一种土壤调理剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于土壤改良技术领域,特别涉及一种土壤调理剂及其制备方法和应用。
背景技术
国际对土壤修复技术的研究可追溯到20世纪50年代,80年代取得较大进展。2000年开始,国内自主研发的土壤修复产品慢慢萌芽,在2012年的首次土壤调理剂峰会上,有人指出:“目前全国受污染耕地已占总耕地面积的10%以上,达1.5亿亩”,我国土壤修复面临严峻的挑战。
目前的土壤修复技术装备种类繁多,就来源来分有以下几种:(1)矿物类,主要有泥炭、褐煤、风化煤、石灰、石膏、蛭石、膨润土、沸石、珍珠岩和海泡石等;(2)天然和半合成水溶性高分子类,主要有秸秆类、多糖类物料、纤维素物料、木质素物料和树脂胶物质;(3)人工合成高分子化合物,主要有聚丙烯酸类、醋酸乙烯马来酸类和聚乙烯醇类;(4)有益微生物制剂类等。
如果按形态来分主要有粉剂、颗粒剂和水剂三种,其中以接触面大、易运输的粉剂最为普遍,三者所占比例分别为56.8%、22.7%与18.2%。无论是固体的还是液体的土壤调理剂,归纳起来,主要有以下的几种作用方式:
(1)以调酸或调碱为目的土壤调理剂。这些产品的原理就是采用了化学上酸碱中和的化学方式,由于其本身的化学特性,从长期来看,这类的土壤调理剂会对土壤产生很多副作用,更多的化学物质会在土壤中积累,造成对土壤的二次污染。以含钠离子型的调理剂产品为例,若长期使用反而会造成土壤pH值升高,钠盐积累,进而对作物造成伤害。久而久之将导致土壤结构破坏的升级。
(2)免深耕类疏松土壤的土壤调理剂。该产品在短时间内取得一定的效果,但对于土壤尤其是设施农业的土壤,土壤板结的主因更多是源于一价钠离子和铵离子。而建立这种团粒结构需要更多的二价阳离子如钙离子和镁离子。该类技术装备在形式上通过交换作用暂时部分地改善土壤的结构,但是针对于土壤团粒结构的基本因素如二价阳离子、有机质颗粒和土壤颗粒无法实现实质的改变,所以其结果是既不持久(只能暂时改变土壤结构),也没有太多实质性的帮助,离我们真正要的结果还有很大的差距。
(3)有机质类土壤调理剂(有机肥)。有机肥类土壤修复技术可以为作物提供必要的养分,有利于微生物的繁殖。但是有机肥的使用一方面是成本较高,而且单位面积土地的补充量很大;另一方面不合理的使用,土传病害,重金属污染,抗生素污染等问题突出。
(4)微生物类土壤调理剂。研究发现土壤中的微生物的种类有几千甚至几万种,每种微生物在整个生态系统中都有不同特性,发挥不同的作用,所有种类的微生物共同构成了我们面对的完整的生态系统。所以当我们面对土壤处在不健康的生态平衡系统中时,仅仅靠补充几种最多十几种微生物来达到修复土壤的目的,只能说有所帮助,但这只是杯水车薪。
因此,基于其广泛的市场应用性,研发绿色、安全、高效的土壤调理剂,解决目前农业中普遍存在的土壤障碍问题,具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种土壤调理剂及其制备方法和应用。本发明的土壤调理剂具有综合改善土壤理化性质,提高肥料利用率,促进植物生长等作用,可用于板结、盐碱等、沙化等退化土壤的改良,也可作为瓜果、禾谷、蔬菜等作物的常规肥料施用。
本发明的土壤调理剂,由植物萃取液和吸附剂及粘结剂制成:所述植物萃取液的原料包括苜蓿草粉、芦荟粉、大豆粉;所述吸附剂为膨润土硅藻土,蛭石、蒙脱石、伊利石等不含养分的矿物质,或者为腐植酸类,腐植酸盐类含有有机质的有机物质,也可用草酸,黄腐酸等腐殖物质代替;优选吸附剂为膨润土;所述粘结剂为钙盐及其氧化物,为氧化钙,氯化钙,硫酸钙等钙盐及其氧化物类,优选氧化钙。
本发明所述的土壤调理剂,其植物萃取液的原料以重量份数计,包括如下组分:苜蓿草粉4-5份,芦荟粉2-3份,大豆粉2-3份。优选以重量份数计,原料包括:苜蓿粉4份,芦荟粉3份,大豆粉3份。本发明通过对不同植物及不同配比进行了大量、长期试验,发现将苜蓿草粉、芦荟粉和大豆粉按4-5∶2-3:2-3的质量比例进行低温萃取所得的活性物质能有效促进土壤内源微生物的生长繁殖。
优选所述植物萃取液的原料还包括海藻粉,按重量份数计,其含量为0.1-10份。
加入海藻可以补充一些有益微量元素供植物生长所需。所述海藻可以为海带、马尾藻、泡叶藻、巨藻、岩依藻、螺旋藻、群带菜或墨角藻等中的一种或多种,优选为泡叶藻,泡叶藻中含有甘露醇、褐藻糖胶、海藻酸、氨基酸等活性成分,其中褐藻糖胶具有保湿作用,对重金属及其他毒素具有阴吸作用;海藻酸是一种天然螯合剂,能刺激生长调节物质和天然抗生素的形成;氨基酸可以促进蛋白质的合成和植物组织器官的健壮。
所述的苜蓿草粉、芦荟粉和大豆粉可以买市售成品,或者将苜蓿草、芦荟和大豆分别粉碎成粉末。优选将这三种原料进行冷冻干燥后磨碎为粉末。
本发明所述的植物萃取液的制备方法,依次包括以下步骤:
(1)将苜蓿4-5份、芦荟2-3份、大豆2-3份进行冷冻干燥,将冷冻干燥后的植物原料磨碎为粉末;
(2)将步骤(1)中的粉末浸置于重量份数为15-190份的低温水中进行低温超声波萃取处理,处理温度为20-25度;
(3)将低温萃取液进行过滤处理,以去除残渣,得到的萃取液中有效成分重量浓度为5-40%。
(4)将萃取液用水稀释为原体积的1-5倍,加入海藻粉,即得植物萃取液。
步骤(4)中的萃取液如果不稀释1-5倍,后续制备土壤调理剂时浓度过高,不易混匀、成型。
本发明所述的土壤调理剂,按重量份数计,由以下成分制成:植物萃取液0.01-0.1份,吸附剂1-5份,粘结剂0.001-0.05份。
优选地,按重量份数计,土壤调理剂,由以下成分制成:植物萃取液0.05份,膨润土1份,氧化钙0.01份。
本发明所述的土壤调理剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)称取吸附剂和粘结剂并混合均匀,得混合物;
(2)将植物萃取液均匀喷洒在步骤(1)的混合物上面,不断搅拌使其充分混匀;
(3)将步骤(2)得到的物质在常温下风干1-2天即可。
本发明所述的土壤调理剂施用于瓜果类、禾谷类或蔬菜类的农作物。
本发明所述的土壤调理剂在土壤改良中的应用。它可以直接撒施在土壤表面,或者溶解在水中喷于作物表面或者土壤表面。添加量为每亩1-10kg,优选为每亩1-5kg;
本发明的土壤调理剂在有机肥的堆腐中的应用,它可以作为腐熟剂按照每吨1-10kg加入有机肥中,施用于瓜果类、禾谷类或蔬菜类的农作物。
本发明土壤调理剂可按照每亩1-10kg溶解在水中喷于作物表面或者土壤表面。
本发明土壤调理剂还可与化学肥料按照1∶10-1∶200混合使用,其中所述比例为质量比。
本发明土壤调理剂可与有机肥料按照1∶10-1∶1000混合使用,其中所述比例为质量比。
下面再给出使用方法的例子,其包括以下几点:
1、将本土壤调理剂按照每亩用量1-5kg均匀撒施在土壤即可。
2、将本土壤调理剂按照每亩用量1-5kg水冲施即可。
3、将本土壤调理剂按照每亩用量1-5kg,溶于水中,喷在植物叶片或者土壤表面即可。
4、将本土壤调理剂按照每亩用量1-5kg与化学肥料混匀后一同施入即可。
5、将本土壤调理剂按照每亩用量1-5kg与有机肥料混匀后一同施入即可。
6、将本土壤调理剂按照每亩用量1-5kg溶于液体有机肥料一同施入即可。
7、将本土壤调理剂按照每吨有机物料用量1-5kg进行堆腐即可。
8、整个作物生长周期使用2-3次,第一次使用为移栽前或移栽时,第二次使用为第一次使用后3周左右。
又一个技术方案是,每20-200kg化学肥料混合本土壤调理剂1-5kg。
又一个技术方案是,每1-2000kg有机肥肥料(含生物肥力,腐植酸肥料,叶面肥等)每份混合1-5kg。
又一个技术方案是堆肥过程中每500kg有机物料添加该土壤调理剂1-5kg份土壤调理剂。
本发明提供了一种使用方便、保质期长、不产生二次污染、并且无安全隐患的土壤调理剂,可应用于盐碱地,板结地,以及各种农田,不同类型土壤的改良,配合化学肥料和有机肥料使用,起到调理土壤,提高微生物活性,促进植物对养分的吸收,同时堆肥过程中有机物料的腐熟。
本发明具有以下有益效果:
1.本发明不含化学养分,不添加任何外源微生物,因此生产过程中不会产生菌种变异、衰减等问题;它施用于土壤能有效激活土壤内源有益微生物,不会引起外来生物入侵、微生物之间相互拮抗作用、打破土壤生态平衡等不良现象;通过作用于土壤土著微生物,进而活化土壤养分,促进植物对养分的利用,通过微生物植物土壤三者之间的相互联系进而达到调理土壤,改良土壤;本发明的有效成分来自于植物,因此不会对土壤造成二次污染。
2.适应范围广,使用安全,有效期长,能针对大部分土壤和植物起作用,且效果持续性长。将本发明用于新移栽植物,有利于植物定植生根;运用于农业大田土壤,能有效增加肥料利用率,提高土壤有机质含量,减少土传病害,增加农产品产量和质量;应用于板结、盐碱化、贫瘠等问题土壤,能有效疏松土壤,增加土壤肥力,促进土壤团粒结构和腐植酸的形成;将本发明与化学肥料和有机肥料混合使用,可以提高养分的利用效率;将本发明应用与有机物料的堆腐可以提高有机物料的腐熟效率。
3.本发明中低温萃取液本身就可以作为土壤调理剂使用,本发明在其基础上加粘结剂和吸附剂,这两类物质本身具有土壤调理功能,因此两者结合效果更加突出,尤其对于酸性土壤pH的调理;由于其水分含量低,故其保质期更长,更稳定,不会失效;由于其水分含量极低,因此在与其他肥料,有机肥,生物有机肥,土壤调理类等固体物质混合使用后,不会因为水分含量过高而产生变质,影响其活性。
4.本发明的形态为固体粉末,根据不同的吸附材料,其溶解性不同,这样可以作为水溶土壤调理剂,亦可以作为固体土壤调理剂进行使用;使用方法更加多元化,可以溶于水喷施,撒施,与其他物料混合使用等。
5.本发明是固体形态,在运输、储存及应用时具有更加方便,快捷等优点。
附图说明
图1为实施例1应用实例2堆肥过程中温度的变化图;
图2为实施例1应用实例2堆肥过程中pH值的变化图;
图3为实施例1应用实例2堆肥过程中含水量的变化图;
图4为实施例1应用实例2堆肥过程中微生物的变化图;
图5为实施例1应用实例2堆肥过程中有机质的变化图;
图6为实施例1应用实例2堆肥过程中养分含量的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明及其各实施例的基本理念是,利用纯植物萃取物给土壤微生物传递一个适宜生长的信号,从而促进土壤微生物,特别是植物根际促生菌(PGPR)的活跃和繁殖。施用本产品后,苜蓿草粉、芦荟粉和大豆粉给微生物提供了良好的生长要素,因此,土壤中会迅速建立起庞大的有益土壤微生物群,从而为作物根系生长提供良好的生态环境。同时,植物根系的健康生长,反过来也会为土壤微生物提供更多的营养成分,从而形成一个健康土壤-健康作物的良性循环。
本发明及其各实施例主要涉及综合改良土壤的土壤调理剂,其制作方法是将核心原料:苜蓿草粉、芦荟粉和大豆粉低温萃取液加入有机海藻,通过膨润土吸附,氧化钙作为粘结剂。
实施例1-3中植物萃取液的制备方法如下:
(1)按重量份数计,称取苜蓿4份、芦荟3份、大豆3份并进行冷冻干燥,将冷冻干燥后的植物原料磨碎,得到植物粉末。
(2)将植物粉末浸置于重量份数为20份的低温水中进行低温超声波萃取处理,处理温度为22度。
(3)将低温萃取液进行过滤处理,以去除残渣。
(4)将上述萃取液用水稀释为原体积的3倍后加入0.6份泡叶藻,混匀即可。
实施例4-6中植物萃取液的制备方法如下:
(1)按重量份数计,称取苜蓿5份、芦荟2份、大豆3份并进行冷冻干燥,将冷冻干燥后的植物原料磨碎,得到植物粉末。
(2)将植物粉末浸置于重量份数为25份的低温水中进行低温超声波萃取处理,处理温度为25度。
(3)将低温萃取液进行过滤处理,以去除残渣。
(4)将上述萃取液用水稀释为原体积的2倍后加入0.4份泡叶藻后混匀即可。
实施例1:
(1)将1000g膨润土和10g氧化钙混合均匀。
(2)取50克植物萃取液均匀喷洒在步骤(1)得到的混合物上面,并不断搅拌使其充分混合均匀,然后在常温下风干1-2天,即制得土壤调理剂。
用量根据不同的作物和土壤环境而定,一般为1-5kg/亩。
下面继续结合具体应用,给出几个实例。
应用实例1:这是一个盆栽的应用案例。
区域概况:试验地位于河北省秦皇岛市领先生物科技有限公司
供试作物:小白菜。
供试样品:实施例1所制备的土壤调理剂。
试验方法:实验设置两个处理,一个为空白对照XF1,一个为实验组XF2,每个处理设置3个重复,共计6盆。
使用方法:种植前将本土壤调理剂按照1000g/亩的用量与土壤混匀,而后播种15颗小白菜种子,出苗后选择大小一致的小白菜定植到10颗,进行后期管理。
测试指标及方法:土壤样品的采集采用多点取样、混合测试的方法,进行测定;土壤物理性质的测定参考《土壤农化分析》。
试验结果:在一个生长季后对小白菜生长情况、产量以及土壤理化性质的变化进行测定;土壤样品的采集采用多点取样、混合测试的方法测定;具体试验结果如下:
(1)小白菜的产量变化
本土壤调理剂可以显著提高小白菜的产量,空白对照小白菜的产量为558.7g,实验组XF2小白菜的产量为632.4g,XF2的产量显著高于XF1的产量,达到差异显著水平(p<0.05),实验组和空白对照组叶绿素含量相当。
(2)小白菜株高的变化
本土壤调理剂可以增加小白菜的株高,对照组XF2平均株高为39.31cm,而处理组XF2的株高为41.29cm。
(3)土壤pH的变化
本土壤调理剂可以提高土壤的pH值,对照组XF1的土壤pH为5.2值,而实验组土壤的pH值为5.3,在一个生长周期内(30天),使用本土壤调理剂pH值可以提高0.1个单位,差异达到显著水平(p<0.05)
(4)土壤有机质的变化
本土壤调理剂可以增加土壤有机质的含量,对照组XF1的土壤有机质含量为16.00%,实验组XF2的土壤有机质为16.34%。在一个生长周期内(30天),使用本土壤调理剂,土壤有机质提高2.1%。
(5)土壤养分的变化
实验结果如表1所示,使用本土壤调理剂后土壤氮磷钾含量显著降低,这可能由于小白菜生长较快吸收更多的养分所致,而且在一个生长周期内(30天),微生物活化的养分较少,而作物吸收的养分较多,因此土壤养分含量会显著降低,因此提高了土壤养分的利用率。
表1土壤养分的变化,单位为mg/kg
处理编号 |
速效磷 |
速效钾 |
碱解氮 |
XF1 |
46.45 |
24.93 |
56.00 |
XF2 |
35.85 |
22.91 |
47.15 |
(6)土壤微生物的变化
使用本土壤调理剂后土壤微生物的数量显著提高,对照组土壤微生物的数量为5.83x105cfu/ml,而实验组土壤微生物的数量为11.06x105cfu/ml,差异达到显著水平。
综上所述,可以得出如下结论:
1、小白菜在种植过程中使用本土壤调理剂可以显著提高其产量;
2、小白菜在种植过程中使用本土壤调理剂可以显著提高微生物的数量;
3、小白菜种植过程中使用本土壤调理剂可以显著提高土壤的pH;
4、小白菜在种植前使用本土壤调理剂可以促进其对养分的吸收增加其对肥料的利用率。
应用实例2:本土壤调理剂在有机肥腐熟上的应用
区域概况:试验地位于河北省秦皇岛市领先生物科技有限公司;
腐熟材料:牛粪,花生壳,中草药渣;
供试样品:实施例1所制备的土壤调理剂。
试验方法:实验设置两个处理,一个为空白对照CK,一个为实验组T,每个处理设置3个重复,共计6堆。
使用方法:种植前将本土壤调理剂按照1000g/吨的用量与腐熟材料混匀,进行堆腐。
测试指标及方法:有机肥样品的采集采用多点取样、混合测试的方法,进行测定。
试验结果:在一个堆肥周期内对有机肥的温度,pH,电导率,养分含量等指标进行测定,具体试验结果如下:
(1)堆肥过程中温度的变化
实验结果如图1所示,使用本土壤调理剂后堆肥过程中温度明显高于对照组,可以加快有机物料的腐熟,是一种良好的腐熟剂。
(2)堆肥过程中pH值的变化
实验结果如图2所示,使用本土壤调理剂后,实验组有机肥的pH值明显高于对照处理。
(3)堆肥过程中含水量的变化
实验结果如图3所示,堆肥过程中,实验组有机肥的含水量明显低于对照组,表明有机肥的腐熟进程加快。
(4)堆肥过程中微生物的变化
实验结果如图4所示,堆肥过程中,实验组微生物的数量明显高于对照组,表明本土壤调理剂可也促进微生物的繁殖。
(5)堆肥过程中有机质的变化
实验结果如图5所示,堆肥过程中,实验组有机质的含量低于对照组。
(6)堆肥过程中养分含量的变化见图6。
综上所述,可以得出如下结论:
1、堆肥过程中使用本土壤调理剂可以使堆肥的温度快速提升,有利于有机物料的充分腐熟;
2、堆肥过程中使用本土壤调理剂可以促进堆肥过程中微生物的繁殖,有利于肥堆的快速腐熟。
应用实例3:
供试样品:实施例1所制备的土壤调理剂在盐碱地的应用。
试验概况:江苏东台市拥有全省最大规模的滨海滩涂资源,滨海盐碱地面积居全省之最,且不同时段围垦海堤之间具有显著的土壤盐分梯度;因此,本项目选择东台市作为试验点,开展本土壤调理剂对滨海盐碱地的修复与增产效应的试验,本试验由中国科学院南京土壤研究所完成。
试验设计:试验时间为2014年5月至2015年6月,采用江苏地区常见的玉米-大麦轮作模式,其中2014年5月-2014年10月种植玉米,2014年11月-2015年6月种植大麦;0-40cm土层平均含盐量为0.76g/kg,EC值为0.41Ms/cm,属于轻度盐碱;土壤有机质含量较低,均值为9.86g/kg。
采用小区试验方式开展验证试验,对照组进行常规施肥处理,处理组在常规施肥的基础上使用本土壤调理剂,玉米季使用本土壤调理剂三次,大麦季使用本土壤调理剂四次,用量均为1kg/亩/次,其他各次与上一次的间隔时间均为20天左右。
试验结果:
(1)本土壤调理剂对土壤盐分的影响
在不同的种植季节,土壤EC值差异很大,大麦季土壤盐分含量明显高于玉米季,但两季作物盐分都是次表层高于表层。在玉米季,本土壤调理剂处理组次表层土EC值比对照下降了11.88%;在大麦季,本土壤调理剂处理组表层土EC值比对照下降了5.46%。这有可能与两种作物的根系集中范围的差异有关;玉米根系较深,所以使用本土壤调理剂后,根区微生物的活跃使得次表层土盐分有一定下降,而大麦根系稍浅,所以是表层土盐分有所下降。
表2玉米季和大麦季表层和次表层土电导率值对比,单位为μS/cm
注:CK代表对照组,T代表本土壤调理剂处理组。
(2)本土壤调理剂对土壤有机质的影响
使用本土壤调理剂后,土壤有机质含量呈现上升趋势,在玉米季,本土壤调理剂处理组有机质含量比对照高8.99%;在大麦季本土壤调理剂处理组有机质含量比对照高12.5%,差异显著。说明随着本土壤调理剂使用时间的增加,土壤有机质含量会逐步积累。
表3土壤调理剂对土壤有机质的影响,单位为g/Kg
处理编号 |
玉米季 |
大麦季 |
CK |
8.9 |
8.8 |
T |
9.7 |
9.9 |
(3)本土壤调理剂对土壤速效养分的影响
使用本土壤调理剂后,能使土壤中的碱解氮和速效磷含量显著增加。处理组玉米季碱解氮和速效磷分别比对照增加了21.15%和44.98%;大麦季碱解氮和速效磷分别比对照增加了17.31%和25.27%,结果见表1,说明本土壤调理剂有活化土壤氮、磷的效果。
表4土壤调理剂对土壤速效养分的影响,单位为mg/kg
(4)本土壤调理剂对玉米和大麦产量的影响
使用本土壤调理剂后,对盐碱地作物产量增加有促进作用,玉米季本土壤调理剂处理组产量比对照增加了22.72%,大麦季本土壤调理剂处理组产量比对照增加了4.7%。在同样的地块上,玉米产量增加明显高于大麦,这可能是由于作物本身的差异所导致。
表5土壤调理剂对玉米和大麦产量的影响,单位为Kg/亩
处理编号 |
玉米季 |
大麦季 |
CK |
172.5 |
334.9 |
T |
211.7 |
350.6 |
综上所述,可以得出如下结论:
1、使用本土壤调理剂能有效促进土壤有机质的积累,并且随着使用时间的增加,有机质的累积效果增强。使用本土壤调理剂一季与两季后,有机质分别比对照提高8.99%和12.5%。
2、使用本土壤调理剂后,土壤盐分都有一定下降趋势,但在对于不同植物以及不同土壤层,土壤盐分的变化情况有所不同。
3、本土壤调理剂能有效活化土壤中的氮和磷,显著提高土壤中碱解氮和速效磷的含量。
4、在轻度盐碱地上,本土壤调理剂能有效促进作物增产,但是在不同季节及不同作物上的增产效果有差异。
实施例2-6和对比例1的配方见表6。
表6实施例2-6和对比例1的配方
对比例1在实施例1的基础上增加了植物萃取液的用量,其他与实施例1相同,对比例2在实施例1的基础上没有添加植物萃取液,仅仅采用膨润土和氧化钙。
将实施例2-6和对比例1-2用于小白菜的种植试验,方法同实施例1,用实施例1中制备的植物萃取液而不添加膨润土和氧化钙作为对照组,实施例组和对比例1使用方法:种植前将土壤调理剂按照1000g/亩的用量与土壤混匀;对照组中不加入膨润土和氧化钙,使用量与实施例1中植物萃取液的用量相同,对比例2没有添加植物萃取液,使用量与实施例1中膨润土和氧化钙的用量相同,小白菜产量结果见表7。
表7小白菜产量
试验过程中发现,对比例1由于加入了过多的植物萃取液,有烂根现象,产量低于实施例组;对照组和对比例2的产量比实施例组低,可见植物萃取液与吸附剂和粘结剂合用,具有协同作用,吸附剂和粘结剂能够促进植物萃取液的吸收。
需要说明的是,本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例,但是,本发明可以通过许多不同的形式来实现,并不限于本说明书所描述的实施例,这些实施例不作为对本发明内容的额外限制,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且,上述各技术特征继续相互组合,形成未在上面列举的各种实施例,均视为本发明说明书记载的范围;进一步地,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。