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秸秆生物质转化为生物炭还田的固碳效益及其经济性研究

陈键  
【摘要】:生物炭(Biochar)是生物质原料在厌氧或无氧条件下进行热解(一般低于700℃)产生的含碳量高、比表面积大且芳香化程度高的固体物质。秸秆生物炭还田可发挥土壤固碳作用,以及具有土壤改良、土壤修复的潜力。研究还表明,生物炭还田能促进农作物的生长。同时生物炭生产过程产生了生物能源,作为化石燃料的替代品给生物炭技术的应用带来环境及经济效益。目前对于生物炭土壤应用的整体方案固碳减排量评估的研究相对较少,并少有研究分析使缓解温室气体潜力最大时土壤生物炭的添加量以及在我国实际应用场景的经济可行性。因此,本文研究了不同农作物种植系统下,其秸秆转化为生物炭还田的固碳减排潜力,并初步探讨了技术在经济层面的可行性。主要研究结果如下:(1)研究了不同秸秆产生的生物炭,在不同土壤添加量的情况下对土壤固碳减排潜力的影响。数值拟合的结果表明,农作物产率随着生物质添加量的增加呈现先上升后下降至0甚至抑制的趋势,平均的拟合优度为34.9%。对于同种生物炭,对小麦、玉米、水稻产率影响相似,平均最大增产效率为26%。而对于蔬菜类,生物炭添加量的增加对其产率影响效果明显,最高可达73.5%)。对于同种农作物,不同种类、不同理化性质的生物质对其产率的影响差距较大,在相同生物炭添加量下,非秸秆类生物炭水稻秸秆生物炭小麦秸秆生物炭。生物炭在土壤中能稳定保存长时间并且减少土壤SOC、N2O的排放,平均每轮植物轮作减少SOC排放0.17 kg/hm2及60%的N2O排放。生物炭土壤的稳定固碳量主要取决于生物炭中不稳定组分的含量及其土壤平均停留时间(MRT)。以上结果为生物炭土壤应用技术提供了理论支持,生物炭在农田上能多方面的减缓温室气体排放。(2)研究了农田-生物炭-大气循环系统的碳含量动态平衡过程,在迭代轮作数为200时,水稻和小麦系统分别在第64轮和108轮时达到系统减排潜力最大值,固碳减排量达到20.59、30.75 t/hm2 CO2e-C,此时生物炭在土壤中含量为10.2、17.1 t/hm2。循环递减模型实验表明,随着土壤生物炭添加量的增加,农田的固碳潜力呈现先上升后下降的趋势,当土壤达到能容纳生物炭含量阈值时,生物炭的继续添加反而会导致整个系统的温室气体排放增加。敏感性分析结果表明热解过程的生物炭产率以及土壤N2O排放是系统最关键的两个参数,直接影响系统固碳减排量。(3)研究了生物炭土壤应用技术是否具有经济可行性,生物炭还田(BSA)的成本效益性结果表明,在不考虑碳价因素时,只有小麦情景下的BSA系统具有经济可行性。而在考虑低碳价格因素时,玉米情景下净现值(NPV)从负变为正,并且成本回收期为12年。水稻情景此时仍然负收益,但与基础情秸秆的露天焚烧相比具有较好的环境经济效益。在高碳价格下,三种农作物情景下均经济可行。对生物炭应用经济可行性的因素分析结果表明,生物炭还田带来的农业效益贡献最大,其次是碳价格因素。本论文的研究结果为探讨生物炭技术作为固碳物质并应用的整体方案提供了理论支持。


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