本發(fā)明涉及一種稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)方法，具體而言，是一種在實際生產(chǎn)上提高生物炭的氮素吸附能力，同時增加水稻產(chǎn)量，兼顧環(huán)保和農(nóng)業(yè)的高效生物炭施用方法。

背景技術(shù)：

稻田田面水

近年來由于施肥過量、施肥結(jié)構(gòu)不合理，使得大量氮元素輸入江、河、湖泊，引起日益嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染問題，導(dǎo)致水質(zhì)惡化、加劇了水體富營養(yǎng)化。湖泊中氮來源有50％以上來自于農(nóng)業(yè)面源污染，如太湖地區(qū)，農(nóng)業(yè)面源排放氮量占入湖總氮量的77％。降低稻田田面中的氮含量對降低農(nóng)業(yè)面源污染有重要意義。由于稻田田面水具有總量大、分布分散等特點，對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和民眾健康構(gòu)成潛在威脅。本發(fā)明針對的稻田田面水，相比點源污染、未處理的生活污水等污染源，其氮含量較低，但由于分布廣泛、產(chǎn)生量高，對水體環(huán)境的負(fù)面影響也非常顯著。使用工程化措施處理稻田田面水的經(jīng)濟(jì)性不高，因此，有必要針對稻田田面水設(shè)置低成本的、環(huán)境友好的凈化系統(tǒng)，以降低其氮含量，使稻田田面水達(dá)到或接近地表水排放標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)良好的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益。

生物炭技術(shù)

生物炭(Biochar)是在完全或部分缺氧條件下，以及相對較低的溫度條件下(<700℃)，經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一種含碳量豐富、性質(zhì)穩(wěn)定的有機物質(zhì)。生物炭表面具有大量的孔洞，空隙大小不一。這種孔洞結(jié)構(gòu)有利于土壤微生物的生長。生物炭容重小，水、氣吸收能力強，且具有大量的表面負(fù)電荷以及高電荷密度的特性，能形成電磁場，構(gòu)成了生物炭良好的吸附特性，能吸附水、土壤或沉積物中的無機離子及極性或非極性有機化合物，特別是利于吸附土壤和水體中重金屬污染物質(zhì)和有機污染物。在化學(xué)成分上，生物炭還包括鈣、鎂等礦物質(zhì)以及無機碳酸鹽，具有高度的芳香化、生物化學(xué)抗分解性和物理的熱穩(wěn)定性，促進(jìn)植物對營養(yǎng)元素的吸收。此外，生物炭往往呈現(xiàn)一定的堿性，可被用于改良酸性土壤。鑒于上述一系列的優(yōu)良特性，生物炭在近年來被廣泛用于固碳減排、土壤修復(fù)改良等方面的研究和實踐。

生物炭施用方式

已有報道的生物炭施用方式主要為表施和混施，尚未報道其他施用方式。表施容易造成生物炭隨水氣搬運作用丟失，而混施造成生物炭利用效率低下，不利于提高作物產(chǎn)量。本發(fā)明側(cè)重從施用方式的角度提出一種新型的生物炭施用方案，以強化生物炭與田面水的接觸，提高生物炭的利用效率。同時，本方案可以一定程度上增加水稻產(chǎn)量，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了進(jìn)一步提高生物炭在實際生產(chǎn)中的對氮元素的吸附能力，本發(fā)明提供一種稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)方法，充分發(fā)揮生物炭對氮元素的吸附能力，形成土壤-生物炭緩沖層，實現(xiàn)對稻田田面水中的氮素進(jìn)行更高效的吸附、凈化，同時提高氮素利用效率。通過本研究的降低稻田田面水氮濃度的生物炭施用方案，可以實現(xiàn)降低面源污染，提高水稻產(chǎn)量等目標(biāo)，具有成本低、額外投入少等特點。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)方法，其特征在于，包括如下步驟：

第一個步驟：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆蓋層；

第二個步驟：對生物炭覆蓋層進(jìn)行淺層翻耕，初步形成土壤-生物炭緩沖層；翻耕時控制擾動深度為1-10cm；

第三個步驟：灌溉初步形成的土壤-生物炭緩沖層，使土壤和生物炭進(jìn)行充分的粘合，形成穩(wěn)定的土壤表層，即穩(wěn)定的土壤-生物炭緩沖層。

所述的生物炭由以下一種或幾種作物殘體制備而成：小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、芝麻秸稈、油菜秸稈。作為優(yōu)選方案，所述生物炭采用小麥秸稈制備生物炭，制備溫度為700℃。

所述的生物炭的比表面積不低于50m²/g。作為優(yōu)選，所述生物炭的比表面積為80m²/g。

在第一個步驟中，當(dāng)生物炭pH不高于8.0時，直接施用生物炭于土壤表面；當(dāng)生物炭pH高于8.0時，在施用生物炭時配施木醋液；配施的木醋液pH介于3-5之間，有效成分(所述的有效成分指木醋液中的所有有機物質(zhì))的質(zhì)量百分含量介于3％-10％之間；配施的木醋液的使用量介于50L-200L/ha之間。作為優(yōu)選方案，所述生物炭施用過程配施木醋液(pH＝5.0)，配施的木醋液使用量為100L/ha。

在第三個步驟中，所述穩(wěn)定的土壤-生物炭緩沖層，其生物炭質(zhì)量比例為0.1-10％w/w。作為優(yōu)選方案，所述生物炭的施用量為0.5％w/w。該質(zhì)量比例指生物炭占穩(wěn)定的土壤-生物炭緩沖層的質(zhì)量百分比。

在第一個步驟中，所述生物炭覆蓋層，其厚度為1-5cm。在施用生物炭過程中適當(dāng)灑水。

所述淺層翻耕，采用鋤頭、筢子、旋耕機或翻耕機進(jìn)行淺層翻耕，使翻耕深度為1-10cm。作為優(yōu)選方案，所述淺層翻耕深度為1-5cm，更優(yōu)選為5cm。

所述灌溉后形成的穩(wěn)定的土壤-生物炭緩沖層，其厚度為1-10cm。作為優(yōu)選方案，所述土壤-生物炭緩沖層為1-5cm，更優(yōu)選為5cm。

一種稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)方法，處理方法如下：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆蓋層，對生物炭覆蓋層進(jìn)行淺層翻耕，適時灌溉形成穩(wěn)定的土壤-生物炭緩沖層。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供了一種稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施，通過改變生物炭施用方式，在不增加額外物質(zhì)投入，不施加外部能源的條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風(fēng)險，并提高水稻產(chǎn)量。具體而言，本發(fā)明實現(xiàn)以下有益效果：

1)充分利用生物炭對氮素的吸附能力，解決了傳統(tǒng)稻田田面水氮處理方法成本高的問題，在不增加額外成本、造成環(huán)境負(fù)效應(yīng)的前提下降低稻田田面水氮濃度。

2)本發(fā)明形成土壤-生物炭緩沖層，除吸附稻田田面水氮素外，可向水稻根系提供氮素，促進(jìn)水稻生長發(fā)育，提高水稻產(chǎn)量。

綜上，本發(fā)明提出的一種稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)方法，實現(xiàn)了降低污染，提高作物產(chǎn)量的目標(biāo)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

附圖說明

圖1為稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施使用后稻田田面水氨氮含量變化的時間曲線；

圖2為稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施使用后稻田田面水硝氮含量變化的時間曲線；

圖3為稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施使用后稻田田面水總氮含量變化的時間曲線；

圖4為本發(fā)明方法的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

參見圖4，一種稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)方法，利用生物炭對氮素的吸附能力，通過對施用方式進(jìn)行創(chuàng)新，提高生物炭對田面水氮素的富集。為了避免生物炭本身密度較小，容易漂浮、流失的不足，將生物炭與表層土壤進(jìn)行混合，在稻田土水界面形成一個富含生物炭的緩沖層，實現(xiàn)對田面水氮素的攔截，降低氮素流失，提高養(yǎng)分利用效率。該方式與現(xiàn)有的生物炭施用方式不同，現(xiàn)有的施用方式一般采用完全混合，因水稻土傳質(zhì)阻力很大，這種施用方式不利于生物炭對田面水養(yǎng)分的富集，下層土壤中生物炭難以對表層田面水氮素起到緩沖和吸附作用；另外一種是田間撒施生物炭，這種施用方式會造成生物炭的流失，不利于生物炭效用的發(fā)揮。本發(fā)明提出的表層混施方法，可以有效避免上述兩種施用方式的缺點，實現(xiàn)生物炭利用效能的最大化。將生物炭施用在土壤表層，進(jìn)行淺層翻耕，在不增加生物炭施用量的前提下，提高生物炭對稻田田面水氮素的吸附能力。核心創(chuàng)新點是增加土壤表層生物炭密度，增加其對稻田田面水中氮素的吸附能力，同時降低土壤亞表層及其以下的生物炭密度，增加水稻根系范圍內(nèi)的土壤氮有效性。在降低稻田田面水氮濃度的同時，提高水稻的氮利用效率，增加水稻產(chǎn)量。該施用方案分為三個過程：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆蓋層、對生物炭覆蓋層進(jìn)行淺層翻耕、適時灌溉形成穩(wěn)定的土壤-生物炭緩沖層。

第一個步驟為施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆蓋層，該過程應(yīng)避免生物炭的流失，特別是因風(fēng)吹導(dǎo)致的生物炭流失。必要時可在施用生物炭過程中適當(dāng)灑水。相比傳統(tǒng)直接施用的方式，本方法可以防止生物炭在水平方向的移動和流失。為了減少生物炭自身堿性較高導(dǎo)致田面水pH受擾動較大，進(jìn)而增加氨揮發(fā)的排放，應(yīng)在生物炭施用前噴灑木醋液(生物炭制備過程中的副產(chǎn)品)，調(diào)節(jié)其pH以減少氨揮發(fā)通量。

第二個步驟為對生物炭覆蓋層進(jìn)行淺層翻耕，初步形成土壤-生物炭緩沖層。翻耕不宜過深，控制擾動深度為1-10cm。

第三個步驟為灌溉已經(jīng)形成的土壤-生物炭緩沖層。在完成步驟一和二的基礎(chǔ)上，對稻田進(jìn)行灌溉，使土壤和生物炭進(jìn)行充分的粘合，形成新的穩(wěn)定的土壤表層，即土壤-生物炭緩沖層。

所述的生物炭由以下一種或幾種作物殘體制備而成：小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、芝麻秸稈、油菜秸稈。所述的生物炭比表面積不低于50m²/g。

為了控制施用生物炭可能導(dǎo)致的氨揮發(fā)量增加，以及進(jìn)一步改良土壤理化條件，當(dāng)所制備的生物炭pH不高于8.0時(pH值對氨揮發(fā)的影響較小)，可以直接施用生物炭；生物炭pH高于8.0時(pH值對氨揮發(fā)可能存在較大影響)，則需在施用生物炭時配施木醋液。配施的木醋液pH介于3-5之間，有效成分含量介于3％-10％之間。配施的木醋液折合成單位面積使用量介于50L-200L/ha之間，以確保本施用方式對田面水pH值的擾動較小。木醋液來源于上述秸稈干餾過程的副產(chǎn)品。

所述土壤-生物炭緩沖層，其生物炭質(zhì)量比例為0.1-10％(w/w)。所述生物炭覆蓋層，其厚度為1-5cm。所述淺層翻耕，采用鋤頭、筢子、旋耕機或翻耕機進(jìn)行淺層翻耕，使其翻耕深度為1-10cm。所述灌溉后形成的土壤-生物炭緩沖層，其厚度為1-10cm。

處理方法如下：施用生物炭于土壤表面形成生物炭覆蓋層、對生物炭覆蓋層進(jìn)行淺層翻耕、適時灌溉形成穩(wěn)定的土壤-生物炭緩沖層。最終實現(xiàn)降低稻田田面水中氮濃度，減輕面源污染風(fēng)險；同時通過改善土壤理化條件，提高土壤肥力，增加水稻產(chǎn)量。本發(fā)明的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)方法，通過改變生物炭施用方式，可以在不增加額外物質(zhì)投入，不施加外部能源的條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風(fēng)險，并提高水稻產(chǎn)量。具有成本低、額外投入少等特點。

實施例1考察了一種稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對稻田田面水氮濃度(氨氮，硝氮和總氮)的影響。于2015年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場建立水稻盆栽實驗，設(shè)定3個處理，分別為不施生物炭(CKU)，常規(guī)施用生物炭(W700-CM，生物炭施用量0.5％w/w，施用深度為15cm)，本發(fā)明的生物炭施用方案(W700-SM，生物炭施用量0.5％w/w，土壤-生物炭緩沖層為5cm，配施木醋液pH＝4.0，有效成分5％，配施的木醋液使用量為100L/ha，淺層翻耕深度為5cm，小麥秸稈制備生物炭，制備溫度為700℃，生物炭的比表面積為80m²/g，生物炭覆蓋層3cm)。生物炭為小麥秸稈在700℃燒制而成。在基肥以及分蘗期和穗期追肥后的7天內(nèi)(施肥量分別為96，96和48kg N/ha)，每天采集田面水水樣分析氨氮，硝氮和總氮含量。水稻移栽深度為2-3cm。

實施例2新型的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對稻田田面水氨氮的阻控效果

本實施例考察了一種新型的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對氨氮的吸附效果(圖1)。本實施例具體操作方式與實施例1類似。在施用基肥、分蘗肥和穗肥后，與施用肥料但未施用生物炭的處理對比，新型生物炭施用方案處理下，稻田田面水氨氮平均下降33.57mg/L，而常規(guī)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顯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。

實施例3新型的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對稻田田面水硝氮的阻控效果

本實施例考察了一種新型的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對硝氮的吸附效果(圖2)。本實施例具體操作方式與實施例1類似。在施用基肥、分蘗肥和穗肥后，與施用肥料但未施用生物炭的處理對比，新型生物炭施用方案處理下，稻田田面水硝氮平均下降1.62mg/L，而常規(guī)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顯著降低稻田田面水硝氮含量，而常規(guī)施用方案對稻田田面水硝氮的吸附能力較弱。

實施例4新型的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對稻田田面水總氮的阻控效果

本實施例考察了一種新型的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對總氮的吸附效果(圖3)。本實施例具體操作方式與實施例1類似。在施用基肥、分蘗肥和穗肥后，與施用肥料但未施用生物炭的處理對比，新型生物炭施用方案處理下，稻田田面水總氮平均下降9.10mg/L，而常規(guī)施用方案下，稻田田面水總氮平均下降4.14mg/L。新型生物炭施用方案能顯著降低稻田田面水總氮含量，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總氮含量降低1倍多。

實施例5新型的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對水稻產(chǎn)量的影響

本實施例考察了一種新型的稻田面源污染減排及水稻增產(chǎn)措施對水稻產(chǎn)量的影響。本實施例具體操作方式與實施例1類似。新型生物炭施用方案處理相比常規(guī)施用方案，水稻產(chǎn)量增加15.25％。新型生物炭施用方案中的土壤-生物炭緩沖層可看作氮素的容器，能提高水稻產(chǎn)量和水稻的氮利用效率，進(jìn)一步降低了農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險，具體結(jié)果見表1。

表1水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。