CN104910920A - 酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂及其加工方法，改良剂的壳聚糖薄膜层包裹在芯层外，壳聚糖薄膜层的包裹厚度为0.6mm-0.8mm；芯层主要由烟秆生物炭、硝酸钙、硝酸镁、氧化锌、硼砂和解磷菌组成；其加工方法主要有以下步骤：废弃烟秆制备烟秆生物炭；烟秆生物炭粉碎；芯层的各成分混匀；喷洒解磷菌；喷洒粘结剂造粒；用壳聚糖进行包衣。本发明中烟秆生物炭具有极强的吸水和持水能力，极高的比表面积和疏松的物理结构，能有效提高土壤有机碳的含量，提高土壤氮素保蓄能力和钾素供给能力，提供烟草生长需要的多种养分，增加了土壤有效磷的矿化释放，能有效改良南方酸性植烟土壤。

Description

酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂及其加工方法
技术领域
本发明属于土壤改良剂技术领域，涉及一种酸性植烟土壤的生物炭型土壤改良剂及其加工方法，特别适用于酸性植烟土壤的改良。
背景技术
生物炭是农作物秸秆、木质物质、禽畜粪便或其他有机物料在低氧环境下，经过高温（300℃-700℃）热解而得到的一类具有比表面积大、孔隙多、吸附和稳定性强等特点的高度芳香化富碳物质。近年来，生物炭作为一种功能材料在农林、环境及能源诸多研究领域上的应用引起广泛关注，其在土壤耕性改良、肥力提升、温室气体减排及污染修复等方面呈现可观潜力。
自20世纪90年代中后期以来，将生物炭作为土壤改良剂及固碳剂的研究日益增多，大量研究表明生物炭施于土壤后可以显著提高土壤有机碳含量，利于土壤团聚体的形成并降低土壤容重，改善酸性土壤pH，提高肥料养分利用率，增强土壤有效氮磷钾养分的保蓄能力。且由于生物炭与氮肥有较好的交互作用，大部分试验证明生物炭可以促进种子萌发、植物生长并提高作物产量和品质。
云南地区栽烟历史悠久，烟叶品质久负盛名，是全国乃至世界最著名的烟叶主产区之一。然而近年来云南农业种植结构发展不平衡，加之长期不合理施肥使得很多种植烟草的田地土壤环境逐渐恶化，肥力下降，养分供应不均衡，板结严重，容重持续增加，导致烟株生长发育不良，烟叶质量出现较大波动。
目前，生物炭应用研究已在小麦、玉米、水稻及大豆等作物上开展了一些研究，但在烟草上的研究还比较少，还没有针对南方典型烟区酸性土壤的生物炭型土壤改良剂。对适宜烟草的生物炭理化性质质量标准、制备方法，对生物炭型土壤改良剂的合理配方、施用量，以及对土壤的改良效果及促进烤烟生长等方面的研究和应用缺乏长期田间研究。
发明内容
本发明针对现有技术中缺乏长期有效稳定提升烟田土壤质量的手段，缺少将生物炭技术应用于烟草种植田地改良中的产品，特别是缺少将废弃的烟秆加工烟秆生物炭土壤改良剂技术的情况，提供一种酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂及其加工方法。
本发明的技术方案是：一种酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂及其加工方法，酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂主要包括有芯层和壳聚糖薄膜层组成，壳聚糖薄膜层包裹在芯层外，壳聚糖薄膜层的包裹厚度为0.6mm-0.8mm；按重量份计算，芯层由下列成分组成，烟秆生物炭900-1000份，硝酸钙50-60份，硝酸镁8-12份，氧化锌8-12份，硼砂25-35份。
酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂由以下方法制得：
（一）制备烟秆生物炭：将烟叶收获后留在田间的烟秆晒干收集起来，用切料机切碎成长度小于10cm的条段，放入炭化炉中进行炭化，在缺氧环境下控制炭化炉内温度在450℃，使烟秆逐渐炭化；
（二）将制得的烟秆生物炭粉碎成粒径2mm±0.5mm的颗粒，备用；
（三）将芯层的各成分，称取适量送入搅拌机，搅拌均匀；在其上喷洒解磷菌原液，原液中有效活菌数不少于250亿个/mL，喷洒的量控制在每克料中含解磷菌有效活菌数不少于2.5亿个，静置6小时；
（四）在物料喷洒粘结剂，粘结剂的成份为羧甲基纤维素钠，再次搅拌物料，将混合均匀的湿物料送入挤压造粒机造粒，造粒后自然晾干；
（五）采用壳聚糖对烘干后的粒状物料进行包衣，包衣后自然晾干，包衣后壳聚糖薄膜的厚度为0.6mm-0.8mm，将物料装袋静置得到成品。
上述加工方法中炭化后的烟秆生物炭，各项技术指标为： 
指标 范围值 指标 范围值
含水率 (%) 6.5±3.0 有效磷 (mg·kg-1) 227.4±8.0
含碳量 (%) 62.7±5.0 有效钾 (%) 1.3±0.2
灰分 (%) 18.3±2.5 氯含量 (%) 0.06±0.02
比表面积 (m2·g-1) 6.0±0.2 硫含量 (%) 0.9±0.1
pH 9.4±0.2 锌含量 (mg·kg-1) 40.5±4.0
全氮含量 (%) 3.4±0.2 硼含量 (mg·kg-1) 14.5±1.0
碱解氮 (mg·kg-1) 42.5±3.0 C/N 20.0-30.0
本发明的有益效果在于：
1、充分利用了农业废弃烟秆资源，保护了环境，生产工艺简单，成本低。
2、该发明产品pH呈强碱性，能有效改良南方酸性植烟土壤的pH，特别是pH<5的土壤，以使其适宜烟草栽培。
3、主要材质烟秆生物炭具有极强的吸水和持水能力，本发明在不添加任何保水剂的条件下，能有效提升土壤保水能力，降低干旱气象对烟草生产的损失。
4、主要材质烟秆生物炭有极高的比表面积和疏松的物理结构，能调节土壤耕性，显著降低土壤容重，有效促进烟草生长发育。
5、主要材质烟秆生物炭能有效提高土壤有机碳的含量，增强土壤肥力。
6、主要材质烟秆生物炭含有极高含量的有效钾元素，配合包裹的壳聚糖缓释层，能有效提高土壤钾素的保蓄及长期供应能力，提升烟叶产品品质。
7、由于烟草是喜硝态氮的作物，本发明的内含物硝酸钙、硝酸镁、氧化锌和硼砂，增强了土壤硝态氮素的有效性，及钙、镁、锌、硼的供应能力，并通过壳聚糖缓释层提高了氮、钙、镁、锌、硼的缓释能力，保障烟草产量稳产、适产。
8、解磷菌是FZB42解淀粉芽孢杆菌，存在于土壤中活力极强，本发明利用该菌株增强了土壤中有益菌群的数量，增加了土壤有效磷的矿化释放，促进了烟叶产质量的提升。
附图说明
图1为对比实验一中土壤改良剂对土壤有机碳及其组分含量影响的示意图。
图2为对比实验一中土壤改良剂对烟叶产量产值的影响示意图。
图3为对比实验二中土壤改良剂对土壤有机碳及其组分含量影响的示意图。
图4为对比实验二中土壤改良剂对烟叶产量产值的影响示意图。
具体实施方式
实施例一：一种酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂，主要包括有芯层和壳聚糖薄膜层组成，壳聚糖薄膜层包裹在芯层外，壳聚糖薄膜层的包裹厚度为0.8mm；按重量份计算，芯层由下列成分组成，烟秆生物炭1000份，硝酸钙60份，硝酸镁12份，氧化锌12份，硼砂35份。
酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂由以下方法制得：
（一）制备烟秆生物炭：将烟叶收获后留在田间的烟秆晒干收集起来，用切料机切碎成长度小于10cm的条段，放入炭化炉中进行炭化，在缺氧环境下控制炭化炉内温度在450℃，使烟秆逐渐炭化；
（二）将制得的烟秆生物炭粉碎成粒径2.5mm的颗粒，备用；
（三）按芯层的配方，称取适量送入搅拌机，搅拌均匀；在其上喷洒解磷菌原液，原液中有效活菌数不少于250亿个/mL，喷洒的量控制在每克料中含解磷菌有效活菌数不少于2.5亿个，静置6小时；
（四）在物料喷洒粘结剂，粘结剂的成份为羧甲基纤维素钠，再次搅拌物料，将混合均匀的湿物料送入挤压造粒机造粒，造粒后自然晾干；
（五）采用壳聚糖对烘干后的粒状物料进行包衣，包衣后自然晾干，包衣后壳聚糖薄膜的厚度为0.8mm，将物料装袋静置得到成品。
上述加工方法中炭化后的烟秆生物炭，各项技术指标为： 
指标 范围值 指标 范围值
含水率 (%) 6.5±3.0 有效磷 (mg·kg-1) 227.4±8.0
含碳量 (%) 62.7±5.0 有效钾 (%) 1.3±0.2
灰分 (%) 18.3±2.5 氯含量 (%) 0.06±0.02
比表面积 (m2·g-1) 6.0±0.2 硫含量 (%) 0.9±0.1
pH 9.4±0.2 锌含量 (mg·kg-1) 40.5±4.0
全氮含量 (%) 3.4±0.2 硼含量 (mg·kg-1) 14.5±1.0
碱解氮 (mg·kg-1) 42.5±3.0 C/N 20.0-30.0
实施例二：一种酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂及其加工方法，酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂主要包括有芯层和壳聚糖薄膜层组成，壳聚糖薄膜层包裹在芯层外，壳聚糖薄膜层的包裹厚度为0.6mm；按重量份计算，芯层由下列成分组成，烟秆生物炭900份，硝酸钙50份，硝酸镁8份，氧化锌8份，硼砂25份。
酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂由以下方法制得：
（一）制备烟秆生物炭：将烟叶收获后留在田间的烟秆晒干收集起来，用切料机切碎成长度小于10cm的条段，放入炭化炉中进行炭化，在缺氧环境下控制炭化炉内温度在450℃，使烟秆逐渐炭化；
（二）将制得的烟秆生物炭粉碎成粒径1.5mm的颗粒，备用；
（三）将芯层的各成分，称取适量送入搅拌机，搅拌均匀；在其上喷洒解磷菌原液，原液中有效活菌数不少于250亿个/mL，喷洒的量控制在每克料中含解磷菌有效活菌数不少于2.5亿个，静置6小时；
（四）在物料喷洒粘结剂，粘结剂的成份为羧甲基纤维素钠，再次搅拌物料，将混合均匀的湿物料送入挤压造粒机造粒，造粒后自然晾干；
（五）采用壳聚糖对烘干后的粒状物料进行包衣，包衣后自然晾干，包衣后壳聚糖薄膜的厚度为0.6mm，将物料装袋静置得到成品。
上述加工方法中炭化后的烟秆生物炭，各项技术指标为： 
指标 范围值 指标 范围值
含水率 (%) 6.5±3.0 有效磷 (mg·kg-1) 227.4±8.0
含碳量 (%) 62.7±5.0 有效钾 (%) 1.3±0.2
灰分 (%) 18.3±2.5 氯含量 (%) 0.06±0.02
比表面积 (m2·g-1) 6.0±0.2 硫含量 (%) 0.9±0.1
pH 9.4±0.2 锌含量 (mg·kg-1) 40.5±4.0
全氮含量 (%) 3.4±0.2 硼含量 (mg·kg-1) 14.5±1.0
碱解氮 (mg·kg-1) 42.5±3.0 C/N 20.0-30.0
应用效果对比实验
对比实验一
1.1材料与方法
试验设在云南省玉溪市红塔区试验点，地理坐标24o17′24″N，102o35′24″E，该点土壤肥力较低，土壤板结较重，初始土壤理化性状等情况见下表。在试验开始前为“烤烟——油菜——烤烟”栽培模式，本试验烤烟栽培品种为K326。
选取云南省玉溪市红塔区低肥力土壤三个处理，分别为H C0：常规施肥不施用本土壤改良剂，HC1：常规施肥并施用本土壤改良剂15t·hm-2，HC2：常规施肥并施用本土壤改良剂30t·hm-2，本土壤改良剂按设计用量一年施用一次。每个处理均设3次重复，每次重复面积为666.7m2，各小区随机排列。试验为长期定位试验，自2010年烤烟收获后开始，至2014年烤烟收获后止，试验区内统一采用“烤烟——撂荒——烤烟”的栽培模式。
本土壤改良剂施用方法为犁地前撒施，并翻耕，与耕层20cm土壤充分混匀。其他栽培及常规施肥方式参照玉溪优质烤烟综合标准执行。烤烟移栽于每年的4月20-25日进行，每年9月1-5日采烤结束。
1.2结果与分析
（一）长期施用本发明的土壤改良剂对土壤有机碳及其组分含量的影响见说明书附图1。
在附图１中：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P＜0.05），不同大写字母表示同一处理不同时期差异达显著水平（P＜0.05）。
在附图１中：整个试验期内施用本发明的土壤改良剂显著提高了耕层土壤（0-20cm）总有机碳含量（P＜0.05）。到试验结束时，HC1和HC2处理土壤总有机碳含量较其对照分别增加了73.2%和77.7%。
施用本发明的土壤改良剂后，oPOM态有机碳含量迅速增加，是总有机碳含量增加的主要原因，fPOM态含量也显著增加。
有机碳含量的升高说明本发明的土壤改良剂促进了土壤有机质形成；MOM、oPOM和fPOM组分稳定性依次下降，转化周期逐渐减少，表明施入本发明的土壤改良剂形成的土壤有机碳性质较为稳定，可在土壤中长期存在并逐步转化，同时又在当季增加了植物利用率较高的fPOM含量，表现出积极的土壤改良效应。
（二）长期施用本发明的土壤改良剂对土壤主要养分及物理性状的影响见下表：
注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P＜0.05）。
一般认为土壤容重降低表征着土壤物理结构得到改善，有助于提高土壤保肥供肥能力。试验结果如上表所示，本试验发现施用本发明的土壤改良剂显著降低了土壤容重，提高了土壤pH，在整个试验期内，我们发现施用本发明的土壤改良剂能显著提高土壤碱解氮、有效磷和有效钾的含量，增强土壤养分供应能力。
（三）长期施用本发明的土壤改良剂对烟叶产量产值的影响见说明书附图２。
说明书附图２中：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P＜0.05）。
说明书附图２所示，施用本发明的土壤改良剂的处理较对照显著提高了烟叶产量。前两年烟叶产量随着本发明的土壤改良剂用量增加而增加，而在后两年又体现出稳产的作用。到试验结束时，HC1和HC2处理烟叶产量分别达到2465kg·hm-2和2337kg·hm-2，较对照分别增加了12.9%和7.1%。测产表明施用本发明的土壤改良剂烟叶烤后品相略好于对照，提高了烟叶的均价，烟叶产值的变化趋势总体上与烟叶产量接近。到试验结束时，HC1和HC2处理烟叶产值分别达到71150Yuan·hm-2和70344Yuan·hm-2，较其对照分别增加了19.7%和18.4%。
对比实验二
2.1材料与方法
试验设在云南省玉溪市通海县，地理坐标24o11′42″N，102o46′23″E，土壤肥力较高，土壤板结较重，在试验开始前为“烤烟——蔬菜——烤烟”栽培模式，本试验烤烟栽培品种为K326。试验选取三个点TC0、TC1、TC2.
试验处理设计及试验管理同实施例1，其中：T C0：常规施肥不施用本土壤改良剂，TC1：常规施肥并施用本土壤改良剂15t·hm-2，TC2：常规施肥并施用本土壤改良剂30t·hm-2。
2.2结果与分析
（一）长期施用本发明的土壤改良剂对土壤有机碳及其组分含量的影响见说明书附图３。
说明书附图３中：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P＜0.05），不同大写字母表示同一处理不同时期差异达显著水平（P＜0.05）。
说明书附图３中：整个试验期内施用本发明的土壤改良剂显著提高了耕层土壤（0-20cm）总有机碳含量（P＜0.05）。到试验结束时，TC1和TC2处理土壤总有机碳含量较其对照分别增加了45.7%和46.7%。
施用本发明的土壤改良剂后，oPOM态有机碳含量迅速增加，是总有机碳含量增加的主要原因，fPOM态含量也显著增加。
同样本试验表明本发明的土壤改良剂促进了土壤有机质形成；提高了土壤有机碳性质的稳定性；同时又在当季增加了植物利用率较高的fPOM含量；表现出积极的土壤改良效应。
（二）长期施用本发明的土壤改良剂对土壤主要养分及物理性状的影响
注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P＜0.05）。
一般认为土壤容重降低表征着土壤物理结构得到改善，有助于提高土壤保肥供肥能力。如上表所示，本试验发现施用本发明的土壤改良剂显著降低了土壤容重，提高了土壤pH，在整个试验期内，我们发现施用本发明的土壤改良剂能显著提高土壤碱解氮、有效磷和有效钾的含量，增强土壤养分供应能力。
（三）长期施用本发明的土壤改良剂对烟叶产量产值的影响见说明书附图４。
说明书附图４中：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P＜0.05）。
说明书附图４中：施用本发明的土壤改良剂的处理较对照显著提高了烟叶产量。从试验第二年开始，烟叶产量随着本发明的土壤改良剂用量增加而增加，在试验的后两年体现出稳产的作用。到试验结束时，TC1和TC2处理烟叶产量分别达到2591kg·hm-2和2555kg·hm-2，较对照分别增加了6.5%和5.1%。测产表明施用本发明的土壤改良剂烟叶烤后品相略好于对照，提高了烟叶的均价，烟叶产值的变化趋势总体上与烟叶产量接近。到试验结束时，TC1和TC2处理烟叶产值分别达到74995Yuan·hm-2和76686Yuan·hm-2，较其对照分别增加了12.6%和15.1%。

Claims (3)

1.酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂，其特征在于：主要包括有芯层和壳聚糖薄膜层组成，壳聚糖薄膜层包裹在芯层外，壳聚糖薄膜层的包裹厚度为0.6mm-0.8mm；按重量份计算，芯层由下列成分组成，烟秆生物炭900-1000份，硝酸钙50-60份，硝酸镁10份，氧化锌10份，硼砂30份。
2.如权利要求1所述的酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂的加工方法，其特征在于：
（一）制备烟秆生物炭：将烟叶收获后留在田间的烟秆晒干收集起来，用切料机切碎成长度小于10cm的条段，放入炭化炉中进行炭化，在缺氧环境下控制炭化炉内温度在450℃，使烟秆逐渐炭化；
（二）将制得的烟秆生物炭粉碎成粒径2mm±0.5mm的颗粒，备用；
（三）按权利要求1中确定的芯层成分，称取适量送入搅拌机，搅拌均匀；在其上喷洒解磷菌原液，原液中有效活菌数不少于250亿个/mL，喷洒的量控制在每克料中含解磷菌有效活菌数不少于2.5亿个，静置6小时；
（四）在物料喷洒粘结剂，粘结剂的成份为羧甲基纤维素钠，再次搅拌物料，将混合均匀的湿物料送入挤压造粒机造粒，造粒后自然晾干；
（五）采用壳聚糖对烘干后的粒状物料进行包衣，包衣后自然晾干，包衣后壳聚糖薄膜的厚度为0.6mm-0.8mm，将物料装袋静置得到成品。
3.权利要求2所述的酸性植烟土壤的烟秆生物炭土壤改良剂的加工方法，其特征在于：炭化后的烟秆生物炭，各项技术指标为：
指标 范围值 指标 范围值 含水率 (%) 6.5±3.0 有效磷 (mg·kg-1) 227.4±8.0 含碳量 (%) 62.7±5.0 有效钾 (%) 1.3±0.2 灰分 (%) 18.3±2.5 氯含量 (%) 0.06±0.02 比表面积 (m2·g-1) 6.0±0.2 硫含量 (%) 0.9±0.1 pH 9.4±0.2 锌含量 (mg·kg-1) 40.5±4.0 全氮含量 (%) 3.4±0.2 硼含量 (mg·kg-1) 14.5±1.0 碱解氮 (mg·kg-1) 42.5±3.0 C/N 20.0-30.0
 。
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