CN108551796B - 一种利用无机矿物激发材料提升农田土壤地力的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用无机矿物激发材料提升农田土壤地力的方法，以玄武岩、白云石和矿渣为原料，再以焦炭为燃料，加热至1600℃使其融化，离心机成纤处理后，制成岩棉纤维材料，其直径范围为4~10μm，并进行松散造粒；将岩棉纤维材料混入农田土壤耕作层；岩棉施入量为18~22t/ha；施加天然植物有机材料；常规施肥，翻耕土壤，调控土壤水分至田间持水量的65‑75%，使得岩棉纤维颗粒在吸持水分膨胀及外界翻耕作用力下以纤维形式散开分布在土壤中。本发明既能实现岩棉边角料的利用，变废为宝，成本低廉，又能快速提升土壤地力，方法简单、高效。

Description

一种利用无机矿物激发材料提升农田土壤地力的方法

技术领域

本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及一种利用无机矿物激发材料提升农田土壤地力的方法。

背景技术

岩棉是一种纤维状矿物，以玄武岩为主原料，白云石、矿渣为辅料，焦炭为燃料，在1500～2000℃的高温炉中熔化抽丝而成。由于岩棉具有化学稳定性、无菌、孔隙度高、保水性能强及价格低廉等诸多优点。近年来，岩棉更是被当作一种常用的建筑保温材料，我国每年产生大量废弃岩棉，工业生产过程中，产量大量岩棉边角料，目前只能废弃处理，难以利用。在农业生产领域，岩棉已作为基质进行蔬菜、花卉的无土栽培，但是很少用于土壤改良和地力提升。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供一种利用无机矿物激发材料提升农田土壤地力的方法。

技术方案：一种利用无机矿物激发材料提升农田土壤地力的方法，包括以下步骤：步骤1，以玄武岩、白云石和矿渣为原料，其中玄武岩:白云石:矿渣的重量比为66:24:10，再以焦炭为燃料，加热至1600℃使其融化，离心机成纤处理后，制成岩棉纤维材料，其直径范围为4～10μm，并进行松散造粒；步骤2，将岩棉纤维材料混入农田土壤耕作层；岩棉施入量为18～22t/ha；步骤3，施加天然植物有机材料；步骤4，常规施肥，翻耕土壤，调控土壤水分至田间持水量的65-75％，使得岩棉纤维颗粒在吸持水分膨胀及外界翻耕作用力下以纤维形式散开分布在土壤中。

优选的，上述步骤1中加热融化温度为1600℃。

优选的，上述步骤2中施入量为20t/ha。

优选的，上述天然植物有机物料为作物秸秆或草本植物残体中的至少一种，所述作物秸秆经粉碎处理。

优选的，上述常规施肥为施加氮肥210kg/ha，磷肥105kg/ha，钾肥105kg/ha。

本发明技术的原理为：根据国际土壤质地分类制，土壤黏粒、粉粒和砂粒的粒径范围分别为＜2μm、2～50μm、及0.05～2mm。本发明采用的岩棉平均纤维直径为4～10μm，正好处于粉粒范畴，施入黏土能降低黏粒比例，而施入砂土能降低砂粒比例，从而改善土壤基质组成。

本发明采用的岩棉纤维具有疏松多孔、比表面积大的特点，其性状类似于土壤中的无机矿物，能够大大增加土壤的吸附表面，土壤颗粒有效融合，吸附土壤有机质，促进土壤团聚体形成的同时保护土壤有机质。

本发明采用的岩棉纤维富含无机矿物，尤其是富含铁铝氧化物，其矿物结构与土壤中颗粒状矿物质的结构相近，在实现增加孔隙度与比表面积、改善土壤结构、增加土壤呼吸性等物理效果的同时，能够通过吸附作用对对土壤有机质的化学键进行吸附和保护，降低有机质的降解，促进有机质累积，使土壤中空气、营养、水分等始终保持均衡状态。

本发明采用的岩棉纤维处于微米级别，能够作为无机矿物激发调剂，刺激土壤微生物生长，激发微生物活性。

本发明所采用的岩棉纤维可松散造粒，便于机械施用，并规避粉尘飘散。施入田间后由于吸持土壤水分膨胀及耕作压力等因素，又能快速分散形成纤维状进入土壤。

本发明采用的天然植物有机材料为富含多糖/有机酸/氨基糖、有植物纤维的天然植物有机材料，包括作物秸秆和/或草本植物残体，能够为土壤有机质提供来源及为土壤微生物提供能源。

本发明所采用的岩棉纤维材料和天然植物有机材料能够机械化施用，利用常规农田机械即可完成作业。

作为优选，首先，本发明所采用的岩棉松散造粒形态可便于机械施用，并规避粉尘飘散。施入田间后由于吸持土壤水分及耕作等因素，又能快速松散，形成纤维状进入土壤，在改善土壤基质的同时能作为无机矿物激发调节剂，促进土壤微生物生长，驱动土壤有机质循环和养分释放。

其次，本发明所采用的岩棉纤维具有微米尺度纤维状结构，能刺激微生物大量繁殖，激活微生物驱动，促进秸秆腐解，促进土壤养分转化，活化土壤养分，刺激微生物和根系生长，提高生物转化力。

第三，本发明所采用的岩棉改良剂能作为无机矿物胶体的部分替代物，吸持土壤颗粒，改善土壤结构，增加大团聚体含量。

第四，本发明具有生态安全性，添加的岩棉改良剂具有绿色无害特点，确保岩棉作为农田土壤改良剂具有生态环境安全性。

第五，本发明所采用的岩棉具有可塑性，能够机械化造粒，确保材料能够机械化作业施用。

最后，本发明田间所有操作均为常规机械化作业，具有低成本、高效、简便、环保的特点。

有益效果：1.具有“双赢”性。本发明所采用的岩棉改良剂，既能实现岩棉边角料的利用，变废为宝，成本低廉，又能快速提升土壤地力，方法简单、高效。2.具有生态环境安全性。岩棉改良剂、天然植物有机材料均为绿色无害，改良后的农田土壤具有生态环境安全性。3.具有可操作性。采用岩棉制成土壤改良剂，操作工程简单，一次性完成，具有可塑性，能够机械化造粒，材料能够机械化作业施用。4.具有可靠性。通过田间试验验证，该技术对农田土壤培肥具有可靠性。5.具有市场竞争性。与其他土壤改良剂相比，该发明技术的可操作性、成本以及培肥后的农田土壤等级具有明显的优势和市场竞争性。

附图说明

图1技术原理和模式示意图；

图2岩棉微米尺度显微结构示意图(1:400)；

图3试验各处理土壤微生物量碳(MBC)、可溶性碳(DOC)、有机质(SOM)、活性有机质(LOM)含量示意图；

图4各处理土壤微生物量碳(MBC)、可溶性碳(DOC)与有机质(SOM)含量示意图。

具体实施方式

以下土壤试验进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，以下实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，试验中未注明的具体测定方法均采用鲁如坤等编著，土壤农业化学分析方法，中国农业科技出版社1999中所述的测定方法。

培养试验过程：1.材料与方法

实验目的：针对我国粮食主产区黄淮海平原具有显著障碍因子的典型土壤：砂质潮土，其特性为土质地较砂，且有机质含量低下，属于低产田土壤。本实验目的在于通过添加废弃岩棉，探索废弃岩棉对低产土壤是否具有改良作用及改良效果。

实验设计：选择中国科学院南京土壤研究所封丘农业生态实验站潮土作为试验土壤，供试盆上部内径为50cm，底部有一出水孔，每盆装土136kg，装土容重为1.10-1.30g/cm3.，土壤容重按1.3g/cm3计算。由于盆栽实验施肥量要高于田间，而砂质潮土为低产土壤，因此本研究设计为田间施肥量的3倍，因此，每盆需要施用N 16.96g、P肥39.01g、K肥37.23g。

实验设计有3个处理，分别为：CK(单施化肥)，RW1(单施化肥+占土重1％岩棉1.36kg)，RW2(单施化肥+占土重3％岩棉4.08kg)。化肥、岩棉均于播种时与土壤均匀混合施入，氮肥施肥方式为分为2次，40％为播种施用和60％孕穗追施。

本发明所使用的岩棉，由以下方法制得：以玄武岩、白云石和矿渣为原料，其中玄武岩:白云石:矿渣的重量比为66:24:10，再以焦炭为燃料，加热至1600℃使其融化，离心机成纤处理后，制成岩棉纤维材料，其直径范围为4～10μm，并进行松散造粒。

实施例1

选择中国科学院南京土壤研究所封丘农业生态实验站潮土作为试验土壤，采用盆栽模式，种植作物为小麦、玉米，为了进一步阐明本发明内容试验效果，在人工气候培养箱中设置培养试验，盆栽试验设置3个处理，分别为常规施肥处理(CK1，施加氮肥210kg/ha，磷肥105kg/ha，钾肥105kg/ha)、常规施肥+占土重干基重1％岩棉改良剂处理(1％岩棉，相当于20t/ha)、常规施肥+占土重干基重3％岩棉改良剂处理(3％岩棉，相当于60t/ha)，培养试验设置6个处理，分别为常规施肥处理(CK2，施加氮肥210kg/ha，磷肥105kg/ha，钾肥105kg/ha)、常规施肥+占土重干基重1％岩棉改良剂处理(岩棉)、常规施肥+秸秆处理(秸秆)、常规施肥+秸秆+占土重干基重1％岩棉改良剂处理(秸秆+岩棉)、常规施肥+有机肥处理(有机肥)、常规施肥+有机肥+占土重干基重1％岩棉改良剂处理(有机肥+岩棉)。

研究结果表明，土壤添加岩棉改良剂后，土壤有机质、活性有机质、可溶性有机质、微生物量，含量均有显著提升(图3，表2)，土壤结构也得到改善，施入土重1％的岩棉后，土壤大团聚体(>0.25mm)增加。由此可见，本发明内容实施后，耕作层土壤养分得到提升，生物多样性得到明显激发，土壤结构得到改善。

有机质作为土壤的重要组成部分，在土壤地力、环境保护、农业可持续发展等方面均起着极其重要的作用，这是由于一方面它含有植物生长所必需的各种营养元素并影响养分循环，改善土壤结构稳定性，影响土壤保水能力、阳离子交换能力、pH等土壤理化和生物学特性，决定着农作物产量，它是土壤微生物生命活动的能源，对土壤理化及生物学特性有深远的影响(杨景成,韩兴国et al.2003)。而在土壤有机质定义中，将存在于土壤中的所有含碳的有机物质统称为有机质，它包括土壤中的各种动、植物残体，微生物体及其分解和合成的各种有机物质(徐建明2000)。本发明试验结果表明，施入岩棉改良剂处理能显著提升土壤有机质含量，有效地提高其水溶性有机质含量，活化其中的腐植酸，增加活性有机质总量，进而对作物和土壤产生影响，活化土壤，促进土壤有机质积累。

秸秆还田既是改善土壤地力状况的重要措施，也是调控土壤微生物的重要物质条件，在农业培肥领域深受国内外专家推崇。秸秆还田后，秸秆本身富含有机碳及氮磷钾等营养元素，秸秆还田后被矿化分解，释放出丰富的N素、C素，为微生物的生长繁殖提供了丰富的N源、C源(高利伟et al.,2009；李贵桐et al.,2002)，并带入土壤丰富碳源、氮源，刺激了微生物活性，得到大量繁殖的微生物进一步加速秸秆矿化分解，释放更多有机态养分，提高土壤总有机质含量(Lou et al.,2011；张鹏et al.,2011)。Powlson(2008)等研究表明，作物秸秆还田后，能显著增加土壤有机碳含量，且秸秆还田数年后，土壤有机质含量增长速度呈先快后慢趋势。秸秆在土壤中的分解工程主要分为快速分解和慢速分解两个阶段，秸秆进入土壤后可溶性有机碳、纤维素等易氧化有机物质被快速矿化释放养分，然后，残留的难分解有机质在微生物作用下被进一步缓慢分解，形成相对稳定态的腐殖质，从而影响土壤有机质含量(Heitkamp et al.,2012；宋春雨et al.,2008；朱培立et al.,2001)。过去研究还表明，随着秸秆量不断增加，微生物数量呈先上升后下降趋势，可能由于秸秆携带大量碳源(秸秆有机碳含量约40％)，短期内难以完全矿化，连年大量秸秆还田反而会抑制微生物生长繁殖，影响秸秆腐解效率，土壤中残留大量未腐解秸秆反而影响农业生产(韩新忠etal.,2012)。本发明中，采用岩棉改良剂配秸秆、有机肥，不仅能快速提升土壤有机质含量，促进作物生长，岩棉依靠其疏松多孔特性还能为微生物活性提供生存场所，增加微生物量，促进秸秆腐解，这也是秸秆还田配施岩棉改良剂能明显提升土壤有机质的原因之一。因而，该发明技术能有效发挥土壤固有的生产潜力，促进秸秆腐解效率，快速培肥农田土壤。

表1岩棉矿物成分含量

表2不同处理后土壤水稳性团聚占比变化(％)

Claims (1)

1.一种利用无机矿物激发材料提升农田土壤地力的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，以玄武岩、白云石和矿渣为原料，其中玄武岩:白云石:矿渣的重量比为66:24:10，再以焦炭为燃料，加热至1600℃使其融化，离心机成纤处理后，制成岩棉纤维材料，其直径范围为4~10μm，并进行松散造粒； 步骤2，将岩棉纤维材料混入农田土壤耕作层；岩棉施入量为20t/ha；步骤3，施加天然植物有机材料，所述天然植物有机物料为作物秸秆，所述作物秸秆经粉碎处理；步骤4，施加氮肥210 kg/ha，磷肥105 kg/ha，钾肥105 kg/ha，翻耕土壤，调控土壤水分至田间持水量的65-75%，使得岩棉纤维颗粒在吸持水分膨胀及外界翻耕作用力下以纤维形式散开分布在土壤中。

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