CN108865170A - 一种生物炭基土壤结构调理剂制备方法及施用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物炭基土壤结构调理剂及其施用方法，涉及土壤环境治理领域，本发明制备方法包括如下步骤：按每100重量份土壤所添加的土壤结构调理剂组成配制固态原料，包括：生物炭、植物纤维物料、火山石、蚯蚓粪、腐殖酸、膨润土以及耐盐碱微生物菌剂，将聚丙烯酰胺溶液与原料固体混合物交替与土壤混合，至土壤的颗粒生成粒径(0.25‑10)cm的调理剂土壤团聚体；其能够显著促进土壤团粒结构形成，同时在维持团粒结构稳定性、促进作物生长和提高作物产量等方面也体现出优异的应用效果。

Description

一种生物炭基土壤结构调理剂制备方法及施用方法

技术领域

本发明涉及土壤环境治理领域，具体涉及一种生物炭基土壤结构调理剂及其制备方法和应用。

背景技术

土壤团粒结构是由若干土壤单粒与腐殖质粘结在一起的团聚体。粒径在0.25～10mm范围内，并近似圆球状。土壤团粒结构是良好土壤的基础，在维持土壤疏松的环境、协调土壤水分含量和养分供给等方面发挥着重要的作用。此外，良好的土壤团粒结构有利于维持土壤微生物活性、提高土壤耕作水平进而保障农业的持续生产。

近年来，随着人们对滨海海域的开发利用，围海造田过程产生大量的低质土壤。此类土壤有机质含量低、粘性大、土壤板结严重以及土壤团粒结构差和耕作水平低。严重制约着农业经济的可持续发展。常见的土壤改良方法包括施肥和翻耕等方式，虽能在某种程度上促进土壤团粒结构的形成，但同时存在着见效时间长、作用效果不明显以及容易反弹等问题使得改良技术应用受限。因此，亟需开发一种新型的土壤团粒结构调理剂以改善土壤质地结构、提高农业耕作水平，这对于促进滨海农业经济的可持续发展具有深远的意义和影响。

生物炭是由生物质在限氧条件下热解得到的多孔、富炭材料，并被广泛应用于土壤改良。但是，关于生物炭对于土壤团粒结构稳定性的作用效果褒贬不一，这主要是因为土壤质地粘重程度和土壤耕作层深浅均会对土壤团粒结构的维持产生影响。加入生物炭后，土壤质地因此发生改变，常规耕作条件下会打破原有团聚平衡。因此生物炭在维持土壤团粒结构稳定性过程中存在着适应性差，效果不显著的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种生物炭基土壤结构调理剂的制备方法。本发明进一步提供了一种上述制备方法制得的生物炭调理剂施用方法。本调理剂及其施用能够显著促进土壤团粒结构形成，同时在维持团粒结构稳定性、促进作物生长和提高作物产量等方面也体现出优异的应用效果。

提供一种生物炭基土壤结构调理剂的制备方法，包括如下步骤：

1)原料处理：将生物炭和植物纤维物料风干后破碎过筛；将火山石和蚯蚓粪经破碎后过筛；聚丙烯酰胺用水溶解获得(0.2-1)wt％聚丙烯酰胺溶液；

2)土壤结构调理剂配料：按每100重量份土壤所添加的土壤结构调理剂组成配制固态原料，包括：(1-5)重量份生物炭、(0.1-3)重量份植物纤维物料、(0.1-1)重量份火山石、(0.1-1)重量份蚯蚓粪、(0.1～3)重量份的腐殖酸、(0.1～5)重量份的膨润土以及(0.01～0.1)重量份的耐盐碱微生物菌剂；

3)土壤结构调理剂的制备：将上述原料按照重量配比混匀得原料固体混合物，按每100重量份土壤量取(30-45)重量份的聚丙烯酰胺溶液，将聚丙烯酰胺溶液与原料固体混合物和土壤混合搅拌，至土壤颗粒包覆生成粒径(0.25-10)cm的颗粒，即得含生物炭基的土壤结构调理剂。

优选的，在步骤1)中，生物炭和植物纤维物料粉碎至过2mm筛。火山石的粒径优选为(1-5)mm。

优选的，所述植物纤维物料为纸屑、绿肥、玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、核桃壳、花生壳和稻壳中的至少一种。

优选的，所述聚丙烯酰胺为阳离子、阴离子及非离子聚丙烯酰胺中的至少一种。

优选的，所述聚丙烯酰胺为为阳离子聚丙烯酰胺。

优选的，耐盐碱微生物菌剂为枯草芽孢杆菌和/或巨大芽孢杆菌，耐盐碱微生物菌剂纯度为(25-30)wt％；蚯蚓粪含有腐殖酸、粗蛋白、矿物质元素和基质，蚯蚓粪纯度为(92-95)wt％；腐殖酸以干基计含量为(40-60)wt％；植物纤维物料含量为(60-80)wt％，植物纤维物料含水率≤20wt％，pH范围为4-5；膨润土为钠基和/或钙基。

本发明还提供一种采用如上述制备方法制得的生物炭土壤结构调理剂对田间土壤结构改良的施用方法，其特征在于，包括如下步骤：a按每百重量份土壤配比称取原料固体混合物，将原料固体混合物均匀覆盖至土壤表面；b采用深耕将土壤翻出地面并破碎；c喷施(30-40)重量份的聚丙烯酰胺溶液进行翻耕混匀；d重复上述各步骤至土壤颗粒生成粒径为(0.25-10)mm的土壤结构调理剂。

优选的，所述生物炭制备方法包括：将农林植物废弃物风干并粉碎，于(300-700)℃下限氧热解(1-5)h。

优选的，在施用前检测土壤pH值，对于酸性土壤选用阴离子型聚丙烯酰胺，对于碱性土壤选用阳离子型聚丙烯酰胺。

本发明所带来的综合效果包括：

1、为了解决生物炭在维持土壤团粒结构稳定性过程中存在着适应性差、效果不显著的问题，本发明的所述的生物炭基土壤团粒结构调理剂不仅能够有效促进土壤团粒结构产生，与此同时在土壤团粒结构稳定性的维持上也表现出良好的应用效果。

2、本发明方法中的土壤团粒结构调理剂制备所选用的原材料除聚丙烯酰胺、腐殖酸、膨润土等通过购买所得外，其余皆为农业生产过程中产生的废弃物，实现了废弃物资源化利用，具有经济环保、绿色可持续的特点。

3、本发明同时解决了现有团聚调理剂对土壤的板结副作用，动态调节土壤团粒大小，并保持团粒透气保水性。

附图说明

图1为本发明实施例1生物炭基土壤结构调理剂制备方法及施用方法流程框图。

图2为本发明实施例2生物炭基土壤结构调理剂制备方法及施用方法流程框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步解释说明，但应理解，本发明的范围不限于此。

本发明所述林木生物炭是指园林生物质资源在限氧或绝氧条件下限氧或完全厌氧的条件炭化热解得到的稳定固体。生物炭添加到土壤中能够显著改善土壤质地结构、提高土壤通透性和耕作水平：一方面，生物炭本身具有的巨大比表面积和表面能，具有胶结和团聚作用，能够促进土壤团粒结构的形成。另一方面，生物炭的添加能够提高土壤微生物量和微生物活性，使其产生更多的有机分泌物进而促进土壤颗粒的团聚。

值得一提的是，常规土壤通过多价离子(多为阳离子)的静电斥力作用将土壤中泥土颗粒相互团聚形成复粒，然后复粒再经泥水、有机质或根系等作用聚合为团粒。然而普通土壤团粒水稳性差。尤其对于滨海土壤，经雨水或海水冲刷后容易向两极发展而发生土壤板结或者沙化。酸性土壤多为金属阳离子缺失，被氢阳离子占位而显酸性；盐碱土壤反之，多因多价金属离子含量过度，而导致土壤板结，显碱性。

本发明通过与土壤性状相配合的聚丙烯酰胺，包覆于生物炭及其余有机无机组分粒子，形成粒径均匀的复粒，并进一步通过干湿交替的耕作团聚成为土壤团聚体。而且，由于生物炭经聚丙烯酰胺包覆解决团聚稳定性问题，加之生物炭本身具有的多重孔隙，与聚丙烯酰胺提供的离子斥力形成的团粒大小尺寸孔隙配合，形成大中小多级孔道，明显提高团聚体水稳定性。从而改善土壤质地，增加土壤透气性和保水性，避免内涝，并保持土壤养分，提高土壤养分利用率；促进作物生长，提高作物产量。

基于此，本发明具体涉及的是生物质热解技术的土壤改良应用领域，公开一种以生物炭为基础材料并制备出功能型生物炭基土壤团粒结构调理剂以期为滨海地区围海造田过程中产生的低质土壤提供新的技术和改良手段。

实施例1

一种生物炭基土壤结构调理剂的制备及其施用方法，包括如下步骤：

1)将农林植物废弃物风干并粉碎后过2mm筛，于500℃下限氧热解3h，使其在炭化炉中炭化，将火山石和蚯蚓粪经破碎后过2mm筛；将阳离子型聚丙烯酰胺用水溶解获得0.5wt％聚丙烯酰胺溶液；

2)土壤调理剂配料：按每100重量份土壤所添加的土壤结构调理剂组成配制固态原料，包括：3重量份生物炭、1重量份植物纤维物料、1重量份火山石、0.1重量份蚯蚓粪、0.1重量份的腐殖酸、0.1重量份的膨润土以及0.01重量份的耐盐碱微生物菌剂；

3)土壤结构调理剂制备：将上述原料按照重量配比混匀得原料固体混合物，该原料固体混合物即土壤结构调理剂固态组分；按每100重量份土壤量取30重量份的聚丙烯酰胺溶液，该聚丙烯酰胺溶液即土壤结构调节剂液态组分；将原料固体混合物平铺至土壤表面，并翻耕土壤，将聚丙烯酰胺溶液喷施于土壤表面，翻耕土壤混合均匀，至土壤的颗粒包覆生成粒径(0.25-10)cm的颗粒，即得含生物炭基的土壤结构调理剂。每100重量份的土壤中添加30重量份的聚丙烯酰胺溶液。所述聚丙烯酰胺为阳离子聚丙烯酰胺。

所述植物纤维物料为纸屑、绿肥、玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、核桃壳、花生壳和稻壳。

耐盐碱微生物菌剂为枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌，耐盐碱微生物菌剂纯度为30wt％；蚯蚓粪含有腐殖酸、粗蛋白、矿物质元素和基质，蚯蚓粪纯度为95wt％；腐殖酸以干基计含量为50wt％；植物纤维物料含量为80wt％，植物纤维物料含水率≤20wt％，pH范围为4-5；膨润土为钙基。

本发明还提供一种采用如上述制备方法制得的生物炭土壤结构调理剂对田间土壤结构改良的施用方法，包括如下步骤：a按每百重量份土壤配比称取原料固体混合物，将原料固体混合物均匀覆盖至土壤表面；b采用深耕将土壤翻出地面并破碎；c喷施30重量份的聚丙烯酰胺溶液进行翻耕混匀；d重复上述各步骤至土壤颗粒生成粒径为(0.25-10)mm的调理剂土壤团聚体。在施用前检测土壤pH值，对于本实施例碱性土壤选用阳离子型聚丙烯酰胺。

采用本实施例的生物炭土壤结构调理剂改良土壤，进行油菜种植，并设置土壤未改良的空白组：

供试土壤采自浙江省温岭市的滩涂盐碱土，pH为8.79，盐度为0.73。采用室内盆栽实验种植油菜。种子在入土前需进行催芽处理，即采用10％的H₂O₂浸泡30min，经蒸馏水冲洗干净后，再用饱和CaSO₄溶液的上清液浸泡12h，再次经蒸馏水冲洗干净，备用。不定期适时浇水使土壤含水率保持在田间持水量的(60-80)wt％之间。待油菜苗叶片长至(3-4)片时开始间苗，每处留下(1-2)棵油菜幼苗。35天后进行收获，称其鲜重，同时测定植株的叶面积指数和叶绿素含量。

结果表明，与空白组相比，实施案例中的生物炭基土壤结构调理剂的添加使得土壤pH下降0.52，土壤保水性增加16wt％，土壤微团聚体水稳定性增加14wt％，油菜叶面积增加16.32％、叶片数增加9.63％、叶绿素含量增加了12.41wt％；油菜鲜重增加了47.78％，并达到了显著性差异；干重增加了54.08％，同时也达到了显著性差异。

实施例2

本实施例采用实施例1所述制备方法，制备并施用所述生物炭土壤调理剂，对田间土壤结构改良，不同之处在于：

在施用过程中，每100重量份的土壤中添加35重量份的聚丙烯酰胺溶液，1重量份的生物炭。

采用本实施例的生物炭土壤结构调理剂调理土壤，进行水稻种植，并设置土壤未改良的空白组：

供试土壤采自黄河三角洲芦苇湿地土壤。土壤pH为8.41，盐度为0.45。水稻栽培采用室内盆栽实验。水稻施肥采用常规基肥+叶面配施硅肥，即基肥按照每立方米土壤施用尿素21g，磷酸二铵12g，硫酸钾7.5g，并在孕穗期每立方米土壤喷施叶面硅肥0.3g～1.2g。水稻成熟结束后，收获水稻并按照正常程序进行测产。与此同时，收获水稻秸秆，并经风干后测定其秸秆生物量。

结果表明，与空白组相比，实施案例中的生物炭基土壤结构调理剂的添加使得土壤pH下降0.32，土壤保水性增加了21wt％，土壤微团聚体水稳定性增加了10wt％，水稻产量增加了22.32wt％、水稻秸秆生物量增加了16.63wt％，二者均产生了显著性差异。

实施例3

本实施例采用实施例1所述制备方法，制备并施用所述生物炭土壤调理剂，对田间土壤结构改良，不同之处在于：

在施用过程中，每100重量份的土壤中添加45重量份的聚丙烯酰胺溶液，5重量份的生物炭。

采用本实施例的生物炭土壤结构调理剂调理土壤，进行大豆种植，并设置土壤未改良的空白组：

供试土壤采自胶州湾沿海滩涂。土壤pH为8.02，盐度为0.91。大豆栽培采用室内盆栽实验。大豆施肥采用常规农家基肥，即基肥按照每立方米土壤施用农家有机肥50g。大豆成熟结束后，收获豆荚并按照正常程序进行测产。与此同时，收获大豆秸秆，并经风干后测定其秸秆生物量。

结果表明，与空白组相比，实施案例中的生物炭基土壤结构调理剂的添加使得pH下降0.12，土壤保水性增加了31wt％，土壤微团聚体水稳定性增加了28wt％，水稻产量增加了24.58wt％、水稻秸秆生物量增加了34.24wt％，二者均产生了显著性差异。

综合以上应用实施案例可看出，本专利中实施的所述的生物炭基土壤结构调理剂不仅能够有效促进土壤团粒结构产生，与此同时在土壤团粒结构稳定性的维持上也表现出良好的应用效果。此外，该生物炭基土壤结构调理剂对盐碱地土壤中油菜、水稻的生长及产量增加也表现出良好的应用效果。因此，该发明中的所述的生物炭基土壤结构调理剂体现出了良好的经济效益，具有显著的进步，值得推广和应用。

虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims (9)

1.一种生物炭基土壤结构调理剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)原料处理：将生物炭和植物纤维物料风干后破碎过筛；将火山石和蚯蚓粪经破碎后过筛；聚丙烯酰胺用水溶解获得(0.2-1)wt％聚丙烯酰胺溶液；

2)土壤调理剂配料：按每100重量份土壤所添加的土壤结构调理剂组成配制固态原料，包括：(1-5)重量份生物炭、(0.1-3)重量份植物纤维物料、(0.1-1)重量份火山石、(0.1-1)重量份蚯蚓粪、(0.1～3)重量份的腐殖酸、(0.1～5)重量份的膨润土以及(0.01～0.1)重量份的耐盐碱微生物菌剂；

3)土壤调理剂制备：将上述原料按照重量配比混匀得原料固体混合物，按每100重量份土壤量取(30-45)重量份的聚丙烯酰胺溶液，将聚丙烯酰胺溶液与原料固体混合物交替与土壤混合，至土壤的颗粒包覆生成粒径(0.25-10)cm的颗粒，即得含生物炭基的土壤结构调理剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)，生物炭和植物纤维物料粉碎至过2mm筛。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述植物纤维物料为纸屑、绿肥、玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、核桃壳、花生壳和稻壳中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯酰胺为阳离子、阴离子及非离子聚丙烯酰胺中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯酰胺为阳离子聚丙烯酰胺。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，耐盐碱微生物菌剂为枯草芽孢杆菌和/或巨大芽孢杆菌，耐盐碱微生物菌剂纯度为(25-30)wt％；蚯蚓粪含有腐殖酸、粗蛋白、矿物质元素和基质，蚯蚓粪纯度为(92-95)wt％；腐殖酸以干基计含量为(40-60)wt％；植物纤维物料含量为(60-80)wt％，植物纤维物料含水率≤20wt％，pH范围为4-5；膨润土为钠基和/或钙基。

7.一种采用如权利要求1-6中任一项所述制备方法制得的生物炭土壤结构调理剂对田间土壤结构改良的施用方法，其特征在于，包括如下步骤：a按每百重量份土壤配比称取原料固体混合物，将原料固体混合物均匀覆盖至土壤表面；b采用深耕将土壤翻出地面并破碎；c喷施(30-40)重量份的聚丙烯酰胺溶液进行翻耕混匀；d重复上述各步骤至土壤颗粒生成粒径为(0.25-10)mm的土壤结构调理剂。

8.根据权利要求7所述的施用方法，其特征在于，所述生物炭制备方法包括：将农林植物废弃物风干并粉碎，于(300-700)℃下限氧热解(1-5)h。

9.根据权利要求8所述的施用方法，其特征在于，在施用前检测土壤pH值，对于酸性土壤选用阴离子型聚丙烯酰胺，对于碱性土壤选用阳离子型聚丙烯酰胺。