CN104541640A - 利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法：按照每亩配用1400～1600kg猪粪生物炭的用量比，向酸化低产黄泥田中添加猪粪生物炭；从而实现改良土壤性状，并促进水稻的生长，提高水稻产量。本发明通过影响和调控水稻根系生长土壤环境中的微生物群落结构，提高根际土和非根际土的土壤微生物丰富度；在猪粪生物炭和水稻根系的交互作用下，造成根际土细菌群落结构与非根际土的差异，最终缓解黄泥田的酸障碍而促进水稻的生长，提高水稻的产量。

Description

利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法

技术领域

本发明涉及低产田改良技术领域，具体利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法。

背景技术

我国土壤的酸化程度非常严重，酸化趋势正在加剧，且近年来酸化现象甚至出现在我国南方部分稻田土壤中。黄泥田是我国南方红黄壤地区的一种中低产水稻土，主要是由各种岩石风化物及第四纪红土上的红壤荒地或旱地开垦种植水稻后发育而成的，主要包括红泥田、黄泥田、黄泥沙田、灰黄泥田、乌黄泥田等土种(彭嘉桂，1986)。其土壤质地粘重、迹水點糊、干燥板结，俗称“干时一把刀，湿时一团糟”，主要分布于江西、湖南、浙江、福建、湖北、江苏等地。

生物炭是生物质如木材、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等在缺氧和相对温度“较低”(<700℃)条件下热解而形成的产物，一般含有60％以上的碳[Demirbas,A.,2004.Effectsof temperature and particle size on bio-char yield from pyrolysis of agricultural residues.Journal ofAnalytical and Applied Pyrolysis 72,243-248.]。生物炭的元素组成除了含有大量的碳和部分氢、氧之外，还有一定含量的灰分(包括钾、钙、镁、钠、硅等)。生物炭因碳组分的高度芳香化而具有生物化学和热稳定性[Braida,W.J.,Pignatello,J.J.,Lu,Y.,Ravikovitch,P.I.,Neimark,A.V.,Xing,B.,2003.Sorption hysteresis of benzene in charcoal particles.Environmental Science&Technology 37,409-417.]，施入土壤中难以被矿化，能够长期贮存于土壤中。生物炭的离子交换能力受热解温度的影响，在一定温度范围内，生物炭的比表面积最大，相应的离子交换能力也达到最大。而生物炭特性的最主要影响因素为生物质原料和热解的条件[Verheijen,F.,Jeffery,S.,Bastos,A.,van der Velde,M.,Diafas,I.,2010.Biochar application to soils.Institute forEnvironment and Sustainability,Luxembourg.]。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种将猪粪制备成生物炭并用来改良酸化低产黄泥田的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法，按照每亩配用1400～1600kg(较佳为1500kg)猪粪生物炭的用量比，向酸化低产黄泥田中添加猪粪生物炭；从而实现改良土壤性状，并促进水稻的生长，提高水稻产量。

作为本发明的利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法的改进：猪粪生物炭是由风干的猪粪(水分含量≤12％，该％为重量％)在500～550℃无氧条件下烧制1.8～2.2小时(较佳为2小时)而成。备注说明：升温速率为15～20℃/min。

本发明的利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法，先在酸化低产黄泥田中投放猪粪生物炭，在20cm深度内的耕层混合均匀，然后按照农作物的常规种植方式进行施肥、移栽(种植)、灌溉等。

本发明适宜于改良酸化低产黄泥田，所述方法适用于我国南方红黄壤地区的酸化低产黄泥田。本发明具备如下有益效果：能够明显提高土壤pH、速效P含量、盐基离子含量，影响NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、DOC、DON水平，提高土壤缓冲性能，降低可溶性铝、交换性酸和交换性H离子含量，并能够通过影响和调控水稻根系生长土壤环境中的微生物群落结构，提高提高根际土和非根际土的土壤微生物丰富度，提高拟杆菌门、放线菌门和芽单胞菌门的相对丰度，降低酸杆菌门的相对丰度；在生物炭和水稻根系的交互作用下，造成根际土细菌群落结构与非根际土的差异，最终缓解黄泥田的酸障碍而促进水稻的生长，提高水稻的产量；用于制备生物炭的猪粪容易大量获得，方法简单易懂，易于被接受。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明利用1％施用水平猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的关于水稻的效果图；

图2为本发明利用1％施用水平猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的关于水稻根系周围的根际土和非根际土的效果图；

图1、图2中，每列从上至下依次为：其他菌门、疣微菌门、变形菌门、浮霉菌门、OD1菌门、芽单胞菌门、厚壁菌门、蓝菌门、绿弯菌门、绿菌门、拟杆菌门、放线菌门、酸杆菌门。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

将收集到的猪粪和水稻秸秆分别进行如下处理：

风干后磨碎(风干至水分含量≤12％，猪粪磨碎至粒径约为2mm，水稻秸秆切割至5cm长)，放入到TH-01生物质自动炭化装置中，于500℃无氧条件下烧制，升温速率为15℃/min，保持时间为2小时，冷却至室温后研磨至过1mm孔径筛，从而分别得猪粪生物炭和水稻秸秆生物炭。

实际使用时，将制成的生物炭(包括猪粪生物炭和水稻秸秆生物炭等)于20cm深度内的耕层中混合均匀即可。

实施例1：

在我国南方华中稻区酸化低产黄泥田土壤中(经检测，pH为4.96)进行实验，每个试验区为10m²；各自混入猪粪生物炭/水稻秸秆生物炭(用量为1500kg/亩或4500kg/亩)，以不使用任何生物炭作为对照，因此共设定5个区域；每个区域均分别进行如下操作：将制成的生物炭(包括猪粪生物炭和水稻秸秆生物炭)于20cm深度内的耕层中混合均匀即可；然后浇水至田间持水量的70％；接着取耕作层土壤(即深度为20cm内的土壤)600g置于培养袋(8号塑料袋)内；

将培养袋置于温度为25℃的恒温培养箱中培养，每隔3d称重1次并补充水分，以保持土壤含水量恒定。分别在于恒温培养箱中开始培养后的第1、3、6、15、30、60、120天取新鲜土样。每个处理重复3次，并设不加生物炭的处理作为对照。试验持续120d，结束后将土壤样品取出风干，研磨过0.25mm孔径筛供测定用。测定指标包括：pH、速效P、无机氮量(NH₄ ⁺/NO₃ ^-)、盐基离子(K、Na、Ca、Mg等离子)、缓冲性能、水溶性C(DOC)、水溶性N(DON)、可溶性铝、交换性酸和交换性H离子等。测定结果如表1所示。

将添加生物炭的处理与CK相比，可以发现添加生物炭能够提高土壤pH、P含量、盐基离子含量，影响NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、DOC、DON水平，提高土壤缓冲性能，降低可溶性铝、交换性酸和交换性H离子含量。

相同的添加量下猪粪生物炭与水稻秸秆生物炭相比，添加猪粪生物炭的处理pH更高；同种生物炭不同添加量相比，随着施用水平增加，pH、速效P、盐基离子等指标仍会提高，但改良效果的增加程度远远小于添加量的增加程度。

在培养期间内，每个处理的pH经历了先升高后下降，最后趋于平稳的过程，说明从长期看施加生物炭具有稳定提高pH的作用。

表1、不同施用水平下各项生物炭改良酸化低产黄泥田的效果

备注说明：

猪粪生物炭-1％，即，用量为1500kg/亩；猪粪生物炭-3％，即，用量为4500kg/亩。其余类同。

从上述表1中，我们得知：在本发明的用量基础上增加猪粪生物炭的用量，不但存在使成本增加、不易使生物炭混入土壤内的缺陷，且改良效果并没有得到有效提升，因此不推荐使用。

实施例2：设生物炭种类和施用水平两个因素，其中生物炭的种类为猪粪生物炭和水稻秸秆生物炭，生物炭3个水平如实施例1所示。具体为：分别取实施例1的5个区域的耕作层土壤，风干(水分含量≤2.58％)、磨碎并过10目的筛；各取4kg上述黄泥田土对应的装入一个盆内。

配施肥料用量如下：尿素：2.6g/盆；磷酸二氢钾：1.75g/盆；氯化钾：1.34g/盆。每个处理3次重复，随机摆放。

调节土壤为淹水状态。每盆移栽15株水稻，待长出两片真叶后每盆留5株水稻。根据水稻不同生长时期，调节不同的土壤含水量(幼苗期：浅水灌溉；分蘖期：水层保持在2～3厘米左右；拔节孕穗期及以后：深水(水层5厘米左右))，置于温室内。收获后(约120天后收获)测定水稻的株高、干重、根长以及根际土土壤pH、速效P、NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、盐基离子、缓冲性能、DOC、DON、交换性酸和交换性H离子等，测定结果如表2所示。收获后同时取水稻根系周围的根际土和非根际土，提取土壤中细菌的DNA进行测序，测定结果如

表3、图1和图2所示。

表2、本发明利用1％施用水平猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的关于水稻的效果表

表3、本发明利用1％施用水平猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的关于水稻根系周围的根际土和非根际土的效果表

处理	Chao(丰富度指数)	Shannon(香农多样性指数)
			NCK	6473	6.86
NM1％	7144	6.97
			NM3％	6972	6.99
NS1％	7355	6.93
			NS3％	6987	6.89
RCK	5616	6.75
			RM1％	6237	6.90
RM3％	6064	6.71
			RS1％	5934	6.68
RS3％	5870	6.53

备注说明：图1～图2、表3中：

NCK：非根际土空白对照；NM1％：非根际土猪粪生物炭1％；NM3％：非根际土猪粪生物炭3％；NS1％：非根际土水稻秸秆生物炭1％；NS3％：非根际土水稻秸秆生物炭3％；RCK：根际土空白对照；RM1％：根际土猪粪生物炭1％；RM3％：根际土猪粪生物炭3％；RS1％：根际土水稻秸秆生物炭1％；RS3％：根际土水稻秸秆生物炭3％。

根据图1～图2、表2～表3，我们得知：

将添加生物炭的处理与CK相比，可以发现添加生物炭能够提高土壤pH、P含量、盐基离子含量，影响NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N、DOC、DON水平，提高土壤缓冲性能，降低可溶性铝、交换性酸和交换性H离子含量，并促进水稻的生长和提高产量，表现为株高、根长、整棵稻草重量、秸秆重量明显增加；

相同的添加量下猪粪生物炭与水稻秸秆生物炭相比，添加猪粪生物炭的处理pH更高，整棵稻草重量、秸秆重量、株高等指标更大；

同种生物炭不同添加量相比，随着施用水平增加，pH、速效P、盐基离子、整棵稻草重量、秸秆重量、株高等指标仍会提高，但改良效果的增加程度小于添加量的增加程度。

生物炭的添加增加了土壤微生物的Chao和shannon等指标。Chao指标代表了微生物的丰富度，该指标越大代表了微生物的丰富度越高，而shannon指标则代表了微生物的多样性，指标越大代表微生物的多样性越高。由表3可得，对于非根际土，生物炭的添加增加了土壤的丰富度。水稻秸秆生物炭对丰富度的增加效果略大于猪粪生物炭，且添加量1％的效果略大于添加量3％，而生物炭对多样性的增加规律不明显。对于根际土，生物炭的添加增加了土壤的丰富度。猪粪生物炭对丰富度的增加效果略大于水稻秸秆生物炭，且添加量1％的效果略大于添加量3％，而生物炭对多样性的增加规律不明显。

从图1可得，生物炭的添加改变了土壤微生物群落结构。生物炭的添加提高了土壤中拟杆菌门的相对丰度，且随着生物炭添加量的增加，拟杆菌门的相对含量逐渐增加。猪粪生物炭对拟杆菌门的提高效果要大于水稻秸秆生物炭。同时，生物炭的添加还降低了土壤中酸杆菌门的相对丰度，且随着添加量的添加，酸杆菌门的相对丰度逐渐降低。生物炭的添加还增加了土壤放线菌门和芽单胞菌门的相对丰度，而其他的主要菌群受生物炭的影响变化不大。

从图2可得，在生物炭的添加下，非根际土的细菌群落结构与根际土的细菌群落结构略有差异。根际土比非根际土具有更多的酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门和厚壁菌门，而非根际土比根际土具有更多的浮霉菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门。而其他的微生物相对丰度在根际和非根际土里面变化不大。

通过以上两个实施例数据表明，从土壤理化指标和水稻种植结果来看，采用猪粪生物炭，以1％的施用水平施加到土壤中，能够提高土壤的pH，改良土壤的肥力，促进水稻的生长，提高水稻的产量。从细菌DNA测序结果来看，施用猪粪生物炭能够提高根际土和非根际土的土壤微生物丰富度；改变土壤微生物群落结构，提高拟杆菌门、放线菌门和芽单胞菌门的相对丰度，降低酸杆菌门的相对丰度；在生物炭和水稻根系的共同作用下，造成根际土细菌群落结构与非根际土的差异。虽然继续增加生物炭的用量，改良效果仍会有一定程度的增加，但是其增加程度不如添加量的增加程度。综合改良效果和经济成本，以1％的施用水平较佳。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法，其特征是：按照每亩配用1400～1600kg猪粪生物炭的用量比，向酸化低产黄泥田中添加猪粪生物炭；从而实现改良土壤性状，并促进水稻的生长，提高水稻产量。

2.根据权利要求1所述的利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法，其特征是：猪粪生物炭是由风干的猪粪(水分含量≤12％)在500～550℃无氧条件下烧制1.8～2.2小时而成。

3.根据权利要求2所述的利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法，其特征是：将猪粪生物炭于20cm深度内的耕层中混合均匀。

4.根据权利要求1、2或3所述的利用猪粪生物炭改良酸化低产黄泥田的方法，其特征是：影响和调控水稻根系生长土壤环境中的微生物群落结构，提高提高根际土和非根际土的土壤微生物丰富度；在猪粪生物炭和水稻根系的交互作用下，造成根际土细菌群落结构与非根际土的差异，最终缓解黄泥田的酸障碍而促进水稻的生长，提高水稻的产量。