一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统及方法，该系统包括附载氮磷生物炭肥料的农田施用、农田径流的生物炭截留带、及截留带生物炭的农田回用三个环节。本发明专利技术利用生物炭附载氮磷以及可作为改良剂施用于土壤中的功能实现对农田氮磷面源流失的控制及回收利用。本发明专利技术构造简单、操作简便、实用性强、成本低廉，实现了在控制土壤氮磷面源流失的同时回用截留的氮磷营养元素并提高土壤质量。

【技术实现步骤摘要】
一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统及方法
本专利技术属于土壤面源污染控制研究领域，涉及农田氮磷流失控制和氮磷循环利用体系，特别是一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统及方法。
技术介绍
农田氮磷肥料的施用在显著提升农田作物产量保证我国粮食巨大需求的同时，其过量的施用也会明显增加农田土壤氮磷流失的风险，造成周边水体富营养化等次生环境问题。据统计，2011年我国农田土壤磷径流流失总量为6.37万吨，土壤氮径流流失总量和淋溶流失总量分别为236.54万吨和179.74万吨杨旺鑫2015。缓释肥料的施用可以有效的提高土壤氮磷的利用率并减小其流失风险。由作物残体热解生成的生物炭具备较高的比表面积和孔隙率，因而具备良好的吸附能力。生物炭可以作为氮磷的载体，并是附着于其孔隙中的氮磷缓慢释放于土壤中，达到缓释肥料的效果。的研究指出相较于矿质磷肥，附载磷的玉米秸秆生物炭肥料可以在长时间内提升土壤磷的有效性，从而降低农田土壤的磷肥用量和流失风险。则利用生物炭附载尿素的缓释肥料提升了氮素在土壤中的保持和利用。另一方面，由于生物炭良好的吸附能力，也可以被直接施用于土壤中，通过吸附和改善土壤结构等作用来提升对土壤氮磷流失的控制Sharpleyetal.2015。除了减少土壤氮磷的流失，不少研究也利用以植物为主体的生物缓冲带来截留从农田流失的氮磷，以防止其进入周边的水体。这种生物缓冲带的方法虽然可以较好的截留从农田土壤流失的氮磷，但却很难将截留的氮磷重新利用于农田中，仍无法解决因农田氮磷肥料流失造成的氮磷利用率降低的问题。因此，研究开发一种农田氮磷循环体系是从根本上解决农田氮磷流失的关键。生物炭因其对土壤氮磷的吸附固持和作为氮磷缓释肥料基材的作用，为构建农田氮磷循环体系提供了基础。我国农业生产面临着严重的农田氮磷面源流失，及其带来的次生环境污染问题。简单有效的农田氮磷流失控制和回用体系可以有效的减少农田面源污染，并提升肥料的利用率。基于这一现状，本专利技术构建了一种农田土壤氮磷流失生物炭截留及回用系统。其原理是首先利用附载氮磷的生物炭缓释肥料，在保证土壤氮磷水平的基础上，通过肥料缓释和土壤改良来减小土壤氮磷的流失。然后针对农田土壤的氮磷流失，通过设置生物炭截留带收集地表径流，依靠生物炭的吸附以及氮磷的沉淀使流失的氮磷附着在截留带的生物炭中。最后将截留带中的生物炭作为土壤改良剂或肥料以适当比例施用于土壤中，完成农田生物炭的回用。整个系统设计简便、操作简单、能同时减小农田氮磷流失和提高肥料利用率，并改善土壤质量，具有较好的实用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是构造一种以生物炭为基础的农田氮磷流失截留及回用体系，其构造简便、成本低廉，在减小农田氮磷流失的同时弥补传统氮磷截留方式无法实现截留氮磷农田回用的不足。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统，其特征在于它包括：施用附载氮磷生物炭肥料的农田1、农田径流生物炭截留带2、回用的截留生物炭3；其中农田径流生物炭截留带2为系统主要功能部分，位于施用附载氮磷生物炭肥料的农田1的主径流方向后端0.5-1米，回用的截留生物炭3装填在农田径流生物炭截留带2中，回用的截留生物炭在测定氮磷含量后可通过重新附载氮磷回用进入施用附载氮磷生物炭肥料的农田1的生物炭肥料中构成整个截留回用系统。本专利技术进一步公开了农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统进行截留的方法，其特征在于按如下的步骤进行：（1）施用附载氮磷生物炭肥料的农田：其施用的生物炭制备为将粒径2mm的果壳生物炭按固液比1:20浸泡于1:2的高浓度的混合磷酸二氢钾和硝酸钾溶液中，每升溶液含100gKH2PO4和200gKNO3，混匀后静置24小时，用筛网收集浸渍后的生物炭，在烘箱中50℃下烘干3天，分别利用0.5M碳酸氢钠和1M氯化钠溶液按固液比1:20浸提生物炭测得生物炭磷和硝态氮含量为8.3%和7.3%；浸泡生物炭溶液中过量的磷酸二氢钾和硝酸钾可以反复使用。生物炭肥料在农田中的施用比例依据具体的作物需求制定，且单季最大用量不能超过土壤总质量的5%（按20cm土层计算）。(2)农田径流生物炭截留带：生物炭截留带尺寸按照农田区域能产生的每月最大降雨径流量设计，截留带深度设为20-25cm，长宽依据实际区域条件设定，对于没有明显径流方向的农田区域，需设置适当的导流设施；截留带中填充有0.15m厚的粒径为2mm的600℃果壳生物炭；当雨水或农田灌溉产生径流时，径流流入生物炭截留带中，通过生物炭储水能力使径流阻滞在截留带内，后通过生物炭吸附以及水分自然蒸发的过程使径流中的氮磷以吸附和表面沉淀的形式附着在生物炭上。（3）回用的截留生物炭：在截留带收集农田径流的间隙，利用0.5M的碳酸氢钠溶液和1M的氯化钠溶液按1:20的固液比分别浸提生物炭中的磷和氮，利用紫外分光光度法分别在882nm、275nm和420nm测定生物炭附载的磷、硝态氮和铵态氮含量。其中截留带中的生物炭可直接回用于农田作为土壤改良剂。本专利技术更进一步公开了农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统进行截留方法在有效降低农田氮磷流失提高农田氮磷利用率方面的应用。实验结果详见表1-表3的说明：表1生物炭肥料对农田氮磷流失控制效果表2生物炭截留带对农田氮磷流失控制效果表3运行两月后截留带生物炭氮磷含量从表1-表3的结果可以看出：（1）氮磷附载生物炭肥料可以明显降低初期的农田氮磷的径流损失，包括59%的磷损失、69%的硝态氮损失和53%的铵态氮损失。（2）生物炭截留带的存在可以明显阻止田间土壤流失的氮磷扩散至其他环境中。有生物炭截留带的区域，田后土壤中的磷、硝态氮和铵态氮含量为田间土壤的12.9%、113.9%和86.9%。而没有设置生物炭截留带的实施区域，其数值为87.0%、209.1%和102.0%。（3）随着流入截留带中的径流蒸发，截留带中的生物炭可以富集农田流失的氮磷，并回用于农田。本专利技术更加详细的描述如下：附载氮磷生物炭肥料的农田施用：生物炭选用500-600℃下热解的生物炭，保证生物炭具备足够的比表面积和孔隙度，拥有较好的氮磷附载能力。生物炭粒径选择为2mm，保证肥料适当的颗粒度，满足运输、储存和施用的需求。生物炭氮磷采用磷酸二氢钾和硝酸钾混合溶液浸泡后干燥附载，氮磷以孔隙内吸附和表面沉淀等方式附载在生物炭上。生物炭氮磷总含量需达到肥料总质量的15%，以保证在考虑生物炭不老化的情况下，生物炭肥料施用15-20年后土壤中的生物炭总量也不会超过土壤总质量的1%。农田径流生物炭截留带布设：截留带生物炭选用500-600℃下热解的果壳或椰壳生物炭，保证生物炭良好的吸附能力以及高于水的比重。生物炭粒径为2mm，便于生物炭运输、储存和使用。生物炭截留带尺寸按照农田区域能产生的每月最大降雨径流量设计，截留带深度一般设为20cm，长宽依据实际区域条件设定。对于没有明显径流方向的农田区域，需设置适当的导流设施（如导流沟或临时导流板）。...

【技术保护点】
1.一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统，其特征在于它包括：施用附载氮磷生物炭肥料的农田（1）、农田径流生物炭截留带（2）、回用的截留生物炭（3）；其中农田径流生物炭截留带（2）为系统主要功能部分，位于施用附载氮磷生物炭肥料的农田（1）的主径流方向后端0.5-1米，回用的截留生物炭（3）装填在农田径流生物炭截留带（2）中，回用的截留生物炭（3）在测定氮磷含量后可通过重新附载氮磷回用进入施用附载氮磷生物炭肥料的农田（1）的生物炭肥料中构成整个截留回用系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统，其特征在于它包括：施用附载氮磷生物炭肥料的农田（1）、农田径流生物炭截留带（2）、回用的截留生物炭（3）；其中农田径流生物炭截留带（2）为系统主要功能部分，位于施用附载氮磷生物炭肥料的农田（1）的主径流方向后端0.5-1米，回用的截留生物炭（3）装填在农田径流生物炭截留带（2）中，回用的截留生物炭（3）在测定氮磷含量后可通过重新附载氮磷回用进入施用附载氮磷生物炭肥料的农田（1）的生物炭肥料中构成整个截留回用系统。


2.采用权利要求1所述的农田土壤氮磷流失生物炭截留回用系统进行截留的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）施用附载氮磷生物炭肥料的农田：其施用的生物炭制备为将粒径2mm的果壳生物炭按固液比1:20浸泡于1:2的高浓度的混合磷酸二氢钾和硝酸钾溶液中，每升溶液含100gKH2PO4和200gKNO3，混匀后静置24小时，用筛网收集浸渍后的生物炭，在烘箱中50℃下烘干3天，分别利用0.5M碳酸氢钠和1M氯化钠溶液按固液比1:20浸提生物炭测得生物炭磷和硝态氮含量为8.3%和7.3%；浸泡生物炭溶液中过量的磷酸二氢钾和硝酸钾可以反复使用；

【专利技术属性】
技术研发人员：卢学强，李海笑，李玉鑫，刘玉海，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12