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《美丽乡村》

美丽乡村

——化学与农业生产

化学

课程与教材研究第九组

前言

INTRODUCTION 

      中国要美,农村要美。中国共产党第十六届五中全会提出了建设美丽乡村的奋斗目标。国家农业部于2014年发布美丽乡村建设十大模式——产业发展型、生态保护型、城郊集约型、社会综治型、文化传承型、渔业开发型、草原牧场型、环境整治型、休闲旅游型、高效农业型。
      本章内容将聚焦农业型乡村,通过介绍农业生产过程中三个典型方面——土壤酸碱度、化肥使用以及秸秆发酵沼气,深入了解美丽乡村建设过程中所包含的化学知识。

目录

CONTENTS

第一节  土壤酸碱度
  • 土壤酸碱度  
  • 土壤酸碱度的应用 
  • 课外阅读——土壤酸碱性的简单区分

第二节  化肥
  • 化肥的介绍与鉴别
  • 化肥的合理使用
  • 课外阅读——种肥、基肥与追肥

第三节 作物秸秆沼气发酵
  • 认识沼气
  • 秸秆发酵沼气
  • 课外阅读——“非遗”文化:麦秆画

  • 专题研究——农田土壤酸碱性研究        26
  • 整理提升                              28
  • 学习收获                              28
  • 本章习题                              29

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第一节 土壤酸碱度

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  土地酸碱度是指土地组分的pH值。土壤酸碱度是土壤的一个重要特性,也是影响土壤肥力和植物生长的一个重要因素。一般作物在中性、弱酸性、弱碱性土壤中生长最适宜,过酸或过碱都会影响作物生长。
  土地酸碱度与土地微生物活动、有机质的合成与分解、营养元素的转化与释放、微量元素的有效性、土地保持养分的能力及生物生长等有密切关系。

关键词:土壤酸度 土壤碱度 缓冲性能 最适pH

一、土地酸碱度

1.基础知识

  土地酸碱度是指土地组分的pH值。土壤酸碱度是土壤的一个重要特性,也是影响土壤肥力和植物生长大一个重要因素。一般作物在中性、弱酸性、弱碱性土壤中生长最适宜,过酸或过碱都会影响作物生长。

  土地酸碱度与土地微生物活动、有机质的合成与分解、营养元素的转化与释放、微量元素的有效性、土地保持养分的能力及生物生长等有密切关系。

表1-1 土地酸碱度分级

酸碱度分级 pH 酸碱度分级 pH
极强酸性
<4.5 弱碱性 7.0-7.5
强酸性 4.5-5.5 碱性 7.5-8.5
酸性 5.5-6.0 强碱性 8.5-9.5
弱酸性 6.0-6.5 极强碱性 >9.5
中性 6.5-7.0

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图1-1. 土壤

  我国土壤的pH大多在4.5-8.5范围内,并有由南向北pH递增的规律性。长江以南的土壤多为酸性和强酸性,如华南、西南地区广泛分布的红壤、黄壤,pH大多在4.5-5.5,有少数低至3.6-3.8;华中、华东地区的红壤,pH在5.5-6.5。长江以北的土壤多为中性或碱性,如华北、西北的土壤大多含CaCO3,pH一般在7.5-8.5,少数强碱性土壤的pH高达10.5。

2.土地酸度

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图1-2. 中国土壤酸碱度分布图

  根据土壤中H+的存在方式,土壤酸度可分为两大类。
(1) 活性酸度
  土壤的活性酸度是土壤中氢离子浓度的直接反应,又称为有效酸度,通常用pH表示。
  土壤溶液中氢离子来源,主要是土壤中CO2溶于水形成的碳酸和有机物质分解产生的有机酸,以及土壤中矿物质氧化产生的无机酸,如硝酸、硫酸和磷酸等。此外,由于大气污染形成的大气酸沉降,也会使土壤酸化,所以它也是土壤活性酸度的一个重要来源。
(2) 潜性酸度
  土壤潜性酸度来源是土壤胶体吸附的可代替性H+和Al3+。当这些离子处于吸附状态时,是不显酸性的,但它们通过离子交换作用进入土壤溶液之后,即可增加土壤溶液的氢离子浓度,使土壤pH降低。只有盐基不饱和土壤才有潜性酸度,其大小与土壤代换量和盐基饱和度有关。

3.土地碱度

  土壤的缓冲性能是指土壤具有缓和其酸碱度发生剧烈变化的能力,它可以保持土壤反应的相对稳定,为植物生长和土壤生物的活动创造比较稳定的生活环境,所以土壤的缓冲性能是土壤的重要性质之一。

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4.土地的缓冲性能

  结果在土壤溶液中产生NaOH,使土壤呈碱性。此时Na+离子饱和度亦称为土壤碱化度。

   土壤溶液中OH-根离子的主要来源,是CO32-和HCO3-的碱金属(Na,K)及碱土金属(Ca,Mg)的盐类。碳酸盐碱度和重碳酸盐碱度的总和称为总碱度。可用中和滴定法测定。不同溶解度的碳酸盐和重碳酸盐对土壤碱性的贡献不同,CaCO3和MgCO3的溶解性很小,在正常的CO2分压下,它们在土壤溶液中的浓度很低,故富含CaCO3和MgCO3的石灰性土壤呈弱碱性(pH7.5-8.5);Na2CO3,NaHCO3及Ca(HCO3)2等都是水溶性盐类,可以大量出现在土壤溶液中,使土壤溶液中的总碱度很高,从土壤pH来看,含Na2CO3的土壤,其pH一般较高,可达10以上,而含NaHCO3和Ca(HCO3)2的土壤,其pH常在7.5-8.5,碱性较弱。
  当土壤胶体上吸附的Na+,K+,Mg2+(主要是Na+)等离子的饱和度增加到一定程度时,会引起交换性阳离子的水解作用:

二、土壤酸碱度的应用

1.作物成长

表1-2 常见作物成长适宜pH范围

作物 最适pH 作物 最适pH
萝卜 7.0-7.5 白菜 6.5-7.0
番茄 6.0-7.0 黄瓜 5.5-7.6
马铃薯 5.5-6.5 7.0-7.4
花椰菜 6.0-6.7 生姜 6.5
西瓜 5.5-7.0 辣椒 6.3-7.2

  植物可在很宽的范围内正常生长,但各种植物有自己适宜的pH。比如苹果的土壤pH值适宜范围为5.3-8.2,最适范围为5.4-6.8。当土壤pH值超出最适范围,随着pH值的增大或减小,植物生长受阻,发育迟缓。大多数植物在pH>9.0或<2.5的情况下都难以生长。

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图1-3. 健康生长的作物

2.调节土壤pH

  对于酸性过大的土壤,可每年每亩施入20至25千克的石灰,且施足农家肥,切忌只施石灰不施农家肥,这样土壤反而会变黄变瘦。在播种前1-3个月施用,以免对作物萌发及生长造成影响。也可施草木灰40至50千克,中和土壤酸性,更好的调节土壤的水、肥状况。
  而对于碱性土壤,通常每亩用石膏30至40千克作为基肥施入改良。土壤碱性过高时,可加少量硫酸铝(施用需补充磷肥)、硫酸亚铁(见效快,但作用时间不长,需经常施用)、硫磺粉(见效慢,但效果最持久)、腐殖酸肥等,具体施用量根据土壤酸碱度来确定。
  常浇一些硫酸亚铁或硫酸铝的稀释水,可使土壤增加酸性。腐植酸肥因含有较多的腐殖质,如海精灵生物刺激剂,能较安全地调整土壤的酸碱度。硫酸铝也被用来调节土壤pH值,因为它水解生成氢氧化铝的同时产生少量的硫酸稀溶液。
 

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图1-4. 土壤pH检测仪

  栽培农作物时,首先要弄清所栽培的作物pH适宜范围,是喜欢酸性土或中性土还是可以适宜于碱性土。若土壤酸碱度不合适,就需要进行调节改良。

图1-5 石灰

图1-6 石膏

资料卡片
有机肥
    主要来源于植物和(或)动物,施于土壤以提供植物营养为其主要功能的含碳物料。经生物物质、动植物废弃物、植物残体加工而来,消除了其中的有毒有害物质,富含大量有益物质,包括:多种有机酸、肽类以及包括氮、磷、钾在内的丰富的营养元素。不仅能为农作物提供全面营养,而且肥效长,可增加和更新土壤有机质,促进微生物繁殖,改善土壤的理化性质和生物活性,是绿色食品生产的主要养分。   

 如果大田内有作物生长,可增施酸性、碱性肥料来调节土壤酸碱度。利用钙镁等碱性元素置换氢离子,提高pH值,还能对作物提供养分。
  (1)增施有机肥。这是调节土壤酸碱度最根本的措施,可以提高土壤的缓冲性能。土壤缓冲性与土壤中腐殖质含量密切相关,而腐殖质主要来源于有机质,因此,在农业生产中必须强调增施有机肥。  
 (2)合理施用化肥。一般说来,酸性土壤,选施碳酸氢铵等碱性肥料,磷肥则选施钙镁磷肥。碱性土壤,选施易溶性酸性化肥,如氯化铵、过磷酸钙等。尿素属中性有机态氮肥,酸碱土壤都能施用,但施后隔3-5天再进行灌水,以防止流失,提高肥效。
 (3)适施碱性肥料酸性较强(pH5.5以下)、土质粘重、有机质含量较高的土壤,适当增施碱性肥料般每亩基施50-100千克左右,每隔2-3年施用一次;碱性强的土壤,可亩施石膏(硫酸钙)15-25千克,调节其碱性。要注意适量使用,以免造成土壤盐渍化现象。

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课外阅读
简单区分土壤pH
一看土源
    山林中的土壤,沟壑的腐殖土,一般是黑色或者褐色的土壤,比较疏松,肥沃,通透性好,是非常好的酸性腐殖土。如:松针腐殖土,草炭腐殖土等。
二看土色
    酸性土壤一般颜色较深,多为黑褐色,而碱性土壤颜色多呈白、黄等浅色。有些盐碱地区,土表经常有一层白色的盐碱。
三看质地
    碱性土壤质地疏松,透气透水性强;酸性土壤质地坚硬,土壤容易板结。
四看地表植物
    在采集土样时,可以观察一下地表生长的植物,一般生长松树、杉类植物、杜鹃的土壤多为酸性土;而生长谷子、高梁、卤蓬等地段的土多为碱性土壤。
五看浇水后的情形
    酸性土壤浇水以后下渗较快,不冒白泡,水面较浑;碱性土壤浇水后,下渗较慢,水面冒白泡,起白沫,有时表面还有一层白色的碱性物质。
六靠手感
    酸性土壤握在手中一般是软软的,松开后土壤容易散开,不易结块;碱性土壤握在手中感觉挺硬实,松手以后容易结块而不散开。

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第二节  化肥

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  土壤中的常量营养元素氮、磷、钾通常不能满足作物生长的需求,需要施用含氮、磷、钾的化肥来补足。而微量营养元素中除氯在土壤中不缺外,另外几种营养元素则需施用微量元素肥料。化肥一般多是无机化合物。凡只含一种可标明含量的营养元素的化肥称为单元肥料,如氮肥、磷肥、钾肥等。凡含有氮、磷、钾三种营养元素中的两种或两种以上且可标明其含量的化肥称为复合肥料或混合肥料。品位是化肥质量的主要指标。它是指化肥产品中有效营养元素或其氧化物的含量百分率。

关键词:氮肥 磷肥 钾肥 危害

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一、化肥介绍与鉴别

化肥种类  组成成分 主要作用
氮肥
含氮化合物:尿素[CO(NH2)2]氨水、铵盐(NH4HCO3)、硝酸盐(NH4NO3、NaNO3) 
氮是植物体内蛋白质、核酸和叶绿素的组成元素。氮肥能促进作物的茎叶生长茂盛,叶色浓绿。 
磷肥
含磷化合物:磷矿粉[Ca3(PO4)2]、钙镁磷粉、过磷酸钙[Ca(H2PO4)2、CaSO4] 
磷是植物体内核酸、蛋白质和酶等多种重要化合物的组成元素。磷肥能促进作物根系发达,增强抗寒抗旱能力,还能促进作物提早成熟,穗粒增多,籽粒饱满。 
钾肥
含钾化合物:硫酸钾(K2SO4)、氯化钾(KCl) 
钾在植物代谢活跃的器官和组织中的分布量较高。钾肥能保证各种代谢过程的顺利进行、促进植物生长、增强抗病虫害和抗倒伏能力。 
复合肥
同时含有两种或两种以上的营养元素,如磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、磷酸氢二铵[(NH4)2HPO4]、硝酸钾(KNO3) 
能同时均匀地供给作物几种养分,充分发挥营养元素间的相互作用,有效成分高。 

  化学肥料是任一天然或合成的一种或多种植物成长发育所必需的营养元素(如氮、磷、钾元素以及一些微量元素和中量元素),约30%-50%的作物产量增加是来归因于天然或无机化学合成的商业肥料。

1.化肥介绍

  除了上述表格介绍的化肥之外,在日常的农作物施肥中有时候还会用到微量元素肥料和某些中量元素肥料,这些微量元素元素肥料基本上是

表2-1 氮磷钾肥以及复合肥的组成成分与作用

图2-1 化学肥料

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根据具体的土壤元素含量和作物生长所需成分进行一定量的施肥,它们据情况可以用作基肥、追肥和种肥,如硼肥可用作基肥、追肥和种肥;铁肥目前多采用根外追肥;钼肥多用作种肥和根外追肥。
  此外,化肥还可按肥效快慢分为速效肥与缓效肥。其中速效肥易溶于水,施后能立即为植物吸收利用,见效极快;而缓效肥由于其养分释放慢,所以它的肥效长而稳。控释化肥和缓释化肥就是两类缓效肥。
  

2.化肥的鉴别

  化肥的简单鉴别方法一般有看外观、看溶解性、灼烧和加熟石灰研磨等。

实验2-1 观察并比较氮肥(碳酸氢铵、氯化铵)、磷肥(磷矿粉、过磷酸钙)和钾肥(硫酸钾、氯化钾)的外观、气味和在水中的溶解性,并归纳他们的性质。

氮肥
磷肥
钾肥
碳酸氢铵
氯化铵
磷矿粉
过磷酸钙
硫酸钾
氯化钾
外观
气味
水溶性

控释化肥与缓释化肥
    控释化肥是一种专门设计的化肥,这种化肥以一种控制、缓慢与植物所需养料需求同步的方式释放化肥的活性养分,进而提高化肥的利用率。
    缓释化肥是指在土壤溶液中具有相对低的溶解度的化肥,它们溶解缓慢,使其养分能逐步地被作物所利用。 

拓展视野

图2-2 元素缺少对作物的影响

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  通过大量事实和实验验证,氮肥与钾肥的物理性质相似,它们大多数均为白色晶体,溶于水;而磷肥基本上都是灰白色粉末状晶体,大多都不溶或者部分溶于水。

图2-3 碳酸氢铵

图2-4 硫酸钾

图2-5 过磷酸钙

实验2-2 取下列化肥各少量,分别加入少量熟石灰粉末,混合、研磨,观察实验现象,能否嗅到刺激性气味?

氮肥
钾肥
硫酸铵
氯化铵
硫酸钾
氯化钾
研磨后现象

  加入熟石灰研磨后,氮肥和钾肥的实验现象完全不同。氮肥可以嗅到刺激性气味,这是由于有些氮肥有熟石灰研磨后会释放有刺激性气味的氨气,而钾肥没有明显的现象。

思考与讨论

如何进行氮肥的简易鉴别?请试着设计实验将氮肥中的硫酸铵、氯化铵和硝酸铵鉴别出来?

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二、化肥的合理使用

1.对农作物的危害

  化肥都是由各种不同的盐类组成,所以长期和大量施用这些由盐类组成的肥料,当肥料进入土壤后,就会增加土壤溶液的浓度而产生不同大小的渗透压,作物根细胞不但不能从土壤溶液中吸水,反而将细胞质中的水分倒流入土壤溶液,就导致作物受害。典型的例子就是作物“烧苗”。

2.对环境的污染

  长期过量而单纯施用化学肥料,会使土壤酸化,导致土壤微团上有机、无机复合体的铵离子量增加,并代换Ca2+、Mg2+等,使土壤胶体分散,土壤结构破坏,土地板结等其他土壤物理性质破坏。同时,农业施肥后有些含氮、磷元素的物质会随着水分下渗或者流入河流导致水中氮、磷的含量增加,使藻类等水生植物生长过多,造成水域富营养化。

图2-8 水体富营养化

图2-7 化肥污染后的土壤

  施用于农田的氮肥,有相当数量直接从土壤表面挥发成气体,进入大气。还有相当一部分以有机或无机氮形态进入土壤,在土壤微生物作用

图2-6 烧苗现象

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  除了上述影响外,化肥的不合理使用还会导致食品、饲料和饮用水中有毒成分增加。使用化肥的地区的井水或河水中氮化合物的含量会增加,甚至超过饮用水标准。施用化肥过多的土壤会使蔬菜和牧草等作物中硝酸盐含量增加。食品和饲料中亚硝酸盐含量过高,曾引起小儿和牲畜中毒事故。化学肥料中还含有其他一些杂质,如磷矿石中含镉10~100ppm,含铅5~10ppm,这些杂质也可造成环境污染。

3.化肥的使用方法

(1)有机化肥与无机化肥结合使用
  有机化肥具有化肥成分安全、稳定,但养分含量较低,肥力较小、肥效较慢且持续周期长的特点;而无机化肥具有养分含量较高,肥力较大、肥效较快且持续周期短的特点。所以在进行农业成产的过程中,施用两种化肥有效结合的方式,能在肥效上相互取长补短,满足不同农作物的需求,同时还可以减少农业生态环境的破坏。

(2)应用硝化抑制剂,缓解土壤污染
  硝化抑制剂又称氮肥增效剂,能够抑制土壤中铵态氮转化成亚硝态氮和硝态氮,提高化肥的肥效和减少土壤污染。据河北省农科院土肥所贾树龙研究,施用氮肥增效剂后,氮肥的损失可减少20%-30%。这是由于硝化细菌的活性受到抑制,铵态氮的硝化变缓,使氮素较长时间以铵的形式存在,减少了对土壤的污染。

图2-9 硝化抑制剂作用机制图

下会从难溶态、吸附态和水溶态的氮化合物转化成氮和氮氧化物,进入大气,进一步导致大气中氮氧化物含量增加,可能加速酸雨的形成,如NO和NO2会与氧气反应形成HNO3

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(3)普及配方施肥,促进养分平衡
  根据作物需肥规律、土壤供肥性能与肥料效应,在以有机肥为主的条件下,产前提出施用各种肥料的适宜用量和比例及相应的施肥方法。推广配方施肥技术可以确定施肥量、施肥种类、施肥时期,有利于土壤养分的平衡供应,减少化肥的浪费,避免对土壤环境造成污染。

(4)采取多管齐下,改进施肥方法
  深施氮肥,主要是指铵态氮肥和尿素。据农业部统计,在保持作物相同产量的情况下,深施节肥的效果显著:氮铵的深施可提高利用率31%-32%,尿素可提高5%-12.7%,硫铵可提高18.9%-22.5%。磷肥按照旱重水轻的原则集中施用,可以提高磷肥的利用率,并能减少对土壤的污染。还可施用生石灰,调节土壤氧化-还原电位等方法降低植物对重金属元素的吸收和积累。

图2-10 配方施肥一般流程

4.化肥的储存

  化学肥料有很多种类,它们的组成各不相同,因此不同化肥的储存也不一样。这些化肥中有些具有极强吸湿性和挥发性(如碳酸氢铵),它们的储存需要注意防潮湿、密闭(防挥发);同时有些化肥还具有易燃或者助燃性,它们的储存需要防火、防爆;正如前文所说,化肥有酸性和碱性之分,在储存它们是还需注意应该分门别类的放置,放置混合,导致肥效降低;除此之外,很多化肥具有毒性和一定的腐蚀性,应注意放置,防止小孩误食。

思考与讨论

   有些化肥具有毒性和腐蚀性,在施用化肥时,我们应怎样做好自我防护?

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图2-11 基肥

图2-12 追肥

种肥、基肥与追肥
    种肥是指下播种同时施下或与种子拌混的肥料。种肥的作用主要是供给幼苗对养分的需要。因为肥料就在种子附近,幼苗根系很快能吸收到养分。
    基肥,一般叫底肥,是在播种或移植前施用的肥料。它主要是供给植物整个生长期中所需要的养分,为作物生长发育创造良好的土壤条件,也有改良土壤、培肥地力的作用。作基肥施用的肥料大多是迟效性的肥料。厩肥、堆肥、家畜粪等是最常用的基肥。化学肥料的磷肥和钾肥一般也作基肥用。化肥的氮肥,如氨水、液氨,以及碳酸氢铵、沉淀磷酸钙、钙镁磷肥、磷矿粉等化肥均适作基肥。基肥的深度通常在耕作层,可以在犁底条施(如氨水等),或和耕土混合施(如有机肥料或磷矿粉),也可以分层施用。
    追肥是指在作物生长过程中加施的肥料。追肥的作用主要是为了供应作物某个时期对养分的大量需要,或者补充基肥的不足。追肥施用的特点是比较灵活,要根据作物生长的不同时期所表现出来的元素缺乏症,对症追肥。氮钾追肥是最常见的化肥品种。
    农业生产上通常是基肥、种肥和追肥相结合。

课外阅读

第三节 作物秸秆沼气发酵

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  我国是一个产粮大国,同时也是秸秆生产大国,秸秆年产量约为7亿吨。过去焚烧秸秆的低效率、高污染的处理方式在如今保护生态绿色发展、建设“美丽乡村”的背景下已经不再适用,农作物秸秆发酵制沼气就是一种实现秸秆高效利用的方法,为解决环境污染、提高秸秆利用率提供了重要途径。
  秸秆沼气的发展不仅解决了秸秆利用率低的问题,而且提供了廉价清洁能源。本节内容在分析秸秆沼气利用现状的基础上,介绍秸秆农作物秸秆发酵技术的基本内容。同学们,让我们走进本节,一起了解沼气,探讨一下秸秆发酵沼气技术吧。

关键词:沼气 甲烷 秸秆发酵 酸处理法 碱处理法

  沼气是各种有机物质,在隔绝空气(还原条件),并在适宜的温度、PH值下,经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。在沼泽地、污水沟或粪池里,有气泡冒出来,如果我们划着火柴,可把它点燃,这就是自然界天然发生的沼气。由于这种气体最先是在沼泽中发现的,所以称为沼气。人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内,在厌氧条件下发酵,被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化,就产生了沼气。 
  沼气作为能源利用已有很长的历史。沼气作为可再生能源,不仅应用于农村的炊事、照明、取暖等,还发展起沼气发电技术、沼气燃料电池技术等众多应用技术。

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一、认识沼气

沼气池
    沼气池是一种制造沼气的设施,有机物在沼气池的厌氧环境中,通过微生物发酵而产生沼气。

拓展视野

图3-1 沼气工程

1. 沼气的定义和来源

   沼气是多种气体的混合物,其特性与天然气相似。沼气的主要成分是甲烷。沼气由50%-80%甲烷、20%-40%二氧化碳、0%-5%氮气、小于1%的氢气、小于0.4%的氧气与0.1%-3%硫化氢等气体组成 。
    

2. 主要成分

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 (1)甲烷
   沼气的主要成分是甲烷,甲烷是最简单的烃类。甲烷是一类没有颜色,没有气味的气体。比空气轻,极难溶于水。
   甲烷分子式为CH4,电子式和结构式如图3-3。科学实验证明,甲烷分子里的一个碳原子与四个氢原子不在同一平面上,而是形成一个对称的正四面体的立体结构(如图3-4),碳原子位于正四面体的中心,4个H原子分别位于正四面体的顶点。分子中的C-H键为极性键。  
      
 
   通常情况下,甲烷具有稳定性。与强酸、强碱和强氧化剂等一般不发生化学反应,甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,也不能使溴的四氯化碳溶液褪色。
   甲烷具有可燃性,与适量空气混合后即会燃烧。甲烷燃烧在氧气中燃烧产生明亮的淡蓝色火焰,其燃烧的化学方程式为:
    
      

图3-4 甲烷

图3-5 甲烷燃烧

图3-3 甲烷的电子式及结构式

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   每立方米纯甲烷的发热量为 34000千焦,每立方米沼气的发热量约为20800-23600千焦。即1立方米沼气完全燃烧后,能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比,其抗爆性能较好,是一种很好的清洁燃料。
   甲烷还可发生取代反应。有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应叫做取代反应。在日光照射下,CH4和CI2发生反应可生成CH3Cl、CH2CI2、cCHCI3 (俗名氯仿)、CCI4四种卤代烃和氯化氢,反应方程式如下:  

观察甲烷及其燃烧现象

科学探究

   室温中,甲烷和氯气的混合气体无光照时,不发生化学反应。有光照时,瓶内气体的黄绿色逐渐变浅,瓶壁出现油状液滴,瓶中有少量白雾。
(2)硫化氢
   沼气中含有少量的硫化氢,所以略带臭味。其特性与天然气相似。

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空气中如含有8.6-20.8%(按体积计)的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。
   硫化氢是一种无色、易燃的酸性气体,浓度低时带恶臭,气味如臭蛋。H2S水溶液又叫氢硫酸,是一种二元弱酸。硫化氢气体具有可燃性,在氧气条件不同时,硫化氢的燃烧会有所不同。当氧气适量时,燃烧产生淡蓝色火焰;当氧气过量(足量)时,燃烧产生明亮的蓝紫色火焰。燃烧反应方程式分别是:

3.沼气的用途

   沼气属于清洁能源,并且属于二次能源。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外,还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原的的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣,含有较丰富的营养物质,可用作肥料和饲料。
                 

资料卡片
沼气燃料电池技术
    燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能, 直接转化为电能的装置。
    

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  近几年,随着美丽乡村建设的推进,作物秸秆利用问题逐渐被人们看到。乡村作物秸秆资源浪费、焚烧污染,农村能源结构不合理等问题,使得秸秆厌氧发酵产沼气技术成为研究的重点,而秸秆预处理技术、秸秆干发酵技术、秸秆混合物料发酵技术则成为研究重点中的热点。
  秸秆做沼气发酵主要是采用麦秸、玉米、花生、大豆等作物秸秆做沼气发酵原料,通过添加秸秆发酵菌剂,制取沼气的方法。常用的发酵方法主要有化学方法、生物方法和秸秆干发酵技术。

二、秸秆发酵

    沼气燃料电池是最新出现的一种清洁、高效、低噪音的电装置 ,与沼气发电机发电相比,不仅出电效率和能量利用率高,而且振动和噪音小,排出的氮氧化物和硫化物浓度低 ,因此是很有发展前途的沼气利用工艺,将沼气用于燃料 电池发电,是有效利用沼气 资源的一条重要途径。我国的燃料电池研究始于1958年。但是 ,由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少,就燃料电池技术的总体水平来看,与发达国家尚有较大差距。燃料电池的出现与发展,将会给便 携式电子设备带来一场深刻的革命,并且还会波及到汽车业、住宅以及社会各方面的集中供电系统。

图3-6 秸秆发酵沼气技术

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  主要是利用化学药剂或其他方法改变秸秆的性质,具有操作时间短等优点。常用的化学预处理方法有碱法、酸法处理技术等。
  碱法处理技术指用NaOH、氨水等碱性溶液浸泡秸秆,使秸秆中纤维素、半纤维素和一部分木质素溶解,并将大分子物质降解为小分子物质,从而提高秸秆厌氧发酵效率的一种方法。
  酸法处理技术是用一定浓度的酸溶液浸泡秸秆,以破坏秸秆中木质素包裹作用,破坏纤维索结晶结构,有利于厌氧消化的进行。 
   

1. 化学法

学科交叉

    白腐真菌是一类使木材呈白色腐朽的真菌,能够分泌胞外氧化酶降解木质素,且降解木质素的能力优于降解纤维素的能力,这些酶可以促使木质腐烂成为淡色的海绵状团块,故称为白腐真菌

在秸秆预处理方法中,微生物在转化中具有用途多、周期短、可再生的优点,法成为近几年研究的热点。自然界参与降解木质素的微生物种类有真菌、放线菌和细菌等,但迄今为止最有效、最主要、可彻底降解木质素为CO和H20的木质素降解微生物是白腐真菌。
通常,处理前对秸秆进行灭菌处理,排除杂菌的干扰。但在实际生产中真菌在生长开始阶段受到杂菌污染,一旦条件适宜,杂菌会迅速生长,竞争性抑制白腐真菌的正常生长,从而导致处理失败。因此,目前绝大部分利用白腐真菌提高秸秆营养价值的研究都限于实验室研究。因为在实验室的研究大多数对底物进行了消毒或高压灭菌。

2. 生物方法

根据发酵底物固含率的大小,厌氧发酵技术分为干式厌氧发酵(总固体TS在20% ~ 40%之间)和湿式厌氧发酵(TS一般小于15%)。相对湿式厌氧发酵技术,干式厌氧发酵技术具有需水量少、单位容积负荷高,处理成本低及不产生沼液二次污染等优点,具有广阔的应用前景。
但是干发酵技术在工程上的推广应用还有一定难度,原因是干发酵物料浓度高,搅拌困难,易造成VFA局部过度积累,从而导致发酵过程稳定性差。

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注释:
① VFA: 挥发性脂肪酸,Volatile Fatty Acid, 简称VFA,是脂肪酸的一种,一般是具有1~6个碳原子碳链的有机酸,包括乙酸、丙酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、正丁酸等。

   近几年国内外学者对厌氧干发酵技术进行了深入的研究。Carneiro等研究了不同接种率对厌氧干发酵过程的影响,发现当接种率为30%时, 厌氧干发酵的启动特性明显好于20%的接种率。李东等对稻草在不同温度条件下干发酵技术进行了研究,表明35°C时秸秆干发酵较为稳定,发酵液的循环能有效避免酸中毒并提高产气率和产甲烷率。杜静等研究发现与常规的沼气发酵相似,适当添加微量元素能够促进微生物的生长和代谢,微量元素镍、钴能够显著影响稻草干发酵的日产气量,适当添加镍、钴有利于甲烷菌的生长,但添加量过高反而会抑制甲烷菌的生长。

视野拓展

全秸秆发酵
    采用全秸秆进行沼气发酵。在投料时可一次性将原料备齐,并采用浓度较高的发酵方法。
    工艺流程:秸秆预处理-堆沤一投料-加水封池-点火试气。

3. 秸秆干发酵技术

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课外阅读
“非遗”文化——麦秆画
    麦秆画是中国独有的特色工艺品之一,中国民间剪贴画的一种,麦秆画虽来自民间,却十分稀罕,更因其作为皇家贡品。麦秆要经过:"熏、蒸、漂、刮、推、烫、以及剪、刻、编、绘"等多道工序,依麦秆本身的光泽、纹彩和质感,一般不着色,根据需要进行剪裁和粘贴而成。
    河南清丰麦秆剪贴(即麦秆画)被国务院公布为第四批国家级非物质文化遗产代表性项目名录。麦秆画承载着中国千年以来的历史文化。从麦子作为古代直至今天中国民众的主要食粮,可以说麦子是奠基中国民众生存经济的骨髓,也是滋育社会发展的生命血液,因麦子而产生的艺术,必定是发自深心、源自血内的生命艺术,其中没有虚浮,没有哗宠,没有伪佞和懈惰,有的都是真希望、真心血和超乎绝伦的辛勤和智慧。
   

图3-7 麦秆画

专题研究
农田土壤酸碱性研究
    土壤的酸碱度是土壤重要的化学性质,它不仅直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性,对作物生长和土壤微生物活动产生影响,而且对土壤的环境净化能力、土壤中污染物的环境行为及其生物有效性等均能产生直接或间接的影响。
    【学习目标 】
     1、加深对土壤酸碱度的理解;
     2、学会土壤取样测试的方法;
     3、了解保护土壤资源的重要性,提出改良土壤酸碱性的建议。
活动一:测定土壤pH值(pH试纸法)
   【实验用品】
    烧杯、玻璃棒、广泛pH试纸、精密pH试纸、天平、量筒
   【实验步骤】
    ①取样:在如图所示农田四点,各取耕作层
土壤约500克,让其自然风干,磨成粉状后混合
均匀备用。
    ②取5g土样,放入烧杯中,加入蒸馏水10ml,持续搅拌并维持悬浮液5min,用玻璃棒蘸取清夜到广泛pH试纸上,观察颜色变化并与标准比色卡进行对比,测出溶液的大致酸碱度。
    ③用玻璃棒蘸取清夜到精确pH试纸上,观察颜色变化并与标准比色卡进行对比,测出溶液的pH值。
    ④重复测定3次,得到该农田土壤pH值。
   【结果与讨论】
    根据实验所测得农田土壤酸碱度:
  

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①说明该地土壤的性质;
②结合表“常见作物种植适宜的土壤酸碱度”,判断该地作物种植是否合理?并说明理由。若否,请给出你的种植建议。
活动二:调节土壤酸碱度的方法
   【任务】
    ①通过上网或者到图书馆查阅植物生长对土壤酸碱程度以及酸碱种类需求的资料;
    ②以小组为单位进行实地考察,对耕种者进行采访,了解农民对土壤酸碱度的调节与把握情况。
   【结果与讨论】
    总结归纳了解土壤酸碱度对于植物生长的影响以及常见土壤酸碱度的调节方法,并绘制思维导图或表格。
   【成果展示】
    通过以上两个活动的探究,完成关于本地农田的土壤酸碱性的实验探究报告,写下自己的感想,并以小组为单位进行展示。
知识拓展
其他测定方法
    比色法取土壤少许(约黄豆大),弄碎后放在白磁盘中,滴入土壤混合指示剂数滴,到土壤全部湿润,并有少量剩余。震荡磁盘,使指示剂与土壤充分作用,静置1分钟,待上层液体澄清后,观察溶液的颜色,和标准比色卡比色,即得出土壤的酸碱度。
    电位法称土:称取0.25mm的风干土样5g,置于25ml烧杯中;
浸提:用量筒取25 ml无二氧化碳的蒸馏水,加入烧杯中;搅拌:用玻璃棒搅拌1-3分钟,静置半个小时;测定:用pH玻璃电极插到悬液一面,轻轻摇动,是电极电位达到平衡,随后将甘汞电极插到清也中,按下读数开关进行测定。

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本章习题

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整理提升

学习收获

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

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本章习题

一、选择题
1.为避免土壤过度酸化,通常在土壤表面撒什么物质以降低土壤酸性( )
   A.硫酸盐   B.硫酸铁   C.偏铝酸盐   D.碳酸钡
2.土壤的酸碱度直接影响农作物的生长。已知某地土壤显弱酸性,从土壤的酸碱性考虑在该地区不适宜种植的作物是( )
   A.西瓜     B.甘草      C.小麦       D.油菜
3.下列物质中,可以跟甲烷发生化学反应的是( )
  A.溴      B.强酸      C.强碱      D.高锰酸钾溶液
4.下列分子中,含有极性共价键且呈正四面体结构的是( )
  A.甲烷  B.二氯甲烷   C.白磷   D.氨气   E.四氯化碳
5.某同学家中种植的植物比正常的植株矮小瘦弱,叶片发黄,有的叶脉呈淡棕色,你认为应该施加下列哪一种化肥( )
   A.氯化钾    B.过磷酸钙    C.硫酸钾    D.尿素
6.己知某藻类的化学式为C10H23N16P,该藻类过度生长,是导致“水华”“水华”主要是指水中某些植物营养元素含量过高,以致藻类疯狂生长、水质恶化而造成的水体污染现象)的原因之一。下列与此信息相关的叙述中,你不赞成的是( )
A.该藻类由碳、氢、氮、磷4种元素组成
B.若使用无磷洗衣粉,可有效防止该藻类的过度生长
C.向河水中过量排放含有氮肥的农田水,也可能造成该藻类的过度生长

习题参考答案

D.禁止使用化肥是防止“水华”的最好方法
二、填空题
7.做松花蛋的配料有草木灰(主要成分为K2CO3)、生石灰、食盐、纯碱,当用水将混合物调好包在蛋壳外面时,共发生了哪些化学反应,写出己知反应的化学方程式:                
8.我市某中学的同学自制一种黄色花汁,加入到不同试剂中,观察到的现象如下:
小强同学根据以上信息进行如下实验:
(1)用该花汁去检验附近土壤的酸碱性,显浅红色,则此废水显   性。
(2)用该花汁测知家中花盆土壤显酸性,打算加入上表中的    来改良。
9.某钾肥溶液的阴离子为. NO3-、Cl-、 SO42-、CO32-中的一种或几种,现进行实验分析结果如下:
  
由此判断,此钾肥中一定含有_   离子,可能含有_  _离子。
三、简答题
10.简述测定土壤酸碱度的方法。(至少两种)
11.简述我国土壤酸碱性的分布,并说明理由。
12.化肥对提高农作物的产量具有重要的作用,但必须合理使用化肥。不合理的使用会带来哪些环境问题?

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美丽乡村
MEI LI XIANG CUN

编写人:课程与教材研究第九组
何雨彤、李小亚、言涛、钟慧颖(按首字母排列)

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