CN109089809A - 一种利用生物炭种植竹豆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于饲料作物生产领域，公开了一种利用生物炭种植竹豆的方法，其生物炭原材料由马铃薯秧组成。本发明选择马铃薯秧作为加工生物炭的原料，具体为马铃薯地下块茎收获期，刈割地上部，经自然晾晒变干后，于厌氧焚烧炉中，在温度400‑500℃条件下高温裂解，待裂解完毕冷却后，形成生物炭。本发明可有效缓解酸性土壤铝毒胁迫，促进竹豆生长、结瘤及养分吸收，具有实际推广价值。

Description

一种利用生物炭种植竹豆的方法

技术领域

本发明属于饲料作物生产领域，尤其涉及一种利用生物炭种植竹豆的方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

竹豆为菜豆属、一年生蔓生草本植物，种子可食用并兼具药用价值，是一种我国热带及亚热带地区粮、肥、饲、药兼用的优良夏季作物。在重庆合川，竹豆5月播种、8月收获，其干物质产量超过8450kg/ha。在江西，竹豆盛花期全氮含量可达24.1g/kg，全磷7.4g/kg，全钾34.9g/kg，被认为是一种优良的绿肥或饲料作物。竹豆地上部茎叶经压青后，土壤容重降低，土壤孔隙度增加，土壤变疏松，上壤有机质和速效养分氮、磷、钾均得到改善。竹豆对光照的适应性较广，既适宜半遮蔽的果园间套做，又可与玉米、高粱等夏季粮食作物间作，还可在田边地角或早地种植。竹豆间作玉米时，玉米植株全氮、全磷和全钾含量均较单作玉米显著提高。然而，作为一种豆科作物，其在我国南方的推广种植受到酸性土壤的严重限制，特别是土壤活性铝的影响。如，随着土壤pH 值的降低，土壤铝易被活化，活性铝的溶出量增加，抑制植物根系生长，影响营养元素的吸收，同时抑制豆科作物的结瘤和固氮作用。在铝胁迫下，地上部叶片变小、变黄，叶缘卷曲，表现出类似缺素的症状。在热带、亚热带地区，酸性土壤的广泛分布与气候特点和农业生产方式有关。如高温多雨、湿热同季时，土壤淋溶作用比较强烈，铁铝氧化物明显富积，土壤盐基饱和度较低，土壤肥力下降。此外，农业措施中化学肥料的不合理施用，如氮肥的大量使用改变了土壤阴、阳离子的平衡，土壤pH下降，活性铝含量增加。目前，国内传统的酸性土壤改良方式主要是施用石灰和石灰石粉。如施用石灰可以中和土壤酸度，改善土壤的物理、化学和生物学性质，从而提高土壤养分有效性，降低Al 和其他重金属对作物的毒害，提高作物的产量和品质。对于豆科作物，施用石灰还可以改善根瘤菌的生殖环境，提高豆科作物与根瘤菌的亲和性，生物固氮能力显著提高。然而，长期或大量使用石灰会将引起土壤板结，还会引起土壤中钙、镁、钾等元素的平衡失调而导致作物的减产。过量施用石灰将改变土壤微生物菌群结构，降低作物对其它生物及非生物胁迫的抵抗能力。生物炭是在限氧或者隔绝氧的环境条件下，通过高温裂解，将小薪柴、农作物秸秆、杂草等生物质经炭化而形成的，是一种碳含量极其丰富的炭。生物炭主要是由碳、氢、氧、氮以及灰分组成，其容重小，比表面积大，多孔，具有很强的吸水、吸气能力，带负电荷多，能形成电磁场。将生物炭施入土壤中可以提高酸性土壤的盐基饱和度，提高土壤的pH、降低酸性土壤中铝的饱和度。生物炭富含有机大分子和自身的空隙结构，施入土壤后又很容易形成大团聚体，具有很强的保水保肥的潜力。因此，在竹豆栽培中，如能利用生物炭的改土效果，扩大其在酸性土壤中的推广种植，可弥补长期施用石灰引起的土壤退化问题，具有非常重要的实际意义。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)竹豆在酸性土壤种植受到铝毒等胁迫的影响，产量及品质不高，且利用生物固氮的能力下降。

(2)长期施用石灰改良酸性土壤容易引起土壤板结、土壤物理、化学、及微生物菌群结构改变，无法取得竹豆连年高产。

解决上述技术问题的难度和意义：

利用化学改良剂尽管能快速改良酸性土壤、提高豆科作物生产，但化学改良剂的改良效应是短期的，尚不能根本上解决酸性土壤活性铝毒的影响。生物炭来源于植物材料，其在吸附土壤活性铝的同时，还可增加土壤中的速效磷、速效钾、及土壤中有机质含量。有机质含量的增加将改善土壤肥力水平，其效应是长期的，且可以持续性地提高竹豆在酸性土壤中的生长发育。这种酸性土壤的改良方法对竹豆及其它豆科作物大面积推广种植都有积极作用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用生物炭种植竹豆的方法。

本发明是这样实现的，一种生物炭材料，所述生物炭全部由马铃薯秧组成。

本发明的另一目的在于提供一种所述的生物炭材料的制备方法，所述生物炭材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一:选择马铃薯秧作为加工生物炭的原料；

步骤二：马铃薯地下块茎收获期，刈割地上部；

步骤三:自然晾晒变干后，于厌氧焚烧炉中，在温度400-500℃条件下高温裂解；

步骤四:待裂解完毕冷却后，形成生物碳。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述生物炭材料种植竹豆的方法，所述种植竹豆的方法包括：

(1)酸性土壤的选择：土壤取自北碚鸡公山，前茬作物为玉米、红薯、菜豆；采集耕作层0-20cm土壤，混合，晾干，拣去石头、植物根系等杂质，敲散、过筛；供试土壤pH为5.5，活性铝含量为1126.82mg/kg，土壤碱解氮、速效磷及速效钾含量分别为100.12、20.16和112.5mg/kg，阳离子交换量为8.54 cmol(+)/kg；

(2)种子发芽率在室温25℃环境下4天即可达到96％。供试种子用3％的 NaClO表面消毒10min，备用；

(3)生物炭添加方法，生物炭粉碎过2mm筛子，与土壤按一定比例混合。就具体生物炭施用量而言，在土壤pH较低时(低于6.0)，可施用5g/kg土；在土壤pH值较高时(低于6.5时)，可施用10g/kg土。

(4)生物炭对酸性土壤的改良效果：在酸性土壤施用生物炭后，土壤活性铝含量显著降低，土壤pH水平上升，土壤碱解氮、速效钾含量增加。施用生物炭增加了竹豆地上生物量，提高了结瘤性能，促进了竹豆对氮、磷的吸收，限制了对铝的吸收。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明通过利用植物来源的生物炭资源，可有效缓解酸性土壤铝毒胁迫，改善土壤理化性状，并促进竹豆生长及结瘤。生物炭对酸性土壤的改良效果是长期的，且其本身的营养成分也来源于植物材料，不对土壤产生二次污染；其对酸性土壤的改良效果是可持续性的，对包括竹豆在内的豆科作物栽培均具有实际推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的生物炭材料的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的施用生物炭对土壤pH和活性铝含量的影响示意图；

图3是本发明实施例提供的施生物炭对土壤速效养分的影响示意图；

图4是本发明实施例提供的施用生物炭对竹豆生长发育的影响示意图；

图5是本发明实施例提供的施用石灰对竹豆结瘤性能的影响示意图；

图6是本发明实施例提供的施用石灰对竹豆叶片氮磷含量和铝含量的影响示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的生物炭原材料由马铃薯秧组成。

如图1所示，本发明实施例提供的生物炭材料的制备方法，包括以下步骤：

S101:选择马铃薯秧作为加工生物炭的原料；

S102:马铃薯地下块茎收获期，刈割地上部；

S103:自然晾晒变干后，于厌氧焚烧炉中，在温度400-500℃条件下高温裂解；

S104:待裂解完毕冷却后，形成生物碳。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

实施例1

生物炭材料的制备

本发明选择马铃薯秧作为加工生物炭的原料，具体为马铃薯地下块茎收获期，刈割地上部，经自然晾晒变干后，于厌氧焚烧炉中，在温度400-500℃条件下高温裂解，待裂解完毕冷却后，收集生物炭备用。该生物炭pH值为9.89，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为11.66、420.95和49.33mg/kg。

实施例2

酸性土壤的选择

土壤取自北碚鸡公山，前茬作物为玉米、红薯、蚕豆。采集耕作层0-20cm 土壤，混合，晾干，拣去石头、植物根系等杂质，敲散、过筛。供试土壤pH为 5.5，活性铝含量为1126.82mg/kg，土壤碱解氮、速效磷及速效钾含量分别为 100.12、20.16和112.5mg/kg，阳离子交换量为8.54cmol(+)/kg。

实施例3

竹豆品种

竹豆种子购自江西进贤芽苗菜公司，种子发芽率在室温25℃环境下4天即可达到96％。供试种子用3％的NaClO表面消毒10min，备用。

下面结合试验对本发明的应用效果作详细的描述。

1、生物炭对酸性土壤竹豆的增产分析

生物炭施用试验在重庆市北碚区进行。该区属亚热带季风湿润气候，年均太阳总福射量87108KJ/cm²，年均总日照时数1276.7h，夏季最高气温达40℃左右，无霜期达359d，多年平均降雨量1133.7mm，春、夏、秋、冬降雨量分别为全年的25.5％、41.4％、27.9％、5.5％，年蒸发量1181.1mm。

试验设计如下：采用二因素完全随机设计，设置3个生物炭施用梯度，分别为0g/kg土壤、5g/kg土和10g/kg土；设置3个石灰施用梯度，分别为0g/kg 土、0.75g/kg土和1.5g/kg土。每个处理设置4个重复。实验在盆栽条件下进行，每盆状灭菌土2kg。具体实施时，各处理按生物炭、石灰和土壤的比例混合均匀、装盆，按田间持水量的75％浇自来水，稳定培养14天，然后进行播种。每盆穴播消毒种子5-6粒。

2、试验时间：竹豆于2017年5月20日播种，7月30日收获。

田间管理方式：盆钵放置于温室培养，每10天更换盆钵位置1次；温度控制在20℃-35℃之间；定期浇水，控制土壤含水量在田间持水量的60％-80％之间。

3、数据的获得

2017年7月30日，地上部齐地面收割后，经清洗、茎叶分离后于100℃杀青20min，然后再65℃下烘至恒重(48h)。地下部，在孔径0.75mm网筛上清洗，同时分离、记录根瘤个数，之后于65℃烘干至恒重(48h)。烘干植物样品用粉碎机粉碎过筛(1mm)，测定植株全氮(蒸馏法)、全磷(分光光度法)、及铝含量。同时收集土样，分析土壤pH、碱解氮、有效磷、速效钾含量，及土壤活性铝含量。

4、实验结果

由图2可知，施用生物炭后土壤pH水平呈增加趋势，特别是高生物炭添加量下的土壤pH水平显著高于未施用组(图2A)。施用生物炭后土壤活性铝含量显著下降(图2B)，在未施用石灰组两种生物炭组均下降约22％；在施用低石灰组，低和高生物炭组分别下降15％和23％；在施用高石灰组，低和高生物炭组分别下降28％和69％。说明在酸性土壤，生物炭与石灰都有提高土壤pH水平、降低土壤活性铝含量的作用。

由图3可知，在不同石灰施用水平下，施用生物炭均有提高土壤碱解氮含量和速效钾含量的趋势，且随着生物炭用量的增加提高幅度整体增加，即高生物炭组的含量最高。对土壤速效磷含量的影响，在未施用石灰组，高生物炭组显著提高，而低生物炭组无显著差异；在施用低石灰组，生物炭的施用显著降低了土壤速效磷含量；在施用高石灰组，低生物炭有提高作用而高生物炭无显著变化。

由图4可知，在不同施用石灰水平下，竹豆地上生物量对施用生物炭的响应是不同的。在未施用石灰组，施用生物炭对地上生物量无显著影响。在施用低石灰组，施用生物炭对提高地上生物量有增加趋势，但只有高生物炭达到显著增加水平。在施用高石灰组，施用生物炭均显著提高了地上部生物量，但低生物炭组显著高高生物炭组。施用生物炭对地下生物量的影响均不显著。在未施石灰和低石灰组对施用生物炭对根冠比无显著影响，而在高石灰组，生物炭组根冠比显著下降。整体上，生物炭对竹豆地上部生长的促进作用与土壤的pH 水平有关，当土壤pH水平较低时(5.45)，无作用。

由图5可知，酸性土壤竹豆结瘤性能受到严重限制，在未施用石灰和不添加生物炭时，根系无有效根瘤。在无施用石灰组，高施生物炭组竹豆根系出现结瘤。在施用低石灰组和高石灰组，结瘤数呈现整体高于无生物炭组的趋势，且在低石灰组高生物炭组显著高于对照，在高石灰组低生物炭组显著高于对照。根瘤重的变化趋势基本与根瘤数是一致的。就平均根瘤重而言，施用生物炭后，在施用低石灰组有增加趋势，在施用高石灰组有下降趋势，但均无显著差异。

由图6可知，施用生物炭影响了竹豆对氮磷的吸收。如在未施用石灰组，高施生物炭组的植物氮含量显著高于对照和低生物炭组；在施用低石灰组，低生物炭组的植物氮含量显著高于对照；而在施用高石灰组，施用生物炭对植物氮含量无显著影响。就植物磷含量而言，在未施用石灰组和施用低石灰组，高生物炭组显著高于对照和低生物炭组；而在施用高石灰组，低生物炭组显著高于对照。与此同时，施用生物炭也显著影响了植株对铝的吸收。如在未施用石灰和施用低石灰组，施用生物炭后植株铝含量显著下降；而在施用高石灰组，无显著差异；且整体上两种生物炭组间无显著差异。说明在土壤活性铝含量较高时，施用生物炭可显著降低铝的吸收量。当土壤活性铝低于一定水平时，增施生物炭对铝的吸收无显著影响。

在酸性土壤施用生物炭后，土壤活性铝含量显著降低，土壤pH水平上升，土壤碱解氮、速效钾含量增加。土壤理化性质的改善，促进了竹豆生长，地上生物量增加。同时，施用生物炭提高了结瘤性能，促进了竹豆对氮、磷的吸收，限制了对铝的吸收。因此，在酸性土壤，可以利用生物炭改善土壤理化性质，提高竹豆的耐酸性。就具体生物炭施用量而言，在土壤pH较低时(低于6.0)，可施用5g/kg土；在土壤pH值较高时(低于6.5时)，可施用10g/kg土。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种生物炭材料，其特征在于，所述生物炭全部由马铃薯秧组成。

2.一种如权利要求1所述的生物炭材料的制备方法，其特征在于，所述生物炭材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一:选择马铃薯秧作为加工生物炭的原料；

步骤二：马铃薯地下块茎收获期，刈割地上部；

步骤三:自然晾晒变干后，于厌氧焚烧炉中，在温度400-500℃条件下高温裂解；

步骤四:待裂解完毕冷却后，形成生物碳。

3.一种利用权利要求1所述生物炭材料种植竹豆的方法，其特征在于，所述生物炭材料种植竹豆的方法包括：

(1)酸性土壤的选择，土壤取自北碚鸡公山，前茬作物为玉米、红薯和菜豆；采集耕作层0-20cm土壤，混合，晾干，拣去石头、植物根系杂质，敲散、过筛；供试土壤pH为5.5，活性铝含量为1126.82mg/kg，土壤碱解氮、速效磷及速效钾含量分别为100.12、20.16和112.5mg/kg，阳离子交换量为8.54cmol(+)/kg；

(2)种子发芽率在室温25℃环境下4天即可达到96％。供试种子用3％的NaClO表面消毒10min，备用；

(3)生物炭添加方法，生物炭粉碎过2mm筛子，与土壤按一定比例混合。就具体生物炭施用量而言，在土壤pH低于6.0，可施用5g/kg土；在土壤pH值低于6.5，可施用10g/kg土。