專利名稱：一種利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鹽堿土改良技術(shù)領(lǐng)域，主要利用作物秸稈熱裂解炭化得到的主產(chǎn)品一生物黑炭和木醋液改良土壤鹽堿性和土壤板結(jié)，從而保證小麥正常生長，同時(shí)鑒于該技術(shù)采用秸稈熱裂解產(chǎn)物生物黑炭和木醋液用于改良土壤，又屬于資源綜合利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鹽堿土是分布廣泛的一種土壤類型，全球鹽堿土的面積約占陸地總面積的25%(李海峰等，2002)。我國鹽堿化土地主要分布在華北平原、東北平原、西北內(nèi)陸地區(qū)及濱海地區(qū)。根據(jù)中國科學(xué)院自然資源綜合考察委員會在80年代初的調(diào)查估算，中國有受鹽堿化危害的農(nóng)林牧土地面積有3382萬ha，占農(nóng)林牧總土地面積的4. 91%。另外，中國有潛在鹽堿土約1733萬ha (王遵親等，1993)，這些土壤會在不合理利用和管理下可能發(fā)生次生鹽堿化。從中國土地鹽堿化程度、發(fā)展趨勢、次生鹽堿化發(fā)生的危險(xiǎn)性以及對21世紀(jì)中國食物需求安全性和世界食物貿(mào)易的影響等方面考慮中國土地鹽堿化防治問題遠(yuǎn)比其他國家迫切。我國是世界上耕地資源最緊張的國家，2008年我國尚存耕地18. 億畝，比1997 年的19. 49億畝凈減1. 23億畝，人均耕地已不到世界平均的一半。全國人大農(nóng)業(yè)與農(nóng)村工作委員會2011年強(qiáng)調(diào)，嚴(yán)格控制用地，確保占補(bǔ)平衡和整治修復(fù)置換土地作為保住18億畝耕地紅線的戰(zhàn)略基本對策。因此，如果鹽堿土的改良熟化并能用于正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，則可以為實(shí)現(xiàn)耕地占補(bǔ)平衡提供的補(bǔ)充途徑，而大大緩解我國耕地緊張。中國鹽堿地大部分分布于干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)，這些地區(qū)地處中國自然生態(tài)環(huán)境脆弱帶，不利和有利的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件同時(shí)存在。大部分地區(qū)氣候資源豐富，土層深厚，地勢平坦，有一定的水資源開發(fā)潛力，相對人少地多農(nóng)業(yè)生態(tài)潛力較大。一旦消除了土地鹽堿化這一主導(dǎo)制約因素后，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的巨大潛力必將得到發(fā)揮。鹽堿土一般土層深厚，其關(guān)鍵問題是作物在鹽分環(huán)境中不能正常生長。鹽堿土治理一般要?dú)v經(jīng)隔離-洗鹽-改土 -種植等幾個(gè)階段，首先圍壩或開溝，斷開鹽分的來源；其次洗鹽，采用降水淋洗和化學(xué)技術(shù)將土壤(至少是表土)鹽分洗脫； 再次改土，采用改良劑改造土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，一般采用石膏，客土等方法。傳統(tǒng)的鹽堿土改良方法成本高，費(fèi)時(shí)長，不能適合大規(guī)模改造鹽堿土。例如濱海灘涂鹽堿土改造一般要開溝排水，淋鹽爽堿，圍埝蓄淡，植葦養(yǎng)魚，然后再引水種稻等環(huán)節(jié)，成本高、耗時(shí)長，不符合現(xiàn)代市場化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速需求。農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)熱裂解炭化利用已是世界趨勢，熱裂解主要產(chǎn)物生物黑炭在農(nóng)業(yè)固碳減排和改良土壤等方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，被國際公認(rèn)為21世紀(jì)新的農(nóng)業(yè)綠色革命新技術(shù)[Taylor P. 2010.]。我國秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)熱裂解炭化的工廠化生產(chǎn)工藝條件已經(jīng)成熟，2011年國家能源局、財(cái)政部和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合啟動(dòng)了“綠色能源示范縣建設(shè)”計(jì)劃，秸稈熱裂解氣炭聯(lián)產(chǎn)炭化得到國家財(cái)政支持。因此，秸稈熱裂解炭化產(chǎn)業(yè)化前景十分明朗。秸稈氣炭聯(lián)產(chǎn)的主要產(chǎn)物除了生物質(zhì)燃?xì)馔?，還主要得到固體生物黑炭和液體木醋液，解決其應(yīng)用的去向?qū)⑹巧镔|(zhì)炭化產(chǎn)業(yè)化的必然需求。我們前期的研究表明，農(nóng)田施用生物黑炭可減少溫室氣體排放、提高氮肥利用率[Zhang，et al. 2010]，同時(shí)在污染稻田可以起到大幅度降低農(nóng)產(chǎn)品有毒重金屬積累[Cui，et al.2011]。我國每年大約有作物秸稈7億噸，可以生物質(zhì)熱裂解炭化可得到約2億噸生物黑炭，鑒于生物黑炭可以快速增加土壤有機(jī)質(zhì)從而促進(jìn)良好土壤結(jié)構(gòu)快速，加快鹽分分離，從而為植物生長創(chuàng)造良好條件。 木醋液是酸性有機(jī)物溶液，且含有部分植物生長刺激物質(zhì)[閆玉等，2011]，其次，木醋液具有促進(jìn)作物生長和防治病蟲害的良好作用。生物黑炭和木醋液在鹽堿土改良上具有廣闊的應(yīng)用潛力，同時(shí)也可能為大規(guī)模發(fā)展農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化和后背耕地補(bǔ)充培育提供可靠的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
解決的技術(shù)問題
本發(fā)明根據(jù)生物黑炭增加土壤有機(jī)質(zhì)，快速改善土壤結(jié)構(gòu)，以及木醋液快速中和堿性， 從而可以快速熟化改良鹽堿土的理論假設(shè)，通過采用小麥秸稈炭化產(chǎn)物-生物黑炭和木醋液的田間試驗(yàn)證明其對鹽堿地土壤改良和小麥生長和產(chǎn)量的良好作用，提出生物黑炭和木醋液聯(lián)合改良鹽堿土的技術(shù)方法。該技術(shù)方法具有以下幾方面作用1，可大幅度降低鹽堿地耕層土壤含鹽量和PH值；2，顯著降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，阻斷鹽分毛管上升，促使作物根系健康生長；3，生物黑炭和木醋液的聯(lián)合作用提高作物的出苗率和成活率，從而提高作物產(chǎn)量；4，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)循環(huán)利用。其成本可以為農(nóng)民所接受，可以發(fā)展為大規(guī)模治理和改良鹽漬化土壤的實(shí)用技術(shù)。該技術(shù)的核心是生產(chǎn)，植物構(gòu)建土壤塊狀和粒狀結(jié)構(gòu)，阻斷鹽分毛管上升，提高作物出苗率和成活率，從而增加作物產(chǎn)量，提出施用生物質(zhì)炭土壤改良材料處理鹽堿地土壤，從而達(dá)到作物正常生長并大幅度降低鹽分對作物的毒害提高作物產(chǎn)量的目的。技術(shù)方案
本發(fā)明的工作原理利用生物黑炭疏松多孔，比表面積大，吸水性強(qiáng)，可以在鹽堿土中奪水而持水；生物黑炭構(gòu)建土壤塊狀和粒狀結(jié)構(gòu)，阻斷鹽分毛管上升，使植物得以在根層生長；另外，利用木醋液含有低分子有機(jī)酸，以酸中和堿，高效壓鹽洗鹽。形成了化學(xué)改良-生物熟化-耕作施肥為一體的土壤結(jié)構(gòu)快速構(gòu)建，鹽分水分有效分離-根系避鹽生長的快速改良熟化利用鹽堿土的技術(shù)方案。技術(shù)核心以醋(木醋液)壓鹽，增炭改土，鹽水分離，生物熟化，根系避鹽生長的鹽堿土快速改良熟化技術(shù)。利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的技術(shù)方法按以下步驟進(jìn)行
1，秸稈熱裂解炭化生產(chǎn)生物黑炭和木醋液收集農(nóng)作物秸稈，風(fēng)干或晾曬使之含水量低于20%wt，然后放入炭化爐中在300-500°C進(jìn)行炭化，得到生物黑炭和混合氣體，把混合氣體經(jīng)過氣液分離裝置通過除塵器把固體粉塵除去后，再根據(jù)各氣體的凝固點(diǎn)不同通過冷凝器把混合氣體分離開來，得到木醋液，然后把生物黑炭磨碎，過篩，并混合均勻化，得到顆粒直徑<0. 25 mm的生物黑炭，木醋液過濾備用；
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鹽化面堿土，在前茬作物播種前施用由生物黑炭和木醋液按重量比為5 :1組成的改良劑，生物黑炭的撒施量為0. 75-1511^1,木醋液的施用量為0. 15-3t.ha^,同時(shí)施用基肥，其中N-P2O5-KCl為15%-15%-15%，然后均勻撒施在土壤表層，再深耕到30cm，耙勻，使之與土壤充分混合。所述農(nóng)作物秸稈為小麥、玉米、稻殼、高粱或大豆秸稈。所述炭化爐為池式限氧熱裂解炭化爐或立窯式限氧熱裂解炭化爐。3，作物生產(chǎn)管理在小麥播種前，對步驟1所述的方法處理后的鹽堿地土壤在墑情良好前，按當(dāng)?shù)刈钸m播種期適時(shí)播種，直播10公斤/畝的小麥種子。生長期間的追肥、灌溉管理與植保措施與當(dāng)?shù)毓芾砟Ｊ较嗤?，土壤分析和作物長勢觀察分別在苗期(返青前拔節(jié)期)和灌漿期實(shí)地觀測作物長勢(植株高度、根系長度、根重和分蘗數(shù))，收獲期實(shí)測小麥產(chǎn)量；測定苗期和收獲期土壤鹽分含量、PH值和容重等)。所述一種利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法的主要特征為
1)生物黑炭是穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)，可以快速提供培育土壤的大量有機(jī)質(zhì)；
2)生物黑炭多孔，吸水性強(qiáng)，可以在鹽堿土中奪水而持水；
3)生物黑炭構(gòu)建土壤塊狀和粒狀結(jié)構(gòu)，阻斷鹽分毛管上升，使植物得以在根層生長；
4)木醋液含有低分子有機(jī)酸，以酸中和堿，高效壓鹽洗鹽；
5)原料價(jià)格低廉，方法簡便易行，不會污染土壤及環(huán)境。有益效果
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和顯著效果本方法改良鹽堿土效果顯著，在中度或重度鹽化面堿土，其含鹽量0. 5%-1. 35%，在小麥播種前施用生物黑炭改良劑和木醋液作為底肥，可將PH 值大于10的鹽堿地，當(dāng)年就可以改造這個(gè)可以耕作的農(nóng)田。土壤的容重與對照相比有顯著降低，土壤的可溶性鹽含量由對照的6. 42 g kg—1降低到5. 63 g kg—1降低了 12.3%，pH值從8. 23降低到7. 94降低了 0. 29，K+、Na+等鹽分離子也相應(yīng)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，使出苗率達(dá)到70%以上，小麥產(chǎn)量達(dá)到450公斤/畝，而未改良鹽堿地不足150公斤/畝。本發(fā)明施用的生物黑炭和木醋液是由小麥秸稈高溫裂解而成，有利于消納農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)品。我國每年大約有作物秸稈7億噸，可以炭化得到約2億噸生物黑炭，按每公頃施用10噸，可以再造后備耕地2000萬公頃，3年輪換可以完成新增耕地的全部整治和恢復(fù)。同時(shí)還可能新增巨大的土壤碳匯。


圖1 生物黑炭和木醋液的生產(chǎn)工藝流程。圖2 生物黑炭和木醋液的施用對鹽堿地土壤容重的影響。圖3 生物黑炭和木醋液的施用對鹽堿地的鹽分含量的影響。圖4 生物黑炭和木醋液的施用對鹽堿地小麥產(chǎn)量的影響。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1
收集小麥秸稈或者玉米秸稈，風(fēng)干或晾曬使之含水量低于20% ；然后放入池式限氧熱裂解炭化爐或立窯式限氧熱裂解炭化爐中在300-50(TC進(jìn)行炭化，得到生物黑炭和混合氣體，把混合氣體通過除塵器把固體粉塵除去后，再根據(jù)各氣體的凝固點(diǎn)不同通過冷凝器把混合氣體分離開來，得到木醋液，然后把生物黑炭磨碎，過篩，并混合均勻化，得到顆粒直徑 <0. 25 mm的生物黑炭，把木醋液過濾備用。在含鹽量0. 5%，堿化度16. 5%的鹽化面堿土壤， 2010年10月中旬在小麥播種前施用顆粒直徑<0. 25 mm的生物黑炭改良劑7. 5t. ha—1，木醋液1. 5t. ha—1，把生物黑炭和木醋液混勻后均勻撒施在土壤表層，同時(shí)施用基肥，基肥用量為 112.5kg N ha—1，112.5kg P2O5 ha—1，112. 5kg K2O. ha—1，然后均勻撒施在土壤表層，然后深耕到30cm，并將其0-20cm耙勻，使之與耕層土壤充分混合。沒有施用生物黑炭和木醋液的相同面積的鹽堿地田塊作為對照，施肥量和耕作方式與試驗(yàn)地相同。小麥生長期間的追肥、灌溉管理與植保措施與當(dāng)?shù)毓芾砟Ｊ较嗤?。施用生物黑炭和木醋液之后，能明顯觀察到土壤表面的鹽分含量與對照相比明顯降低，小麥的出苗率和成活率達(dá)到了 70%以上，而沒有施用生物黑炭和木醋液的土壤小麥的出苗率只有40%，并且長勢參差不齊。土壤容重由對照的1. 28g. cm_3降低到1. 20g. cm_3， 土壤的可溶性鹽含量由對照的6. 42 g kg-1降低到5. 63 g kg-1降低了 12. 3%，pH值從8. 23 降低到7. 94降低了 0.四，土壤的K+、Na+等鹽分離子也相應(yīng)降低。收獲小麥產(chǎn)量450公斤 /畝，而未改良地(對照)僅為150公斤/畝。2011年3月干旱時(shí)，土壤含水量增加2%，容重降低O.lg/cm3，小麥根系生長健康。2011年5月，小麥長勢正常，估產(chǎn)達(dá)到200公斤/畝， 因此，在鹽堿荒灘上實(shí)現(xiàn)了小麥的正常生產(chǎn)。在鹽分超過0. 4%臨界值的鹽漬化土壤，當(dāng)年改良當(dāng)年獲得正常產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了快速改良進(jìn)行小麥生產(chǎn)的目標(biāo)。實(shí)施例2
在實(shí)例1的同一地點(diǎn)的，在含鹽量> 0. 5%的鹽化面堿土壤，2011年6月上旬在小麥?zhǔn)崭詈笥衩追N植前施用顆粒直徑<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勻后均勻撒施在土壤表層，同時(shí)施用基肥，然后均勻撒施在土壤表層，然后深耕到20cm，并將其0-20cm耙勻，使之與耕層土壤充分混合。沒有施用生物黑炭和木醋液的相同面積的鹽堿地田塊作為對照，施肥量和耕作方式與試驗(yàn)地相同。玉米生長期間的追肥、灌溉管理與植保措施與當(dāng)?shù)毓芾砟Ｊ较嗤?。玉米生長期間觀察施生物黑炭和木醋液的田塊出苗率和成活率可達(dá)60%以上，植株高度顯著高于未施炭田。土壤的可溶性鹽分含量減少，鹽斑面積大大減少。實(shí)施例3
該利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法的施用量為生物黑炭改良劑l.St.ha—1，木醋液OJt.ha—1。玉米生長期間觀察施生物黑炭和木醋液的田塊玉米的出苗率和成活率可達(dá)70%以上，植株高度顯著高于未施炭田。pH值降低，土壤的可溶性鹽分含量減少，幾乎沒出現(xiàn)鹽斑現(xiàn)象。實(shí)施例4
該利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法的施用量為生物黑炭和木醋液改良劑的施用量為生物黑炭St.ha—1，木醋液O.et.ha—1。玉米生長期間觀察施生物黑炭和木醋液的田塊玉米的出苗率和成活率可達(dá)70%以上，植株高度顯著高于未施炭田，長勢良好。PH值降低，土壤的可溶性鹽分含量減少，未出現(xiàn)鹽斑現(xiàn)象。實(shí)施例5
該利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法的施用量為生物黑炭和木醋液改良劑的施用量為生物黑炭4. St.ha—1，木醋液O.gt.ha—1。玉米生長期間觀察施生物黑炭和木醋液的田塊玉米的出苗率和成活率可達(dá)70%以上，植株高度顯著高于未施炭田， 長勢良好。PH值降低，土壤的可溶性鹽分含量減少，未出現(xiàn)鹽斑現(xiàn)象。
實(shí)施例6
該利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法的施用量為生物黑炭和木醋液改良劑的施用量為生物黑炭et.ha—1，木醋液l^t.ha—1。玉米生長期間觀察施生物黑炭和木醋液的田塊玉米的出苗率和成活率可達(dá)70%以上，植株高度顯著高于未施炭田，長勢良好整齊。PH值降低，土壤的可溶性鹽分含量減少，未出現(xiàn)鹽斑現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法，其特征在于步驟如下1)秸稈熱裂解炭化生產(chǎn)生物黑炭和木醋液收集農(nóng)作物秸稈，風(fēng)干或晾曬使之含水量低于20%wt，然后放入炭化爐中在300-500°C進(jìn)行炭化，得到生物黑炭和混合氣體，把混合氣體通過除塵器把固體粉塵除去后，再通過冷凝器把混合氣體分離開來，得到木醋液，然后把生物黑炭磨碎，過篩，并混合均勻化，得到顆粒直徑<0.25 mm的生物黑炭，木醋液過濾備用；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鹽化面堿土，在前茬作物播種前施用由生物黑炭和木醋液按重量比為5:1組成的改良劑，生物黑炭的撒施量為0. 75-1511^1,木醋液的施用量為0. 15-3t.ha^,同時(shí)施用基肥，其中N-P2O5-KCl為 15%-15%-15%，然后均勻撒施在土壤表層，再深耕到30cm，耙勻，使之與土壤充分混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法，其特征在于所述農(nóng)作物秸稈為小麥、玉米、稻殼、高粱或大豆秸稈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法，其特征在于所述炭化爐為池式限氧熱裂解炭化爐或立窯式限氧熱裂解炭化爐。
全文摘要
一種利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭化產(chǎn)物改良熟化鹽堿土的方法，步驟如下秸稈熱裂解炭化生產(chǎn)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。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和顯著效果本方法改良鹽堿土效果顯著，在中度和重度鹽化面堿土，其含鹽量0.5%-1.35%，在小麥播種前施用生物黑炭改良劑和木醋液作為底肥，可將pH值大于10的鹽堿地，當(dāng)年就可以改造成可以耕作的農(nóng)田，農(nóng)作物產(chǎn)量大幅度提高。
文檔編號A01B77/00GK102405706SQ20111023088
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者劉玉明, 康全德, 張旭輝, 李戀卿, 林振衡, 潘根興, 鄭金偉 申請人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 商丘三利新能源有限公司