CN107493907A - 一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法 - Google Patents

一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，该方法利用水稻秸秆生物炭自身理化特性，在成本较低、环境负效应小的前提下对稻麦轮作土壤的物理和化学性质进行改良。该方法包括两个步骤：收集水稻秸秆，在300‑700℃，烧制1‑120分钟制备生物炭；针对质地较黏的稻麦轮作土壤，在小麦播种前，配合基肥施用水稻秸秆生物炭并适度翻耕。本发明的有益之处在于：①降低稻麦轮作系统中小麦受渍减产的风险；②提高小麦的养分利用效率，固碳减排的同时降低环境风险；③就地取材、解决水稻秸秆的去向问题。

Description

一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的 方法
技术领域
本发明涉及一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，具体而言，是一种针对稻麦轮作系统特定的农业环境情况，可用于实际生产中的农业管理措施，通过改良土壤理化性质，改善农田水分和土壤养分利用，从而降低渍害胁迫造成的小麦减产的方法。
背景技术
小麦渍害胁迫及其应对措施
小麦是对过量水分较为敏感的作物，降雨量超出小麦需水量时，往往引起渍害胁迫，造成小麦烂根、叶片衰亡、可导致小麦减产50%以上。目前，应对小麦渍害的主要措施包括渍害胁迫结束后增施氮肥，使用生长调节剂等，不但成本较高，需要较多人力物力，且容易造成面源污染等环境负效应。在生产实践中，探索成本低廉、环境负效应较小的抗渍方法具有重要意义。
生物炭技术
生物炭（Biochar）是生物质在完全或部分缺氧条件下，经热解产生的一种含碳量丰富、性质稳定的有机物质。具有多孔结构、低容重、高 pH 值等特征。鉴于上述一系列的优良特性，生物炭在近年来被广泛用于改善土壤板结，改良酸性土壤、固碳减排、土壤修复改良等方面的研究和实践，被认为是一种优良的土壤改良剂。
发明内容
为应对稻麦轮作系统中渍害胁迫造成的小麦减产，本发明提供一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，利用稻麦轮作产生的水稻秸秆制备生物炭，发挥生物炭低容重、高碳氮比的特性，改良稻麦轮作土壤的理化性质，以实现缓解小麦渍害胁迫减产，同时降低面源污染风险，提高养分利用效率等目标。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于，利用水稻秸秆生物炭自身理化特性，对稻麦轮作土壤进行改良，以较低的成本缓解小麦渍害胁迫减产。稻麦轮作是我国南方地区主要的粮食生产方式，这种水旱轮作下土壤排水能力往往较差，而施用生物炭可以降低土壤容重，降低土壤对表层水分下渗的传质阻力，促进土壤水分下渗，减少小麦受渍时间。传统应对小麦渍害的方法之一是渍后补施氮肥，以促进小麦恢复。但稻麦轮作面临土壤养分流失，易造成面源污染风险等问题，补施氮肥并不适用于当地农业环境，而生物炭本身具备较高的碳氮比，对氮素有较好的固持能力，可提高养分利用效率。因此，本方法可在不增加环境风险的前提下，降低渍害胁迫造成的小麦减产。核心创新点是利用水稻秸秆生物炭的低容重，高碳氮比的理化特性对稻麦轮作土壤进行改良，在成本低廉，不增加环境风险的前提下缓解小麦渍害胁迫减产。该方法分为两个步骤：收集水稻秸秆制备生物炭、施用生物炭并适度翻耕。
第一个步骤为收集水稻秸秆制备生物炭。在水稻收获后，对水稻秸秆进行采集，用于制备生物炭，水稻秸秆生物炭的制备温度不高于700℃。
第二个步骤为施用生物炭并适度翻耕。在小麦播种前，将水稻秸秆生物炭配合基肥均匀施用在土壤表层，该过程应尽量避免生物炭的流失，可在施用生物炭过程中适当洒水；施用完成后对土壤表层进行翻耕（深度大于10 cm）。
所述生物炭由水稻秸秆制备，制备温度为300-700℃，制备时间为1-120分钟。
所述水稻秸秆生物炭施用量为1-100 t hm-2。
所述生物炭施用方式为表施翻耕，即生物炭施用于土壤表层，之后进行翻耕，采用锄头、筢子、旋耕机或翻耕机进行翻耕，使其翻耕深度为10-50 cm。
生物炭施用时间为小麦播种前，需配合基肥一起施用。
本方法适用于质地较黏，偏酸性的稻麦轮作土壤。
处理方法如下：收集水稻秸秆制备生物炭、施用生物炭并适度翻耕。最终实现缓解小麦渍害胁迫减产，同时改良稻麦轮作土壤理化性质，降低面源污染风险，提高养分利用效率。
作为优选方案，所述水稻秸秆生物炭，制备温度为500℃，制备时间为5分钟。
作为优选方案，所述生物炭的施用量为40 t hm-2。
作为优选方案，所述翻耕深度为20 cm。
作为优选方案，所述配合基肥的施用量为135 kg N hm-2。
本发明提供了一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫减产的方法，该方法利用水稻秸秆生物炭的理化特性，改良稻麦轮作土壤的理化性质，从而降低渍害胁迫造成的小麦减产。采用两个步骤：水稻收获后，收集水稻秸秆制备生物炭；在小麦播种前配合基肥施用生物炭并适度翻耕。
具体而言，本发明实现以下有益效果：
1）稻麦轮作土壤往往较为黏重，排水能力较差。利用水稻秸秆生物炭低容重的特点，可以降低稻麦轮作土壤的容重，促进土壤水分下渗，有助于排出过量水分，解除土壤渍水状态。
2）传统缓解小麦渍害胁迫较为常见的方法是渍后补施氮肥，促进小麦恢复生长。但此方法需投入较多人力物力，且稻麦轮作地区面临养分流失和养分利用效率低的问题和面源污染的风险，补施氮肥会加剧这些问题和风险。而本方法利用水稻秸秆生物炭较高的碳氮比和较强的吸附能力，维持土壤养分，提高养分利用效率，同时降低面源污染风险。
3）稻麦轮作制度下，会产生大量水稻秸秆，秸秆焚烧将对大气环境造成严重污染，而秸秆直接还田会排放大量甲烷，同时影响后续耕作和播种。将水稻秸秆制备成生物炭相对而言是一种成本较低、环境负效应较少的秸秆处理方式。
综上，本方案提出了一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫减产的方法，实现缓解小麦渍害胁迫减产，同时降低面源污染风险，提高养分利用效率等目标。
附图说明
图1为本方法对土壤容重的影响；
图2为本方法对土壤全氮的影响；
图3为本方法对土壤碱解氮的影响；
图4为本方法对小麦每株籽粒重的影响；
图5为本方法对小麦千粒重的影响；
图6为本方法对土壤水分的影响；
图7为本方法的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明分为两个步骤：收集水稻秸秆制备生物炭、施用生物炭并适度翻耕。
第一个步骤为收集水稻秸秆制备生物炭。在水稻收获后，对水稻秸秆进行采集，用于制备生物炭，水稻秸秆生物炭的制备温度不高于700℃。
第二个步骤为施用生物炭并适度翻耕。在小麦播种前，将水稻秸秆生物炭配合基肥均匀施在土壤表层，该过程应尽量避免生物炭的流失，可在施用生物炭过程中适当洒水；施用完成后对土壤表层进行翻耕（深度大于10 cm）（图7）。通过降低土壤容重，使土壤疏松，有助于加速土壤水分下渗，快速解除土壤的渍水状态；同时提高土壤固持氮素的能力，维持土壤养分，提高养分利用效率，达到在不增加环境风险的前提下，降低渍害胁迫造成的小麦减产的目的。
实施例1
本实施例考察了一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫减产的方法对土壤理化性质和小麦产量的影响。于2016年11月至2017年5月在江苏省农业科学院试验场建立小麦盆栽实验。设置不同生物炭施用量（对照，未施用生物炭；中等施用量，10 t hm-2；高施用量，40 thm-2）和渍水（未发生渍害胁迫；花期渍水12 d）共6个处理。生物炭水稻秸秆在500℃烧制而成。供试品种为宁麦13号。播种期为11月15日。
实施例2一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫减产的方法对土壤容重的影响
本实施例考察了一种缓解拔节期小麦渍害胁迫减产的方法对土壤容重的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。结果如图1所示，稻麦轮作土壤容重为1.27 g cm-3，而生物炭施用量达到10和40 t hm-2时，土壤容重相比对照分别下降4.9和8.7%，且在施用量达到40 t hm-2时呈现显著水平（p<0.05），表明施用生物炭可降低土壤容重。
实施例3一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫减产的方法对土壤总氮和碱解氮的影响
本实施例考察了一种缓解拔节期小麦渍害胁迫减产的方法对土壤总氮和碱解氮的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。施用生物炭和渍水处理对土壤全氮没有显著影响（图2）。未渍水的处理下，土壤碱解氮随生物炭施用量增加而增加，但并不显著。而渍水处理下，土壤碱解氮随生物炭施用量增加而减少，当生物炭施用量达到40 t hm-2时，渍水处理下的土壤碱解氮显著低于未渍水的处理（p<0.05）（图 3）。表明大部分土壤氮被生物炭固定，从中长期看，生物炭起缓效释放氮元素的作用，有利于弥补小麦缺失的氮素。
实施例4一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫减产的方法对小麦每株籽粒重的影响
本实施例考察了一种缓解拔节期小麦渍害胁迫减产的方法对小麦每株籽粒重的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。于小麦成熟后对盆栽小麦进行收获，测定小麦每株籽粒重。相同生物炭施用量下，未渍水处理下籽粒重均高于渍水处理，表明为期12天的渍害胁迫造成小麦产量下降。相同水分处理下，小麦籽粒重随生物炭施用量的增加呈增加的趋势。渍害胁迫未发生的情况下，生物炭施用量为10和40 t hm-2时分别比未施用生物炭处理下小麦籽粒重增加16.6和51.6%。而渍害胁迫发生时，生物炭施用量为10和40 t hm-2时分别比未施用生物炭处理下小麦籽粒重增加40.4和147%（图4）。以上结果表明，施用生物炭有助于增加小麦产量，而渍害胁迫发生时，这种增产效果在生物炭施用量达到40 t hm-2时达到显著水平（p<0.05）。
实施例5一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫减产的方法对小麦千粒重的影响
本实施例考察了一种缓解拔节期小麦渍害胁迫减产的方法对小麦千粒重的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。于小麦成熟后对盆栽小麦进行收获，测定小麦千粒重。渍水处理下，小麦千粒重相比未渍水处理均显著下降（p<0.05）。相同渍水处理下，小麦千粒重随生物炭施用量增加而增加。未渍水处理下，生物炭施用量达到40 t hm-2时，小麦千粒重显著增加（p<0.05），而渍水处理下，生物炭施用量达到10 t hm-2时，小麦千粒重显著增加（p<0.05），表明渍害胁迫发生时，施用生物炭更有助于增加小麦千粒重，可缓解小麦产量损失（图5）。
实施例6一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫减产的方法对土壤水分的影响
本实施例考察了一种缓解拔节期小麦渍害胁迫减产的方法在土柱试验中对土壤水分的影响效果。本实施例采用的试验材料与实施例1类似。土柱试验在江苏省农科院实验室内开展，实验室温度控制在20℃。采用内径20 cm，高80 cm的聚氯乙烯管制作土柱。布设土壤水分传感器监测10、20和40 cm深处土壤体积含水量。试验共设置3个处理：生物炭施用量为0、10和40 t hm-2，施用深度为 0-20 cm。将土壤水分调节至60%田间持水量，土壤水分达到平衡后维持7 d，之后模拟一次达到渍害水平的降水（40 mm），记录降水前后各层土壤的体积含水量，记录间隔为5 min。降水发生后，对照处理的10 cm土壤水分下降速度在初期（400min内）低于施用生物炭的处理，表明施用生物炭有利于土壤水分下渗（图6）。20 cm土壤水分的动态变化显示，对照处理20 cm土壤水分显著高于施用生物炭的处理。对照处理20 cm土壤水分在模拟降水后24 h内，明显高于施用生物炭的处理。生物炭处理20 cm土壤水分下降速度高于对照，在模拟降水60 min后，生物炭处理20 cm土壤水分已明显低于对照，表明施用生物炭可改善20 cm深度土壤水分下渗能力（图6）。
以上显示描述了本发明的基本原理、主要特征以及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落进要求保护本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于，利用水稻秸秆生物炭自身低容重、高碳氮比的理化特性，对稻麦轮作土壤进行改良；该方法分为两个步骤：一、收集水稻秸秆制备生物炭、二施用生物炭并适度翻耕；
步骤一、收集水稻秸秆制备生物炭；在水稻收获后，采集水稻秸秆用于制备生物炭，水稻秸秆生物炭的制备温度不高于700℃；
步骤二、施用生物炭并适度翻耕：在小麦播种前，将水稻秸秆生物炭配合基肥均匀施用在土壤表层；施用完成后对土壤表层进行翻耕，翻耕深度大于10 cm。
2.根据权利要求1所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于，在步骤（2）的水稻秸秆生物炭配合基肥均匀施用在土壤表层的过程中，避免生物炭的流失，在施用生物炭过程中适当洒水。
3.根据权利要求1所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于：所述生物炭由水稻秸秆制备而成，制备温度为300-700℃，制备时间为1-120分钟。
4. 根据权利要求1所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于：所述水稻秸秆生物炭施用量为1-100 t hm-2。
5. 根据权利要求1所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于：所述生物炭施用方式为表施翻耕，即生物炭施用于土壤表层，之后进行翻耕，采用锄头、筢子、旋耕机或翻耕机进行翻耕，使其翻耕深度为10-50 cm。
6.根据权利要求1所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于：生物炭施用时间为小麦播种前，配合基肥一起施用。
7.根据权利要求1所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于：本方法适用于质地较黏，偏酸性的稻麦轮作土壤。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于，处理方法如下：收集水稻秸秆制备生物炭、施用生物炭并适度翻耕。
9.根据权利要求1所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于，水稻秸秆制备生物炭的步骤中，制备温度为500℃，制备时间为5分钟。
10. 根据权利要求1所述的一种缓解稻麦轮作系统中小麦渍害胁迫、促进小麦增产的方法，其特征在于，步骤二中，所述生物炭的施用量为40 t hm-2；翻耕深度为20 cm；基肥的施用量为135 kg N hm-2。
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