基于生命周期评价的现代"草-羊-田"农牧循环系统调控

现代循环农业是实现农业绿色发展、推进乡村全面振兴的重要途径。但以农户经验构建而成的传统循环农业系统多缺乏精确的数据支持与参数匹配,使得系统的高效循环运行面临挑战。因此,本研究在数据采集与跟踪调研的基础上,采用生命周期评价对现代"草-羊-田"农牧循环系统进行实证研究,通过特征化、标准化与加权评估分析不同类别潜在环境影响,并计算系统模拟调控前后污染降级所需环境服务能。结果表明,饲料加工与湖羊养殖亚系统所产生的各类潜在环境影响都超过了其类别总影响的85%,远高于粮食种植和有机堆肥亚系统的;人体毒性和水体生态毒性在各亚系统中所产生的环境影响都较大,而陆地生态毒性的均最小。为实现污染降级每年所需空气、水体和土壤的环境服务能分别为7.42×1010、6.03×1016和1.59×1012J;通过耦合参数协调和关键技术优化对系统进行模拟调控,经测算与原系统相比每年所需各项环境服务能分别降低52%、44%和21%。该研究基于生命周期评价形成的适用于现代"草-羊-田"农牧循环系统并指导其整体调控的方法体系,对现代农牧循环系统的可持续发展与复制推广具有指导意义,同时可为其他现代循环农业系统的优化调整提供方法参考。     

Emission of dimethyl sulfide,carbonyl sulfide,and carbon bisulfide from paddy fields

Abstract

Emission rates of dimethyl sulficle (DMS), carbonyl sulfide (COS), and carbon disulfide (CS₂) to the atmosphere from paddy fields at Ryugasaki, Ibaraki Prefecture, Japan were measured by using the closed chamber method. DMS was emitted mainly through the rice plant and its emission rate was much higher than those of COS and CS₂. During a cropping period COS was slightly absorbed by the rice plant. Significant diurnal and seasonal variations of DMS iuxes were observed. The highest DMS iux was observed immediately after the heading day of rice plant. The annual DMS emission rate was in the order of mineral plot > straw plot > no-N plot, ranging from 4.5 to 6.9 mg S m^-2 yr^-1. The annual COS emission rate was in the order of straw plot > no-N plot > mineral plot, ranging from -0.2 to 1.8 mg S m^-2 yr^-1. The annual CS₂ emission rate was slightly higher in the straw plot, ranging from 0.9 to 2.0 mg S m^-2 yr^-1.     

不同磷肥用量对水稻土有机碳矿化和细菌群落多样性的影响

以水稻田田间定位试验为研究对象,利用三维荧光光谱技术(3D EEMs)和454测序技术,采集4个施磷水平(0、30、60、90 kg hm-2a-1)土壤,测定其有机碳矿化、溶解有机碳(DOC)组成和结构特征及细菌群落结构和丰度的变化。结果显示:水田施磷增加了土壤速效磷(Olsen-P),从而提高了土壤DOC含量,加速了有机碳的矿化速率和累积矿化量。3D EEMs结果表明,施磷分别显著增加了荧光指数和鲜度指数值1%~10%和3%~21%,而降低了腐殖化指数,且与土壤生化性质(Olsen-P、DOC和β-葡萄糖苷酶)具有显著相关性。说明施磷通过提高Olsen-P,促进了微生物源DOC的生成,同时降低了DOC的芳香化程度、分子量及腐殖化程度,从而提高了DOC生物可降解性。同时,施磷提高了细菌群落的丰度和多样性,特别是磷诱导了多种具有碳降解功能细菌的增加,从而加速了复杂有机碳的降解和甲烷氧化。此外,主成分分析表明稻田磷素施用量在30~60 kg hm-2a-1时对土壤有机碳矿化及细菌群落多样性的提高作用最为明显。因此,适度施磷能显著提高涉碳降解微生物的活性,从而提高DOC的生物可降解性,加速有机碳的矿化速率,促进稻田土壤有机碳循环。     

过量空气系数与废气再循环率耦合对汽油机性能的影响

为了提高汽油机部分负荷下的燃油经济性,该文通过改变废气再循环率(EGR,exhaust gas recirculation)和过量空气系数,在一台增压进气道喷射汽油机上进行试验,研究了过量空气系数与EGR耦合对发动机部分负荷下燃油经济性和排放的影响。结果表明:随着EGR率和过量空气系数α的增加,燃烧循环变动率变大,燃烧持续期变长,且EGR是影响两者的主要因素;泵气损失显著减少,有效燃油消耗率显著降低,与EGR率=0和过量空气系数α=1条件下相比,EGR率=20%和过量空气系数α=1.1条件下的有效燃油消耗率降低了8.37%;随着EGR率的增加,THC(total hydrocarbon)排放增加,但NOx排放显著降低,高达约80%。因此,将三效催化转化器和EGR技术相结合,燃烧稀混合气,可以在满足欧Ⅴ排放法规的同时,大幅提高汽油机部分负荷下的燃油经济性。     

影响静态箱检测开放式气体排放源N2O排放通量的关键因子

为研究影响静态箱检测开放式气体排放源氧化亚氮(N2O)排放通量的关键因子,以提高静态箱检测气体排放通量的准确性,该文在实验室条件下,探究了箱体配置(有无通气孔、有无风扇)和检测条件(不同密闭时间:30、40、50和60 min;不同排放源表面风速:0、0.5、1.0、1.5和2.0 m/s)对300 mm(直径)×300 mm(高度)(D300 mm×H300 mm)的静态箱检测N2O排放通量准确性的影响规律。结果表明,不同配置的静态箱测量结果偏差率随时间的变化趋势均相同,其中有通气孔和风扇的箱体在不同风速下的检测稳定性较好,检测准确性最高。当排放源表面风速为0~2 m/s时,风扇对静态箱检测准确性无显著性影响,排放源表面的风主要通过通气孔影响静态箱的检测准确性。静态箱检测的气体排放通量与实际排放通量的偏差率随排放源表面风速和箱体密闭时间的增加而显著降低。该试验推荐在排放源表面风速小于2 m/s的无粪便堆积的奶牛运动场以及排放源介质相似的开放式气体排放系统中使用有通气孔和风扇的静态箱对N2O排放通量进行检测,密闭50 min。     

等高绿篱--坡地农业复合系统土壤N2O排放特征

N2O是一种重要的温室气体, 具有很强的温室效应。当前全球变化条件下, 人类活动和农业生产行为产生的N₂O排放增加是当前倍受关注的问题。本研究于2008年11月-2009年10月, 利用静态箱 气相色谱技术对亚热带地区紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)绿篱枝叶还田条件下冬小麦 夏玉米轮作田土壤N₂O排放通量进行原位监测, 观测紫穗槐枝叶移出(AR)、翻施(AI)、表施(AC)及作物单作(CK)4种处理下整个生长季土壤N₂O的排放量, 对等高绿篱 坡地农业复合生态系统土壤N₂O排放通量变化及其影响机制进行研究。结果表明, 整个冬小麦 夏玉米轮作期, 4个处理土壤N₂O排放通量呈现出相似的季节变化特征, AR、AI、AC、CK处理全生长季的排放总量为127.62 mg·m^-2、209.66 mg·m^-2、208.73 mg·m^-2、77.52 mg·m^-2。作物不同生育阶段N₂O日均排放通量在冬小麦季表现为: 开花-成熟期>拔节-开花期>出苗-拔节期; 在夏玉米季表现为: 拔节-抽雄期>播种-拔节期>抽雄-成熟期。本试验综合评估了等高绿篱 坡地农业复合生态系统土壤N2O排放通量变化及其影响机制。研究显示, 土壤N₂O排放通量在冬小麦季与土壤温度相关性显著, 在夏玉米季与土壤水分相关性显著。在复合生态系统中紫穗槐复合种植及枝叶还田显著促进土壤N2O排放, 翻施处理产生的N2O量大于表施处理。     

中国粮食作物秸秆焚烧排碳量及转化生物炭固碳量的估算

生物质燃烧对全球大气碳排放和气候变化产生重要的影响。近年来,利用生物质制备生物炭实现碳封存备受重视。该文根据2001-2010年中国粮食产量,估算了主要粮食作物秸秆产量,结合秸秆露天焚烧比例及CO和CO2排放因子,得出CO和CO2的排放量及碳排放总量。同时,根据实验室条件下秸秆转化为生物炭的产率及碳含量,估算了中国粮食作物秸秆转化生物炭后固定碳的量。结果发现,中国粮食作物秸秆因焚烧年排放CO、CO2和总碳量分别为1.15×107、1.57×108和4.77×107t。中国粮食作物秸秆全部转化为生物炭后年平均可固碳0.96×108t,如果把每年焚烧秸秆的量全部转化为生物炭可减少近一半因焚烧秸秆排放碳的量,可见,生物炭固碳技术是一种非常有前景的碳汇技术。     

增压中冷柴油机EGR系统文丘里管的设计与试验

针对柴油机在低速、大负荷工况下引入EGR（exhaust gas recirculation）气体困难的实际情况,该文采用在中冷器后安装一个文丘里管的方法提高对EGR的引射能力。通过计算初步确定了文丘里管的喉口直径,并设计了3种不同结构尺寸的文丘里管,进行了相关试验。试验结果表明,随着发动机转速的提高,气体流量增加,文丘里管的降压作用增强;EGR阀前与文丘里管喉口的压差随着发动机转速先减小后增加,在1 100到1 600 r/min转速范围内,该压差为负值,不利于引入EGR气体;在2 200 r/min时,随着发动机负荷的增加,EGR阀前压力始终大于文丘里管前压力,即使没有文丘里管,发动机也可以顺利引入EGR,但二者压差随着负荷的增加而减小,导致高负荷时EGR率降低;文丘里管的降压作用随发动机负荷的增加而增加,EGR引射能力随负荷的变化不明显;在试验负荷范围内,文丘里管前后的压力损失始终大于5 kPa;在2 200 r/min时,3种喉口直径的文丘里管的EGR引射能力随着负荷的增加均有增强的趋势,但直径较小的文丘里管EGR阀前与喉口压差较大,容易实现较高的EGR率;但在1 600 r/min时,3种文丘里管的EGR引射能力均随着负荷的增加而减小;当扭矩超过470 N·m时,随着文丘里管喉口直径的增加,EGR阀前与文丘里管喉口压差逐渐降低,引入EGR气体的难度逐渐增加。研究结果可为增压中冷柴油机废气再循环系统文丘里管的设计和应用提供参考。     

天津市农田氮肥施用氨排放量估算及分布特征分析

氮素是作物生长的必要营养元素,氮肥施用过程中,会导致氨的挥发,而氨是形成可吸入颗粒物的重要前体物,为了解天津市农田氮肥施用过程中氨的排放,为天津市空气污染治理提供技术支撑,通过获取天津市不同农作物的不同氮肥种类施用量,依据国家环保部推荐的排放因子法和天津市的年均温度,对天津市农田氮肥施用过程中氨的排放量进行了估算和时空分布特征分析。结果表明,2014年天津市农田氮肥施用氨排放量为17 999.91 t,排放强度为3.27 t·km-2;从氮肥种类上看,尿素是最大排放源,贡献率为83.13%,其次是碳铵(13.83%),其他氮肥占比为3.04%;从农作物类型上看,蔬菜是最大的排放源,贡献率为38.91%,其次是玉米(29.43%)和小麦(19.66%),其他作物占比为12.00%。氨的排放系数具有明显的时间特征:中午高,夜间低;8月份最高,1月份最低。在各区县中,武清区氨排放量最大,贡献率为27.06%;津南区氨排放量最小,贡献率为1.14%;另外,宝坻区和蓟县的氨排放量也较高,贡献率分别为20.71%、17.86%。氨具有较强的空间分布差异性,在有氮肥施用的农田排放较高,其他区域排放较低。因此在控制天津市农田氮肥施用氨排放中应加强对武清区、宝坻区、蓟县等区县6—8月份蔬菜种植过程中尿素的科学施用。农田氨的时空分布特征可为天津市空气污染的防治提供科学依据。     

中亚热带丘陵区茶园和林地土壤春季2排放及其影响因素

中亚热带地区春季降雨频繁,茶园施肥量大,该季节茶园土壤氧化亚氮（N2O）排放量较高,研究春季茶园土壤N2O排放及其影响因子有一定意义。以中亚热带丘陵区土壤为对象,采用静态箱-气相色谱法,研究了两种植茶年限茶园和林地土壤春季N2O排放特征及其影响因子。结果表明：茶园N2O排放量明显高于林地,50年茶园N2O排放量明显高于20年茶园,林地N2O的排放量最少;50年茶园、20年茶园和林地土壤春季N2O累积排放量分别为2.07、1.39、0.22 kg·hm-2。两种植茶年限茶园土壤N2O排放通量均与土壤NO-3-N含量呈显著正相关（P<0.05）,林地土壤N2O排放通量则与土壤NH+4-N含量呈极显著正相关关系（P<0.01）;茶园和林地土壤N2O排放通量均与5 d累积降雨量之间存在显著的相关性。多元逐步回归分析显示,茶园土壤N2O排放通量受土壤温度和NO-3-N含量影响,共同解释其48%~49%的变化;林地土壤N2O排放通量受土壤温度和NH+4-N含量影响,共同解释其55%的变化。这项研究显示施肥对春季茶园N2O排放的促进作用与降雨有关。