CN108441227A - 一种土壤调理剂及其施用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土壤调理剂及其施用方法。该调理剂由基料和辅料组成，基料为生物炭和蚯蚓粪，辅料为氧化钙、氧化镁和硅氧化物。该调理剂原料来源广泛，且将农林废弃物循环利用与土壤改良相结合，实现一箭双雕的效果，同时，该调理剂能显著提高土壤pH值、有机质、微生物及土壤中N、P、K的含量、降低土壤容重和土壤中有效态N、P、K的含量等，因而能综合改良土壤的质地，从而实现农作物的增产，另外，该调理剂特别适用于酸性红壤的修复。

Description

一种土壤调理剂及其施用方法
技术领域
本发明涉及土壤修复领域，尤其涉及一种土壤调理剂及其施用方法。
背景技术
目前，我国分布着大约2亿公顷的酸性土壤，大部分酸性土壤的pH值小于5.5。其中，在我国南方热带和亚热带地区，分布着近218万平方公里，约占国土面积的22.7％红壤，该类土壤是典型地带性土壤，且通常偏酸性，大部分地区的红壤pH值低于5.5，其中相当一部分地区的红壤pH值低于5.0。红壤的主要特征是缺乏碱金属和碱土金属，同时富含铁﹑铝氧化物，呈酸性红色。南方红壤的盐基饱和度较低(约为25％)，这使得红壤的酸缓冲能力较弱，容易发生酸化现象，并且，我国南方同时也是国家重要的经济作物和粮食作物种植区，且红壤作为农业用土的区域分布广，面积大。
土壤酸化会对作物生长造成极大危害：1)土壤酸化会影响根系对营养的吸收：酸化后的土壤相对较硬，土壤板结现象较为严重，这会使得根系延伸比较困难，并造成根系的吸收能力下降，从而抑制作物长势并降低作物产量和品质；2)酸化会对作物产生毒害：土壤酸化会增加酸性离子的溶解度，从而对作物产生直接毒害，并会抑制植株对所需阳离子的吸收和利用，同时作物更容易遭受病害；3)酸化会降低土壤元素的吸收利用率：酸化会造成氮素的大量流失，同时也会降低一些植物所需元素的可利用性。
近年来，不合理的肥料施加进一步加剧了土壤酸化。比如现今大量使用的复合肥主要由氯化钾、硫酸铁和过磷酸钙配制而成，肥料施用后会在土壤中残留下SO4 2-、Cl-等酸性离子，促使土壤酸化。
因此，修复目前不断扩大的酸性土壤是我国亟待解决的问题之一。施用酸性土壤改良剂，不但能够缓解土壤酸化，还能改善土壤物理结构和化学性质，提高土壤微生物活性，改善土壤的通气透水性，促使土壤团聚体的形成，最终达到提高土壤肥力的效果。
目前，用于改良酸性土壤的调理剂的配方多种多样，CN101085920提供了一种南方旱地酸性土壤调理剂的制备方法，采用煅烧贝壳产物、硅酸钙和磷酸铵镁为原料制备土壤调理剂，李育鹏等[1]，通过CaCO3和K2O混合成调理剂，CN105154100则提供了一种酸性土壤调理剂及其连续蒸压装置和方法，其利用钾长石、硅酸钠、钙镁酸肥、石灰、草木灰/粉煤灰、腐殖酸、氧化镁、活化辅料、微量元素为原料制备调理剂，CN107573163公开的调理剂由基料和辅料组成，而CN105330388公开的调理剂的成分为地龙氨基酸溶液、尿素、蚯蚓粪、腐殖酸、粉煤灰、长效剂，然而上述调理剂存在以下问题：1)单纯采用无机物质的调理剂，其只能补充土壤中缺失的钙、镁、硅等元素，不能解决土壤酸化导致的土壤结构变差、微生物数量种类降低等问题；2)调理剂的成分非常多，且存在原料来源有限，使得成本加大，不利于大规模长期施用。
因而，如何提供一种修复全面且原料来源广泛的土壤调理剂，对于长期修复酸性土壤，特别是红壤具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土壤调理剂及其施用方法。该调理剂能有效改良酸性土壤的质地，且该调理剂的原料来源广泛，低廉，有利于实施对酸性土壤的长期修复。
本申请利用生物炭与蚯蚓粪为主要原料制备土壤调理剂，生物炭由农林废弃物制得，蚯蚓粪则以猪粪或牛粪为食，经蚯蚓消化的排泄物，因而原料来源广泛且价廉，利用生物炭与蚯蚓粪为原料，一方面将上述废弃物变废为宝，循环利用，另一方面这些“废料”对土壤具有显著的改良修复效果，起到一箭双雕的作用。
本发明所采取的技术方案是：
一种土壤调理剂，由基料和辅料组成，基料为生物炭和蚯蚓粪，辅料为氧化钙、氧化镁和硅氧化物。
优选地，生物炭由农林废弃物制得。
优选地，生物炭的制备方法包括如下步骤：
1)将农林废弃物进行烘干处理；
2)将烘干后的农林废弃物在热解炉中隔绝空气或保护气体下进行热处理，得生物炭。
优选地，农林废弃物选自废弃的木材、草、秸秆、农产品加工下脚料、桉树木屑中的至少一种，更优选为桉树木屑，桉树是一种在南方地区广泛种植的经济作物，一个普通的桉树木材加工厂每天都可产生几吨到几十吨的桉树木屑，数量十分可观，并且桉树的生长速度快，这为原料的来源提供了充足的保障。
优选地，步骤1)中的农林废弃物的烘干温度为：80～120℃，更优选为：105℃。
优选地，步骤1)中烘干处理至农林废弃物的水分≤15％。
优选地，步骤2)中的热处理温度为：400～800℃，更优选为：500～600℃。
优选地，步骤2)中所得的生物炭还包括进行粉碎研磨处理。
优选地，步骤2)中的生物炭粉碎研磨至其粒度达到40～60目，更优选为50目。
优选地，基料和辅料的质量比为(6～9)：(4～1)。
更优选地，基料和辅料的质量比为(7～8)：(3～2)。
优选地，基料中生物炭和蚯蚓粪的质量比为(6～15)：(1～2)。
优选地，基料中生物炭和蚯蚓粪的质量比为(8～10)：(1～2)。
更优选地，生物炭和蚯蚓粪的质量比为(8～10)：1。
优选地，生物炭与蚯蚓粪混合的方法如下：
a)将动物粪进行除水处理；
b)将步骤a)中的动物粪，铺于蚯蚓床上，生物炭平铺于动物粪上，再在生物炭上平铺步骤a)中的动物粪，投入蚯蚓种苗；
c)停止养殖后，将蚯蚓与蚯蚓粪分离，得生物炭蚯蚓粪混合物，风干后备用。
优选地，步骤a)中的动物粪为牛粪、猪粪或其混合物，优选牛粪。
优选地，步骤a)中的除水方法可以是自然风干也可以是利用脱水机器进行除水处理，优选自然风干除水。
优选地，步骤a)中除水至其水分≤15％。
优选地，步骤a)中除水后还包括进行堆沤发酵，优选地，堆沤发酵的时间为5～10天，更优选为7天。
优选地，步骤b)中的生物炭与动物粪的质量比为1：10～20，更优选1：15。
优选地，步骤b)中的环境温度控制在18～25℃，更优选20℃。
优选地，步骤b)中还包括在投入蚯蚓种苗后加盖碎秸秆以保持水份，优选地，碎秸秆、牛粪和生物炭的质量比为(0.1～1)：(10～20)：1，更优选为0.5：15：1。
优选地，步骤c)将生物炭蚯蚓粪混合物风干至水分≤20％。
优选地，步骤c)中将蚯蚓与蚯蚓粪分离的方法可以是(1)将蚯蚓和蚯蚓粪平铺在有阳光的地方，蚯蚓因为怕光会不断往下钻，从而一层一层地收集蚯蚓粪；也可以是：(2)采用机械筛选的方法进行分离。
优选地，氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为(1～2)：(0.5～1.5)：(1～2)。
更优选地，氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1.5：1：1.5。
优选地，上述土壤调理剂为红壤调理剂。
一种土壤调整方法，包括在土壤中施用上述土壤调理剂。
优选地，土壤调理剂的用量为500～2500kg/亩。
更优选地，土壤调理剂的用量为1000～2000kg/亩。
本发明的有益效果是：
1、该调理剂主要以生物炭和蚯蚓粪为原料，其中，生物炭由农林废弃物制备得到，而蚯蚓粪则以养殖产生的动物粪为原料，经蚯蚓消化后的排泄物，因而原料来源广泛，且能实现变废为宝，循环利用的有益生态效果。
2、该调理剂能显著提高土壤pH值、有机质、微生物及土壤中N、P、K的含量、同时能降低土壤容重和土壤中有效态N、P、K的含量等，因而能综合改良土壤的质地，从而实现农作物的增产。
3、该调理剂尤其适用于酸性红壤的修复。
具体实施方式
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数据。
生物炭的制备：
1)将桉树木屑于105℃中进行烘干处理，至桉树木屑的水分含量降低至15％以下；
2)将上述桉树木屑置于550℃隔绝氧气或氮气保护气体的条件下热处理1.5h，得生物炭；
3)将步骤2)中的生物炭粉碎研磨至粒度达50目，备用。
生物炭蚯蚓粪混合物的制备：
1)将牛粪进行自然风干，使其水分降至15％左右，后将风干后的牛粪进行堆沤发酵7天；
2)铺设蚯蚓床。首先将步骤1)中的牛粪，铺于蚯蚓床上，铺设厚度约为10cm；随后按照生物炭与牛粪的质量比为1：15称取生物炭平铺于牛粪上；再称取步骤1)中的牛粪平铺于生物炭上，铺设厚度为10cm；投入蚯蚓种苗后加盖20cm粗粉碎的碎秸秆(碎秸秆、牛粪和生物炭的质量比约为0.5：15：1)以保持水份，控制环境温度在20℃左右，蚯蚓养殖过程中，蚯蚓的蠕动作用会将生物炭与蚯蚓粪充分混合；
3)大约4个月后停止养殖，将蚯蚓与蚯蚓粪分离，得生物炭蚯蚓粪混合物，对其进行自然风干，使其含水量低于20％，除去水分和其他杂质，备用。
其中，对蚯蚓与蚯蚓粪的分离方法可以是：(1)将蚯蚓和蚯蚓粪平铺在有阳光的地方，蚯蚓因为怕光会不断往下钻，从而一层一层地收集蚯蚓粪；也可以是：(2)采用机械筛选的方法进行分离。
土壤调理剂的制备：
1)将生物炭蚯蚓粪混合物与氧化钙、氧化镁和硅氧化物在搅拌机内充分混合；
2)将步骤1)中所得混合物置于造粒机中制成颗粒状土壤调理剂。
测试方法：
土壤pH值：采用LY/T 1239-1999测定；
土壤容重：采用环刀法NY/T 1121.4-2006测定；
土壤有机质含量：采用重铬酸钾容量法LY/T 1237-1999测定；
土壤微生物含量：熏蒸提取——容量分析法；
土壤有效态N含量：采用半微量开氏法GB 7173-1987测定；
土壤有效态P含量：采用分光光度法GB 7853-1987测定；
土壤有效态K含量：采用火焰原子吸收分光光度法7856-1987测定；
土壤含N量：采用半微量开氏法GB 7173-1987测定；
土壤含P量：采用分光光度法GB 7852-1987测定；
土壤含K量：采用火焰原子吸收分光光度法7854-1987测定；
土壤含Ca量：采用EDTA络合滴定法7873-1987测定；
土壤含Mg量：采用EDTA络合滴定法7873-1987测定；
土壤中N的利用效率：按照如下公式EN＝(Np+Ns)/(FN+Nso)×100进行计算，其中EN为氮利用效率，Np为收割后植株氮含量，Ns为收割后土壤氮含量，FN为氮肥施加量，Nso为种植前土壤氮含量；
土壤中P的利用效率：按照如下公式EP＝(Pp+Ps)/(FP+Pso)×100进行计算，其中EP为磷利用效率，Pp为收割后植株磷含量，Ps为收割后土壤磷含量，FP为磷肥施加量，Pso为种植前土壤磷含量；
土壤中K的利用效率：按照如下公式EK＝(Kp+Ks)/(FK+Kso)×100进行计算，其中EK为钾利用效率，Kp为收割后植株钾含量，Ks为收割后土壤钾含量，FK为钾肥施加量，Kso为种植前土壤钾含量；
植株含N量：采用硫酸-过氧化氢消煮法NY/T 2017-1011测定；
植株含P量：采用分光光度法NY/T 2017-1011测定；
植株含K量：采用火焰原子吸收分光光度法NY/T 2017-1011测定；
所有结果均以3个地块的平均值计。
调理剂对玉米地土壤及玉米植株的影响：
1、试验方案：
本试验选取广东省广州市增城区洋田村实验基地作为实验用地，实验时间为2017年3月～7月。
1)在玉米种植田块内，划分出3组实验地，分别施用下列调理剂：
A、空白对照组(不施加调理剂)；
B、每亩施加1000Kg的调理剂；
C、每亩施加2000Kg的调理剂；
其中，调理剂的配方为(配方1)：基料与辅料的质量比为8：2，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为10：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1.5：1：1.5；
每组处理的田块面积约为2亩；
2)将上述调理剂均匀施加到土壤表层，后使用旋耕机(旋耕深度约为20cm)将调理剂与土壤充分混合，不施加调理剂的实验地也按此处理；
3)按照常规方法在3组田块内种植玉米，按每亩种植2600株的密度进行种植，待玉米成熟后，相应测定土壤性质和玉米植物体特性。
2、土壤性质：
3组试验地经不同处理后，土壤的相关性质如下表1：
表1
从表1可以看出，经调理剂处理后的B、C组，其土壤pH值和有机质含量均有提高，土壤pH值约提升0.3～0.5个单位，土壤有机质含量约提高0.5～1.0％。
3、玉米植株特性：
3组试验地经不同处理后，玉米植物体的相关特性如下表2：
表2
由表2可知：经调理剂处理的B、C组，其玉米植株中的N、P元素的含量均有提高，特别是对于含N量，相较于对照组A，B组提高了15％，C组提高了41％，而对于植株含P量，提高了10～20％，同时，对于土壤中N、P、K的利用率分别提高了6～13％、5～10％和4～7％，并且，玉米产量也提高了20～40％。
本试验还做了以下配方的调理剂(其余操作及用量同配方1)：
配方2：基料与辅料的质量比为6：4，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为15：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1：0.5：1；
配方3：基料与辅料的质量比为7：3，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为8：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1.5：1：1.5；
配方4：基料与辅料的质量比为9：1，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为9：2，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为2：1.5：2；
上述调理剂的效果与配方1的效果类似。
调理剂对水稻田土壤及玉米植株的影响：
1、试验方案：
本试验选取广东省湛江市雷州东里镇六格村实验基地作为实验用地，实验时间为2017年7月～11月。
1)在水稻种植田块内，划分出2组实验地，分别施用下列调理剂：
E、空白对照组(不施加调理剂)；
F、每亩施加1000Kg的调理剂；
其中，调理剂的配方为(配方Ⅰ)：基料与辅料的质量比为7：3，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为10：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1.5：1：1.5；
每组处理的田块面积约为7亩；
2)将上述调理剂均匀施加到土壤表层，后使用旋耕机(旋耕深度约为20cm)将调理剂与土壤充分混合，不施加调理剂的实验地也按此处理；
3)按照常规方法在2组田块内种植水稻，按每亩种植1.5万窝的密度进行种植，待水稻成熟后，相应测定土壤性质和水稻特性。
2、土壤性质及水稻产量：
2组试验地经不同处理后，土壤的相关性质及水稻产量如下表3：
表3
由表3可知：经调理剂处理的E组，其土壤pH值提升了0.84个单位，土壤有机质含量提高了0.77％，同时，经调理剂处理的后，土壤的有效态N、P、K含量相对于对照组D分别下降了26.2％、28％和42％，这说明施用调理剂后能有效降低土壤营养元素的流失风险；另外，相比于D组，水稻增产约10％左右。
本试验还做了以下配方的调理剂(其余操作及用量同配方Ⅰ)：
配方Ⅱ：基料与辅料的质量比为6：4，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为15：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1.5：1：1.5；
配方Ⅲ：基料与辅料的质量比为8：2，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为10：2，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1：0.5：1；
配方Ⅳ：基料与辅料的质量比为9：1，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为8：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为2：1.5：2；
上述调理剂的效果与配方Ⅰ的效果类似。
调理剂对香蕉种植地土壤及玉米植株的影响：
1、试验方案：
本试验选取广东省湛江市雷州唐家镇香蕉种植地作为实验用地，实验时间为2017年3月～11月。
1)在已有的香蕉种植地块内，划分出2组试验地，分别施用下列调理剂：
F、空白对照组(不施加调理剂)；
H、每亩施加2000Kg的调理剂；
其中，调理剂的配方为(配方α)：基料与辅料的质量比为9：1，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为8：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1.5：1：1.5；
每组处理的田块面积约为1亩；
2)将上述调理剂均匀施加到土壤表层，后人工翻耕的方式(翻耕深度约为50cm)将调理剂与土壤充分混合，不施加调理剂的实验地也按此处理；
3)按照常规方法在2组地块内进行香蕉种植与管护，调理剂施加半年后，采土测定土壤性质。
2、土壤性质：
2组试验地经不同处理后，土壤的相关性质如下表4：
表4
由表4可以看出：经调理剂处理的H组，其土壤容重由不经调理剂处理的1.37g/cm3下降至0.75g/cm3，这说明施加调理剂能有效疏松香蕉种植地的土壤质地，同时，土壤pH值、土壤含N、P、K、Ca、Mg量和土壤有机质含量及土壤微生物含量均有显著的提高，特别是对于土壤pH值，其相对于对照组F提高近1.50个单位，这说明土壤调理剂能综合改善土壤的质地。
本试验还做了以下配方的调理剂(其余操作及用量同配方α)：
配方β：基料与辅料的质量比为6：4，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为10：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为2：1.5：2；
配方γ：基料与辅料的质量比为8：2，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为9：2，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1.5：1：1.5；
配方δ：基料与辅料的质量比为7：3，基料中生物炭与蚯蚓粪的质量比为9：1，辅料中氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为1：0.5：1；
上述调理剂的效果与配方α的效果类似。

Claims (10)

1.一种土壤调理剂，其特征在于：调理剂由基料和辅料组成，基料为生物炭和蚯蚓粪，辅料为氧化钙、氧化镁和硅氧化物。
2.根据权利要求1所述的调理剂，其特征在于：所述生物炭由农林废弃物制得。
3.根据权利要求1所述的调理剂，其特征在于：所述基料和辅料的质量比为(6～9)：(4～1)。
4.根据权利要求3所述的调理剂，其特征在于：所述基料和辅料的质量比为(7～8)：(3～2)。
5.根据权利要求1所述的调理剂，其特征在于：所述基料中生物炭和蚯蚓粪的质量比为(6～15)：(1～2)。
6.根据权利要求5所述的调理剂，其特征在于：所述基料中生物炭和蚯蚓粪的质量比为(8～10)：(1～2)。
7.根据权利要求1所述的调理剂，其特征在于：所述氧化钙、氧化镁和硅氧化物的质量比为(1～2)：(0.5～1.5)：(1～2)。
8.一种土壤调整方法，其特征在于：包括在土壤中施用权利要求1～7任一项所述的土壤调理剂。
9.根据权利要求8所述的调整方法，其特征在于：土壤调理剂的用量为500～2500kg/亩。
10.根据权利要求9所述的调整方法，其特征在于：土壤调理剂的用量为1000～2000kg/亩。
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