镁改性竹屑生物炭及其在土壤固碳减排中的应用

1.本发明涉及生物炭固碳减排技术领域，尤其涉及镁改性竹屑生物炭及其在土壤固碳减排中的应用。


背景技术：

2.土壤碳库是陆地生态系统中最大且最活跃的碳库，也是大气温室气体的主要碳源。土壤的巨大碳容量和天然固碳作用，对于大气中碳的储存或释放具有重要的影响。大气co2浓度增加，土壤的碳储量减少，这不仅造成了土壤的贫瘠和退化，制约农业发展，而且还加剧了全球气候变暖。近年来，由温室气体排放增加造成的气候变暖问题引发持续关注，在过去100多年里，全球平均气温上升了0.6501.06℃。co2作为最主要的温室气体对全球变暖的贡献约为55％。因此，亟须寻找具有可持续、有效地减少土壤co2排放的材料。
3.生物炭是指生物质在缺氧或限氧条件下热解炭化所产生的高度芳香化的固碳物质。虽然生物炭可以长期封存碳，并通过影响土壤碳库特征从而影响土壤温室气体的排放。但生物炭性质，如酸碱度和碳含量随时间变化，这些化学变化影响微生物生物量以及生物炭减少排放的效率，而对生物炭进行改性可提高其稳定性和可适用性。目前，生物炭改性的方法主要有化学改性法(酸、碱和过氧化氢)、物理改性法(蒸汽、球磨、微波)、浸没在矿物或无机吸附剂中的表面覆盖法、生物法(消化)和磁改性。其中，经发明人论证，氯化镁改性能在生物炭表面形成金属氧化物(mgo和mg(oh)2)，可提高生物炭对阴离子的吸附能力。由于mgo/mg(oh)2与co2反应可形成mgco3，从而捕获土壤中产生的co2，因此，镁改性竹屑生物炭能提高生物炭吸附碳酸根离子的能力，具有降低土壤co2排放的潜力。
4.下面的反应可以解释其可能的机理：
5.mgo co2→
mgco36.mg(oh)2 co2→
mgco3 h2o。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实施可靠、制备方法简单且对环境友好和能够增加土壤对碳的固持的镁改性竹屑生物炭及其在土壤固碳减排中的应用。
8.为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
9.一种镁改性竹屑生物炭，其由预设含水量的竹屑在经高温热解炭化和冷却处理后，再研磨至预设粒径，然后将经研磨后的产物与预设浓度的mgcl2.6h2o进行混合和接触处理预设时长后再滤出，继而将过滤物进行干燥、磨细、过筛处理后，获取筛下物，制得镁改性竹屑生物炭。
10.基于上述，本发明提供一种镁改性竹屑生物炭的制备方法，其包括如下步骤：
11.(1)将竹屑处理成水分含量低至10％以下，然后将其置于限氧条件下进行高温热解炭化处理，其中，热解炭化处理的温度为500℃，在该条件下保温2h，然后经冷却至室温后，对产物进行研磨，使之通过100目筛网，获得生物炭；
12.(2)配制摩尔浓度为1mol/l的mgcl2·
6h2o溶液；
13.(3)将生物炭与1mol/l的mgcl2·
6h2o溶液按固液比为1∶5的比例混合，然后对混合体系进行搅拌处理，使其混合均匀，再将混合体系置于恒温振动器中震荡处理3h，然后静置处理24h，继而通过100目筛网过滤，再将过滤物置于105℃环境下干燥处理12h，再对干燥后的物料进行磨细并经100目筛网过筛，最后获取筛下物，制得镁改性竹屑生物炭。
14.作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤(1)中，竹屑通过自然风干处理成水分含量低至10％以下。
15.作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤(1)中，热解炭化处理的升温速率为10℃/m11。
16.作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤(3)中，对混合体系进行搅拌处理的转速为180r/m11，搅拌时长为1h。
17.作为一种较优的选择实施方式，优选的，步骤(1)中所制得的生物炭的ph为9.4，全碳含量为775.00g/kg，全氮含量为4.00g/kg，全磷含量为2.20g/kg、全钾含量为4.10g/kg，比表面积为6.40m2/g。
18.基于上述，本发明还提供镁改性竹屑生物炭在土壤固碳减排中的应用，其包括：将上述所述制备方法所制得的镁改性竹屑生物炭撒施于土壤中。
19.作为一种较优的选择实施方式，优选的，镁改性竹屑生物炭撒施于土壤中的用量为40t
·
hm-2
，撒施后，将镁改性竹屑生物炭分散混合至土壤20cm深度并耙匀。
20.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述土壤为玉米种植土壤。
21.基于上述，本发明还提供镁改性竹屑生物炭在玉米种植改良中的应用，其包括将上述所述制备方法所制得的镁改性竹屑生物炭撒施于玉米种植土壤中。
22.采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案利用竹屑制备生物炭，并添加1mol/l mgcl2·
6h2o溶液制成一种镁改性竹屑生物炭；该镁改性竹屑生物炭中的生物炭成分对土壤作用包括：增加土壤对碳的固持，稳定土壤有机碳库以及维持土壤碳平衡，减少农田土壤co2向大气中的释放。本发明方案中的镁改性竹屑生物炭能够在生物炭表面形成金属氧化物(mgo和mg(oh)2)，可以提高其吸附碳酸根离子的潜力，降低农田土壤co2排放量。施用镁改性竹屑生物炭可以有效减少农田土壤co2排放，也可增加土壤对碳的固持，提高碳交易量，真正实现了经济和环境的双赢。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是不同实验组处理土壤后，土壤的co2排放速率对比曲线；
25.图2是不同实验组处理土壤后，在84天co2排放的对比图；
26.图3是不同实验组处理土壤后，土壤的doc含量对比图；
27.图4是不同实验组处理土壤后，土壤的soc含量对比图；
28.图5是不同实验组处理玉米种植土壤后，玉米籽的产量对比图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.下述实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市场购获得的常规产品。
31.实施例1
32.本实施例镁改性竹屑生物炭的制备方法，其包括如下步骤：
33.(1)将竹屑自然风干处理，使其水分含量低至10％以下，然后将风干后的竹屑置于限氧条件下进行高温热解炭化处理，其中，热解炭化处理的温度为500℃，升温速率为10℃/m11，在该条件下保温2h，然后经冷却至室温后，对产物进行研磨，使之通过100目筛网，获得生物炭；
34.(2)称取203.2987g mgcl2·
6h2o，加入去离子水溶解并定容至1000ml，配制得到摩尔浓度为1mol/l的mgcl2·
6h2o溶液；
35.(3)将步骤(1)过筛获得的生物炭与1mol/l的mgcl2·
6h2o溶液按固液比为1∶5的比例混合，然后通过电磁搅拌器对混合体系进行搅拌处理，使其混合均匀，搅拌的转速为180r/m11，搅拌时长为1h，搅拌完成后，再将混合体系置于恒温振动器中震荡处理3h，使mgcl2·
6h2o溶液与生物炭充分反应，然后静置处理24h，继而通过100目筛网过滤，再将过滤物置于105℃的烘箱环境下干燥处理12h，再对干燥后的物料进行磨细并经100目筛网过筛，最后获取筛下物，制得镁改性竹屑生物炭。
36.其中，步骤(3)通过烘箱以105℃进行烘干的方式具有较好的烘干效果和速度。
37.另外，生物炭与1mol/l的mgcl2·
6h2o溶液按1:5的固液比能够使竹屑生物炭在mgcl2·
6h2o溶液中被充分改性，采用1mol/l mgcl2·
6h2o溶液对竹屑生物炭进行改性时，过高或过低的mgcl2·
6h2o溶液会增加成本或降低生物炭改性效果。
38.性能表征
39.对步骤(1)制得的生物炭进行表征，结果表明，所制得的生物炭的ph为9.4，全碳含量为775.00g/kg，全氮含量为4.00g/kg，全磷含量为2.20g/kg、全钾含量为4.10g/kg，比表面积为6.40m2/g。
40.实施例2
41.本实施例镁改性竹屑生物炭在土壤固碳减排中的应用，即镁改性竹屑生物炭用于减少农田土壤co2排放和固碳的方法包括如下：
42.肥料：氮(n)、磷(p2o5)、钾(k2o)肥从市场直接采购。
43.采用大田实施：大田试验开始于2021年3月，在福建省福州市白沙(26
°
12
′
13.428"n，119
°4′
40.584"e)玉米种植区的农田上建立了试验小区，土壤ph 5.35，全碳11.89g
·
kg-1
，全氮1.05g
·
kg-1
，碱解氮50.67mg
·
kg-1
，速效磷24.51mg
·
kg-1
、速效钾25.47mg
·
kg-1
。
44.试验采用随机区组设计，每个处理设置3次重复，共4个小区，单个小区面积1.5m2，实验组处理包括未处理土壤作为对照(c)、仅施用肥料(f)、竹屑生物炭 肥料(bf)和镁改性
竹屑生物炭 肥料(mgobf)。
45.将实施例1中的生物炭/改性生物炭撒施于土壤表面，用量为40t
·
hm-2
，并均匀混合到约20cm的深度，耙匀。采取相同的管理措施，氮(n)、磷(p2o5)、钾(k2o)肥施用量分别为150，75，75kg
·
hm-2
。
46.采用开放式土壤呼吸测定系统测量每个小区的co2排放速率，记为净碳汇率(ncer)。从2021年3月21日至6月9日，在施入生物炭后的第3、7、14、14、21、22、42、56、70和84天定期测量ncer。选择晴朗或少云天气，测定时间为上午8：00－12：00，每个小区重复测定3次，求得该指标平均值。
47.在测量过程中，首先用环境气体清洗腔室，以消除之前试验中残留的土壤气体。然后自动关闭盖子，并将环境空气以设定的流量泵入腔室。腔室内co2浓度增加，土壤的co2通量稳定后设置泵的流量。每10秒自动记录一次读数，直到读数稳定。δcset和l1mt分别设置为10μmol.m-3
和10m11。co2排放速率(ncer)方程式如下：
48.ncer＝[vp0/rs(t0 273.15)][dc/dt]
[0049]
其中，ncer为土壤二氧化碳通量率，单位μmol
·
m-2
·
s-1
；v为体积，单位cm3；p0为初始压力，单位kpa；r为通用气体常数；s为土壤表面积，单位cm2；t0为初始空气温度，单位℃；dc/dt为二氧化碳摩尔分数的初始变化率，单位μmol
·
mol-1
·
s-1
。
[0050]
所得结果如图1所示，从图1中可以看出，各处理间的ncer有显著的时间差异。在土壤改良后的前14天内，实验组f处理加速了co2的排放。14天后，实验组bf处理的co2排放速率显著增加，持续长达42天。实验组mgobf处理co2排放速率也逐渐加快，但与实验组c和f处理相比，co2排放速率较低。42天至70天，实验组f和bf处理的co2排放速率下降。随着co2捕获效率的提高，mgobf处理co2排放速率从56天到实验终止期间持续下降。而c、f和bf处理的co2排放速率从70天开始呈上升趋势。第84天时，实验组c、f、bf和mgobf处理co2排放速率分别为17.19、15.41、12.31μmol.m-2
.s-1
和7.60μmol.m-2
.s-1
，实验组mgobf处理co2排放速率较c处理降低55.79％，较实验组f处理降低50.68％，较实验组bf处理降低38.24％。镁改性竹屑生物炭能显著减少co2的排放速率，增强农田生态系统的碳汇功能，实现农业温室气体减排。
[0051]
实施例3
[0052]
在实施例2基础上，对不同实验组的土壤co2碳排放量进行检测，其中，土壤co2碳排放量(carbo1 em1ss1o1，ce)方程式如下：
[0053][0054]
式中：r为co2排放速率(μmol
·
m-2
·
s-1
)；1 1与1表示两次测量之间相隔时间，t表示播种后的天数；系数0.1584表示将c排放数值单位μmol co2·
m-2
·
s-1
转换为g co2·
m-2
·
h-1
，系数0.2727表示将单位g co2·
m-2
·
h-1
转换为g c
·
m-2
·
h-1
；24与10表示将c排放数值单位由g c
·
m-2
·
h-1
转换为kg c
·
hm-2
；计算第84天时co2排放量。结果如图2所示，从图2中可以看出，实验组mgobf处理co2排放量与c、f和bf处理相比均显著降低，实验组mgobf处理co2排放量较c处理降低35.22％，较f处理降低25.17％，较bf处理降低9.21％。添加生物炭可减少农田土壤co2排放量，其中镁改性竹屑生物炭对土壤co2减排的促进作用最大。
[0055]
实验组mgobf处理co2排放量较实验组c处理减少了827.04kg c
·
hm-2
；较f处理减少了511.61kg c
·
hm-2
；较bf处理减少了154.33kg c
·
hm-2
；我国碳试点碳价为5.53042.02
元/吨，实验组mgobf处理较c处理碳交易可达4.57034.75元/hm2；实验组mgobf处理较f处理碳交易可达2.83021.50元/hm2；mgobf处理较bf处理碳交易可达0.8506.48元/hm2。施用镁改性竹屑生物炭可提高碳交易量，具有良好的经济效益和环境效益，真正实现了经济和环境的双赢。
[0056]
实施例4
[0057]
在上述实施例基础上，取实施例1中的生物炭和镁改性竹屑生物炭后的第90天采集0-20cm土壤样品。然后可溶性有机碳(doc)采用热水浸提-toc分析仪测定，土壤有机碳(soc)采用重铬酸钾法测定，结果如图3、图4所示。
[0058]
从图3中可以看出，施用镁改性竹屑生物炭减少了土壤doc含量。实验组mgobf处理的土壤doc含量与bf处理相比显著降低，与bf处理相比，土壤doc含量减少了24.24％。实验组mgobf处理中doc含量与c处理之间无显著差异；镁改性竹屑生物炭的添加抑制了土壤活性有机碳的矿化，从而降低了土壤co2的排放量。
[0059]
从图4中可以看出，施用镁改性竹屑生物炭增加了土壤soc含量。实验组mgobf处理的土壤soc含量分别是c、f处理的3.09倍、3.06倍。实验组mgobf处理与bf处理相比，土壤soc含量增加了15.20％。镁改性竹屑生物炭能促进土壤有机碳的积累，增加土壤碳库。
[0060]
实施例5
[0061]
在上述实施例基础上，将土壤用于玉米种植，然后在成熟期(播种后105d)各处理分别收获玉米的地上部分，105℃杀青30m11，75℃恒温烘干后脱粒称重，并计算产量，具体结果如图5所示。
[0062]
从图5中可以看出，施用镁改性竹屑生物炭增加了玉米籽粒产量。实验组mgobf处理籽粒产量最高，分别较bf、f处理显著增加3.90％和7.83％。镁改性竹屑生物炭促进玉米生长发育效果明显，具有良好的经济效益。
[0063]
综合分析上述结果可知，添加镁改性竹屑生物炭对于增加土壤有机碳储量，减少土壤有机碳矿化，缓解全球温室效应意义重大。
[0064]
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。