CN105367335B - 生物炭基滨海盐碱地改良调理剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

生物炭基滨海盐碱地改良调理剂及其制备方法和应用，由生物质炭、腐植酸、有益微生物菌剂、尿素和粘合剂组成；其中，所述各成分的质量份数配比为：生物质炭55‑60份，腐植酸35‑40份，有益微生物菌剂2‑4份，尿素1‑2份，粘合剂3‑4份。该改良调理剂具有改土、活化微生物、提升作物抗盐性的协同功效，包括：土壤改良有利于改善土壤微生物区系并提高微生物在土壤中的活性，同样微生物的代谢产物提升了作物根系的耐盐性，而作物生长又反馈于加速土壤改良，这是良性的循环体系，较单一措施起到效果倍增放大的作用。

Description

生物炭基滨海盐碱地改良调理剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于盐碱地改良调理剂技术领域，特别是涉及一种适合于我国滨海盐碱地、具有改土与提高作物抗盐性的生物炭基滨海盐碱地改良调理剂及其制备方法和应用。
背景技术
我国盐碱地资源总面积达5亿余亩，占全国可利用土地面积的近5％，集中分布在以西北内陆、黄河上中游、东北、沿海和华北平原为主体的五大区域，其中近期具有治理改造和农业利用潜力的盐碱地面积1亿亩，在滨海地区分布近1500万亩。我国沿海地区拥有大量盐碱地(含滩涂)，且随着近年来江苏、浙江等沿海省份围垦加速，新垦滩涂盐碱地资源面积不断增加，沿海滩涂盐碱地作为我国潜在的后备土地资源，具有巨大农业生产力提升空间。滨海盐碱地的治理利用对我国耕地“扩容、提质、增效”、保障粮食安全和农产品供给具有重要现实意义。
受海水浸渍侧渗和浅、咸地下水的影响，滨海盐碱地具有盐分高、易板结、结构差、有机质含量低、蓄水保肥能力弱等特性，决定了其在围垦初期至脱盐至正常土壤过程中农业利用难度极大，同时不当的农业利用方式使得土壤盐碱化具有反复性。为此，我国开展了大量的试验与研究工作，其中针对改善根际微环境的生物改良调理剂是近年来备受关注的盐碱地治理利用新方法。盐碱地生物改良调理剂与其他措施相比，如化学型改良剂，具有成本低廉、材料来源广泛、使用方便、促进作物根系、加速团粒结构形成、过程绿色安全、环境友好无副作用等优势。
现有技术中针对西北、东北地区盐碱地的适用改良调理剂较多，但未见适合滨海滩涂盐碱地、以生物质炭和腐植酸作为载体并添加微生物活性组分的生物改良调理剂。
发明内容
解决的技术问题：本发明针对目前滨海滩涂盐碱地作物出苗率低、僵苗死苗现象普遍、根系活性弱且土壤地力贫瘠、结构性差等现实问题，利用生物质炭的疏松多孔及其微生物的活化性能，提供一种兼具改良土壤和提升作物耐盐性的生物炭基滨海盐碱地改良调理剂及其制备方法和针对不同土壤含盐量状况的应用方法。
技术方案：生物炭基滨海盐碱地改良调理剂，由生物质炭、腐植酸、有益微生物菌剂、尿素和粘合剂组成；其中，所述各成分的质量份数配比为：生物质炭55-60份，腐植酸35-40份，有益微生物菌剂2-4份，尿素1-2份，粘合剂3-4份。
所述的生物质炭为利用水稻、小麦、玉米的作物秸秆作为生物质原料，热裂生成生物质颗粒炭冷却后进行粉碎，过100目筛所得。
所述的腐植酸为过100目筛的粉末腐植酸，有机质含量≥85wt.％，干基腐植酸≥70wt.％，水分≤12wt.％，pH为4-6。
所述的有益微生物菌剂为枯草芽孢杆菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌、抗生菌、光合菌、菌根菌、纤维素分解菌中的至少一种，益生菌剂中每一种有效菌的数量不少于20亿/g，益生菌剂的总有效活菌数≥2000亿/g，所述生物炭基改良调理剂的有效活菌数≥30亿/g。
所述的尿素为过100目筛的粉末状尿素，含氮量≥46wt.％，缩二脲含量≤0.5wt.％，含水量≤0.3wt.％。
生物炭基滨海盐碱地改良调理剂的制备方法，步骤为：(1)采用基于热裂解技术的秸秆炭化机，将作物秸秆在400-500℃热裂生成多孔的生物质炭；(2)对有益微生物菌群进行扩大培养，将其接入固体培养基后发酵成益生菌液，混合后经固液分离、闪蒸干燥，制成有益微生物菌剂；(3)以生物质炭为核心，吸附腐植酸、有益微生物菌剂和尿素，利用粘合剂包裹制备成生物炭基滨海盐碱地改良调理剂。
采用滚筒造粒法添加改性淀粉粘合剂，将粉末状生物质炭、腐植酸、有益微生物菌和尿素进行造粒，颗粒直径1-2mm，改性淀粉液体粘合剂的加入量为生物质炭、腐植酸、有益微生物菌剂和尿素混合体系总重量的0.03倍。
生物炭基滨海盐碱地改良调理剂的应用，0-20cm耕层土壤含盐量≤4g/kg的中、轻度盐碱地用量50-70kg/亩；0-20cm耕层土壤含盐量>4g/kg的重度盐碱地用量80-100kg/亩。
对于轻、中度盐碱地，将改良调理剂与基肥均匀撒入土壤，利用旋耕机将其与0-20cm土壤混合均匀后播种；对于重度盐碱地，先利用旋耕机疏松0-20cm土壤，灌水并保持淹水深度15-20cm，2-3日后将地面积水排出，然后将改良调理剂与基肥均匀撒入土壤，与0-20cm土壤混合均匀后播种。
发明技术原理：生物质炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和丰富的表面官能团，其性质稳定，本身能促进土壤团聚体形成、对土壤生物生态具有调控作用等特性。腐植酸含有较高有机质，能调节土壤pH，同时是一种很好的离子交换剂，能改变盐碱地的土质结构，破坏盐分沿毛细孔隙水分上升的条件；益生菌剂是由枯草芽孢杆菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌、抗生菌、光合菌等多种组成的混合菌，其通过形成抗生素、促进根系增长、产生植物激素或具有植物激素活性的代谢物以提升作物的耐盐性；尿素为微生物提供重要的氮源，维持土壤合适的碳氮比。
上述材料的优化配比，施用于盐碱地具有改善土壤质量、提升作物耐盐性、提高肥料利用率、边改良边利用盐碱地的多重效果。其中生物炭疏松多孔结构及强吸附性能提高了益生菌剂活菌存活率，腐植酸不仅本身具有改土效果，同时可作为微生物活动、繁殖的营养与培养基；此外，益生菌剂中细菌、真菌的混合菌体系具有协同促进作用，较单一菌种明显提高了的活性与效率，更有效提高作物根系的耐盐能力，改土培肥效果更佳。以上搅拌混合后，采用改性淀粉液体粘结剂，以生物质炭为核心，腐植酸作为重要载体，吸附浓缩益生菌剂和尿素，制成颗粒状改良调理剂，有利于其规模化、机械化、轻简化地推广应用。
有益效果：(1)活菌存活率高。利用生物质炭的多孔性，可有效保持益生菌剂的活性，不但使制备过程中可能造成活菌死亡的环节杜绝了活菌体的死亡，而且在成型的产品中活菌体有生物质炭的保护，其存活率显著提高，在常温下保存两年的生物炭基盐碱地改良调理剂，其有益菌的存活率达80％。
(2)提升作物抗性。生物质炭疏松多孔，能快速改善土壤物理性质，降低盐碱对作物根系的胁迫作用；此外，有益微生物菌剂能分泌多种酶和植物激素，提高作物超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性，降低丙二醛含量，提高作物的耐盐性。
(3)多重协同增效。改良剂中细菌、真菌的混合菌体系具有协同促进作用，较单一菌种显著提高了的活性与效率；微生物的代谢提升了作物根系的耐盐性，促进了作物生长与土壤改良，这又反馈于改善土壤微生物区系并提高微生物在土壤中的活性，形成良性的循环体系，较单一措施起到效果倍增放大的作用。
(4)加速土壤培肥。快速改善土壤质地并提高有机质，缩短盐碱地改良周期。通过提升土壤的阳离子交换量CEC，中和土壤碱性，改变土壤中含盐过高、土粒高度分散、土壤结构性差的理化性状，促进土壤团聚体的形成，加快土壤的培肥熟化。
附图说明
图1中度盐碱地施用不同用量改良调理剂(生物质炭58份，腐植酸36份，有益微生物菌剂4份，尿素2份)，收获后玉米产量的对比。每个数据点为5个测产样方的平均值；中度盐碱地最佳用量60kg/亩，每年施用1-2次。
图2重度盐碱地施用不同用量改良调理剂(生物质炭57份，腐植酸38份，有益微生物菌剂3.5份，尿素1.5份)，收获后玉米产量的对比。每个数据点为5个测产样方的平均值；重度盐碱地最佳用量90kg/亩，每季作物施用一次。
图3中度盐碱地施用不同用量改良调理剂(生物质炭57份，腐植酸37份，有益微生物菌剂4份，尿素2份)，收获后大麦产量的对比。每个数据点为6个测产样方的平均值；中度盐碱地最佳用量60kg/亩，每年施用1-2次。
具体实施方式
以下的具体实施例是对本发明的进一步说明，而不意味本发明的内容仅限于所举实例的范围。
实施例1：
滨海滩涂中度盐碱障碍耕地。试验地块耕层0-20cm土壤盐分2.3-4.2g/kg，平均含盐量3.1g/kg，pH为9.37，平均有机质含量8.17g/kg，全氮0.33g/kg，碱解氮为32.29mg/kg，有效磷为8.74mg/kg，速效钾241.36mg/kg。地点：江苏省东台市黄海原种场，地处东台市弶港镇东南部，试验时间为2014年6月-2014年9月。试验地块于2003年围垦，2008年开始进行农业种植，2011年至今为大麦-玉米轮作系统，试验地东距海岸线4.6公里。
主要实施环节如下：
(1)生物质炭制备：利用当地玉米秸秆，采用基于热裂解技术的秸秆炭化机，在400-500℃热裂生成多孔的生物质碳200kg，磨碎后过100目筛；
(2)腐植酸准备：选择过100目筛的粉末腐植酸，有机质含量≥85wt.％，腐植酸(干基)≥70wt.％，水分≤12wt.％，pH介于4-6。
(3)菌种选择：选择的菌种包括枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis(Ehrenberg)Cohn)、固氮菌(Azotobacter chroococcum)和纤维素分解菌(Cellulomonas Flav2igena)，其重量配比为2：1：1。
(4)扩大培养成益生菌剂：将已筛选好的菌种接入液体培养基活化。液体培养基基础配方为葡萄糖(35份)、蛋白胶(15份)、酵母膏(5份)、磷酸二氢钾(5份)、碳酸钙(2份)和无菌水(1000份)。先进行一级种子培养，即取3mL的活化菌种接入装有250ml培养基的三角瓶中进行液体摇床培养；然后进行二级种子培养，即将得到的菌种经过40L、2t种子罐逐级扩大培养而获得1500kg的发酵液，利用离心机对其进行固液分离，再经过闪蒸干燥机闪蒸干燥，即得4kg益生菌剂。
(5)生物炭基盐碱地改良调理剂的制备：取生物质炭58kg、腐植酸36kg、益生菌剂4kg和尿素2kg，进行混合并用改性淀粉液体粘结剂包裹生成103kg生物炭基改良调理剂，其中生物质炭含量56.3wt.％，腐植酸含量35.0wt.％，益生菌剂含量3.9wt.％，尿素含量1.9wt.％，有效活菌数40亿/g。
(6)改良调理剂的施用：将改良调理剂与基肥均匀撒入土壤，利用旋耕机将其与0-20cm土壤混合均匀后播种。中度盐碱地本改良调理剂的有效期为1年，视作物长势与土壤状况，如施用1季不能达到效果，可1年施用2季，即在下一茬作物季再次施用该生物炭基改良调理剂。
设置生物炭基改良调理剂4个用量水平，共计5个处理，具体如下：M0(对照，常规种植)、M1(用量30kg/亩，其他同常规种植)、M2(用量60kg/亩，其他同常规种植)、M3(用量90kg/亩，其他同常规种植)和M4(用量120kg/亩，其他同常规种植)。采用小区试验方式，每个处理重复3次，每个重复36m2(试验小区规格36m2，3.6m×10m)，采用随机排列。
玉米品种为苏玉19，播种期6月10日，收获期9月30日。玉米生育期投入纯N 18kg/亩。试验开始前和结束后测定土壤有机质、盐分、pH，同时测定玉米产量指标(实施例结果见图1和表1)。对比种植前后土壤性质和玉米产量看出，施用改良调理剂处理的耕层土壤有机质提高5％以上，盐分降低10％以上，玉米产量提高15.1％-52.4％；综合比较来看，适合滨海中度盐碱地玉米种植的改良调理剂用量为60kg/亩。
表1
表1：不同用量改良调理剂和对照处理下玉米种植前和收获后，中度盐碱地0～20cm耕层土壤有机质、盐分和pH的对比(2014年试验)。每个数据点为5个土壤样品测定值的平均数±SE(显著性水平p<0.05)。改良调理剂配方为：生物质炭58份，腐植酸36份，有益微生物菌剂4份，尿素2份。
实施例2：
滨海滩涂重度盐碱障碍耕地。试验地块耕层0-20cm土壤盐分3.8-6.7g/kg，平均含盐量4.8g/kg，pH为9.82，平均有机质含量5.95g/kg，全氮0.37g/kg，碱解氮为35.01mg/kg，有效磷为7.74mg/kg，速效钾259.58mg/kg。地点：江苏省东台市弶港镇弶东垦区，地处东台市弶港镇东部，试验时间为2014年6月-2014年9月。试验地块于2004年围垦，2007年开始进行种植，2007-2010年种植海蓬子、碱蓬等盐生植物，2011-2013年种植耐盐经济植物菊芋。
主要实施环节如下：
(1)生物质炭制备：利用当地上茬的小麦秸秆，采用基于热裂解技术的秸秆炭化机，在400-500℃热裂生成多孔的生物质碳200kg，磨碎后过100目筛；
(2)腐植酸准备：选择过100目筛的粉末腐植酸，有机质含量≥85wt.％，腐植酸(干基)≥70wt.％，水分≤12wt.％，pH介于4-6。
(3)菌种选择：选择的菌种包括枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis(Ehrenberg)Cohn)和菌根菌(Scleroderma polyrhizum Pers.)，其重量配比为2：1。
(4)扩大培养成益生菌剂：将已筛选好的菌种接入液体培养基活化。液体培养基基础配方为葡萄糖(35份)、蛋白胶(15份)、酵母膏(5份)、磷酸二氢钾(5份)、碳酸钙(2份)和无菌水(1000份)。先进行一级种子培养，即取5ml的活化菌种接入装有500ml培养基的三角瓶中进行液体摇床培养；然后进行二级种子培养，即将得到的菌种经过50L、2t种子罐逐级扩大培养而获得1600kg的发酵液，利用离心机对其进行固液分离，再经过闪蒸干燥机闪蒸干燥，得4kg益生菌剂。
(5)生物炭基盐碱地改良调理剂的制备：取生物质炭57kg、腐植酸38kg、益生菌剂3.5kg和尿素1.5kg，进行混合并用改性淀粉液体粘结剂包裹生成103kg生物炭基改良调理剂，其中生物质炭含量55.3wt.％，腐植酸含量36.9wt.％，益生菌剂含量2.9wt.％，尿素含量1.5wt.％，有效活菌数30亿/g。
(6)改良调理剂的施用：先利用旋耕机疏松0-20cm土壤，灌水洗盐，2-3日后将地面含盐积水排出，然后将改良调理剂与基肥均匀撒入土壤，与0-20cm土壤混合均匀后播种。由于该改良调理剂对盐碱地的修复具有时间累积性，重度盐碱地本改良调理剂的有效期为1季，每一作物季均施用该生物炭基改良调理剂。
设置生物炭基改良调理剂4个用量水平，共计5个处理，具体如下：H0(对照，常规种植)、H1(用量30kg/亩，其他同常规种植)、H2(用量60kg/亩，其他同常规种植)、H3(用量90kg/亩，其他同常规种植)和H4(用量120kg/亩，其他同常规种植)。采用小区试验方式，每个处理重复3次，每个重复48m2(试验小区规格48m2，3.2m×15m)，采用随机排列。
玉米品种为苏玉19，播种期6月1日，收获期9月27日。玉米生育期投入纯N 18kg/亩。试验开始前和结束后测定土壤有机质、盐分、pH，同时测定玉米产量指标(实施例结果见图2和表2)。对比种植前后土壤性质和玉米产量看出，施用改良调理剂处理的耕层土壤有机质平均提高5.2％，盐分平均降低14.6％，玉米产量提高45.4％-119.6％；综合比较来看，适合滨海重度盐碱地玉米种植的改良调理剂用量为90kg/亩。
表2
表2：不同用量改良调理剂和对照处理下玉米种植前和收获后，重度盐碱地0～20cm耕层土壤有机质、盐分和pH的对比(2014年试验)。每个数据点为5个土壤样品测定值的平均数±SE(显著性水平p<0.05)。改良调理剂配方为：生物质炭57份，腐植酸38份，有益微生物菌剂3.5份，尿素1.5份。
实施例3：
滨海滩涂中度盐碱障碍耕地。试验地块耕层0-20cm土壤盐分2.0-4.6g/kg，平均含盐量2.8g/kg，pH为9.16，平均有机质含量8.94g/kg，全氮0.36g/kg，碱解氮为35.72mg/kg，有效磷为9.33mg/kg，速效钾229.47mg/kg。地点：江苏省东台市黄海原种场，地处东台市弶港镇东南部，试验时间为2014年10月-2015年5月。试验地块于2003年围垦，2008年开始进行农业种植，2011年至今为大麦-玉米轮作系统，试验地东距海岸线4.6公里。
主要实施环节如下：
(1)生物质炭制备：利用当地前茬的大麦秸秆，采用基于热裂解技术的秸秆炭化机，在400-500℃热裂生成多孔的生物质碳200kg，磨碎后过100目筛；
(2)腐植酸准备：选择过100目筛的粉末腐植酸，有机质含量≥85wt.％，腐植酸(干基)≥70wt.％，水分≤12wt.％，pH介于4-6。
(3)菌种选择：选择的菌种包括枯草芽孢杆菌、抗生菌和光合菌，其重量配比为2：1：1。
(4)扩大培养成益生菌剂：将已筛选好的菌种接入液体培养基活化。液体培养基基础配方为葡萄糖(35份)、蛋白胶(15份)、酵母膏(5份)、磷酸二氢钾(5份)、碳酸钙(2份)和无菌水(1000份)。先进行一级种子培养，即取5ml的活化菌种接入装有500ml培养基的三角瓶中进行液体摇床培养；然后进行二级种子培养，即将得到的菌种经过40L、2t种子罐逐级扩大培养而获得1500kg的发酵液，利用离心机对其进行固液分离，再经过闪蒸干燥机闪蒸干燥，即得4kg益生菌剂。
(5)生物炭基盐碱地改良调理剂的制备：取生物质炭57kg、腐植酸37kg、益生菌剂4kg和尿素2kg，进行混合并用改性淀粉液体粘结剂包裹生成103kg生物炭基改良调理剂，其中生物质炭含量55.3wt.％，腐植酸含量35.9wt.％，益生菌剂含量3.9wt.％，尿素含量1.9wt.％，有效活菌数40亿/g。
(6)改良调理剂的施用：将改良调理剂与基肥均匀撒入土壤，利用旋耕机将其与0-20cm土壤混合均匀后播种。中度盐碱地本改良调理剂的有效期为1年，视作物长势与土壤状况，如施用1季不能达到效果，可1年施用2季，即在下一茬作物季再次施用该生物炭基改良调理剂。
设置生物炭基改良调理剂4个用量水平，共计5个处理，具体如下：N0(对照，常规种植)、N1(用量30kg/亩，其他同常规种植)、N2(用量60kg/亩，其他同常规种植)、N3(用量90kg/亩，其他同常规种植)和N4(用量120kg/亩，其他同常规种植)。采用小区试验方式，每个处理重复3次，每个重复36m2(试验小区规格36m2，3.6m×10m)，采用随机排列。
大麦品种为苏啤4号，播种期11月2日，收获期5月26日。大麦生育期投入纯N 15kg/亩。试验开始前和结束后测定土壤有机质、盐分、pH，同时测定大麦产量指标(实施例结果见图3和表3)。对比种植前后土壤性质和大麦产量看出，施用改良调理剂处理的耕层土壤有机质提高6％以上，盐分降低10％以上，玉米产量提高23.1％-54.6％；综合比较来看，适合滨海中度盐碱地大麦种植的改良调理剂用量为60kg/亩。
表3
表3：不同用量改良调理剂和对照处理下大麦种植前和收获后，中度盐碱地0～20cm耕层土壤有机质、盐分和pH的对比(2014-2015年试验)。每个数据点为5个土壤样品测定值的平均数±SE(显著性水平p<0.05)。生物质炭57份，腐植酸37份，有益微生物菌剂4份，尿素2份。

Claims (4)

1.生物炭基滨海盐碱地改良调理剂的制备方法，其特征在于步骤为：
（1）采用基于热裂解技术的秸秆炭化机，将作物秸秆在400-500 ℃热裂生成多孔的生物质炭，冷却后进行粉碎，过100目筛所得；所述的生物质炭为利用水稻、小麦、玉米的作物秸秆作为生物质原料；
（2）对有益微生物菌群进行扩大培养，将其接入固体培养基后发酵成益生菌液，混合后经固液分离、闪蒸干燥，制成有益微生物菌剂；所述的有益微生物菌剂为枯草芽孢杆菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌、抗生菌、光合菌、菌根菌、纤维素分解菌中的至少一种，益生菌剂中每一种有效菌的数量不少于20 亿/g，益生菌剂的总有效活菌数≥2000 亿/g，所述生物炭基改良调理剂的有效活菌数≥30 亿/g；
（3）以生物质炭为核心，吸附腐植酸、有益微生物菌剂和尿素，利用粘合剂包裹制备成生物炭基滨海盐碱地改良调理剂，生物质炭55-60份，腐植酸35-40份，有益微生物菌剂2-4份，尿素1-2份，粘合剂3-4份；所述的腐植酸为过100目筛的粉末腐植酸，有机质含量≥85wt.%，干基腐植酸≥70 wt.%，水分≤12 wt.%，pH为4-6；所述的尿素为过100目筛的粉末状尿素，含氮量≥46 wt.%，缩二脲含量≤0.5 wt.%，含水量≤0.3 wt.%。
2.根据权利要求1所述的生物炭基滨海盐碱地改良调理剂制备方法，其特征在于：采用滚筒造粒法添加改性淀粉粘合剂，将粉末状生物质炭、腐植酸、有益微生物菌和尿素进行造粒，颗粒直径1-2 mm，改性淀粉液体粘合剂的加入量为生物质炭、腐植酸、有益微生物菌剂和尿素混合体系总重量的0.03倍。
3.权利要求1或2所述方法制得的生物炭基滨海盐碱地改良调理剂的应用，其特征在于：0-20 cm耕层土壤含盐量≤ 4g/kg的中、轻度盐碱地用量50-70 kg/亩；0-20 cm耕层土壤含盐量> 4g/kg的重度盐碱地用量80-100 kg/亩。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：对于轻、中度盐碱地，将改良调理剂与基肥均匀撒入土壤，利用旋耕机将其与0-20 cm土壤混合均匀后播种；对于重度盐碱地，先利用旋耕机疏松0-20 cm土壤，灌水并保持淹水深度15-20 cm，2-3日后将地面积水排出，然后将改良调理剂与基肥均匀撒入土壤，与0-20 cm土壤混合均匀后播种。
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