大气CO_(2)浓度升高背景下优化施氮对淹水稻田CH4排放的影响

为探讨未来气候变化条件下,合理管理氮肥以充分协调水稻产量与温室气体排放量之间的矛盾,实现低碳排放并保持水稻产量,本研究探讨了大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)与氮肥减施40%对淹水稻田水稻生产及CH4排放的影响及机理。利用开顶式气室(OTC)组成的CO_(2)浓度自动调控平台设置4个处理,即环境CO_(2)浓度+施氮250 kg·hm^(-2)(CK)、大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)+施氮250 kg·hm^(-2)(C+)、环境CO_(2)浓度+施氮150 kg·hm^(-2)(N-)、大气CO_(2)浓度升高120μmol·mol^(-1)+施氮150 kg·hm^(-2)(C+N-),分析了稻田CH4累积排放量(CAC)、水稻生物量及产量、土壤理化性质及酶活性等指标。结果表明:与CK处理相比,C+处理使CAC/产量显著提高了16.93%,N-处理使CAC/产量显著降低了13.33%,C+N-处理使CAC/产量降低了7.89%,但不显著;N-处理在一定程度上削弱了C+处理对CAC、CAC/产量、水稻生物量、土壤可溶性有机碳含量的促进作用;逐步回归分析表明,基于可溶性有机碳和硝态氮含量及土壤脲酶活性的线性模型,可解释稻田CH4累积排放64%的变异。综上,在大气CO_(2)浓度升高条件下,氮肥减施可通过影响土壤碳、氮基质及土壤脲酶活性来调节稻田CH4排放。

NH3/CH4混合燃料层流火焰速度的数值分析及其反应机理的优化

NH3作为一种无碳燃料,且具有较长的应用历史、较高的市场成熟度和较完整的产业链,因此在推动全球低碳发展中具有很大的发展前景。为了解决NH3在燃烧时火焰传播速度较慢的问题,可行的方法是将NH3与CH4混合燃烧。针对NH3/CH4混合燃烧的数值模拟研究时采用的反应机理比较多样且都存在相对误差的问题,对NH3/CH4混合燃料的层流燃烧速度进行模拟并通过反应灵敏度等方法分析了重要影响因素。结果表明燃料CH4的添加可有效使NH3的层流火焰速度线性增加,燃烧强度显著提升。同时发现层流火焰速度在很大程度上受火焰中自由基O、H、OH数量以及基元反应H + O2 O + OH反应速率的影响,随CH4加入火焰中的O、H、OH的摩尔分数也随之增大,因此进一步提高NH3的层流火焰速度。此外通过敏感性分析以及火焰结构分析发现基元反应的参数设置是各个机理模拟产生差异的根本原因,因此本研究基于模拟表现最好Okafor机理,根据其他常用机理的参数设置和实验数据形成了优化机理Okafor-Modified,与实验结果的平均相对误差在10%内。

滨海湿地中溶解态CH4的通量及影响因子

以长江口滨海湿地的九段沙湿地和西沙湿地为研究区域,探究了滨海湿地水体中溶解态CH4浓度和通量的变化过程及影响因子.采样期间,CH4溶存浓度有显著的季节变化:九段沙秋季的CH4平均溶存浓度最大,为(0.30±0.19)μmol·L^(-1);西沙夏季的CH4平均溶存浓度最大,为(1.16±1.52)μmol·L^(-1).西沙的CH4平均溶存浓度((0.56±0.91)μmol·L^(-1))高于九段沙((0.18±0.17)μmol·L^(-1)).通过主成分分析发现,CH4的时空变化主要与滨海湿地的季节更替及潮汐作用有关,低温、高盐度和富氧环境都将抑制CH4的合成.对于不同的季节和研究区域,溶解态CH4的通量变化也有显著差异.九段沙和西沙水环境向大气扩散的CH4通量分别在秋季((0.45±0.43)nmol·m^(-2)·s^(-1))和夏季((3.34±5.21)nmol·m^(-2)·s^(-1))最大.两者向长江口水平输送的CH4通量分别在秋季((2.32±9.32)nmol·m^(-2)·s^(-1))和夏季((1.66±5.06)nmol·m^(-2)·s^(-1))最大.利用水质参数与CH4溶存浓度拟合多元回归方程,获得高频率、连续观测的CH4溶存浓度.进一步计算得到九段沙和西沙的溶解态CH4年均横向输送通量,分别为1.46 mg·m^(-2)·d^(-1)和0.34 mg·m^(-2)·d^(-1),年均垂向扩散通量分别为1.85 mg·m^(-2)·d^(-1)和2.90 mg·m^(-2)·d^(-1).还揭示了滨海湿地中溶解态CH4是大气和沿岸水体中CH4的重要来源之一.

CO_(2)-CH4置换水合物开采方法及其强化技术研究进展

天然气水合物具有资源储量大、分布范围广等特点,是一种潜力巨大的替代能源,经济、高效、安全地开发天然气水合物是目前研究的热点。CO_(2)-CH4置换水合物开采法既可以置换出水合物储层中的甲烷,同时还将CO_(2)封存其中以保持地层稳定,受到了广泛的关注。本文从CO_(2)-CH4置换的可行性、实验模拟与数值模拟的角度综述了近些年CO_(2)-CH4置换水合物开采法的最新研究进展,并针对置换过程效率低、速度慢等缺点,探讨了改变CO_(2)注入相态、CO_(2)协同小分子气体以及CO_(2)置换联合开采法等强化置换技术,指出了不同强化方法的技术壁垒及应用局限,展望了CO_(2)-CH4置换水合物开采技术的研究方向和发展前景。

金属改性对SSZ-13分子筛CH4-SCR中NO_(x)消除效率的影响

通过不同过渡金属元素改性SSZ-13分子筛的方式制备在高温段高活性的单金属CH4-SCR催化剂.探究了不同改性金属对催化剂NO_(x)转化率的影响,并以此为基础制备多种双金属改性催化剂.采用多种分析技术对不同催化剂的理化特性进行分析,结果表明,在单金属催化剂中In-SSZ-13催化剂有明显优势,最高NO_(x)转化率为38.6%.而1%Cr-5%In-SSZ-13催化剂表现好于其他单金属和双金属改性催化剂,最高NO_(x)转化率为92.4%,并且在500~650℃的NO_(x)转化率在74%以上;1%Cr-5%In-SSZ-13催化剂比In-SSZ-13催化剂有更小的晶粒尺寸以及更多的微观孔隙和活性中心,提升了催化剂的反应物吸附能力;同时1%Cr-5%In-SSZ-13催化剂中出现了结合能明显改变的In^(3+)与Cr^(3+),说明两者之间存在相互作用,使得在CH4-SCR过程中In与Cr之间产生协同催化效果.

淮河流域稻麦轮作系统CH4通量模拟及减排研究

为研究气候变化下不同管理措施对淮河流域稻麦轮作农田生态系统CH_(4)通量的影响,通过参数率定后的DNDC(DeNitrification-DeComposition)模型,估算了淮河流域历史时期(2000—2020年)及未来(2021—2049年)RCP4.5(中等排放强度情景)和RCP8.5(高排放强度情景)两种情景下稻麦轮作农田CH_(4)通量时空分布特征,评估了未来气候变化下多种田间管理措施对流域CH_(4)的减排能力。结果表明:淮河流域历史时期区域CH_(4)通量平均排放强度为125.3 kg·hm^(-2),未来两种情景(RCP4.5和RCP8.5)下区域CH_(4)通量平均排放强度分别为140.5 kg·hm^(-2)和150.5 kg·hm^(-2),总体均呈显著上升趋势(P<0.01)。空间上,未来两种情景下CH_(4)通量空间分布特征相似,均呈现南部和西北部地区CH_(4)通量高,东北部和中西部地区CH_(4)通量低的特征。与基础措施相比,不同施肥量措施均减少了CH_(4)排放,但不同秸秆还田措施提高了CH_(4)排放水平。研究表明,在仅考虑控制淮河流域CH_(4)通量的情况下,秸秆不还田+减量施肥20%是未来气候变化情景下最佳田间管理措施。

分段电极介质阻挡放电CO_(2)重整CH4过程放电特性与反应性能研究

大气压低温等离子体可在温和条件下进行CO_(2)重整CH4反应,对环境保护和能源供应具有双重意义。介质阻挡放电(DBD)是进行该反应最常用的放电等离子体形式之一,但其工艺过程和反应性能受到反应器结构的显著影响。前期研究发现,分段电极DBD可以调节CO_(2)重整CH4反应过程的反应物转化率、产物分布及能量效率,但是分段电极数量和相邻电极间距对上述性能参数的影响机理尚不清晰。因此,该文设计了具有不同电极数量和不同相邻电极间距的分段电极DBD反应器,并用于CO_(2)重整CH4反应,从电学特性和温度特性的角度研究了不同实验条件下的放电特性,比较分析了对应条件下的CO_(2)重整CH4反应性能。结果表明,分段电极的引入可以增加放电边缘数量以增强边缘效应,且增加分段电极数量和增加相邻电极间距均可延长反应物的有效停留时间,上述因素均有助于提高等离子体CO_(2)重整CH4的反应性能。在施加电压11.0 kV条件下采用4段外电极时可获得最高的CO_(2)转化率(17.7%)和CH4转化率(29.5%),以及最大的CO选择性(36.0%)。而在2段电极结构中,当相邻电极间距为3 cm时,可获得最高的总反应物转化能量效率(0.334 mmol/kJ)。

长期不同施肥制度下湖南红壤晚稻田CH4的排放

选取湖南双季稻田长期不同施肥制度为研究对象,采用静态箱-气相色谱法对晚稻稻田甲烷排放进行观测。研究结果表明,不同施肥制度下的晚稻稻田甲烷排放的季节变化具有一定的规律,晚稻生育期内CH4的排放速率呈先升高后降低的变化趋势。施入秸秆的处理CH4平均排放通量和累积排放通量大于单施化肥的处理;单施化肥的各处理中由于养分缺失情况的不同,CH4平均排放通量和累积排放量具有一定的差异。秸秆区CH4平均排放通量和累积排放量都较大,全量化肥养分施肥区次之,偏施养分和无肥区较小。同时还研究了长期不同施肥制度条件下各环境因素包括土壤温度、灌溉水层深度和土壤Eh,对CH4排放的影响。结果表明,不同的施肥处理,晚稻田CH4排放的季节变化和土壤Eh呈显著负相关,与土壤温度呈显著正相关,与水层深度相关不明显。

生活垃圾填埋场覆盖层CH4氧化能力原位测试法的优化与应用

为提高垃圾填埋场覆盖层CH_4氧化能力原位测试方法的适用性,对基于CO_2和CH_4浓度比的碳原子守恒法进行了优化。应用优化后的方法对北京阿苏卫垃圾填埋场覆盖层CH_4氧化能力的变化规律进行分析,结果表明:该垃圾填埋场覆盖层表面CO_2和CH_4释放通量比在春夏季较高且变动范围较大,而秋冬季则相对较低且稳定;覆盖层CH_4氧化速率和氧化率均表现为秋冬季远低于春夏季,监测Ⅰ区(封场时间为2003年)和监测Ⅱ区(封场时间为2009年)覆盖层CH_4氧化速率(以C计)平均值春夏季分别为1 569.89和1 054.47 mg/(m^2·h),秋冬季分别为171.13和333.02 mg/(m^2·h);监测Ⅰ区和Ⅱ区CH_4氧化率平均值春夏季分别为79.69%和44.83%,秋冬季分别为7.54%和11.33%;填埋时间较长的监测Ⅰ区覆盖层的CH4氧化能力[全年平均值为911.7 mg/(m^2·h)]大于监测Ⅱ区[全年平均值为707.5 mg/(m^2·h)]。应用优化后的方法得到的覆盖层CH4氧化速率和氧化率的变化规律与文献报道相符,该方法对垃圾填埋场覆盖层CH_4氧化能力的估算具有较好的适用性。

新型CO2和CH4混合标气标校流程及方法

基于光腔衰荡法Picarro G-1301型甚高分辨率分析仪自组装新型CO2和CH4混合标气标校系统,研究建立了简便高效的标校流程和方法.该系统操作简便,运行稳定,工作标气消耗更少,线性好,对环境大气浓度范围的CO2和CH4的分析精度分别优于0.06×10-6mol.mol-1和0.3×10-9mol.mol-1,准确度分别在±0.05×10-6mol.mol-1和±0.4×10-9mol.mol-1内,满足世界气象组织全球大气观测网(WMO-GAW)对温室气体分析标校及标气分级传递的质量要求,可保证本底大气CO2和CH4网络化观测数据的可溯源性和国际可比性,已应用于中心标校实验室和本底站大气CO2和CH4混合标气的标校和传递.

颗粒活性炭的制备及其PSA分离CH4/N2的性能

以无烟煤为原料,煤焦油为黏结剂,采用预氧化-炭化-水蒸气活化法制备了变压吸附(PSA)分离甲烷/氮气(CH_4/N_2)用的颗粒活性炭(GAC)。系统研究了炭化和活化制备条件对GAC的PSA分离效果的影响。结果表明,GAC分离CH_4/N_2是基于平衡分离效应。在炭化温度500～600℃,炭化时间1～3 h,活化温度800～950℃,活化时间2～4 h,水蒸气流速5～7 mL/min条件下制备的GAC能够将CH_4/N_2中的CH_4体积分数较原料气提高20%以上;其中,在炭化温度600℃,炭化时间2.5 h,活化温度900℃,活化时间2 h,水蒸气流速5mL/min的条件下制备的GAC能够将CH_4体积分数较原料气提高36.6%。

三江平原湿地土壤CO2和CH4排放的初步研究

在三江平原选择3种不同类型的湿地:永久积水的漂筏苔草沼泽、季节性积水的小叶章草甸和无积水的恢复湿地。从2002年7月到10月对漂筏苔草沼泽进行了土壤碳排放的观测,2002年8月中旬至10月对小叶章草甸和恢复湿地进行了土壤碳排放的观测。观测结果表明,不同湿地类型下土壤CO2和CH4排放具有明显的差异,同段时期内(2002年8月中旬到10月底)土壤CH4排放通量为小叶章草甸(14.3mg·m-2·h-1)>漂筏苔草沼泽(7.9mg·m-2·h-1)>恢复湿地(-0.015mg·m-2·h-1),CO2排放速率表现为小叶章草甸(384.9mg·m-2·h-1)>恢复湿地(345.6mg·m-2·h-1)>漂筏苔草沼泽(117.6mg·m-2·h-1)。温度是导致漂筏苔草沼泽和小叶章草甸土壤CO2和CH4的排放季节变化的主要驱动因子,也是恢复湿地土壤CO2排放季节变化的主要驱动因子,但对其CH4氧化吸收影响不明显。地表积水深度与漂筏苔草沼泽以及小叶章草甸土壤CO2和CH4排放均呈负相关,温度和积水深度的综合作用决定了漂筏苔草沼泽和小叶章草甸土壤CO2和CH4排放的季节变化特征。

不同时期施用生物炭对稻田N2O和CH4排放的影响

通过分别在水稻季(R)和小麦季(W)设置对照(RB0-N0、WB0-N0)、单施氮肥(RB0-N1、WB0-N1)、20 t hm-2生物炭与氮配施(RB1-N1、WB1-N1)、40 t hm-2生物炭与氮配施(RB2-N1、WB2-N1)等8个处理,研究稻麦轮作周年系统N2O和CH4排放规律及其引起的综合温室效应(Global warming potential,GWP)和温室气体强度(Greenhouse gas intensity,GHGI)特征。结果表明:稻季配施20 t hm-2生物炭对N2O和CH4的排放、作物产量及GWP和GHGI均都无明显影响;稻季配施40 t hm-2生物炭能显著降低8.6%的CH4的排放和9.3%的GWP,显著增加作物产量17.2%。麦季配施20 t hm-2生物炭虽然对温室气体及GWP影响不明显,但显著增加21.6%的作物产量,从而显著降低21.7%的GHGI;麦季配施40 t hm-2生物炭能显著降低20.9%和11.3%的N2O和CH4排放,显著降低15.7%和23.5%的GWP和GHGI。因此麦季配施生物炭对减少N2O和CH4的排放、增加稻麦轮作产量及降低GWP和GHGI的效果较稻季配施生物炭效果更好。

不同耕作方式下稻田土壤CH4和CO2的排放及碳收支估算

二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)是重要的温室气体,研究免耕稻田CO2和CH4排放有助于评价稻田免耕技术对全球气候变化及碳循环的影响。本文通过运用静态箱技术和田间原位碱液吸收法研究了免耕稻田土壤CO2和CH4的排放规律和排放量,及其稻田碳(C)的收支状况。研究表明,施肥提高了CH4排放,而不影响CO2的排放;免耕显著影响稻田CH4排放,而CO2的排放不受耕作影响。对稻田C收支及平衡的分析表明,施肥提高了稻田系统C的输入,同时,相对于翻耕处理,免耕处理表现为大气C的"汇",表明了稻田免耕能将更多的碳累积于农田土壤碳库中,有利于提高稻田生态系统在减缓气温上升过程中所发挥的作用。

焚烧麦杆对稻田CH4和N2O排放的影响

采用3种麦杆处理方式(不还田、均匀混施和原位焚烧)进行田间试验,观测稻田CH4和N2O的排放情况,以探讨原位焚烧麦杆对稻田CH4和N2O排放的影响.结果表明,与不还田处理相比,原位焚烧显著增加稻田CH4排放量,同时显著减少稻田N2O排放量;与均匀混施处理相比,原位焚烧显著减少稻田CH4排放量,二者的N2O排放量无明显差异.

制备方法对Ni-Al2O3催化剂在CO2-CH4重整反应中催化性能的影响

为提高镍基催化剂的干法重整活性,采用溶液燃烧法、等体积浸渍法、胶体磨循环浸渍法和水热-沉积法制备了SCM、IM P、T310和HTP四种催化剂,在800℃考察了其在CO2-CH4重整反应中的催化性能,并结合ICP-AES、N2吸附-脱附、XRD、H2-TPR和TEM等表征手段对催化剂进行分析。结果表明,水热-沉积法和胶体磨循环浸渍法制备的催化剂比表面积较大,分别为190.83和182.21 m2/g,可为反应提供较多的接触面积,进而提高催化剂的初始活性(HTP试样CH4和CO2初始转化率相对较高,分别达85.15%和90.84%);而溶液燃烧法和等体积浸渍法制备的催化剂具有较多的Ni Al2O4尖晶石,其还原峰面积占总还原峰面积90%以上,还原后可获得更多晶粒粒径更小的稳定活性组分Ni(SCM和IMP试样稳定性更好,反应50 h后活性超过HTP和T310试样,100 h后CH4转化率方降至50%以下)。因此,决定催化剂稳定活性的更重要的因素应该是活性组分Ni晶粒粒径的大小及其抗烧结能力的强弱。

三江平原寒地稻田CH4、N2O排放特征及排放量估算

利用静态暗箱-气相色谱法,于2003-2006年对三江平原寒地稻田CH4、N2O通量进行了为期4年的田间原位观测研究。结果表明:三江平原寒地稻田CH4和N2O排放具有明显的季节变化,水稻生长季淹水期是CH4排放的强源,稻田排水后CH4排放显著下降,休闲期CH4排放微弱或呈弱吸收汇,整个生长季CH4排放呈现单峰型态,并随水稻植株生长和叶面积指数而变化;水稻生长季和休闲期N2O排放通量都很小,冬季休闲期有时还出现微弱的吸收现象。生长季一般在施肥和表土落干时都会出现不同强度的排放峰,除了几次比较显著的排放峰值外,其它淹水状态下N2O排放很弱;温度和土壤水分状况是影响稻田CH4和N2O排放的重要因子,稻田积水深度和气体排放无明显的相关性;水稻植株对稻田土壤CH4排放起促进作用而对稻田土壤N2O排放起抑制作用;稻田氮肥用量增加可以降低土壤CH4排放,但却增加了N2O的排放。根据试验数据对三江平原地区寒地稻田CH4和N2O排放总量估算值分别为0.1035 Tg/a和0.0021Tg/a。

华南丘陵区2种土地利用方式下地表CH4和N2O通量研究

采用静态箱-气相色谱法对华南丘陵区马尾松林和果园地表CH4和N2O通量及其主要影响因子进行了观测(马尾松Pinus massoniana林为期16个月,果园15个月),比较和分析了不同土地利用方式下地表CH4和N2O通量的季节变化,地表CH4和N2O通量与温度和土壤含水量的关系以及凋落物对地表CH4和N2O通量的影响。结果表明,在有凋落物覆盖下,马尾松林和果园年均地表CH4通量分别为-3.41±0.3和-3.24±0.44kgCH4hm-2a-1;年均地表N2O通量分别为4.57±0.50和11.99±0.67kgN2O-Nhm-2a-1;去除凋落物情况下,马尾松林和果园年均地表CH4通量分别为-2.98±0.44和-1.93±0.53kgCH4hm-2a-1;年均地表N2O通量分别为3.12±0.28和9.42±0.56kgN2O-Nhm-2a-1。2种土地利用方式对地表CH4影响较小,对N2O通量的影响较大,果园地表N2O通量显著大于马尾松林(P<0.01)。马尾松林和果园土壤对CH4的吸收在旱季(10～3月)高而雨季(4～9月)低,N2O排放雨季较高而旱季较低。土壤含水量对地表CH4和N2O通量的影响比温度要大。凋落物对地表CH4通量的影响较小,对N2O通量的影响较大,凋落物对马尾松林和果园N2O排放的贡献率分别为31.71%和21.40%。研究还表明,地表NO通量存在明显的降雨驱动效应。

千烟洲红壤丘陵区人工针叶林土壤CH4排放通量

CH4在温室效应中起着重要作用,为估算中亚热带CH4的源汇现状,评价森林生态系统对温室效应的影响,采用静态箱-气相色谱法研究了千烟洲红壤丘陵区人工针叶林的土壤CH4排放通量特征及水热因子对其的影响。对2004年9月~2005年12月期间的观测结果分析表明:千烟洲人工针叶林土壤总体表现为大气CH4的吸收汇,原状林地土壤(Forestsoil)情况下,CH4通量的变化为7.67^-67.17μg·m-2·h-1,平均为-15.53μg·m-2·h-1;无凋落物处理(Litter-free)情况下,CH4通量的变化是9.31^-90.36μg·m-2·h-1,平均为-16.53μg·m-2·h-1。二者对土壤CH4的吸收表现出明显的季节变化规律,秋>夏>冬>春,但无凋落物处理CH4变化幅度较原状林地土壤大,无凋落物处理吸收高峰出现在10月,最低值出现在翌年3月,原状林地土壤则分别在9月和翌年2月,均提前1个月。对土壤CH4吸收通量与温度和湿度的相关分析表明:无论是原状林地土壤还是无凋落物处理情况下,土壤CH4通量都与地下5cm的温度和湿度相关性最高。偏相关分析反映了不同季节水热配置对土壤吸收CH4通量的影响:冬季为12月~翌年2月,温度起主要作用;雨季3~6月,温度作用为主,随着温度的升高而升高,水分作用微弱;7~8月,CH4吸收通量随着湿度的降低而增加,但高温限制了CH4的吸收;秋季(9~11月)水热配置适宜,CH4通量达到高峰值。总之,CH4吸收通量随着温度的升高和湿度的降低而增大,但温度过高会抑制其吸收。

预还原催化剂LaNiO3,La4Ni3O10,La3Ni2O7和La2NiO4催化分解CH4制碳纳米管的研究

通过预还原的LaNiO3,La4Ni3O10,LaNi2O7和La2 NiO4催化分解CH4可以制备大量高度石墨化的碳纳米管.还原前后的催化剂的结构和组分通过X射线衍射(XBD)测定.所制得的碳纳米管由扫描电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)表征.碳纳米管在空气中的热氧化性由热重实验(TG)测定.实验结果表明不同催化剂前驱中的La/Ni比会影响碳纳米管的管径分布和石墨化程度.La/Ni比越小,碳纳米管的管径越大,石墨化程度越高.