CN104686041A - 一种保水增肥的土壤改良方法和改良土壤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保水增肥的土壤改良方法和改良土壤，所述土壤改良方法是在黄土或沙土中施加风化煤。形成的改良土壤，包括黄土或沙土和施加于黄土或沙土中的风化煤。施加风化煤的优选比例是风化煤与黄土或沙土的质量比在1:2至1:1之间。本发明通过将风化煤施加于土壤中，与黄土或沙土混合成不同配比，对作物生长、水分利用具有促进作用，从而有效利用风化煤资源并改良土壤，做到增肥保水。
Description
技术领域
本发明涉及土壤改良技术领域，具体涉及一种保水增肥的土壤改良方法和改良土壤。
背景技术
我国西部处于干旱半干旱缺水地区，水资源占有量仅为全国的3.9％，与东部相比，年蒸发量为降雨量的6-10倍，加上西部主要土壤类型为黄土和沙土，其土壤肥力大多较为贫瘠，生态脆弱，农作物的产出较低，对于我国这样一个农业大国，提高农田土壤的肥力，增加水分的利用率将是西部急需解决的主要问题。
风化煤是指暴露于地表或位于地表浅层的煤，俗称露头煤。风化煤由于受长期风化作用的影响，含氧量高，发热量低。但其中含有丰富的活性物质腐殖酸,腐殖酸具有的多种活性基团(羧基、酚羟基、醇羟基、甲氧基等)，赋予了腐殖酸多种功能,如酸性、亲水性、阳离子交换性、络合能力及较高的吸附能力等,正是基于腐殖酸的这种特性,有关风化煤的研究一直为人们所关注。主要集中在对其所含有的腐植酸的提取工艺上，例如申请号201110000551.4，公开日为2011年06月15日的中国发明专利申请公开了一种酸溶性腐植酸钾的生产方法。
对于如何采用风化煤改善贫瘠土壤肥力，增加水分利用，提高作物生物量，其研究较少。发明人发现专利号为200510063339.7的中国发明专利公开了一种用于替代表土的煤基生物土，其采取风化煤、粉煤灰、煤矸石、草炭、膨润土、保水剂和土壤稳定剂混合而成的煤基生物土来替代表土，具有保水、固沙、促进植被生长等作用。但其需要采用多种成分进行配比，取材不便，操作繁杂还含有一些高分子化学物质，其主要改进点是恢复生态为主要目的。
发明内容
针对煤矿地区的土壤复垦问题，本发明要解决的技术问题是，如何利用风化煤改善矿区的黄土或沙土土壤，提高所种植作物的生长质量和水分利用效率。
为解决上述问题，本发明提供了一种保水增肥的土壤改良方法，在黄土或沙土中施加风化煤。
作为优选，所述风化煤与黄土或沙土的质量比在1:2至1:1之间。
作为优选，所述风化煤与黄土或沙土的质量比为1:2。
本发明还提供了一种改良土壤，其成分包括黄土或沙土以及施加于所述黄土或沙土中的风化煤，并且只施加风化煤。
作为优选，所述风化煤与黄土或沙土的质量比在1:2至1:1之间。
作为优选，所述风化煤与黄土或沙土的质量比最佳为1:2。
本发明通过将风化煤施加于土壤中，与黄土或沙土混合成不同配比，对作物的生长、水分利用均具有促进作用，从而有效利用风化煤资源并改良土壤，做到增肥保水。试验结果表明，当煤土比为1:2时，作物的生长状况、水分利用效率、矿质元素含量均为最优，煤土比为1:2-1:1的区间为较佳的区间。由于只在黄土或沙土中施加风化煤，具有取土便捷、来源广、成本低、更适用于当地农田土壤的快速改良培肥、提高水分利用效率，且无外来化学添加物，不会产生负效应等多方面的优点。
附图说明
图1为本发明的实施例的玉米地上部分干重的平均值(单位：g)随煤土比(煤土比在图1-图7中指的是风化煤与黄土质量比)变化的柱状图；
图2为本发明的实施例的玉米叶面积的平均值(单位：cm2)随煤土比变化的柱状图；
图3为本发明的实施例的玉米叶色值的平均值随煤土比变化的柱状图；
图4为本发明的实施例的玉米地上部分氮元素含量(单位：mg/株)随煤土比变化的柱状图；
图5为本发明的实施例的玉米地上部分磷元素含量(单位：mg/株)随煤土比变化的柱状图；
图6为本发明的实施例的玉米地上部分钾元素含量(单位：mg/株)随煤土比变化的柱状图；
图7为本发明的实施例的玉米地上部分水分利用系数(单位：g/L)随煤土比变化的柱状图；
图8为本发明实施例的紫穗槐苗木和沙棘苗木的生长量随煤土比(煤土比在图8中指的是风化煤与沙土质量比)变化的柱状图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
首先声明的是，在本申请中，煤土比(风化煤与黄土或沙土质量比的简称)的区间均包括端点值。
由于风化煤中含有的丰富的活性物质腐殖酸对植物生长具有促进作用，本实施例通过将风化煤施加于黄土中，研究风化煤对玉米生长的影响。
本实施例采用室内盆栽试验，研究风化煤与黄土不同配比组成的土壤对玉米生长、玉米水分利用效率以及玉米地上部分所吸收的矿质元素含量的影响，得出风化煤与黄土的最佳混合比例，合理利用风化煤促进玉米生长，保水增肥改良土壤。
试验条件说明
试验在温室内进行，根据风化煤与黄土按不同质量比的混合比例分为七组，即：纯黄土(L)，煤土比(在本实施例中，煤土比为风化煤与黄土质量比，下文同)分别为1:3、1:2、1:1、2:1、3:1以及纯风化煤(W)。栽种玉米的塑料盆的规格为：11cm(高)×13cm(盆口直径)×9cm(盆底直径)，每盆中的风化煤与黄土质量共重为1100g，每个处理设3个重复(指的是同一煤土比的土壤同时种植三盆，每盆一株，求其平均值)，浇水达到最大饱和持水量，水分平衡1天后，播种。将玉米种子用10％的H2O2溶液浸泡10min做表面消毒，再用去离子水清洗10次，每个小盆播种玉米5棵，玉米出苗5天后间苗，每盆保持1株，种植玉米后18天向土壤加入NH4NO3，KH2PO4，KNO3配置成的营养液，使供试土壤中N、P、K的质量分数分别为150mg/kg，30mg/kg，100mg/kg。利用称重法控制浇水量，浇水量为基质最大持水量的70％。其中，煤土比为1:3，1:2，1:1，2:1，3:1的基质最大持水量分别为46％，47％，49％，54％，56％。
试验材料
试验用土壤为黄土，风干，过2mm筛。试验用风化煤来自陕西省神木县大柳塔矿区，风干。试验用黄土与风化煤的材料基本性状见表1。
表1 试验用材料的基本性状
| 样品 | pH(H2O) | 有机质(％) | 速效磷(mg·kg-1) | 最大持水量(％) |
| 黄土 | 7.72 | 0.43 | 12.7 | 40 |
| 风化煤 | 6.25 | 85.34 | 痕量 | 64 |
玉米生长指标的量测
苗期玉米生长到70天后，将植株的地上部分和根系分开，用自来水清洗根系附着的泥土，在105℃烘箱内杀青30min，然后放到80℃烘箱内直至烘干。分别称量每盆玉米的地上部分的干重和根系的干重。
(1)玉米地上部分干重
风化煤与黄土按不同煤土比组成的土壤所栽培的玉米地上部分干重的数值如表2所示，其变化趋势如图1所示。请参考表2与图1，随着煤土比的增大，玉米地上部分干重整体上呈先升后降的趋势，在煤土比为1:2时，玉米地上部分干重达到最大，为1.83g；继续增加风化煤的比例，地上部分干重开始下降，当煤土比达到1:1时，地上部分干重为1.50g，是此七个数据中的第二高的数据。再继续增加风化煤的比例，当煤土比达到2:1、3:1时，玉米地上部分干重与纯风化煤(W)时差不多，但均高于煤土比为1:3时的值，但都低于煤土比为1:1时的值。从提高玉米地上部分干重的角度来看，煤土比的最优比例为1:2，其次优的可供选择的区间为1:2-1:1。
表2 不同煤土比土壤种植玉米的地上部分干重
| 煤土比 | L | 1:3 | 1:2 | 1:1 | 2:1 | 3:1 | W |
| 地上部分干重(g) | 1.22 | 1.23 | 1.83 | 1.50 | 1.46 | 1.49 | 1.48 |
(2)叶面积和叶色值
玉米的叶面积由YMJ-C活体叶面积测定仪(浙江托普仪器有限公司生产)测定，选取植株同一侧倒二叶进行测量。玉米叶片的叶色值(SPAD值)由SPAD-502叶绿素测定仪来测定，测量时均匀选取叶片上20～25个点，取平均值得到该叶片的叶色值。
表3为本实施例中在不同煤土比土壤种植的玉米的叶面积和叶色值。图2为本实施例的玉米的叶面积(单位：cm2)随煤土比变化的柱状图；图3为本实施例的玉米的叶色值随煤土比变化的柱状图。请结合表3以及图2和图3可以看出，从纯黄土(L)开始，随着煤土比的增大，玉米的叶色值、叶面积均从整体上呈先升后降的趋势。如图2所示，当煤土比为1:2时，叶面积均达到最大，为27.10cm2；继续提高风化煤的比重，叶面积有所降低，在煤土比1:1时，叶面积为25.54，为七个数据中的第二高的数值。从提高叶面积的角度看，煤土比为1:2时为最佳，煤土比1:2-1:1的区间为较佳的选择区间。此外，更次优的，可选择1:3-1:2的区间。故最优的比例为1:2。其他比例时的叶面积都小于煤土比1:1时的叶面积，故煤土比设定在1:2-1:1的区间是较为优选的区间。
如图3和表3所示，随着煤土比的增大，叶色值也是从整体上呈现先增长后下降的趋势：在煤土比为1:2时玉米叶片叶色值为30.27，与最大值30.77相差无几；当煤土比为1:1时，叶色值达到最大值，为30.77。此后，随着煤土比的继续增大，叶色值有所下降，但大致稳定。从叶色值方面看，煤土比为1:1和1:2以及二者之间的区间均可认为最佳配比，从叶色值随着煤土比的增大而先增长后下降的趋势看，煤土比在1:2-1:1的区间时，玉米的叶色值都大于30，其他比例时的叶色值都小于煤土比1:1和1:2时的叶色值。故从提高玉米叶色值的角度，应将煤土比定在1:2-1:1之间。
综上，由于地上部分干重，叶面积存在随着煤土比的增大而先增大后下降的趋势，二者均在煤土比1:2时二者达到最大；并且在煤土比在1:2-1:1之间时，为地上部分干重，叶面积随着煤土比的增大而增大的区间其数值都位于较高的区间，高于其他配比时的值。此外，叶色值在煤土比为1:1达到最大，在1:2时，叶色值稍低于最大值，基本持平，从提高叶色值的角度，也应将煤土比设在1:2-1:1的区间。综合玉米地上部分干重，叶面积和叶色值这三项指标，煤土比1:2是最优的配比，煤土比在1:2-1:1之间的区间是可供选择的优选区间。
从土壤的性质来分析上述各项指标随着风化煤的比重增大而呈现先增加后下降的趋势，对于黄土来说，维持较高的持水量时易造成土壤粘结,土壤空隙度下降,通透性变差,造成了土壤氧气含量降低,根系和土壤微生物呼吸减弱,根系生长受阻,从而影响整个植株的生长，故加入风化煤之后改善了其土壤环境，植物的生长指标随着加入风化煤的比例的增大而增大；但是风化煤的比例过高也会破坏植物根际的微环境，抑制了植物的生长，故风化煤应保持适当的比例。
经过实验验证，当煤土比1:2时，对玉米生长的促进作用最明显，煤土比在1:2-1:1之间的区间是可供选择的优选区间，在此区间，玉米的生长也较好。
表3 不同煤土比土壤种植玉米的叶面积和叶色值
| 煤土比 | L | 1:3 | 1:2 | 1:1 | 2:1 | 3:1 | W |
| 叶面积(cm2) | 23.10 | 24.16 | 27.10 | 25.54 | 25.10 | 24.93 | 24.36 |
| 叶色值 | 24.47 | 26.8 | 30.3 | 30.8 | 28.8 | 28.7 | 27.50 |
(3)玉米地上部分矿质元素的含量
首先，对玉米的地上部分全氮、全磷、全钾含量的测量。
将烘干后的玉米地上部分用研磨机研磨至粉状，过0.2mm筛，用H2SO4-H2O2法消煮。利用凯氏定氮法测定玉米地上部分全氮含量，利用ICP法测定玉米地上部分全磷和全钾含量。表4是在不同煤土比的土壤种植的玉米地上部分的氮、磷、钾含量列表。图4为本实施例的玉米的地上部分氮元素含量(单位：mg/株)随煤土比变化的柱状图；图5为本实施例的玉米的地上部分磷元素含量(单位：mg/株)随煤土比变化的柱状图；图6为本实施例的玉米的地上部分钾元素含量(单位：mg/株)随煤土比变化的柱状图。
如表4以及图4-图6所示，玉米地上部分全氮、全磷、全钾含量从整体上，均随风化煤施用量的增加呈现先增大后减小的趋势。并均在煤土比为1:2时，氮、磷、钾的含量均最大，分别为19.86mg·株-1、1.29mg·株-1、40.12mg·株-1。此后再继续提高煤土比，地上部分的氮、磷、钾含量逐渐下降，并且都在煤土比为1:1时，氮、磷、钾的含量均达到第二高的数值。故从试验结果来看，在黄土中增加适量的风化煤，有利于玉米对氮、磷、钾矿质元素的吸收和利用，当煤土比为1:2时，玉米矿质元素的利用效率最高，玉米营养状况最好，为最佳配比。煤土比在1:2-1:1的区间为较佳的配比区间，地上部分氮、磷、钾含量均大于其他配比时的相应数值。
表4 在不同煤土比土壤种植的玉米地上部分的氮、磷、钾含量
| 煤土比 | L | 1:3 | 1:2 | 1:1 | 2:1 | 3:1 | W |
| 氮(mg/株) | 13.67 | 14.67 | 19.86 | 18.71 | 16.67 | 17.16 | 16.35 |
| 磷(mg/株) | 0.58 | 0.65 | 1.29 | 0.96 | 0.83 | 0.73 | 0.73 |
| 钾(mg/株) | 26.22 | 31.66 | 40.12 | 36.79 | 35.17 | 35.04 | 34.79 |
玉米水分利用效率
玉米的水分利用效率取决于其干物质积累量和生育期耗水量，由每次的浇水记录计算植株在整个试验期内的耗水量。本实施例中的每个处理的水分利用效率是指作物生育期消耗1L水所能生成的玉米的干物质重量。地上部分水分利用系数(g/L)＝WW/Wt，WW为地上部分干重，单位g；Wt为植株生育期总耗水量，单位L。
不同煤土比的玉米水分利用效率如表5及图7所示，同样地，随着风化煤施用量的增加，玉米地上部分水分利用系数从整体上看，也存在先增加后下降的趋势，并且在煤土比为1:2时，玉米地上部分水分利用系数达到最大，为0.40g/L，此后再增加风化煤比重，玉米地上部分水分利用系数逐渐下降，并在1:1时下降至0.31，为此组数据中的第二高的数值。由此可见，在黄土中施加适量的风化煤，混合后能够促进玉米对水分的吸收和利用，在煤土比1:2时，玉米水分利用效率最高，保水能力最强，为最优配比。而煤土比在1:2-1:1的区间为较佳的配比区间，煤土比从1:1增大至2:1,3:1以及纯风化煤(W)时，玉米水分利用效率都差不多，都低于1:1时的数值。从水分利用效率方面看，煤土比1:2为最佳配比，煤土比1:2-1:1的区间为较佳的配比区间。
表5 在不同煤土比的土壤种植玉米的水分利用效率
综合上文对玉米的各项生长指标的结果来看，将风化煤施加于土壤中，与黄土混合成不同配比，对玉米生长、水分利用具有促进作用，从而有效利用风化煤资源并改良土壤，做到增肥保水。试验结果表明，随着煤土比的增大，各项指标都呈现先增加后下降的趋势，并且除了叶色值之外，其他指标均在煤土比1:2时，玉米生长状况、水分利用效率、矿质元素含量均为最优，因此，煤土比1:2为最佳比例。煤土比1:1时为除了叶色值之外，各项指标的第二高的比例，故1:2-1:1的区间为较佳的区间。而叶色值在煤土比1:1为最高，1:2时为次高，从叶色值的指标来看，1:2-1:1的区间也是较佳的区间。
此外，本领域的技术人员应该理解，由于玉米的大部分生长指标都是在煤土比1:2时达到最高，显然在煤土比1:2的附近区间，都是较好的选择。从试验结果来看，在煤土比小于1:2区间中，由于煤土比1:3时，玉米的各项指标较低，均低于1:1时的值，结合上述所述的玉米各项生长指标整体上随着煤土比的增加而呈现先增大后减小的趋势的规律来看，煤土比的另一个次优的选择应控制在稍微小于1:2的区间内，例如1:1.9,1:1.8的比例下，玉米的生长指标也较高。
本发明通过在黄土中配比风化煤来改良土壤质量，在黄土中只施加风化煤，具有取土便捷、来源广、成本低、不添加其他化学物质、更适用于当地农田土壤的快速改良培肥、提高水分利用率，不会产生负效应等多方面的优点。最接近的现有技术，即专利号为200510063339.7的中国发明专利，其主要用于沙漠化土地、贫瘠土地或塌陷地，以促进草的生态恢复为主目的，但是内容并没有涉及对植物养分及水分的利用；而本申请是通过在黄土中施加风化煤，以提高玉米产量，改良土壤和提高水分利用率为主要目的，从发明目的、具体的技术方案以及所实现的有益效果来看，二者均有很大的差异。而且，本发明的技术方案中，我国西部干旱半干旱地区是主要的产煤区，其主要的粮食作物为玉米，故研究风化煤对玉米生长的促进作用以改善西部矿区黄土质量，提高水分利用率具有非常重要的现实意义。
上述实施例是以黄土为例进行说明的，下文以沙土为例进行说明。通过在沙土中配比不同比重的风化煤，分别种植紫穗槐苗木和沙棘苗木，测量其生长量，比较不同煤土比(在此实施例中，煤土比为风化煤与沙土质量比)下的生长量。具体的生长情况如表6所示以及图8所示(其中的煤土比指的是风化煤与沙土的质量比)，图8中的黑色代表紫穗槐苗木，空白的代表沙棘苗木。
表6 沙土中配比风化煤后种植紫穗槐苗木和沙棘苗木的生长量对比
| 煤土比 | L | 1:3 | 1:2 | 1:1 | 2:1 | 3:1 | W |
| 紫穗槐苗木生长量(cm) | 5.4 | 6.3 | 10.3 | 8.5 | 7.4 | 7.1 | 6.7 |
| 沙棘苗木生长量(cm) | 4.4 | 5.3 | 7.6 | 7.1 | 5.9 | 5.5 | 4.9 |
如表6和图8所示，在沙土中配比风化煤，也同样具有促进植株生长的作用，并且对于紫穗槐苗木和沙棘苗木这两种植株来说，在整体上，其生长量均随着煤土比的增大而呈现先增大后减小的规律，并且都是在煤土比为1:2时达到最大，并且都在煤土比为1:1时降低为第二高的数值。故对沙土来说，增加适量的风化煤也能促进植物生长，其最佳比例为1:2(也应包括1:2附近的比例)，次优的比例为1:1。煤土比为1:2-1:1的区间是优选的配比区间。
当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种保水增肥的土壤改良方法，其特征在于，在黄土或沙土中施加风化煤。
2.如权利要求1所述的保水增肥的土壤改良方法，其特征在于，所述风化煤与黄土或沙土的质量比在1:2至1:1之间。
3.如权利要求2所述的保水增肥的土壤改良方法，其特征在于，所述风化煤与黄土或沙土的质量比为1:2。
4.一种改良土壤，其特征在于，包括黄土或沙土，以及施加于所述黄土或沙土中的风化煤。
5.如权利要求4所述的改良土壤，其特征在于，所述风化煤与黄土或沙土的质量比在1:2至1:1之间。
6.如权利要求5所述的改良土壤，其特征在于，所述风化煤与黄土或沙土的质量比为1:2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150610 |