[0005] 本发明提供一种生态、安全、长效的CO2捕捉与固定技术，技术方案如下：通过种植CO2同化能力强、生长速度快、适应性广的多年生草本植物(也称碳汇草)来吸收与固定空气中的CO2，然后再利用热裂解技术将光合固定的CO2无机化为稳定的碳汇草炭，进而达到CO2的生态捕捉与长效贮存。在不燃烧前提下，速生草炭封存的CO2可在环境中以碳原子形态稳定存在数百年。
[0006] 如上所述的用于吸收CO2的碳汇草类型包括但不限于芒草(Miscanthus spp.)、狼尾草 (Pennisetum purpureum)、芦苇(Phragmites communi)、芦竹(Arundo dona)、柳枝稷(Panicum virgatum)、象草(Pennisetum purpureum)等。其中，芒草优选地采用生物量大的芒(Miscanthus sinensis)、五节芒(Miscanthus floridulus)、荻(Miscanthus sacchariflorus)、南荻(Miscanthus lutarioriparius)、奇岗(Miscanthus×giganteus)或人工杂交种，如湘南荻1‑3号、湘杂芒1‑3 号。
[0007] 鉴于我国人均耕地资源少、保障粮食安全任务重，如上所述的碳汇草优选地种植在不影响粮食生产，但可满足此类草正常生长的非耕地上，也就是边际性土地上。所述的边际性土地类型包括但不限于盐碱地、滩涂地、低覆盖草地、裸土地、退耕还草土地、高速公路及铁路防护带土地、河流湖泊防洪区土地等。根据不同类型种植地的土壤肥力、土壤酸碱度及所在地区的温度、降雨量等因素确定具体的碳汇草类型：滩涂地及河流湖泊防洪区优先选择种植南荻；盐碱地、裸土地优先选择抗逆性强的荻；高速公路及铁路防护带土地优先选择植株高大的芦竹。
[0008] 鉴于被绿色植物光合作用捕捉的CO2易被分解而重新释放至大气中，如上所述的需要对光合固定的CO2无机化，即采用热裂解技术将其炭化。热裂解优选地采用改进的生物质气化多联产技术：碳汇草生物质初步粉碎后(5cm左右长)在400‑500℃条件下先限氧热裂解2‑3 小时，添加水作为气化剂后再在500‑600℃下氧化，最后再在600‑800℃下还原得到碳汇草炭。此技术制备碳汇草炭的出炭率约为35％。
[0009] 为了提高上述CO2捕捉与贮藏技术的经济效益，进而实现经济、安全、长效的温室气体减排，本发明还探索了高附加值利用上述碳汇草生物炭的方式。针对南方酸性田土板结及镉污染严重现状，本发明设计一种可改良土壤和降低镉污染区稻谷等农产品镉含量的土壤调理剂配方、制备方法及施用技术。基于发明人的前期研究基础，本发明所设计的土壤调理剂复合了多种类型的镉吸附剂、钝化剂和拮抗剂，是一种复合治理镉污染稻田等土壤的调理剂。
[0010] 如上所述本发明所设计的土壤调理剂包含有碳汇草炭。碳汇草生物炭具有发达的2
多级孔隙结构(孔隙直径2‑9μm，比表面积可达80‑200m/g)，且在孔隙的内表面上含有大量的带电基团如羟基(主要是酚羟基、醇羟基)、羧基，通过多级孔的物理吸附及带电基团的静电吸附可降低土壤中镉的移动性。
[0011] 上述所选择的镉吸附剂碳汇草炭也是一种重要的镉钝化剂类型。碳汇草生物炭表面的带电基团通过离子交换可与镉离子形成较为稳定的络合物和螯合物，降低镉离子的移动性。另外，碳汇草炭具有较高的pH(pH＝9.0‑10.3)，施入土壤后可提高土壤的pH促使处于交换态的镉向稳定的碳酸盐结合态镉转化，进而也降低了镉离子的生物有效性。除此之外，本发明选择的镉钝化剂还包括腐殖酸、熟石灰、钙镁磷肥与硅酸钾：腐植酸含有的大量活性基团可与镉发生多种物理化学反应，降低镉的活性；熟石灰的强碱性可降低镉离子的移动性和生物有效性，另一方面熟石灰包含的钙离子可通过形成草酸钙将镉离子包裹并排出体外，增强植株自身的解(镉)毒能力；钙镁磷肥一方面可提供钙元素增强植株解(镉)毒能力，另一方面其中的磷元素可促使根部的镉离子形成不溶性的磷酸盐沉淀，降低镉的生物有效性，镁可以增强植株的光合作用提高对镉的抗性；硅酸钾中的硅可以与镉形成溶解性小、移动性差的共沉淀，另一方面被植物吸收的硅可增强植株细胞壁的硅质化程度，减少镉的细胞通透性，进而减少水稻植株的镉吸收量。
[0012] 如上所述本发明所设计的土壤调理剂包含的镉拮抗剂采用锌盐，优先地采用硫酸锌。锌、镉有着相似的核外电子构型和化学性质，且在植物细胞中锌、镉传输系统相同，两者存在相互取代、竞争吸收的作用。因此，通过添加锌盐可提高土壤中锌含量进而降低镉在竞争结合位点的优势，减少植株对镉的吸收与转运。硫酸根离子可以与镉离子结合形成CdSO4，然后 CdSO4可被还原成不溶的CdS，降低了土壤中镉离子的活度。
[0013] 具体地，本发明技术方案如下：
[0014] 一种碳汇草炭基降镉土壤调理剂，以重量份计其活性组分包括：碳汇草炭40‑55份，腐殖酸20‑30份，硅酸钾2‑8份，钙镁磷肥5‑15份，硫酸锌1‑5份，熟石灰5‑15份；或者，除了上述主要有效组分外，所述土壤调理剂还包括5‑10份的造粒粘合剂。
[0015] 进一步地，所述碳汇草炭基降镉土壤调理剂，以重量份计其活性组分包括：碳汇草炭45‑50 份，腐殖酸20‑25份，硅酸钾3‑4份，钙镁磷肥8‑10份，硫酸锌2‑3份，熟石灰5‑10份；或者，除了上述主要有效组分外，所述土壤调理剂还包括5‑10份的造粒粘合剂。
[0016] 在本发明一个较佳的实施方式中，所述碳汇草炭基降镉土壤调理剂，以重量份计其活性组分包括：碳汇草炭45份，腐殖酸25份，硅酸钾6份，钙镁磷肥5份，硫酸锌2份，熟石灰7份，或者，除了上述主要有效组分外，所述土壤调理剂还包括10份变性木薯淀粉。
[0017] 在本发明另一个较佳的实施方式中，所述碳汇草炭基降镉土壤调理剂，以重量份计其活性组分包括：碳汇草炭50份，腐殖酸20份，硅酸钾4份，钙镁磷肥8份，硫酸锌3份，熟石灰5份；或者，除了上述主要有效组分外，所述土壤调理剂还包括10份的造粒粘合剂。
[0018] 进一步地，所述碳汇草炭由包括但不限于芒草(Miscanthus spp.)、狼尾草(Pennisetum purpureum)、芦苇(Phragmites communi)、芦竹(Arundo dona)、柳枝稷(Panicum virgatum)、象草(Pennisetum purpureum)等中的一种或几种制成；其中，芒草优选地采用生物量大的芒 (Miscanthus sinensis)、五节芒(Miscanthus floridulus)、荻(Miscanthus sacchariflorus)、南荻 (Miscanthus lutarioriparius)、奇岗(Miscanthus×giganteus)或人工杂交种，如湘南荻1‑3号、湘杂芒1‑3号。
[0019] 更进一步地，所述碳汇草炭由生物量大、木质化程度高碳汇草(如南荻、芦竹)制成。
[0020] 进一步地，所述碳汇草炭pH值为9.0‑10.3。
[0021] 进一步地，所述碳汇草炭具有发达的多级孔隙结构，孔隙直径2‑9μm，比表面积可2
达 80‑200m /g，且在孔隙的内表面上含有大量的带电基团如羟基(主要是酚羟基、醇羟基)、羧基。
[0022] 进一步地，所述碳汇草炭的N含量为20‑40g/kg，P2O5含量为10‑15g/kg，K2O含量为 15‑25g/kg。
[0023] 进一步地，所述碳汇草炭可由碳汇草植物采用热裂解技术炭化制成，热裂解优选地采用改进的生物质气化多联产技术，具体制备方法包括：将碳汇草生物质初步粉碎后(优选5cm左右长)在400‑500℃条件下先限氧热裂解2‑3小时，添加水作为气化剂后再在500‑600℃下氧化，最后再在600‑800℃下还原得到碳汇草炭。此方法制备碳汇草炭的出炭率约为35％。
[0024] 按上述方法以南荻为原料制备的南荻炭照片见图2。
[0025] 进一步地，所述腐殖酸为水溶性有效成分≥40％的腐殖酸或者腐殖酸钾。
[0026] 进一步地，所述造粒粘合剂包括变性玉米、木薯淀粉。
[0027] 进一步地，所述钙镁磷肥中有效P2O5含量≥12％。
[0028] 进一步地，所述硫酸锌为纯度≥98％的无水硫酸锌或农用七水硫酸锌。
[0029] 本发明所用各原料均可市售购得，或按本领域常规方法制备。
[0030] 本发明还提供了上述碳汇草炭基降镉土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
[0031] 1)按配比将碳汇草炭置于硫酸锌溶液(纯硫酸锌质量浓度约为5％)中充分浸泡(一般至少24h)后，捞出烘干，粉碎过筛(优选过60‑80目筛)，备用；
[0032] 2)将腐殖酸、钙镁磷肥和熟石灰分别过筛(优选过60‑80目筛)，按配比混匀，备用；
[0033] 3)按配比将步骤1)和步骤2)制备的物料或者以及造粒粘合剂均匀混合，得到干料；然后向该干料中按配比均匀喷入硅酸钾溶液(质量浓度一般为60％)，得到湿料；制粒，烘干，即得所述碳汇草炭基降镉土壤调理剂。
[0034] 所述制粒可用机械制粒机将土壤调理剂制备湿料挤压成颗粒或者圆柱形，低温烘干后即得到碳汇草炭基水稻降镉土壤调理剂。
[0035] 按上述方法制备的南荻炭基降镉土壤调理剂颗粒照片见图3。
[0036] 本发明还提供上述碳汇草炭基降镉土壤调理剂在作物种植上的应用。
[0037] 所述作物包括水稻、甜瓜等。
[0038] 所述碳汇草炭基水稻降镉土壤调理剂的施用方法：稻田旋耕前，按照每亩300‑500kg(根据土壤镉污染等级及酸碱度确定具体施用量)施用量施入镉污染稻田，旋耕、灌水泡田5‑7 天后就可以插秧。本土壤调理剂的施用可使稻米中镉含量降低15％。如果与碳汇草炭配制的炭基控缓释生态肥配施，降镉效果更显著。
[0039] 本发明还包括上述碳汇草炭在降低土壤镉含量等方面上的应用。
[0040] 本发明的创新点表现在：通过种植碳汇草可实现较大化CO2吸收，然后利用热裂解炭化技术将碳汇草吸收的CO2转化为稳定性强的生物炭可实现高效长久固碳；将碳汇草炭与其他类型镉钝化剂和拮抗剂配制成土壤调理剂施入镉污染田地可实现固定碳的安全封存，还可以降低土壤中镉离子的生物活性进而减少相应作物中的镉含量；将碳汇草炭制成土壤调理剂实现了固碳产物的再利用，提升了固碳的经济效益。本发明的实施同时实现了CO2经济、高效、安全的封存、镉污染土壤改良、农产品品质提升，即同时实现环境、经济和农业效益的最大化。
