CN104789228A - 一种组合土壤添加剂、制备方法及配施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由生物炭和硝化抑制剂组成组合土壤添加剂及其制备方法，并在一定条件下混合配施，解决了以下问题：1)促进小麦的地上部生物量和产量的增加，盆栽试验小麦产量分别高出生物炭单施、硝化抑制剂单施和不施添加剂对照处理80％、65％和103％；2)促进小麦对氮素的吸收利用，提高了氮肥利用效率，盆栽试验氮肥收获指数较对照不施添加剂处理提高了22％；3)降低径流和渗漏液中TN浓度和径流液中TP浓度，进而减少氮磷损失量，尽量避免了环境污染；具有良好的经济效益和社会效益，为指导农业生产提供有益的参考。

Description

一种组合土壤添加剂、制备方法及配施方法

技术领域

本发明涉及一种组合土壤添加剂、其制备方法及配施方法，能够提高小麦产量并减少氮磷流失；属于土壤改良与面源污染控制领域。

背景技术

农业面源污染是流域水体环境恶化的主要原因之一，以太湖为例，农业面源污染对入湖总氮的比例在34％-52％，总磷的比例在17％-54％。

目前，农业面源污染源头控制研究主要集中在氮肥的管理模式和土地管理模式这两个方面，具体体现为：(1)、肥料减量施用、有机无机肥配施、以及缓控释肥的施用均可有效地降低氮素的损失量，达到保护环境的目的；(2)、土地的不同管理模式，如秸秆还田、免耕等也可以有效地减少养分的流失。但这些措施均有诸多不足，比如肥料的减量必须是适当的，减量必然会导致作物减产，降低经济效益；有机肥重金属含量较高，施入土壤后易引起土壤重金属的超标；秸秆覆盖则可能造成作物减产、增加土壤CO₂和甲烷等温室气体的排放。综合来看，现有技术中尚缺乏合理的技术手段，既能实现较好的氮磷减排效果，又尽量避免其他的负面影响(如减产、重金属污染等)。因此，如何提搞肥料的利用率同时降低氮磷排放污染，是亟待解决的一个技术问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种组合土壤添加剂、制备方法及配施方法，达到增加小麦产量、减少氮磷流失的目的。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

本发明首先公开了一种组合土壤添加剂，由生物炭和硝化抑制剂组成，其中，生物炭的添加量为土壤干重的0.1％-5wt％，硝化抑制剂的添加量为土壤中施氮量的0.5％-10wt％，这里所述的施氮量为纯氮的质量。通过添加硝化抑制剂可减少土壤溶液中硝酸根的含量，再通过施加生物炭，利用其表面带负电的特性，通过吸附作用吸附滞留在土壤溶液中的铵根，从而达到减少氮磷营养盐(特别是氮素)流失的效果。总的来说，在本发明中，配施硝化抑制剂与生物炭，可以实现协同作用，得到更好的效果。

然后，本发明还公开了前述的一种组合土壤添加剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备生物炭：将生物质材料置于300-700℃的煅烧炉或马弗炉中，在缺氧条件下进行烧制，烧制好的生物炭自然冷却后备用；此处所述的缺氧条件可通过充氮气来实现，也可以将生物质材料置于密闭容器中实现。

S2、根据土壤类型，称取土壤干重0.1％-5wt％的生物炭，待用；

S3、根据土壤中的施氮量，称取纯N质量0.5％-10％的硝化抑制剂，待用。

具体地，前述生物质材料包括玉米、小麦、水稻、大豆、油菜、棉花、树枝中的一种或多种；但是并不限于这些，也可以是其他的秸秆类材料、木质材料或其他含炭生物质材料。烧制好的生物炭自然冷却后即可使用，对于较大颗粒的生物质炭材料，如树枝生物炭，一般还需要进一步的粉碎才可以施加到土壤中。

优选地，前述硝化抑制剂为：含硫化合物、乙块、乙炔基取代物、氰胺类化合物及杂环氮化合物中的一种或多种；但是并不限于这些，其中最常使用的包括乙炔、三氯甲基吡啶Nitrapyrin、双氰胺DCD或3,4一二甲基吡唑磷酸盐DMPP。

此外，本发明还公开了前述的一种组合土壤添加剂的配施方法，包括如下步骤：

(1)、制备生物炭：将生物质材料置于300-700℃的煅烧炉或马弗炉中，在缺氧条件下进行烧制，烧制好的生物炭自然冷却后备用；

(2)、根据土壤类型，称取土壤干重0.1％-5wt％的生物炭，待用；

(3)、根据土壤中的施氮量，称取纯N质量0.5％-10％的硝化抑制剂，待用；

(4)、将步骤(2)准备好的生物炭深施或浅施到土壤中；

(5)、将步骤(3)准备好的硝化抑制剂采用溶液喷施或颗粒撒施的方式施加到土壤中。

在步骤(2)中，土壤类型分为酸性土壤和碱性土壤，酸性土壤中的生物炭施加量多于碱性土壤。原因分析如下：酸性土壤(如红壤)中可以施加较多量的生物炭，缓解土壤酸化，实现更好的经济环境效益；而对于碱性土壤，施加生物炭的量不宜过多，否则会导致土壤pH失衡，氮肥氨挥发显著，进而影响氮肥利用率及作物产量。

在步骤(4)中，所述深施为：将生物炭施加到土壤中，翻耕20-50cm；浅施为：将生物炭撒施到土壤表层，翻耕厚度10-20cm。

在步骤(5)中，所述溶液喷施为：首先将肥料颗粒撒入土壤中，然后将硝化抑制剂溶解到水中，使用喷壶将含有硝化抑制剂的水溶液喷洒到肥料颗粒表面，翻耕或覆土；所述颗粒撒施为：将硝化抑制剂颗粒与肥料颗粒充分混匀，直接将混合物施入土壤中，覆土。

进一步地，施加时间可以分为以下两种方式：

A、生物炭与硝化抑制剂全部一次性施入：在种植小麦前施加生物炭，在施加基肥时配施全部用量的硝化抑制剂，然后翻耕，种植小麦，后期追肥时不再施加硝化抑制剂；

B、生物炭一次性施入，硝化抑制剂随肥料分次施入：在种植小麦前施加生物炭，在施加基肥时只施入与基肥相应比例的硝化抑制剂，然后翻耕，种植小麦，后期施加追肥时再按追肥的相应比例施加硝化抑制剂。

生物炭(biochar)是一种新型物质，其表面多孔性特征显著，具有大量的孔洞，孔隙大小不一，这种孔洞结构有利于土壤微生物的生长；而且，生物炭具有容重小，吸水、气能力强，且带有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性，能形成电磁场，构成了生物炭良好的吸附特性，能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子、极性或非极性有机化合物。因此，在土壤中施加生物炭，能够增大土壤阳离子的交换量，实现对某些营养盐的“滞留”，减少营养物质的流失，增加植物对这些营养盐的利用效率，同时降低农业面源污染。然而，生物炭表面往往呈现电负性，对同为电负性的离子如硝酸根的吸附性能往往不理想。为了解决这一问题，本发明从尽量减少硝酸根的角度寻求解决方案。

土壤中大部分硝酸根是由于硝化作用而产生的，所谓“硝化作用”，是指土壤中的铵态氮在微生物的作用下氧化为硝态氮的过程，分为自养硝化和异养硝化两种类型。异养硝化是指有机氮或NH₃被一些异养微生物(细菌、真菌和放线菌)氧化的过程，可以通过酸化土壤来防止异养硝化作用的进行。但是，土壤中的硝化过程以自养硝化作用为主，通常所说的硝化作用都是自养硝化作用。从原理上来说，硝化作用分两个步骤进行，即亚硝化过程和硝化过程，只要其中的一个反应被抑制，就能抑制整个硝化过程。铵态氮的硝化作用不仅可以产生N₂O，其氧化形成的硝态氮也易于通过淋洗和反硝化作用损失。因此，对铵态氮肥或能形成铵的肥料来说，延缓或抑制硝化过程的进行是减少氮素损失、提高氮肥利用率的重要途径之一。硝化抑制剂是一类能通过抑制土壤亚硝化细菌活性、延缓硝化过程的化学物质的总称，施用硝化抑制剂能使铵态氮在土壤中保持较长时间，所以硝化抑制剂在保存土壤氮素、延长氮肥肥效、减少氮素损失方面的作用十分显著。

本发明中，由生物炭和硝化抑制剂组成的组合土壤添加剂，能够实现生物炭滞留营养盐的目的，抑制氨氮向硝氮的转化，降低营养盐中电负性离子(特别是硝氮)的比例，进而利于生物炭发挥其作用，滞留土壤溶液中的氨氮向环境水体中的输送，达到缓解面源污染的效果。

此外，本发明将硝化抑制剂和生物炭进行配施，产生了明显的协同作用效果，实现更好的环境效益和经济效益。硝化抑制剂抑制了土壤氨氮向硝氮的转化，降低了土壤硝态氮含量，减少了硝酸根向下淋洗的风险；生物炭则将氨根离子紧密吸附在生物炭上，减少了土壤溶液中的氨氮浓度，降低了径流流失风险。而且，吸附在生物炭上的铵根离子能够重新解析释放，从而起到了养分缓慢释放的作用，更好地实现了作物养分需求与土壤养分供应之间的平衡，提高了肥料利用率，促进了作物产量；同时，生物炭的添加也能改善土壤性状，有利于小麦生产的可持续发展。

总的来说，本发明的有益之处在于：本发明由生物炭和硝化抑制剂组成组合土壤添加剂，在一定条件下混合配施，解决了以下问题：1)促进小麦的地上部生物量和产量的增加，盆栽试验小麦产量分别高出生物炭单施、硝化抑制剂单施和不施添加剂对照处理80％、65％和103％；2)促进小麦对氮素的吸收利用，提高了氮肥利用效率，盆栽试验氮肥收获指数较对照不施添加剂处理提高了22％；3)降低径流和渗漏液中TN浓度和径流液中TP浓度，进而减少氮磷损失量，尽量避免了环境污染；与生物炭单施、硝化抑制剂单施和不施添加剂处理相比，本发明生物炭和硝化抑制剂配施处理的径流总氮浓度分别降低了35％、29％和47％，渗漏总氮浓度分别降低了35％、1％和69％；具有良好的经济效益和社会效益，为指导农业生产提供有益的参考。

附图说明

图1是各配施方式下不同生育期小麦株高的对比；

图2是各配施方式下不同生育期小麦叶面积的对比；

图3是各配施方式下小麦成熟期地上部生物量的对比；

图4是各配施方式下小麦实际所得籽粒重量的对比；

图5是各配施方式下小麦成熟期氮积累的对比；

图6是各配施方式下氮肥回复效率的对比；

图7是各配施方式下氮肥生理效率的对比；

图8是各配施方式下氮肥农学效率的对比；

图9是各配施方式下氮肥收获指数的对比；

图10是各配施方式下麦季径流流失总氮浓度的对比；

图11是各配施方式下麦季渗漏流失总氮浓度的对比；

图12是各配施方式下麦季径流流失总磷浓度的对比。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

为了检验本发明的组合土壤添加剂及配施方法的效果，实施例重点考察其对小麦生长主要相关指标、对小麦成熟期地上部生物量和实际所得籽粒重量、对氮素利用率以及养分流失的影响。

实施例1

本实施例首先将组合土壤添加剂制备好，然后再将其应用于小麦的生长进行配施。具体包括：

(1)、制备生物炭：将生物质材料小麦秸秆置于300-700℃的煅烧炉或马弗炉中，在缺氧条件(氮气气氛)下进行烧制，烧制好的生物炭自然冷却后备用；

(2)、称取土壤干重0.1％-5wt％的生物炭，待用；

本实施例中，土壤采集自太湖流域(苏州望亭)，其土壤主要理化指标如下：

表1供试土壤理化性质

由表1可见，本实施例的土壤偏酸性，根据前面所述，需要施加较多量的生物炭，因此，本发明中生物炭的施加量最终选择为1wt％。

(3)、根据土壤中的施氮量，称取纯N质量0.5％-10％的硝化抑制剂，待用；本实施例涉及的硝化抑制剂是DCD，即双氰胺(化学式：C₂H₄N₄，CAS：461-58-5)，其添加量为纯N质量的4％。

(4)、将步骤(2)准备好的生物炭深施或浅施到土壤中；本实施例中，将生物炭与土壤充分混匀，然后置于盆栽中。

(5)、将步骤(3)准备好的硝化抑制剂采用溶液喷施或颗粒撒施的方式施加到土壤中；本实施例中，将硝化抑制剂与尿素按比例混合，溶解到水中，喷洒到土壤表层，覆土。

在本实施例中，生物炭与硝化抑制剂一次性全部施入，即在施加基肥时配施全部用量的硝化抑制剂，然后翻耕，种植小麦，后期追肥时不再施加硝化抑制剂。

实施例2

本实施例与实施例1相似，首先将组合土壤添加剂制备好，然后再将其应用于小麦的生长进行配施。具体包括：

(1)、制备生物炭：将生物质材料油菜置于300-700℃的煅烧炉或马弗炉中，在缺氧条件(氮气气氛)下进行烧制，烧制好的生物炭自然冷却后备用；

(2)、称取土壤干重0.1％生物炭，待用；本实施例的土壤为碱性土壤，因此，本发明中生物炭的施加量较少。

(3)、根据土壤中的施氮量，称取纯N质量0.5％-10％的硝化抑制剂，待用；本实施例涉及的硝化抑制剂是乙炔，其添加量为纯N质量的1％。

(4)、将步骤(2)准备好的生物炭深施或浅施到土壤中；本实施例中，将生物炭与土壤充分混匀，然后置于盆栽中。

(5)、将步骤(3)准备好的硝化抑制剂采用溶液喷施或颗粒撒施的方式施加到土壤中；本实施例中，将硝化抑制剂与尿素按比例混合，溶解到水中，喷洒到土壤表层，覆土。

在本实施例中，生物炭一次性施入，硝化抑制剂随肥料分次施入：在种植小麦前施加生物炭，在施加基肥时只施入与基肥相应比例的硝化抑制剂，然后翻耕，种植小麦，后期施加追肥时再按追肥的相应比例施加硝化抑制剂。

实施例3

本实施例与实施例3相似，首先将组合土壤添加剂制备好，然后再将其应用于小麦的生长进行配施。具体包括：

(1)、制备生物炭：将生物质材料油菜置于300-700℃的煅烧炉或马弗炉中，在缺氧条件(氮气气氛)下进行烧制，烧制好的生物炭自然冷却后备用；

(2)、称取土壤干重5％生物炭，待用；本实施例的土壤为酸性土壤，因此，本发明中生物炭的施加量较多。

(3)、根据土壤中的施氮量，称取纯N质量0.5％-10％的硝化抑制剂，待用；本实施例涉及的硝化抑制剂是DMPP，其添加量为纯N质量的10％。

(4)、将步骤(2)准备好的生物炭深施或浅施到土壤中；本实施例中，将生物炭与土壤充分混匀，然后置于盆栽中。

(5)、将步骤(3)准备好的硝化抑制剂采用溶液喷施或颗粒撒施的方式施加到土壤中；本实施例中，将硝化抑制剂与尿素按比例混合，溶解到水中，喷洒到土壤表层，覆土。

在本实施例中，生物炭一次性施入，硝化抑制剂随肥料分次施入：在种植小麦前施加生物炭，在施加基肥时只施入与基肥相应比例的硝化抑制剂，然后翻耕，种植小麦，后期施加追肥时再按追肥的相应比例施加硝化抑制剂。

指标监测

首先对图1至图12中的标注进行统一说明：配施方式共5种，图中所示“不施肥”为未添加氮磷钾的对照处理；“施肥”为正常施用氮磷钾的对照处理；“肥炭”为正常施加氮磷钾的同时施加1％的生物炭处理；“肥硝”为正常施加氮磷钾的同时施加4％的硝化抑制剂(DCD)处理；“肥炭硝”为正常施加氮磷钾的同时施加1％的生物炭和4％的硝化抑制剂(DCD)处理(也即本发明的组合土壤添加剂)。

指标监测包括如下几个方面，均以实施例1为代表对其小麦生长进行监测：

(1)、本发明的组合土壤添加剂及配施方法对小麦生长主要指标的影响，具体包括：小麦拔节期与抽穗期的株高、叶面积，数据分布见图1和图2，从左至右依次为不施肥、施肥、肥炭、肥硝及肥炭硝。

由图1、图2可见，经本发明的组合土壤添加剂(生物炭和硝化抑制剂)配施处理的小麦后期生长较好，株高和叶面积均在拔节期到抽穗期之间有较大的增加，到抽穗期时，肥炭硝处理株高分别较肥炭和肥硝处理高22％和10％，较施肥处理高43％。肥炭硝处理下抽穗期叶面积较拔节期高出26％，较抽穗期施肥处理高5％。可见，生物炭和硝化抑制剂配施处理可以大大促进小麦生长，尤其在小麦生长后期表现更为明显。

(2)、本发明的组合土壤添加剂及配施方法对小麦成熟期地上部生物量和实际所得籽粒重量的影响，数据分布见图3和图4。

由图3、图4可见，经本发明的组合土壤添加剂配施处理的小麦成熟期地上部生物量，较肥炭、肥硝和施肥处理分别高出18％、17％和26％。生物炭和硝化抑制剂的配施极大地提高了小麦的产量，分别高出生物炭单施、硝化抑制剂单施和施肥处理80％、65％和103％。可见，本发明提出的混合配施生物炭与硝化抑制剂可以显著提升小麦产量，达到增产的目的。

(3)、本发明的组合土壤添加剂及配施方法对氮素利用率的影响，数据分布见图5至图9。

由图5和图6可见，经本发明的组合土壤添加剂配施处理的小麦对氮素的积累较高，肥炭硝处理氮素积累量较肥炭、肥硝和施肥处理分别高出12％、2％和47％；氮肥恢复效率(REN)分别提高19％、2％和94％。

由图7和图8可见，本发明的组合土壤添加剂可以使氮肥生理效率(PEN)和农学效率(AEN)得到极大的提高，肥炭硝处理PEN和AEN分别是肥炭、肥硝和施肥处理的4.7、3.7、7.7倍和5.4、3.6、14.6倍。再结合图9来看，生物炭和硝化抑制剂的单施都没有增加氮肥的收获指数，但两者组成的组合土壤添加剂的配施却提高了氮肥收获指数，较施肥处理提高了22％，由此可见，本发明中，生物炭和硝化抑制剂二者配施实现了协同作用，得到了出乎意料的效果。

综合图5-图9可见，本发明的组合土壤添加剂配施提高了小麦对氮肥的利用率，实现了较好的经济效益。

(4)、本发明的组合土壤添加剂及配施方法对养分流失的影响，数据分布见图10至图12。

由图10和图11可见，肥炭硝处理同时降低了麦季径流和渗漏流失的总氮浓度，与肥炭、肥硝和施肥处理相比，肥炭硝处理的径流总氮浓度分别降低了35％、29％和47％；渗漏总氮浓度分别降低了35％、1％和69％。

由图12可见，肥炭硝配施在降低径流和渗漏氮浓度的同时，还降低了径流磷浓度，较肥炭、肥硝和施肥处理，肥炭硝径流总磷浓度分别降低了41％、34％和37％。

综合图10至图12可见，本发明的组合土壤添加剂配施可以显著降低田面径流中的氮磷浓度，进而可以减少农田氮磷损失对地表水富营养化带来的风险，实现了良好的环境效益，具有广阔的应用前景。

实施例2和实施例3的检测结果与实施例1的检测结果一致，对于促进小麦生长、减少氮磷流失等均具有良好的效果。

综上，本发明由生物炭和硝化抑制剂组成组合土壤添加剂，在一定条件下混合配施，能够实现：1)促进小麦的地上部生物量和产量的增加；2)促进小麦对氮素的吸收利用，提高了氮肥利用效率；3)降低径流和渗漏液中TN浓度和径流液中TP浓度，进而减少氮磷损失量，尽量避免了环境污染，具有良好的经济效益和社会效益，为指导农业生产提供了有益的参考。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种组合土壤添加剂，其特征在于，由生物炭和硝化抑制剂组成，所述生物炭的添加量为土壤干重的0.1％-5wt％，所述硝化抑制剂的添加量为土壤中施氮量的0.5％-10wt％，所述施氮量为纯氮的质量。

2.如权利要求1所述的一种组合土壤添加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制备生物炭：将生物质材料置于300-700℃的煅烧炉或马弗炉中，在缺氧条件下进行烧制，烧制好的生物炭自然冷却后备用；

S2、根据土壤类型，称取土壤干重0.1％-5wt％的生物炭，待用；

S3、根据土壤中的施氮量，称取纯N质量0.5％-10％的硝化抑制剂，待用。

3.根据权利要求2所述的一种组合土壤添加剂的制备方法，其特征在于，所述生物质材料包括玉米、小麦、水稻、大豆、油菜、棉花、树枝中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的一种组合土壤添加剂的制备方法，其特征在于，所述硝化抑制剂为：含硫化合物、乙块、乙炔基取代物、氰胺类化合物及杂环氮化合物中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的一种组合土壤添加剂的制备方法，其特征在于，所述硝化抑制剂为：乙炔、三氯甲基吡啶Nitrapyrin、双氰胺DCD或3,4一二甲基吡唑磷酸盐DMPP。

6.如权利要求1所述的一种组合土壤添加剂的配施方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、制备生物炭：将生物质材料置于300-700℃的煅烧炉或马弗炉中，在缺氧条件下进行烧制，烧制好的生物炭自然冷却后备用；

(2)、根据土壤类型，称取土壤干重0.1％-5wt％的生物炭，待用；

(3)、根据土壤中的施氮量，称取纯N质量0.5％-10％的硝化抑制剂，待用；

(4)、将步骤(2)准备好的生物炭深施或浅施到土壤中；

(5)、将步骤(3)准备好的硝化抑制剂采用溶液喷施或颗粒撒施的方式施加到土壤中。

7.根据权利要求6所述的一种组合土壤添加剂的配施方法，其特征在于，所述步骤(2)中，土壤类型分为酸性土壤和碱性土壤，酸性土壤中的生物炭施加量多于碱性土壤。

8.根据权利要求6所述的一种组合土壤添加剂的配施方法，其特征在于，步骤(4)中，所述深施为：将生物炭施加到土壤中，翻耕20-50cm；浅施为：将生物炭撒施到土壤表层，翻耕厚度10-20cm。

9.根据权利要求6所述的一种组合土壤添加剂的配施方法，其特征在于，步骤(5)中，所述溶液喷施为：首先将肥料颗粒撒入土壤中，然后将硝化抑制剂溶解到水中，使用喷壶将含有硝化抑制剂的水溶液喷洒到肥料颗粒表面，翻耕或覆土；所述颗粒撒施为：将硝化抑制剂颗粒与肥料颗粒充分混匀，直接将混合物施入土壤中，覆土。

10.根据权利要求6所述的一种组合土壤添加剂的配施方法，其特征在于，施加时间可以分为以下两种方式：

A、生物炭与硝化抑制剂全部一次性施入：在种植小麦前施加生物炭，在施加基肥时配施全部用量的硝化抑制剂，然后翻耕，种植小麦，后期追肥时不再施加硝化抑制剂；

B、生物炭一次性施入，硝化抑制剂随肥料分次施入：在种植小麦前施加生物炭，在施加基肥时只施入与基肥相应比例的硝化抑制剂，然后翻耕，种植小麦，后期施加追肥时再按追肥的相应比例施加硝化抑制剂。