CN105272618A - 土壤改良剂及其在新整理黄壤烟田土壤改良中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤改良剂及其在新整理黄壤烟田土壤改良中的应用，该土壤改良剂包括以下重量百分比的原料：改性烟草秸秆生物炭50～60%、改性膨润土30～35%、腐植酸原粉5～20%，其在新整理黄壤烟田土壤改良中的施用量为：当土壤中有机质含量小于1.5%时，施用量为200～300kg/666.7m²；当土壤中有机质含量在1.5%～2.5%之间时，施用量为100～200kg/666.7m²；当土壤中有机质含量大于2.5%～3.0%时，施用量为50～100kg/666.7m²。本发明可显著提高新整理黄壤烟田保水保肥能力，广泛应用于烟草农业节水工程中，有利于充分利用天然降水，保水保肥，增产增收。

Description

土壤改良剂及其在新整理黄壤烟田土壤改良中的应用

技术领域

本发明涉及新整理黄壤烟田土壤改良技术，具体涉及一种利用废弃资源（烟草秸秆）为主要原料制备的土壤改良剂及其在新整理黄壤烟田土壤改良中的应用，属于黄壤烟田土壤改良及面源污染防治技术领域，可为生态农业、综合利用农业废弃资源变废为宝开辟一条新途径。

背景技术

（一）我国烟草种植现状

烟草是我国的重要经济作物。目前，我国烟草种植面积每年约有160万公顷，烟叶总产量约为340万吨，居世界之首。烟草业发展推动了经济的发展，对国家财政收入给予了有力支持。为适应我国大面积烟叶生产基地的现代烟草农业建设以及烟叶生产规范化、标准化的工作，各地的烟草公司实行了以降低坡度和去除障碍物为重点，扩大耕地连片度，提高耕地质量，实现规模化种植、集约化经营，建设高质量基本烟田的土地整理行动。在整理的过程中，需要大型机械入场对田块进行降坡、去坎和去石块，土地整理过程中的挖、填，不可避免地出现了底（生）土上翻、表（肥）土下移的现象，致使多年培育形成的表层耕作层被破坏，土壤物化性状变差、土壤肥力降低。截至目前，我国新整理黄壤烟田面积约为8万公顷。黄壤烟田整理后土壤有机质含量降低，土壤板结通透性差，大于0.25mm粒级的水稳性团聚体数量显著下降，导致新整理烟田土壤保水、保肥性能差。水分和养分的流失加重了新整理烟田土壤生产力下降。因此，寻求科学有效、应用前景广泛的提高土壤保肥保水能力的技术十分迫切。

近年来，各种土壤保水剂相继诞生，但这些技术大多以PAM（聚丙烯酰胺）为主要改良剂，尽管具有一定的应用成效，但是存在PAM用量大、成本高，易导致土壤结皮等缺点。

（二）我国烟杆利用现状

另一方面，烤烟生产在带来巨大经济效益的同时，也产生了大量的农业废弃物—烤烟茎秆。我国烟杆废弃物大约每年产150万吨，烤烟茎秆中含有大量的木质素和纤维素，因此不易腐烂，不能轻易的就地进行还田处理，如若用于造纸原料，其纤维素含量又相对较低。此外，烤烟茎秆中又含有烟碱、茄尼醇、烟酸、烟酰胺等物质，因此也不能用作饲料。所以大部分烟区的烤烟茎秆被当做废弃物直接堆积于田头、沟渠、河流旁，还有一小部分烟杆随水冲走、直接焚烧，或者被烟农用水浸泡晒干后作为燃料。烤烟茎秆的低效、不合理利用，对烟区的生态环境产生了一定的影响。到目前为止，将烟草秸秆作为堆肥还田的方法虽已出现，但其肥力效果欠佳。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种土壤改良剂及其在新整理黄壤烟田土壤改良中的应用，可显著提高新整理黄壤烟田保水保肥能力，广泛应用于烟草农业节水工程中，有利于充分利用天然降水，保水保肥，增产增收。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

设计一种土壤改良剂，包括以下重量百分比的原料：改性烟草秸秆生物炭50～60%、改性膨润土30～35%、腐植酸原粉5～20%。

所述改性烟草秸秆生物炭由以下步骤制成：将烟草秸秆筛选去杂，粉碎至10cm以下，在温度为400～440℃的厌氧条件下碳化，即得烟草秸秆生物炭粉，按重量比1：0.5～5将炭粉与硫酸铁溶液（铁、炭比为0.3），充分搅拌混匀2～4h后，自然风干至含水量5～10%，即为改性烟草秸秆生物炭，这种改性生物炭具有Fe-C羟基化和质子化矿物表面，更容易吸附硝态氮和磷酸盐。

所述改性膨润土由以下步骤制成：将膨润土原矿浸泡于NaOH溶液中10～14h后，进行过滤，过滤后的膨润土再与丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂（N-N亚甲基双丙烯酰胺）混合，N-N亚甲基双丙烯酰胺阳离子型表面活性剂的作用主要对膨润土进行离子交换扩大膨润土的层间距，混合后在球磨机中球磨2～3h，以高能球磨法为手段促进吸水性丙烯酸和羧甲基纤维素在膨润土层间的插入，然后加入引发剂，在55～65℃水浴中加热0.5～0.8h，使丙烯酸和羧甲基纤维素在膨润土结构层间聚合，最后在60～70℃真空干燥箱内干燥，粉碎至150～180目，即得具有纳米复合结构的改性膨润土。所述膨润土原矿、丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂、引发剂之间的重量比为500～600：100～120：100～120：0.04～0.1：2～4，吸水性丙烯酸和羧甲基纤维素的插入并在原位聚合，利用聚合时放出的大量热量，克服膨润土层间的库仑力，使膨润土产生层间剥离，所得改性膨润土吸水倍率可达254g/g以上，能显著延长水分的保持时间。由于膨润土的掺合量加大，成为吸水材料的主要成分，使得吸水材料的成本大为降低。

优选的，所述交联剂为N-N亚甲基双丙烯酰胺（阳离子型表面活性剂的作用主要对膨润土进行离子交换扩大膨润土的层间距），所述引发剂为过硫酸铵。

优选的，所述NaOH溶液为浓度0.5mol/L的水溶液。

上述土壤改良剂在新整理黄壤烟田土壤改良中的应用：当土壤中有机质含量小于1.5%时，按200～300kg/666.7m²的量施用所述土壤改良剂；当土壤中有机质含量在1.5%～2.5%之间时，按100～200kg/666.7m²的量施用所述土壤改良剂；当土壤中有机质含量大于2.5%～3.0%时，按50～100kg/666.7m²的量施用所述土壤改良剂。

烟杆中碳元素含量较高，C/N比约为40～50/1，烤烟茎秆中的有机化合物约占90%～95%，矿物质元素为5%～10%，其中氮含量0.5%～1.2%、磷含量0.1%～0.25%、钾含量0.8%～1.8%，pH（1:20）为10，将这些养分再次还田会节省烟农的一大笔肥料投入。据研究，秸秆还田能增加土壤有机质、改良土壤结构，使土壤疏松，孔隙度增加，容量减轻，促进微生物活力与作物根系发育；秸秆木炭可以有效地增强土壤的保水保肥能力与土壤的通气性，提高地温。由于烟杆中含有丰富的木质素、纤维素，不能直接还田，因此将其制作成生物炭，结合本发明中的其它原料、保水保肥剂还田，才能起到良好的效果，且烟杆碳化的高温阶段可有效杀死农业废弃物中的各种病原菌和寄生虫，防止农田环境的生物污染。

我国每年产生约10⁵吨的烟草秸秆，将烟草秸秆应用于新整理烟田改良具有十分可观的经济、环境效益，避免了传统的焚烧或随意丢弃烟草秸秆所带来的环境污染。秸秆还田不仅可以为土壤提供氮磷钾等必需的矿物元素，经过一定的处理还可以改良黄壤烟田土壤水分和养分生物有效性，对于烟田可持续利用，防治污染，提高产量有重要意义。

腐植酸原粉（HumicAcid，HA）是一种高分子非均一芳香族羟基羧酸，外观为褐黑色粉末状，难溶于水，呈弱酸性，含有羟基、羧基、酚羟基等活性基团。它是一种结构复杂的天然高分子有机聚合物，含有大量的羧基、醌基和酚羟基活性基团，并含有2～4%的氮、磷、钾等营养元素，具有很高的生物生理活性，可作沙漠土壤改良剂、植物生长刺激剂和肥效增进剂和络合土壤中的中、微量元素等，改良低产土壤；提高肥料的利用率；对细胞膜有良好的通透性，刺激植物生长发育；增加作物的抗逆性能；改善和提高农产品品质。它是目前市场上销售的产品，例如新疆双龙腐植酸有限公司、内蒙乌海远志腐植酸公司、山西省灵石秋石腐植酸厂等，均有销售。

本发明的积极有益效果：

本发明利用烟田废弃物作为介质制备烟草专用土壤扩蓄增容改良剂，施入土壤中以提高土壤的持水保水能力，减小农业发展中的用水量，提高天然降水利用率。同时，把农业废弃物变为有机肥料，实现资源回收和再利用，减少无机化肥的施用量，达到农业废弃物资源化与改善土壤性质的目的。

（1）与单纯化学改良材料相比，本发明土壤改良剂成本较低，具有可观的经济、环境效益；

（2）本发明烟草秸秆等有机物料具有原材料来源广泛、成本低、持效期长、功能齐全等有点，且富含大量有机质、氮、磷、钾和微量元素，都是烟草所必需元素，实现了烟杆间接还田，改性烟杆生物炭；改性膨润土和腐植酸具有很强的吸附能力，粘结土壤粘土小颗粒逐步向大团聚体发展，各原料成分配合增效，大大改善了土壤结构，提高土壤肥力，在新整理黄壤烟田表现非常明显；

（3）本发明改良剂施入土壤后无需后期专门管理，操作方便，农民便于掌握；

（4）本发明能够利用大量的废弃的作物秸秆，变废为宝，且避免了传统的秸秆焚烧或丢弃对环境造成的污染。

总之，本发明土壤改良剂能够有效提高新整理黄壤烟田土壤水分和养分生物有效性，防治土壤养分、水土流失，对提高新整理黄壤烟田烟草产量大有帮助。

采用本发明土壤改良剂可充分提高烟草秸秆的综合利用效率，变废为宝。用其制备的土壤保水保肥肥料，可提高水分利用率10%以上，更能增产增收。

经试验研究证明，本发明土壤改良剂施用于烟草作物，各原料成分相互配合，扩蓄增容，能够抑制土壤表面无效蒸发、改善土壤团粒结构、增加土壤有效孔隙，有效改善土壤蓄水保水能力，离地表面20cm～30cm的土壤层含水量增高2%，每公顷节水900m3～1000m3，可增产12%以上，农民节约投资2200元/hm²～3000元/hm²，具有良好的社会效益，环境效益和生态效益。

附图说明

图1土壤改良剂失水效果图；

图2土壤氮60d累积淋溶量对比；

图3土壤磷60d累积淋溶量对比；

图4土壤钾60d累积淋溶量对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种土壤改良剂，包括以下重量百分比的原料：改性烟草秸秆生物炭55%、改性膨润土30%、腐植酸原粉15%。

其制备方法如下：

（1）所述改性烟草秸秆生物炭由以下步骤制备而成：将烟草秸秆筛选去杂，粉碎至10cm以下，在温度为400～440℃的厌氧条件下碳化，即得烟草秸秆生物炭粉末，按重量比1：2将炭粉与硫酸铁溶液（铁炭比为0.3），充分搅拌混匀3h后，自然风干至含水量5～10%，即为改性烟草秸秆生物炭，这种改性生物炭具有Fe-C羟基化和质子化矿物表面，更容易吸附硝态氮和磷酸盐，减少土壤中硝态氮和有效磷的淋失以及农作物秸秆的高效利用找到新途径和方法；

（2）所述改性膨润土由以下步骤制备而成：将膨润土原矿浸泡于浓度0.5mol/L的NaOH水溶液中12h后，进行过滤，再与丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂混合，混合后在球磨机中球磨2h，以球磨法为手段促进吸水性丙烯酸和羧甲基纤维素在膨润土层间的插入，然后加入引发剂，在60℃水浴中加热0.5h，使丙烯酸和羧甲基纤维素在膨润土结构层间聚合，最后在65℃真空干燥箱内干燥，粉碎至150目，即得具有纳米复合结构的改性膨润土。所述膨润土原矿、丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂、引发剂之间的重量比为600：100：100：0.04：4；

（3）将以上所得两种材料与腐植酸原粉混匀，装袋，直接施用。

实施例2

一种土壤改良剂，包括以下重量百分比的原料：改性烟草秸秆生物炭50%、改性膨润土30%、腐植酸原粉20%。

其制备方法如下：

（1）所述改性烟草秸秆生物炭由以下步骤制备而成：将烟草秸秆筛选去杂，粉碎至10cm以下，在温度为400～440℃的厌氧条件下碳化，即得烟草秸秆生物炭粉末，按重量比1：5将炭粉与硫酸铁溶液（铁炭比为0.3），充分搅拌混匀3h后，自然风干至含水量5～10%，即为改性烟草秸秆生物炭，这种改性生物炭具有Fe-C羟基化和质子化矿物表面，更容易吸附硝态氮和磷酸盐；

（2）所述改性膨润土由以下步骤制备而成：将膨润土原矿浸泡于浓度0.5mol/L的NaOH水溶液中12h后，进行过滤，再与丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂混合，混合后在球磨机中球磨2h，以球磨法为手段促进吸水性丙烯酸和羧甲基纤维素在膨润土层间的插入，然后加入引发剂，在60℃水浴中加热0.5h，使丙烯酸和羧甲基纤维素在膨润土结构层间聚合，最后在65℃真空干燥箱内干燥，粉碎至150目，即得具有纳米复合结构的改性膨润土。所述膨润土原矿、丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂、引发剂之间的重量比为500：120：100：0.1：2；

（3）将以上所得两种材料与腐植酸原粉混匀，装袋，直接施用。

实施例3

一种土壤改良剂，包括以下重量百分比的原料：改性烟草秸秆生物炭60%、改性膨润土30%、腐植酸原粉10%。

其制备方法如下：

（1）所述改性烟草秸秆生物炭由以下步骤制备而成：将烟草秸秆筛选去杂，粉碎至10cm以下，在温度为400～440℃的厌氧条件下碳化，即得烟草秸秆生物炭粉末，按重量比1：0.5将炭粉与硫酸铁溶液（铁炭比为0.3），充分搅拌混匀3h后，自然风干至含水量5～10%，即为改性烟草秸秆生物炭，这种改性生物炭具有Fe-C羟基化和质子化矿物表面，更容易吸附硝态氮和磷酸盐；

（2）所述改性膨润土由以下步骤制备而成：将膨润土原矿浸泡于浓度0.5mol/L的NaOH水溶液中12h后，进行过滤，再与丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂混合，混合后在球磨机中球磨2h，以球磨法为手段促进吸水性丙烯酸和羧甲基纤维素在膨润土层间的插入，然后加入引发剂，在60℃水浴中加热0.5h，使丙烯酸和羧甲基纤维素在膨润土结构层间聚合，最后在65℃真空干燥箱内干燥，粉碎至150目，即得具有纳米复合结构的改性膨润土。所述膨润土原矿、丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂、引发剂之间的重量比为550：110：120：0.07：3；

（3）将以上所得两种材料与腐植酸原粉混匀，装袋，直接施用。

实施例4

本实施例与实施例1所不同的是原料的成分重量百分比有所不同，其制备方法与实施例1相同。原料及其重量百分比组成为：改性烟草秸秆生物炭60%、改性膨润土35%、腐植酸原粉5%。

实施例5

本实施例与实施例1所不同的是原料的成分重量百分比有所不同，其制备方法与实施例1相同。原料及其重量百分比组成为：改性烟草秸秆生物炭55%、改性膨润土32%、腐植酸原粉13%。

实施例6

实施例1～5所述土壤改良剂在新整理黄壤烟田土壤改良中的应用如下：

（1）施用量：当土壤中有机质含量小于1.5%时，土壤改良剂施用量为200～300kg/666.7m²；当土壤中有机质含量在1.5%～2.5%之间时，土壤改良剂施用量为100～200kg/666.7m²；当土壤中有机质含量大于2.5%～3.0%时，土壤改良剂施用量为50～100kg/666.7m²；

（2）在烟田翻耕土地前，将已经制备好的土壤改良剂按前述施用量均匀撒在土壤表面，然后用旋耕机进行旋耕，尽量使土壤改良剂与表层土混合均匀，然后起垄，常规移栽即可，一年撒施一次即可达到土壤改良要求。

本发明采取室内与大田实验相结合的方法，对本发明土壤改良剂进行了验证，实验采取基础材料粉碎、研磨后置于磁盘内自行吸水、失水的方法。以土壤为对照，重复四次，连续实验3次，计算各材料吸水性、吸水速率、保水性以及失水特性。优先选择吸水、保水、失水效果好的材料为改良剂原料。对筛选出的效果良好的土壤改良剂配方进行土柱淋溶模拟实验，检验不同改良材料对土壤的保肥、保水能力。在此基础上，再进行大田试验示范。经多年多点实验示范研究，选择出效果较好的配方及制备方法，加工、生产、检验，正式推广于大田。

保水、失水实验：

土壤改良剂选择最为重要，所有合成剂使用的原料均要求有吸水、保水、失水等功能。据此，发明人设计了不同质地基础材料的吸水、保水、失水实验，实验结果见表1、图1。

表1基础材料吸水效果表（g/g）

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本发明实施例1土壤改良剂的土壤吸水饱和时土壤的含水率为153.5%，而不加改良剂的土壤饱和含水率为85.6%。在同样条件下和空气中蒸发，未加改良剂的土壤在13天以前急剧下降到19%左右，以后较为平稳；加本发明实施例1土壤改良剂的到31天以后质量较为平稳仍能保持42.5%左右的含水量。

采用土柱淋洗实验测定土壤改良剂的保肥性能：

氮素淋溶损失是氮素损失的主要途径，容易引起地下和地表水的污染。钾元素在土壤中也很容易淋失，磷素易被土壤固定，淋失量相对较少，钾素的累积淋溶损失量的变化规律与氮、磷淋失规律类似，其累积淋溶损失量远远大于氮和磷，从图2、3、4中可以看出，添加本发明实施例1土壤改良剂后，氮素、磷素和钾素的淋洗量均显著减少，其添加土壤改良剂后，土壤氮、磷和钾60d累积淋溶量分别减少了97.5%、23.4%和70.9%。

烟草大田实验示范结果：

以实施例1生产的土壤改良剂，在正常的田间施肥管理情况下施用100kg/666.7m²进行田间试验。结果表明：将土壤改良剂施入新整理黄壤烟田后，土壤饱和导水率增加5.12倍，田间持水量增加了32.2%，对土壤保水效果十分明显，有效的增加了土壤中水分的含量，而且减少了水力对土壤表面的冲刷作用，有效的防治了坡地黄壤烟田的水土流失。2012年到2014年，连续三年在烟草大田实验示范，从表2、3可以看出，施用烟杆生物炭改良剂相比于常规施肥在产量和产值上分别增加17.9%和15.3%，施用烟杆生物炭改良剂中上等烟比例提高4.1个百分点，烟田土壤的各项速效养分含量相对于常规施肥均有增加。有效的增加了土壤中水分的含量，而且减少了水力对地表烟田的冲刷作用，有效的防治了面源污染，从而提高黄壤烟田水分和养分的生态有效性。

表2不同材料对烤烟产量、产值和烟叶等级的影响

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表3不同处理对土壤有效养分的影响

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Claims (8)

1.一种土壤改良剂，其特征在于：以重量百分比计，包括：改性烟草秸秆生物炭50～60%、改性膨润土30～35%、腐植酸原粉5～20%。

2.根据权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于：所述改性烟草秸秆生物炭由以下步骤制成：

将烟草秸秆筛选去杂，粉碎至10cm以下，在温度为400～440℃的厌氧条件下碳化，即得烟草秸秆生物炭粉，再按重量比1：0.5～5将炭粉与硫酸铁溶液充分搅拌混匀2～4h，然后自然风干至含水量5～10%，即为改性烟草秸秆生物炭。

3.根据权利要求2所述的土壤改良剂，其特征在于：所述硫酸铁溶液的浓度以能使铁元素与炭粉的质量比达到0.3:1为准。

4.根据权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于：所述改性膨润土由以下步骤制成：

将膨润土原矿浸泡于氢氧化钠溶液中10～14h后，进行过滤，过滤后的膨润土再与丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂混合，混合后在球磨机中球磨2～3h，然后加入引发剂，在55～65℃水浴中加热0.5～0.8h，最后在60～70℃真空干燥箱内干燥，粉碎至150～180目，即得改性膨润土；所述膨润土原矿、丙烯酸、羧甲基纤维素、交联剂、引发剂之间的重量比为500～600：100～120：100～120：0.04～0.1：2～4。

5.根据权利要求4所述的土壤改良剂，其特征在于：所述交联剂为N-N亚甲基双丙烯酰胺。

6.根据权利要求4所述的土壤改良剂，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵。

7.根据权利要求4所述的土壤改良剂，其特征在于：所述NaOH溶液为浓度0.5mol/L的水溶液。

8.权利要求1所述土壤改良剂在新整理黄壤烟田土壤改良中的应用，其特征在于：当土壤中有机质含量小于1.5%时，按200～300kg/666.7m²的量施用所述土壤改良剂；当土壤中有机质含量在1.5%～2.5%之间时，按100～200kg/666.7m²的量施用所述土壤改良剂；当土壤中有机质含量大于2.5%～3.0%时，按50～100kg/666.7m²的量施用所述土壤改良剂。