混合气体分离开来，得到木醋液，然后把生物黑炭磨碎，过筛，并混合均匀化，得到颗粒直径<0.25 mm的生物黑炭，木醋液过滤备用；

2)生物黑炭和木醋液土壤改良材料的施用方法：中度或重度盐化面碱土，在前茬作物播种前施用由生物黑炭和木醋液按重量比为5：1组成的改良剂，生物黑炭的撒施量为0.75-15t.ha^-1，木醋液的施用量为0.15-3t.ha^-1，同时施用基肥，其中N-P₂O₅-KCl为15%-15%-15%，然后均匀撒施在土壤表层，再深耕到30cm，耙匀，使之与土壤充分混合。

2.根据权利要求1所述的利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法，其特征在于：所述农作物秸秆为小麦、玉米、稻壳、高粱或大豆秸秆。

3.根据权利要求1所述的利用农业废弃物生物质炭化产物改良熟化盐碱土的方法，其特征在于：所述炭化炉为池式限氧热裂解炭化炉或立窑式限氧热裂解炭化炉。