CN114731793A - 一种降低稻田土壤甲烷排放的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,包括步骤如下:向土壤中添加含稀土元素化合物,至稀土元素浓度为50‑1000ppm。稀土在我国农业应用中已有几十年的历史,但目前未见采用添加稀土元素的方法促进土壤甲基营养微生物及其代谢酶活性,以减少农田土壤甲烷排放的报道。利用稀土元素激发土壤甲烷氧化潜力,对于农业减排,减缓碳排放,实现“双碳”目标,应对气候变化带来的挑战,具有重要的理论和实践意义,有着重要的应用前景。本发明相对于现有技术,本发明将稀土元素作为添加剂,加入农田土壤中,可以减少农田土壤甲烷等有害温室气体的排放。
Description
技术领域
本发明涉及温室气体减排的环保技术领域,具体为稀土元素La的添加在降低稻田土壤甲烷排放上的应用。
背景技术
上世纪七十年代以来,全球碳排放与经济发展趋势呈正相关关系,人类的生产活动也是导致大气中二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体排放量剧增的重要原因。甲烷是主要的温室气体之一,仅次于二氧化碳,但其全球增温潜势(GWP,即甲烷气体捕捉大气中热量的能力)是二氧化碳的28倍;对当前全球变暖的贡献率为25%,同时,甲烷也是对流层臭氧的前体物,会引发严重的健康问题。2021年,甲烷管控首次被纳入五年规划目标,落实包括甲烷在内的温室气体减排工作是实现2030碳达峰和2060碳中和目标的重要支持和保证。
农业的甲烷排放是人为甲烷排放最主要的来源之一,2014年我国的甲烷排放量为5529万吨,其中农业活动排放2224.5万吨(占40.2%),而我国农业相关的排放则主要来源于水稻种植,2016年稻田甲烷排放占农业排放的55%。中国是农业大国,人口的增加和耕地面积的减少对水稻这一主要粮食作物种植的效率和产量有了更高的要求,同时也会导致更多的温室气体排放。
通常来说,甲烷的净排放量取决于稻田甲烷产生和氧化的相对平衡,稻田甲烷主要由产甲烷菌厌氧形成,在最终排入大气之前,约有50%至90%会被土壤表面的甲烷氧化菌和甲基营养型菌作为碳源和能量来源所消耗。其中,甲基营养菌虽然无法单独启动甲烷氧化的过程,但能够通过利用甲烷氧化菌甲烷代谢第一步的产物——甲醇来参与群落的甲烷氧化过程,因此对稻田土壤的甲烷排放也有重要意义。而稻田甲烷排放主要受土壤性质、施肥、作物生长和气候等因素的影响。
我国具有丰富的稀土资源,是世界上稀土资源较大的几个国家之一,有着不可估量的开发潜能。我国自20世纪70年代以来,通过深入的研究和实践,成为了世界上第一个把稀土元素作为一种商业性产品应用于农业生产的国家,调查和研究也表明施用稀土元素对农作物的增产有明显效果,并且在现行施用量的层面,对人体健康和生态环境是安全的。而近年来的一些研究也表明,稀土元素的存在显著提高了甲基营养菌的甲醇脱氢酶活性。比如在甲基型营养菌的生长介质内添加稀土元素镧(La3+)促进了微生物群落在甲醇培养基上的生长和甲醇脱氢酶的表达。因此可以提出猜测,在稻田土壤中添加稀土元素镧(La3+),也能够提高稻田土壤中甲基营养型微生物的活性,促进甲醇氧化过程,从而参与调控稻田的甲烷排放。
目前关于稻田温室气体甲烷产生的研究很多,但关于稻田甲烷减排的研究与应用较少。参考现有应用于农田甲烷减排的方法,往往隶属研发微生物肥料的技术领域,其中N106045772A公开了一种农田温室气体减排的微生物制品及其制备方法,在已灭菌的培养基上接种培养耐寒短杆菌和淀粉芽孢杆菌,连续培养富集8-12天后,添加到菜园土中并发酵4-6天获得其微生物制品,可施用于农田土壤减少农田土壤温室气体的产生和排放。CN114080960 A则公开了一种制备生物附加肥的方法,将枯草芽孢杆菌菌粉、哈茨木霉、酵母和厨余废弃物和生物质炭混合,并在水稻种植期间施用。这类方法能有效降低农田土壤甲烷的排放量,但通常存在以下问题:(1)生物肥料的生产条件、配方、技术和设备层面有较高的技术壁垒,难以在民间应用和推广;(2)生物肥料在施用条件上有一定局限,其中的活性微生物需要适宜的土壤生存环境,如温度、水分等,且不能与杀虫剂、杀菌剂等农药混合施用,否则将影响其有效性。
稀土在我国农业应用中已有几十年的历史,但目前未见采用添加稀土元素的方法促进土壤甲基营养微生物及其代谢酶活性,以减少农田土壤甲烷排放的报道。利用稀土元素激发土壤甲烷氧化潜力,对于农业减排,减缓碳排放,实现“双碳”目标,应对气候变化带来的挑战,具有重要的理论和实践意义,有着重要的应用前景。
发明内容
本发明提供了一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,以降低土壤中甲烷的排放问题。
本发明提供了一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,包括步骤如下:
向土壤中添加含稀土元素化合物,至稀土元素浓度为50-1000ppm。
进一步地,所述含稀土元素化合物中稀土元素为La元素。
更进一步地,所述含稀土元素化合物的La元素为3价。
更进一步地,所述含稀土元素化合物可选为LaCl3、La(NO3)3、La2(SO4)3中的一种或多种。
进一步地,所述土壤中水含量为土壤最大持水量的50-60%。
更进一步地,所述
S1取干燥土壤;
S2向土壤中添加水至土壤最大持水量的50-60%;
S3添加含稀土元素化合物,至稀土元素浓度为50-1000ppm。
更进一步地,所述干燥土壤为风干土壤。
更进一步地,所述稀土元素浓度为150-1000ppm。
本发明相对于现有技术,将稀土元素作为添加剂,加入农田土壤中,一方面,可以减少农田土壤甲烷等有害温室气体的排放,为农业减排做出贡献;另一方面,施加的稀土元素存留在土壤中能够作为肥料,在促进作物生长发育、提高农作物产量和质量方面效果明显,达到了减排和增产的双重效果。并且本发明方法简单,成本投入低,适用性广泛,具有良好的环境效益和经济效益。
附图说明
图1为添加不同浓度稀土元素La3+后稻田土壤的甲烷消耗曲线;
图2为添加不同浓度稀土元素La3+后稻田土壤的诱导期甲烷氧化速率(ppmv·d-1)图;
图2采用Kruskal-Wallis秩和检验来比较各组氧化速率之间的显著性差异,不同字母表示污染组之间差异显著(p<0.05)。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。
本发明实施例1-3的含稀土元素化合物为LaCl3。
实施例1
本发明实施例1降低稻田土壤甲烷排放的方法如下:
(1)将无污染稻田土壤样品放置于敞口容器中自然风干至恒重。
(2)分别称取7g风干无污染稻田土壤于三个120mL培养瓶中,加入超纯水调节至最大持水量的60%。添加稀土元素La3+至浓度为1000ppm并混匀,编号为HP,用铝盖封口。在室温下放置一晚,激活瓶中微生物。
(3)用注射器从密封瓶中抽取1.2mL空气,然后注入1.2mL纯甲烷,随即检验瓶中的甲烷初始浓度(培养瓶内初始甲烷浓度约为10000μL·L-1)。
(4)将培养瓶放置于25℃培养箱中恒温培养。
(5)每隔24小时采集瓶内的甲烷并使用气相色谱法测定浓度,直到所有样品瓶中的甲烷消耗完,结束培养。
(6)甲烷氧化速率的计算如下公式:
其中,
r——甲烷氧化速率,ppmv·d(天)-1
T——计算选取时间段所经历的时间,d
C——计算选取时间段结束时的甲烷浓度,ppmv
C0——计算选取时间段开始时的甲烷浓度,ppmv
实施例2
本发明实施例2降低稻田土壤甲烷排放的方法如下:
(1)将无污染稻田土壤样品放置于敞口容器中自然风干至恒重。
(2)分别称取7g风干无污染稻田土壤于三个120mL培养瓶中,加入超纯水调节至最大持水量的60%。添加稀土元素La3+至浓度为150ppm并混匀,编号为MP,用铝盖封口。在室温下放置一晚,激活瓶中微生物。
(3)用注射器从密封瓶中抽取1.2mL空气,然后注入1.2mL纯甲烷,随即检验瓶中的甲烷初始浓度(培养瓶内初始甲烷浓度约为10000μL·L-1)。
(4)将培养瓶放置于25℃培养箱中恒温培养。
(5)每隔24小时采集瓶内的甲烷并使用气相色谱法测定浓度,直到所有样品瓶中的甲烷消耗完,结束培养。
(6)甲烷氧化速率的计算如下公式:
其中,
r——甲烷氧化速率,ppmv·d(天)-1
T——计算选取时间段所经历的时间,d
C——计算选取时间段结束时的甲烷浓度,ppmv
C0——计算选取时间段开始时的甲烷浓度,ppmv
实施例3
本发明实施例3降低稻田土壤甲烷排放的方法如下:
(1)将无污染稻田土壤样品放置于敞口容器中自然风干至恒重。
(2)分别称取7g风干无污染稻田土壤于三个120mL培养瓶中,加入超纯水调节至最大持水量的60%。添加稀土元素La3+至浓度为50ppm并混匀,编号为LP,用铝盖封口。在室温下放置一晚,激活瓶中微生物。
(3)用注射器从密封瓶中抽取1.2mL空气,然后注入1.2mL纯甲烷,随即检验瓶中的甲烷初始浓度(培养瓶内初始甲烷浓度约为10000μL·L-1)。
(4)将培养瓶放置于25℃培养箱中恒温培养。
(5)每隔24小时采集瓶内的甲烷并使用气相色谱法测定浓度,直到所有样品瓶中的甲烷消耗完,结束培养。
(6)甲烷氧化速率的计算如下公式:
其中,
r——甲烷氧化速率,ppmv·d(天)-1
T——计算选取时间段所经历的时间,d
C——计算选取时间段结束时的甲烷浓度,ppmv
C0——计算选取时间段开始时的甲烷浓度,ppmv
对照例
本发明对照例的方法如下:
(1)将无污染稻田土壤样品放置于敞口容器中自然风干至恒重。
(2)分别称取7g风干无污染稻田土壤于三个120mL培养瓶中,加入超纯水调节至最大持水量的60%,编号为CK,用铝盖封口。在室温下放置一晚,激活瓶中微生物。
(3)用注射器从密封瓶中抽取1.2mL空气,然后注入1.2mL纯甲烷,随即检验瓶中的甲烷初始浓度(培养瓶内初始甲烷浓度约为10000μL·L-1)。
(4)将培养瓶放置于25℃培养箱中恒温培养。
(5)每隔24小时采集瓶内的甲烷并使用气相色谱法测定浓度,直到所有样品瓶中的甲烷消耗完,结束培养。
(6)甲烷氧化速率的计算如下公式:
其中,
r——甲烷氧化速率,ppmv·d(天)-1
T——计算选取时间段所经历的时间,d
C——计算选取时间段结束时的甲烷浓度,ppmv
C0——计算选取时间段开始时的甲烷浓度,ppmv
本发明实施例1-3及对照例的实验结果如下
实施例1-3和对比例1中稻田土壤甲烷的消耗曲线如图1,由图可见,稻田土壤甲烷的消耗量均遵循初期存在小幅波动,诱导期迅速下降的特点。与对比例1相比,实施例1和2添加稀土元素La3+均使得稻田土壤甲烷的消耗时间大幅缩短,提高了甲烷的消耗速率。
实施例1-3和对比例1中稻田土壤甲烷的氧化速率如图2,由图可见,随着添加稀土元素La3+浓度的增加,甲烷氧化潜力逐渐增大。并且,根据Kruskal-Wallis统计检验的结果,添加稀土元素La3+浓度最高的实施例1中的甲烷氧化潜力显著大于其他三个组(p<0.05)。
综上所述,本发明实施例选择稀土La3+作为添加剂,在一定浓度范围内投放至稻田土壤中,可以显著增加稻田土壤甲烷的消耗,减少甲烷的排放。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解,技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,其特征在于,包括步骤如下:
向土壤中添加含稀土元素化合物,至稀土元素浓度为50-1000ppm。
2.根据权利要求1所述一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,其特征在于,所述含稀土元素化合物中稀土元素为La元素。
3.根据权利要求2所述一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,其特征在于,所述含稀土元素化合物的La元素为3价。
4.根据权利要求3所述一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,其特征在于,所述含稀土元素化合物可选为LaCl3、La(NO3)3、La2(SO4)3中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,其特征在于,所述土壤中水含量为土壤最大持水量的50-60%。
6.根据权利要求5所述一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,其特征在于,所述方法具体包括步骤如下:
S1取干燥土壤;
S2向土壤中添加水至土壤最大持水量的50-60%;
S3添加含稀土元素化合物,至稀土元素浓度为50-1000ppm。
7.根据权利要求6所述一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,其特征在于,所述干燥土壤为风干土壤。
8.根据权利要求7所述一种降低稻田土壤甲烷排放的方法,其特征在于,所述稀土元素浓度为150-1000ppm。
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CN (1) | CN114731793A (zh) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006055160A (ja) * | 2004-08-17 | 2006-03-02 | Korea Atom Energ Res Inst | 希土キレート化合物を添加した農業用床土及びその製造方法 |
CN103449886A (zh) * | 2013-09-16 | 2013-12-18 | 长春华御实业集团有限公司 | 一种水稻复合微生物肥料 |
CN104447003A (zh) * | 2014-12-05 | 2015-03-25 | 安徽工程大学 | 一种稀土生物肥料、制备方法及其应用 |
CN110475850A (zh) * | 2017-01-30 | 2019-11-19 | 英特瑞克斯顿股份有限公司 | 从c1碳制备2,3-丁二醇及其衍生物的方法和微生物 |
AU2020103380A4 (en) * | 2020-11-11 | 2021-01-28 | Sichuan Agricultural University | Combined reagent and application method for reducing methane emission in rice field |
-
2022
- 2022-04-07 CN CN202210360670.9A patent/CN114731793A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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