CN104592998A - 酸化土壤炭基改良剂及其制备方法与应用 - Google Patents

酸化土壤炭基改良剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种酸化土壤炭基改良剂及其制备方法与应用，包括A、B两组原料，A组原料含有草炭、生物炭和微生物菌剂，草炭与生物炭重量比2：(1～4)，微生物菌剂与草炭和生物炭总重量的比为1：(8～30)；B组原料含有生石灰和沸石，重量比2：(0.5～4)；所述A、B两组原料的重量比为l：(0.5～20)。本发明针对黑龙江省大豆连作土壤养分状况和长期不合理的施肥导致土壤发生酸化的机制，采用秸秆炭化的生物炭、生石灰、微量元素锌、草炭和微生物菌剂，为主组份进行复配，采用合适的原料及重量配比，起到调理土壤和提供营养作用的酸化土壤炭基改良剂，具有效果显著、原料易得、生产成本低、能提高土壤肥力等优点。

Description

酸化土壤炭基改良剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种土壤改良剂，特别是涉及一种用于酸性土壤改良的碳基改良剂及其制备方法和应用，属于土壤改良剂技术领域。主要用在东北酸化土壤、大豆连作酸化土壤和结构调整中种植玉米的酸化土壤改良。
背景技术
黑龙江省近些年由于不合理施肥和作物的单一种植，特别是大豆连作，使土壤的理化指标和微生物多样性发生变化，土壤表现出酸化现象。土壤PH≤6，67％种植大豆连作土壤表现缺锌(面积＞60％)，主要集中表现在黑龙江省东部和东北部地区的草甸黑土和白浆化黑土地区。土壤酸化是指土壤中盐基离子被淋失而氢离子增加、酸度增高的过程。根据土壤中H+的存在形态,可将土壤的酸度分为两大类型：一是活性酸,是土壤溶液中H+浓度的直接反应；二是潜性酸，是由呈交换态的H+、Al3+等离子所决定。当这些离子处于吸附态时，潜性酸不显示出来。当它们被交换入土壤溶液后，增加其H+的浓度，这才显示出酸性来。土壤中潜性酸的主要来源是由于交换性Al3+的存在，交换性Al3+的出现或增加，不是土壤酸化的原因，而是土壤酸化的结果。土壤的潜性酸度和活性酸度可以相互转化，而前者要比后者大得多。然而，只有盐基不饱和的土壤才有潜性酸。土壤酸化可引起：①土壤肥力减弱，因为土壤中的N、P、K、Ca、Mg、S、Si、B、Mo等大量和微量元素在土壤PH6.0～7.0时有效性最高，在强酸性时，其有效性锐减。②土壤中微生物群落发生变化，土壤中的细菌、放线菌较适宜在中性和微碱性环境，在强酸性土壤中，硝化细菌、固氮菌、硅酸盐菌、磷细菌等的活性受抑制，不利于N、P、K、S、Si等的转化。③土壤中铝离子含量增加，因为铝离子在强酸性条件下活性增加，而过多的铝离子会对植物造成毒害。④强酸性土壤胶体上吸附的正离子，以H+、Al3+为主，盐基离子淋失，粘土矿物被蚀变，团粒结构解体，土壤物理性状恶化，土壤缓冲能力下降。
黑龙江土壤出现酸化的原因和南方有所不同，南方地区降雨量大，淋溶强烈，并且大气的氮沉降、酸雨等是土壤酸化的主要原因，而黑龙江降雨量偏少，淋溶量低，出现酸化现象主要是人为活动造成的，利用1979年在哈尔滨设立的“黑土肥力与肥效长期定位试验”的试验处理，分析了长期施肥条件下，黑土pH值变化规律。结果表明，氮肥(尿素)的长期施用能够使耕层(0～20cm)黑土pH值下降，施二倍量氮肥(尿素)使耕层黑土的pH值下降最明显，由1979年的7.22，下降到2006年的5.70，是导致黑土酸化的主要原因。然而施用化肥的同时配合施用有机肥料，黑土pH值下降缓慢，比单独施用化肥对黑土pH值造成的影响要小的多。这说明有机肥料可以降低土壤酸化的速度，避免土壤酸化现象的加重。对黑龙江4277个点次大豆土壤样本分析，平均PH为5.8，为了更好的保护好黑土这块宝贵的资源，采用一套适合于黑龙江省的土壤酸化的有效调控机制，针对黑土酸化成因，采用在缺氧条件下低温炭化生产的生物碳为载体，用具有“抗生、营养和抑菌”作用的根圈促生菌以及调控酸性土壤的石灰等为主要成分，配合具有调控和缓释作用的沸石等改土材料，形成具有调节土壤酸度，调控酸化土壤微生物区系，含有锌等微量营养元素的土壤改良制剂，可有效的治理酸化土壤。对提高作物产量，保护黑土资源，具有重要意义。
现有专利文献公开了一些针对酸性土壤的改良剂，如公开号CN103396809A，公开了“一种应用农业废弃物生产酸性土壤改良剂的方法”，将农业废弃物粉碎并将其中一部分在隔绝空气的条件下加热得到生物质炭粉；将生物质炭粉、另一部分粉碎物料和石灰石粉末混合，搅拌均匀即得。CN101935532A公开了“一种酸性土壤改良剂及其用途”，以海藻酸钠生产过程中产生的固体海带渣为原料，经干燥、粉碎，制成海带渣粉即为酸性土壤改良剂。CN102765998A公开了“利用生物质发电废弃物制成的酸性土壤改良剂及其制备方法”，成分包括：生物质发电废弃物、生物黑炭、粘合剂、水，制备方法是将生物黑炭、生物质发电废弃物按比例混合后，再加入粘合剂、水，采用圆盘式造粒机造粒。CN1263079A公开了一种“营养型酸性土壤改良剂”，是一种含钙、镁、硫、硼、锌等中、微量元素矿物混合肥料，具有改良酸性土壤，并向作物提供中、微量营养元素双重功能，解决土壤过酸或营养不平衡所造成的农作物生长障碍。
可见，现有的土壤改良剂专利和其他技术一般采用生石灰改良或原料难得、成本较高，不易推广，对土壤化学、物理及生物性状综合效果不佳，且不能对东北酸化的土壤起到有效的改良作用。本研究的炭基土壤改良制剂具有对酸化土壤多向调节的作用，对东北酸化土壤更具有针对性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种效果显著、原料易得、生产成本低、还能显著提高土壤肥力的酸性土壤炭基改良剂。
为达上述目的，本发明一种酸化土壤炭基改良剂，包括A、B两组原料，A组原料含有草炭、生物炭和微生物菌剂，所述草炭与生物炭重量比2：(1～4)，所述微生物菌剂与草炭和生物炭总重量的比为1：(8～30)；所述B组原料含有生石灰和沸石，重量比2：(0.5～4)；所述A、B两组原料的重量比为l：(0.5～20)。
以上原料优选如下:
草炭，过60目筛，水含量10％以下普通草炭；
生物炭，秸秆在缺氧和相对温度“较低”(＜700℃)条件下热解而形成的产物，可溶性极低，具有高度羧酸酯化和芳香化结构、较大的孔隙度和比表面积。具有多微孔结构，具有较强的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力。过80目筛，水含量10％以下普通接秸秆生产生物炭；
生石灰，过60目筛普通生石灰；
沸石，沸石矿石粉碎40目，水分含量10％以下。
进一步地，本发明的改良剂，所述B组分还含有微量元素肥料或中量元素肥料，微量元素或中量元素与生石灰和沸石总重量的比为1：(8～15)，所述微量元素肥料优选为硫酸锌粉末，所述中量元素肥料优选硫肥。
本发明的改良剂，其中所述微生物菌剂是根圈促生菌单独发酵原液，有效活菌数在≥2亿个/毫升。
本发明的改良剂，优选为40～80目的粉状颗粒。
本发明一种酸化土壤炭基改良剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)A组原料的制备：将草炭和生物炭进行灭菌处理，将灭菌的草炭和生物碳按2:(1～4)重量比加入混合器，初混后加入根圈促生菌(PGPR)，微生物菌剂与草炭和生物炭混合物的重量比为1：(8～30)，微生物菌剂与草炭、生物炭混合均匀后备用；
(2)B组原料的制备：生石灰与沸石按2：(0.5～4)重量比混合均匀；
(3)将B组原料先装入包装袋，然后再装入A组原料，A组与B组原料的重量比l：(0.5～20)。
包装后的酸化土壤炭基改良剂，使用前在田间再进行混合均匀即可。
其中所述微生物菌剂的制备，由菌种保藏中心购得根圈促生菌后，采用常规方法发酵制得，发酵原液有效活菌数应保持在≥2个亿/毫升。
进一步地，本发明的方法，优选所述B组原料还含有微量元素或中量元素肥料，生石灰与沸石混合均匀后再加入微量元素或中量元素肥料，混合均匀备用，微量元素或中量元素与生石灰和沸石总重量的比为1：(8～15)，可根据种植作物的不同添加不同的微量元素或中量元素肥料，优选为硫酸锌粉末和硫肥。黑土由于长期单一种植，土壤养分偏耗，调查中67％的土壤缺锌，特别是结构调整后种植玉米，玉米对锌敏感，增施锌肥可有效提高玉米产量10％，所以本发明改良剂具有解决障碍土壤酸化和作物缺素的作用。
本发明上述改良剂的应用，用于大豆连作酸化土壤改良，优选黑龙江省东部和北部酸化土壤，有秋施和春施两种施加方法。
所述秋施，在秋收后整地时田间将土壤改良剂混合均匀，撒施在地表，耕翻，施用量750kg～2250kg/ha。所述春施，在田间将土壤改良剂与肥料混合均匀，在播种时，随着施肥一起施入土壤，使用量300kg～450kg/ha，侧深施肥离种子7～15厘米，播深10厘米。
本发明针对黑龙江省种植结构单一、大豆连作土壤养分状况和长期不合理施肥导致，发生酸化、土壤养分偏耗的问题的机制，针对目前东北粮食主产区种植结构的调整，玉米种植北移的现状，采用秸秆炭化的生物炭、生石灰、沸石、微量元素锌、草炭和微生物菌剂，为主要成份进行复配，采用合适的原料及重量配比，得到能够具有一定营养、抑菌、促生、调酸效果的土壤改良剂，主要起到调理连作土壤酸度、和提供结构调整中玉米所需的锌营养的作用、改善土壤微生物活性和多样性的作用。
大量田间试验表明，本发明酸化土壤炭基生物改良剂效果明显，具有使作物显著增产、改善品质、减少病虫害和改良土壤的效果。在大豆连作酸化土壤上进行的多个试脸表明，与没有施用改良剂的对照组相比，使用本发明的土壤生物改良剂能够使大豆增产15％-30％，使玉米增产10％-15％。秋施，而且大尺度改善土壤的理化性质，降低土壤容重，增加土壤孔，提高土壤有机质含量。春施，改良剂和肥料及种子同步施用，可在种子周围微域尺度创造良好的生长环境，提高出苗率，增强种子活力。土壤PH提高，促进酸碱平衡，增强土壤的缓冲能力，增强土壤养分库容。可有效提高肥料利用效率8-10％，在结构调整中，能减缓大豆长效除草剂的危害。
具体实施方式
以下结合实施例和试验数据，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
(1)A组原料的制备：将草炭和生物炭进行灭菌处理(高压菌锅，压力1～1.5kg/cm2，灭菌2h)，将灭菌的草炭和生物碳按2:1重量比加入混合器，初混后加入根圈促生菌(PGPR)，微生物菌剂与草炭和生物炭混合物的重量比为1：8，微生物菌剂与草炭、生物炭混合均匀后备用；
(2)B组原料的制备：生石灰与沸石按4：1重量比混合均匀；
(3)将B组原料先装入包装袋，然后再装入A组原料，A组与B组原料的重量比2：1。
实施例2
(1)A组原料的制备：将草炭和生物炭进行灭菌处理，将灭菌的草炭和生物碳按1:2重量比加入混合器，初混后加入根圈促生菌(PGPR)，微生物菌剂与草炭和生物炭混合物的重量比为1：30，微生物菌剂与草炭、生物炭混合均匀后备用；
(2)B组原料的制备：生石灰与沸石按1：2重量比混合均匀；
(3)将B组原料先装入包装袋，然后再装入A组原料，A组与B组原料的重量比l：20。
实施例3
(1)A组原料的制备：将草炭和生物炭进行灭菌处理，将灭菌的草炭和生物碳按1:1重量比加入混合器，初混后加入根圈促生菌(PGPR)，微生物菌剂与草炭和生物炭混合物的重量比为1：10，微生物菌剂与草炭、生物炭混合均匀后备用；
(2)B组原料的制备：生石灰与沸石按2：3重量比混合均匀；
(3)将B组原料先装入包装袋，然后再装入A组原料，A组与B组原料的重量比l：10。
实施例4
(1)A组原料的制备：将草炭和生物炭进行灭菌处理，将灭菌的草炭和生物碳按2：3重量比加入混合器，初混后加入根圈促生菌(PGPR)，微生物菌剂与草炭和生物炭混合物的重量比为1：20，微生物菌剂与草炭、生物炭混合均匀后备用；
(2)B组原料的制备：生石灰与沸石按1：1重量比混合均匀；
(3)将B组原料先装入包装袋，然后再装入A组原料，A组与B组原料的重量比l：15。
实施例5
A组原料同实施例1，不同之处在于B组原料添加有硫酸锌粉末，硫酸锌粉末与生石灰和沸石总重量的比为1：8，A组与B组原料的重量比同实施例1。
实施例6
A组原料同实施例2，不同之处在于B组原料添加有硫酸锌粉末，硫酸锌粉末与生石灰和沸石总重量的比为1：15，A组与B组原料的重量比同实施例2。
实施例7
A组原料同实施例3，不同之处在于B组原料添加有硫酸锌粉末，硫酸锌粉末中元素锌与生石灰和沸石总重量的比为1：10，A组与B组原料的重量比同实施例3。
在其他具体实施方式中，上述A组原料中草炭和生物碳的重量比还可以是2:1.5、2:2.5、2:3.5等2：(1-4)之间任意的比值，不限于上述实施例的列举；上述微生物菌剂与草炭和生物炭混合物的重量比还可以是1:9、1:12、1:15、1:25、1:28等1：(8-30)之间任意的比值，不限于上述实施例的列举。
在其他具体实施方式中，上述B组原料中生石灰与沸石的重量比还可以是2:1、2:1.5、2:2.5等2：(0.5-4)之间任意的比值，不限于上述实施例的列举。
在其他具体实施方式中，上述A组与B组原料的重量比还可以为1:1、1:8、1:15、1:18等1：(0.5-20)之间任意的比值，不限于上述实施例的列举。
在其他具体实施方式中，B组成分还可添加其他中量元素肥料如(大豆作物和玉米施用硫肥，如石膏、硫铵、硫酸钾、过磷酸钙以及多硫化铵等)，硫元素与生石灰和沸石总重量的比可以是1：(8～15)之间任意的比值，不限于上述实施例的列举。
应用例
黑龙江省北部和东部大豆主产区，长期种植大豆，连作严重，土壤出现酸化趋势，土壤pH4.5-5.5，大豆孢囊线虫严重，土壤养分偏耗，表现缺锌、缺硼、严重影响大豆产量。同时，由于大豆长效除草剂残留，使下茬玉米减产，影响结构调整。
于2012-2014年在黑河、嫩江两地大豆、玉米连作和轮作方式进行定位试验，微域尺度的春施改良制剂，在田间将土壤改良剂与肥料混合均匀，在播种时，随着施肥一起施入土壤，使用量300kg～450kg/ha，侧深施肥离种子7～15厘米，播深10厘米。结果表明：
黑河试验区：施改良剂的试验组与没有施用改良剂的对照组相比，平均增产：大豆连作增产7.8％-13.7％，玉米连作增产8.3％-11.5％，大豆-玉米-玉米轮作区：增产11.36％-15.5％。
嫩江试验区：施改良剂的试验组与没有施用改良剂的对照组相比，大豆连作增产7.20％-12.8％，玉米增产10.7％-14.3％，豆-玉-玉米轮作区增产12.9％-16.78％。
改良剂对酸化土壤有一定的改良效果，三年施用效果：黑河土壤pH由5.1提高到6.4，增加1.3个单位。嫩江施改良剂土壤pH由5.5提高到6.3，增加0.8个单位。改良剂可提高土壤氮肥的利用率，在减施氮肥20％条件下，施改良剂处理土壤氮肥利用率分别提高12.30％-14.83％。
2013-2014年，在中储粮北方公司四场和黑龙江垦区853农场进行大尺度的秋施改良剂，建立万亩改土示范基地，在秋收后整地时将土壤改良剂混合均匀，撒施在地表，耕翻，施用量750kg～2250kg/ha，在长期连作大豆地块施用本发明改良剂，使大豆增产15.3-18.7％，下茬玉米增产13.5％-15.7％。中储粮农场土壤pH由5.3提高到6.2，农垦853农场土壤pH由4.9提高到5.9。同时施用改良剂可有效控制由于结构调整中玉米种植出现的缺素、大豆前茬病害严重，土壤酸化障碍，所引起出苗的问题。农民称之为“土壤改良剂的应用是黑色革命”。
通过多年多点试验表明：酸化土壤炭基改良剂应用可调节土壤酸碱性，促进了作物根系对养分吸收，减少肥料用量20％-30％；提高作物单产10％-15％。
本发明中的改良剂是以pH>9的生物碳和石灰为载体，而且生物炭疏松多孔结构，有机质含量598g/kg，全钾2.14g/kg，具有培肥改土作用。PGPR根圈促生菌具有促生、抑菌、营养作用。可减轻重迎茬所造成的病害。采用的微量元素锌可补充黑龙江省锌的缺乏(缺锌旱田土壤60％)而且种植玉米可增产10％，并且用沸石可有效吸附，起到肥料缓释作用和酸碱调控作用。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种酸化土壤炭基改良剂，其特征在于：包括A、B两组原料，A组原料含有草炭、生物炭和微生物菌剂，所述草炭与生物炭重量比2：(1～4)，所述微生物菌剂与草炭和生物炭总重量的比为1：(8～30)；所述B组原料含有生石灰和沸石，重量比2：(0.5～4)；所述A、B两组原料的重量比为l：(0.5～20)。
2.根据权利要求1所述的改良剂，其特征在于：所述B组分还含有微量元素肥料或中量元素肥料，微量元素或中量元素与生石灰和沸石总重量的比为1：(8～15)，所述微量元素肥料优选硫酸锌粉末，所述中量元素肥料优选硫肥。
3.根据权利要求1所述的改良剂，其特征在于：所述微生物菌剂是根圈促生菌单独发酵原液，有效活菌数在≥2亿个/毫升。
4.根据权利要求1所述的改良剂，其特征在于：为40～80目的粉状颗粒。
5.一种酸化土壤炭基改良剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)A组原料的制备：将草炭和生物炭进行灭菌处理，将灭菌的草炭和生物碳按2：(1～4)重量比加入混合器，初混后加入根圈促生菌(PGPR)，微生物菌剂与草炭和生物炭混合物的重量比为1：(8～30)，微生物菌剂与草炭、生物炭混合均匀后备用；
(2)B组原料的制备：生石灰与沸石按2：(0.5～4)重量比混合均匀；
(3)将B组原料先装入包装袋，然后再装入A组原料，A组与B组原料的重量比l：(0.5～20)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述微生物菌剂是根圈促生菌单独发酵原液，有效活菌数在≥2亿个/毫升。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述B组原料还含有微量元素肥料或中量元素肥料，生石灰与沸石混合均匀后再加入微量元素肥料或中量元素肥料，混合均匀备用，微量元素或中量元素与生石灰和沸石总重量的比为1：(8～15)，所述微量元素肥料优选硫酸锌粉末，所述中量元素肥料优选硫肥。
8.权利要求1-4任一项所述的改良剂的应用，其特征在于：用于大豆连作和长期施肥导致酸化土壤的改良，优选黑龙江省东部和北部酸化土壤，有秋施和春施两种施加方法。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述秋施，在秋收后整地时将土壤改良剂混合均匀，撒施在田间地表，耕翻，施用量750kg～2250kg/ha。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述春施，在田间将土壤改良剂与肥料混合均匀，在播种时，随着施肥一起施入土壤，使用量300kg～450kg/ha，侧深施肥离种子7～15厘米，播深10厘米。
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