提高旱地土壤肥力的方法
【专利摘要】本发明公开一种提高旱地土壤肥力的方法，主要为了克服现有酸性土壤存在的土壤肥力退化和酸度较高的问题进行的设计。本发明提高旱地土壤肥力的方法的实现方式为：利用农林剩余物制备生物质炭；将制备好的所述生物质炭与尿素、钙镁磷肥、氯化钾混合并搅拌均匀，获得生物炭基混合物；将生物炭基混合物与酸性旱地土壤充分混合获得土壤混合物；将土壤混合物进行生化培养。本发明通过对农业废弃的作物秸秆热解炭化，掺混配合传统无机肥料，将其制备成混合土壤改良物质，从而改善酸性旱地土壤的肥力质量。
【专利说明】
提高旱地土壤肥力的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种提高旱地土壤肥力的方法。【背景技术】
[0002]近年来，随着社会工业化进程加快，中国的耕地面积不断缩小，且土壤退化速度加快，已成为威胁粮食生产安全的重要因素。数据显示，我国大部分耕地区域的有机质含量不断下降，并出现土壤酸化和碱化问题。在我国的南方丘陵地区，土壤的酸化面积和程度较为严峻。目前，生产中主要通过使用化学改良剂和生物措施对酸性土壤进行改良，适当施加石灰可以较为快速的缓解或消除土壤酸化及其影响，但其副作用也不容忽视，特别是会导致土壤有机质含量的下降。因而，寻找和施用合适的改良剂以中和土壤酸度，提高土壤肥力、 恢复酸性土壤的生产力对农业的持续发展和生态环境保护具有双重意义。
[0003]我国是传统农业大国，每年可产生各类作物秸杆生物量8亿多吨;但目前我国农业剩余物的利用率仍然较低，有高达50%的秸杆被露天焚烧，严重影响大气环境质量和人居环境安全。研究表明，农作物秸杆等农业剩余物的添加可以中和土壤酸度，改良酸性土壤， 但直接将作物秸杆施入土壤中，易将有害病菌和虫卵带入土壤中，给后季作物带来病虫害问题；由于秸杆材料易被微生物分解，在土壤环境中存留时间较短，其改良土壤和作物增产效果的发挥并不持久。因此，如何实现大规模秸杆剩余物的资源化利用，成为亟待解决的问题，也促使研究者开始关注更为稳固有效的废弃物转化利用技术。
[0004]近年来，农业废弃生物质热解炭化工艺技术日益成熟，可以将农业剩余物炭化并以稳定固态物质的形式存在，产生的生物炭材料具有比表面大，孔隙结构发达、高度稳定和较强吸附能力等特性。研究表明，生物炭在改良土壤与肥料增效方面也具有良好作用，可以作为土壤改良剂施用到田间。生物炭中的碱性物质，可中和部分土壤酸度，使土壤pH值升高；可使土壤重金属元素的含量降低，从而有效缓解酸性土壤地区植物的铝毒和重金属毒害。此外，生物炭对营养元素的固持能力、可改善土壤团聚结构、提高微生物生物量和代谢活性，从而促进土壤生态系统的物质循环过程。
[0005]农业的高产和增产离不开无机化肥的施用，但作物对化肥的吸收利用率有限；片面为追求高产而过量使用化肥，往往会造成化肥流失、土壤板结和水体污染等问题。生物炭与化肥掺混使用，可以减少化肥的流失，缓释肥效，从而提高化肥的利用率。为寻找更为高效节约的生物炭和无机肥配合使用方式，有必要研究不同性质生物炭材料与不同无机肥施用量的配合效果，以确定酸化旱地土壤的有效改良方式，保障土壤肥力质量。
【发明内容】
[0006]本发明针对我国南方酸性旱地土壤肥力退化和酸化现状，肥料利用率低下以及大规模农业剩余物的资源化利用问题，通过优化施用方式，提出一种基于农作物秸杆炭、复混传统无机肥料的高效、环保提高旱地土壤肥力的方法。
[0007]为达到上述目的，本发明一种提高旱地土壤肥力的方法，所述方法包括以下步骤:
[0008]步骤1:利用农林剩余物制备生物质炭；
[0009]步骤2:将制备好的所述生物质炭与尿素、钙镁磷肥、氯化钾混合并搅拌均匀，获得生物炭基混合物；其中生物质炭、尿素、钙镁磷肥、氯化钾的重量分数分别为75?90份、3? 10份，4?10份，2?5份。
[0010]步骤3:将生物炭基混合物与酸性旱地土壤充分混合获得土壤混合物；
[0011]步骤4:将土壤混合物进行生化培养。
[0012]进一步地，所述利用农林剩余物制备生物质炭是通过下述方法实现的:
[0013]收集农林剩余物，将农林剩余物剪成〇 ? 5?3cm小段，用水和盐酸清洗干净，于80°C 恒温下烘干；[〇〇14]将经上述处理的农林剩余物置入炭化炉的填装箱体中，密封绝氧并通保护气体处理，在热解温度为300 °C?700 °C条件下热解5?6小时；[0〇15] 将炭化产品冷却至室温，球磨机研磨l-2min，过2?0.1mm不锈钢筛，得生物质炭。 [〇〇16]进一步地，所述生物炭基混合物以1 % -3 %的质量比，施加到酸性旱地土壤中，充分混勾。
[0017]进一步地，所述的生物炭基混合物，含水率低于3%。
[0018]进一步地，所述土壤混合物进行生化培养是通过下述方法实现的:
[0019]将混合均匀后的生物质炭和土壤在25°C?28°C下恒温培养4?5个月，定期搅动生物质炭和土壤混合物以使生物质炭和土壤混合物之间氧气充足，并为土壤混合物补充去离子水以维持土壤混合物的饱和含水量为40%?70%。
[0020] 进一步地，所述步骤3中土壤混合物中还添加有细粒径菇渣:
[0021] 将粗菇渣风干后，磨细，过1?0.25_不锈钢筛处理，得到细粒径菇渣样品；[〇〇22]将细粒径菇渣样品、所述生物炭基混合物一起与酸性旱地土壤充分混合获得土壤混合物。[〇〇23]进一步地，所述酸性旱地土壤是将土壤预先过2mm不锈钢筛处理获得，所述生物炭基混合物以质量比0.5?2%，菇渣以质量比1?3%添加到酸性旱地土壤中充分混合均匀得到土壤混合物。[0〇24]进一步地，所述的保护气体为氮气，通气时间为30min;
[0025] 所述热解温度为300°C、400°C或450°C ;
[0026]所述的热解温度通过升温速率5?10°C/min的条件下加热而达到。[〇〇27]进一步地，所述步骤3中土壤混合物中还添加有微生物菌，所述微生物菌的质量百分比为0.01%?0.05%，所述微生物菌为光合细菌、康宁木霉菌、枯草芽孢菌的混合物，所述光合细菌、康宁木霉菌、枯草芽孢菌的质量比为1:1:2。
[0028]进一步地，所述步骤2之前还包括将获得的生物质炭表面吸附偏硅酸钠的步骤:
[0029]将获得生物质炭加入到水中充分拌匀，然后加入粉状偏硅酸钠再次充分搅拌，将混匀后的混合物晾晒至含水量为20%，得到用于配备所述生物炭基混合物的生物质炭。
[0030]本发明提高旱地土壤肥力的方法通过对农业废弃的作物秸杆热解炭化，以一定比例，掺混配合传统无机肥料，将其制备成混合土壤改良物质，用于改善酸性旱地土壤的肥力质量。该土壤改良方法制备工艺和使用简单，生产成本低且效果明显，具有环保、低碳、资源循环利用等优点，为改良酸性旱地土壤提供了新途径，还具有良好的社会经济效益和推广应用价值。【附图说明】[0031 ]图1是实施例1提高旱地土壤肥力的方法的流程示意图；
[0032]图2是实施例4和5供试酸性土壤的基本化学性质列表；
[0033]图3是实施例4和5供试秸杆生物炭和菇渣的化学性质；[〇〇34]图4是实施例4生物质炭0.8份添加量下，对酸性旱地土壤肥力以及其它特性的影响对比图，A为土壤pH值变化对比图、B为土壤有机碳变化对比图、C为土壤全氮变化对比图、 D为土壤速效磷变化对比图、E为土壤速效钾变化对比图，F为土壤微生物生物量碳变化对比图；实验处理包括对照、添加水稻炭和添加玉米炭三种处理；[〇〇35]图5是实施例5生物质炭1.5份下，对酸性土壤肥力以及其它特性的影响对比图，A 为土壤pH值变化对比图、B为土壤有机碳变化对比图、C为土壤全氮变化对比图、D为土壤速效磷变化对比图、E为土壤速效钾变化对比图，F为土壤微生物生物量碳变化对比图；实验处理包括对照、添加水稻炭和添加玉米炭三种处理。【具体实施方式】[〇〇36]下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
[0037]本发明所述农林剩余物为作物秸杆和/或林业剩余物，所述作物秸杆包括水稻秸杆、玉米秸杆和/或花生秸杆等，所述林业剩余物包括马尾松枝和/或竹片等。
[0038]实施例1[〇〇39]如图1所示，本实施例提高旱地土壤肥力的方法包括如下步骤:
[0040]步骤1:利用农林剩余物制备生物质炭。[0041 ]收集不同来源的农林剩余物，将农林剩余物剪成0.5?3cm小段，用水和盐酸清洗干净，于80°C恒温下烘干；[0〇42]将经上述处理的农林剩余物置入炭化炉的填装箱体中，密封绝氧并通氮气30min 达到绝氧，在升温速率5 °C?10 °C/min的条件下，加热至300 °C?700 °C条件下，保持恒定温度热解5?6小时；[0〇43] 将炭化产品冷却至室温，球磨机研磨l-2min，过2?0.1mm不锈钢筛，得到供试的不同粒径生物质炭样品。
[0044]步骤2:将制备好的所述生物质炭与尿素、钙镁磷肥、氯化钾混合并搅拌均匀，获得生物炭基混合物；其中生物质炭、尿素、钙镁磷肥、氯化钾的重量分数分别为75?90份、3? 10份，4?10份，2?5份;所述的生物炭基混合物，含水率需低于3%。[〇〇45]步骤3:将生物炭基混合物与酸性旱地土壤充分混合获得土壤混合物。[〇〇46]预先将土壤过2mm不锈钢筛处理获得待试酸性旱地土壤，所述生物质炭以质量比 0.5?2份添加到酸性旱地土壤中。[〇〇47]步骤4:将土壤混合物进行生化培养。[〇〇48]将混合均匀后的生物质炭和土壤在25°C?28°C下恒温培养4?5个月，定期搅动生物质炭和土壤混合物以使生物质炭和土壤混合物之间氧气充足，并为土壤混合物补充去离子水以维持土壤混合物的饱和含水量为40%?70%。
[0049]实施例2
[0050]本实施例提高旱地土壤肥力的方法与实施例1的不同为，在步骤3中土壤混合物中还添加有细粒径菇渣:[0051 ]将生产剩余粗菇渣适量风干后，磨细，过1?0.25mm不锈钢筛，得到细粒径菇渣； [〇〇52] 生物炭基混合物以质量比0.5?2%，菇渣以质量比1?3%添加到酸性旱地土壤中充分混合均匀得到土壤混合物。
[0053] 实施例3[〇〇54]本实施例提高旱地土壤肥力的方法是在实施例1或实施例2的基础上将步骤1中获得的生物质炭进行进一步处理后再加入到酸性旱地土壤中。
[0055]步骤1中获得的生物质炭在加入土壤中之前还包括将获得的生物质炭表面吸附偏硅酸钠的步骤:
[0056]将获得生物质炭加入到水中充分拌匀，然后加入粉状偏硅酸钠再次充分搅拌，将混匀后的混合物晾晒至含水量为20%，得最终用于土壤中的生物质炭。[〇〇57]以上各实施例在所述步骤3中的土壤混合物中还可添加微生物菌，所述微生物菌的质量百分比为〇.01 %?〇.05%，所述微生物菌为光合细菌、康宁木霉菌、枯草芽孢菌的混合物，所述光合细菌、康宁木霉菌、枯草芽孢菌的质量比为1:1:2。
[0058] 实施例4[〇〇59]本实施例提高旱地土壤肥力的方法是在实施例1的基础上给出一种操作实例。 [〇〇6〇]本实施例提高旱地土壤肥力的方法中具体为:[〇〇611将收集到的农业剩余物(水稻秸杆和玉米秸杆)剪碎成l-3cm的小段，于80 °C恒温下干燥后，放入炭化炉填装箱体中，绝氧条件下，以5°C/min的升温速率，加热至350°C，保持热解6小时；随后冷却至室温，得到生物炭材料。将生物炭经不锈钢套筛，过2?0.1mm筛，得到粒径>0.1mm生物炭样品，备用。将78%的生物炭，4%尿素，5%钙镁磷肥，3%氯化钾，混合并搅拌均勾，获得生物炭与无机肥的混合物。按生物炭基混合物:土壤=〇.8:100的质量比， 将混合物施加到酸性旱地土壤中，混合均匀，调节土壤含水量至60%饱和含水量，于25°C恒温培养箱中进行培育实验。
[0062]其中，水稻炭和玉米炭分别进行实验培养、并作对比实验，且每个实验3个重复。采用电位计法测定土壤pH值(土水比1:5)，分别采用丘林法、半微量凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度法分析土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾的含量，采用氯仿熏蒸-浸提法测定土壤微生物生物量碳含量。[〇〇63]如图4所示，将两种粗粒径生物炭基混合物，按照0.8%的质量比施入酸性旱地土壤135天后，土壤pH值平均提高了 0.25个单位，其中玉米秸杆炭基混合物的效果更为显著； 土壤有机碳含量由8.5g/kg显著提高到13.8g/kg;粗粒径玉米秸杆炭基混合物的施加显著提高了土壤全氮含量;两种粗粒径秸杆炭与无机肥的复混添加，使土壤的速效磷含量平均由10.511^/1^显著提高到16.411^/1^;使得土壤速效钾的含量平均显著增加215.0%，且水稻秸杆炭配合无机肥料施加下，效果更为显著。与对照相比，两种粗粒径秸杆炭基复混肥施用下，土壤微生物生物量碳的含量分别平均增加了81.0%和40.3%。
[0064] 实施例5[〇〇65]本实施例提高旱地土壤肥力的方法是在实施例1的基础上给出一种操作实例。
[0066]本实施例提高旱地土壤肥力的方法中具体为:[〇〇67]将收集到的农业剩余物(水稻秸杆和玉米秸杆)剪碎成l-3cm的小段，于80°C恒温下干燥后，放入炭化炉填装箱体中，绝氧条件下，以8°C/min的升温速率，加热至350°C，保持热解5小时；随后冷却至室温，得到生物炭材料。将生物炭经不锈钢套筛，过2?0.1mm筛，得到粒径〈0.1mm生物炭样品，备用。将88 %的生物炭，6 %尿素，8 %钙镁磷肥，4 %氯化钾，混合并搅拌均勾，获得生物炭与无机肥的混合物。按生物炭基混合物:土壤=1.5:100的质量比， 将混合物施加到酸性旱地土壤中，混合均匀，调节土壤含水量至50%饱和含水量，于25°C恒温培养箱中进行培育实验。
[0068]其中，水稻炭和玉米炭分别进行实验培养、并作对比实验，且每个实验3个重复。采用电位计法测定土壤pH值(土水比1:5)，分别采用丘林法、半微量凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度法分析土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾的含量，采用氯仿熏蒸-浸提法测定土壤微生物生物量碳含量。[〇〇69]如图5所示，将两种细粒径生物炭基混合物，按照1.5%的质量比施入酸性旱地土壤135天后，土壤pH值平均提高了0.19个单位；土壤有机碳含量由8.5g/kg显著提高到 14.0g/kg;细粒径玉米秸杆炭基混合物的施加显著提高了土壤全氮含量;两种细粒径秸杆炭与无机肥的复混添加，使土壤速效磷含量由10.5mg/kg显著提高到19.lmg/kg，土壤速效钾的含量平均显著增加220.2%，且水稻秸杆炭配合无机肥施加下，效果更为显著。与对照相比，两种细粒径秸杆炭基复混肥施用下，土壤微生物生物量碳的含量分别平均增加了 40.5% 和 54.6%。
[0070]实施例4和实施例5结果表明，利用废弃农作物秸杆热解制备的不同粒径生物炭， 以合适比例复混传统无机肥料，均可降低旱地土壤酸度，提高土壤肥力，增加土壤有机碳库、速效养分及微生物群落的代谢活性。
[0071]以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
【主权项】
1.一种提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤:步骤1:利用农林剩余物制备生物质炭；步骤2:将制备好的所述生物质炭与尿素、钙镁磷肥、氯化钾混合并搅拌均匀，获得生物 炭基混合物;其中生物质炭、尿素、钙镁磷肥、氯化钾的重量分数分别为75?90份、3?10份， 4?10份，2?5份。步骤3:将生物炭基混合物与酸性旱地土壤充分混合获得土壤混合物；步骤4:将土壤混合物进行生化培养。2.根据权利要求1所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述利用农林剩余物 制备生物质炭是通过下述方法实现的:收集农林剩余物，将农林剩余物剪成〇.5?3cm小段，用水和盐酸清洗干净，于80 °C恒温 下烘干；将经上述处理的农林剩余物置入炭化炉的填装箱体中，密封绝氧并通保护气体处理， 在热解温度为300 °C?700 °C条件下热解5?6小时；将炭化产品冷却至室温，球磨机研磨l-2min，过2?0.1mm不锈钢筛，得生物质炭。3.根据权利要求1所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述生物炭基混合物 以1 %-3%的质量比，施加到酸性旱地土壤中，充分混匀。4.根据权利要求1所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述的生物炭基混合 物，含水率低于3 %。5.根据权利要求1所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述土壤混合物进行 生化培养是通过下述方法实现的:将混合均匀后的生物质炭和土壤在25°C?28°C下恒温培养4?5个月，定期搅动生物质 炭和土壤混合物以使生物质炭和土壤混合物之间氧气充足，并为土壤混合物补充去离子水 以维持土壤混合物的饱和含水量为40%?70%。6.根据权利要求1所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述步骤3中土壤混 合物中还添加有细粒径菇渣:将粗菇渣风干后，磨细，过1?0.25mm不锈钢筛处理，得到细粒径菇渣样品；将细粒径菇渣样品、所述生物炭基混合物一起与酸性旱地土壤充分混合获得土壤混合 物。7.根据权利要求5所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述酸性旱地土壤是 将土壤预先过2mm不锈钢筛处理获得，所述生物炭基混合物以质量比0.5?2%，燕渣以质量 比1?3 %添加到酸性旱地土壤中充分混合均匀得到土壤混合物。8.根据权利要求2所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述的保护气体为氮 气，通气时间为30min;所述热解温度为300 °C、400 °C或450 °C ;所述的热解温度通过升温速率5?10°C/min的条件下加热而达到。9.根据权利要求1所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述步骤3中土壤混 合物中还添加有微生物菌，所述微生物菌的质量百分比为0.01 %?0.05%，所述微生物菌 为光合细菌、康宁木霉菌、枯草芽孢菌的混合物，所述光合细菌、康宁木霉菌、枯草芽孢菌的 质量比为1:1:2。10.根据权利要求1所述的提高旱地土壤肥力的方法，其特征在于:所述步骤2之前还包 括将获得的生物质炭表面吸附偏硅酸钠的步骤:将获得生物质炭加入到水中充分拌匀，然后加入粉状偏硅酸钠再次充分搅拌，将混匀 后的混合物晾晒至含水量为20%，得到用于配备所述生物炭基混合物的生物质炭。
【文档编号】C05G3/04GK106083462SQ201610417907
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日 公开号201610417907.7, CN 106083462 A, CN 106083462A, CN 201610417907, CN-A-106083462, CN106083462 A, CN106083462A, CN201610417907, CN201610417907.7
【发明人】李明, 项萌, 王浩, 詹茂华, 程寒飞
【申请人】中冶华天工程技术有限公司, 中冶华天（安徽）节能环保研究院有限公司