一种基于纳米氧改性的稻田内循环碳减排方法

本发明涉及稻田固碳减排领域，尤其是涉及一种基于纳米氧改性的稻田内循环碳减排方法。

背景技术：

1、中国是农业大国，水稻年产量约2亿吨，占据全球稻谷产量的30％。然而，稻田由于长期淹水的独特环境，产生大量甲烷，每年贡献了全球人为甲烷排放量的10％，间接加剧了全球变暖。因此，稻田固碳减排是实现中国碳达峰、碳中和承诺的重要战略一环。

2、现阶段稻田碳减排措施主要包括：(1)水肥管理，通过增加水分和肥料利用率降低碳矿化；(2)品种筛选，通过基因技术选育低甲烷排放水稻品种；(3)土壤改良，通过改善土壤理化性质增加甲烷汇能力。然而，以上方法大多着眼于具体单一对象，具有特异性，无法从整体上形成有效且联通的生态低碳功能。

3、针对此提出的稻田生态种养提供了一种将种植业和养殖业有机结合的视角，无论是稻鸭共养、稻鱼共养还是稻虾共养都通过生态位互补有效调控了碳循环。然而稻田生态种养的设想尚且还处于萌芽阶段，而且没有考虑到稻田废弃物处置的问题。另一些生态稻田体系的尝试基于内循环的理念，例如中国发明专利cn201610958840.8公开了一种南方缓坡地稻田排水循环利用与氮磷梯级渗滤拦截去除系统及其应用方法，重新回收利用了稻田径流和渗漏水中的营养元素，如中国发明专利cn201310092455.6公开了一种生物质秸秆炭基有机肥及其生产方法，将秸秆和污水中的营养元素资源化利用，以肥料的形式重新还田，降低了生产中的废物排放。从内循环的角度考虑建设低碳稻田体系将有助于在加强资源综合利用的同时深化农业循环经济发展，为“十四五”循环经济发展任务的顺利开展保驾护航。

4、纳米氧改性技术是通过向吸附材料负载纳米级别的氧气泡使得该材料获得持续数周或数月的缓释造氧能力，该技术已经在废水处理、重金属修复、土壤改良等领域得到了良好验证。在农业生产领域，中国实用新型专利cn202021635759.4公开了一种微纳米气泡增氧灌溉系统，通过向水体中曝气增加溶解氧含量，促进农作物根部吸收营养物质，中国发明专利cn201810667698.0公开了一种微纳米气泡水浸种催芽设备及催芽方法，利用空气、氧气或臭氧微纳米气泡有效缓解了浸种中的细菌感染以及缺氧导致的腐烂问题。研究者还发现，纳米氧改性后的沸石或蛭石具有保护有机碳且降低甲烷排放的潜力。然而，目前还缺少将这项技术切实应用于稻田碳减排，尤其是应用于稻田内循环体系构建的行动。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于纳米氧改性的稻田内循环碳减排方法，利用纳米氧改性技术构建一种低碳稻田内循环体系，本发明将稻田退水与秸秆资源化利用后产生备用能源以支撑农业生产，通过小范围内的工业合成提高了能源自给，从完整生命周期的角度提供了稻田低碳循环的蓝图，为秸秆资源化利用提供了理论基础和科学依据，对应用生物炭的绿色可持续农业发展具有非常重要的意义。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于纳米氧改性的稻田内循环碳减排方法，具体步骤如下：

4、(1)收割稻田生态系统上一季的秸秆；

5、(2)烧制步骤(1)中得到的秸秆，得到生物炭；

6、(3)收集稻田生态系统内的稻田退水，电解稻田退水产生氧气和氢气；

7、(4)在步骤(2)中得到的生物炭负载步骤(3)中得到的氧气得到纳米氧生物炭；

8、(5)水稻插秧前向稻田生态系统内施用步骤(4)中得到的纳米氧生物炭。

9、进一步地，步骤(1)中，所述稻田生态系统为长期淹水或周期性淹水(第一次淹水时间超过2周)的稻田生态系统。

10、进一步地，步骤(1)中，收割稻田生态系统上一季的秸秆，将秸秆切碎，秸秆切碎长度<5cm。

11、进一步地，步骤(2)中，所述生物炭的ph为8.5-10。

12、进一步地，步骤(2)中，将步骤(1)中得到的秸秆在室温下自然风干，在缺氧条件下于500-600℃高温分解2-4h烧制得到生物炭，同时产生副产物焦油和燃气，将焦油和燃气用于生物炭负载纳米氧的能源补充。

13、进一步地，将步骤(3)中得到的氢气部分用于和焦油进行馏分油加氢精制柴油，另一部分用于发电。

14、进一步地，步骤(3)中，通过生态拦截设施收集稻田生态系统内的稻田退水。

15、上述更进一步地，所述生态拦截设施包括排水沟、拦水坎或储水罐。

16、进一步地，步骤(4)中，所述纳米氧生物炭的制备时间为使用前15天内。

17、进一步地，步骤(4)中，生物炭单次最大负重为1t，氧气用量为0～200kg，1t生物炭需要171.6kg氧气。

18、进一步地，步骤(4)中，生物炭负载氧气的方法为：

19、将生物炭置于集装箱中，通过真空泵对集装箱抽真空，持续15～25h；

20、通入氧气控制集装箱内压力为0.18-0.2mpa，持续6～10h；

21、通过真空泵对集装箱抽真空，持续3～5h；

22、通入氧气控制集装箱内压力为0.15-0.18mpa，持续20～30h。

23、上述更进一步地，生物炭负载氧气的方法为：

24、将生物炭置于集装箱中，通过真空泵对集装箱抽真空，持续20h；

25、通入氧气控制集装箱内压力为0.2mpa，持续8h；

26、通过真空泵对集装箱抽真空，持续4h；

27、通入氧气控制集装箱内压力为0.18mpa，持续24h。

28、上述更进一步地，所述真空泵的功率为35-50kw。

29、进一步地，步骤(5)中，将纳米氧生物炭与稻田生态系统表层0-20cm土壤混合均匀，在纳米氧生物炭还田后的3-7天内进行水稻插秧，每公顷稻田施用4000～5000kg纳米氧生物炭。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

31、(1)对稻田农作过程中产生的废水和废弃物进行资源回收再利用，既避免了传统处置废弃物的过程中较大的间接碳排放，又创造了新的附属能源价值，实现了稻田水资源和生物质的内循环，增加了生态系统的稳定性，保障了粮食安全生产。

32、(2)将氧气负载在生物炭上为了加强生物炭的通气作用，这样可以促进水稻根系生长有利于产量提高，同时可以增强甲烷氧化作用，减少温室气体排放。

33、(3)纳米氧生物碳对稻田土壤的主要作用是增加了田面水溶解氧以及增加了土壤氧化还原电位，改善了土壤的氧化条件和水稻的生长条件，由此带来了一系列的改变。

34、(4)利用较为先进的纳米氧改性技术对秸秆资源化利用进行定向选择，通过改善土壤通气条件在不对水稻造成次生伤害的同时降低甲烷排放，改性时产生的能耗又通过废水和废弃物的循环利用部分抵消，是稻田碳减排的一种性价比较高的理想手段。

35、(5)改善土壤通气条件具体是指由负载在生物炭上的纳米级别的气泡在田面水和土壤水里面释放，这些气泡的持续时间长，不像大气泡会很容易浮上去破碎，因此是有一个长期缓慢释放的作用，同时生物炭在土壤里面会增加土壤孔隙度，促进土壤持水能力，这些作用综合起来就改善了土壤通气条件。