CN111807906A - 以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂。该技术方案基于发酵方法对秸秆、蚯蚓粪等农业废弃物进行改性，充分降低其污染性并转化营养成分，在此基础上，将云母粉、草木灰、啤酒糟干粉、高岭土以特定比例与之复配，并引入了复合菌剂。本发明构建的土壤改良剂，尤其适用于酸性红壤的调理改良，可使其pH向中性靠拢，并显著提高农作物产量，有望扩展酸性红壤可栽培的农作物范围，较常规土壤改良剂具有突出的技术优势。同时，本发明使农业废弃物得到资源化利用，在提高经济附加值的同时缓解了环境污染问题，为农业废弃物综合利用提供了一种新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及土壤改良剂技术领域，具体涉及一种以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂。
背景技术
土壤改良剂，是用于改良土壤物理性质、化学性质或改善微生态环境，使其更适于植物生长的物料。由于各类土壤的自身成分不同、改良目的不同、待种植作物的类别不同，因此，不同土壤改良剂的成分及其作用有很大差异。典型的土壤改良剂可对土壤的物理性质、化学性质起到干预作用，并影响抗水蚀能力、离子交换率、微生物类别及数量、酶活力、土壤温度、土壤肥力等诸多指标。
酸性土壤是pH值小于7的土壤总称。包括砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤和燥红土等土类。我国热带、亚热带地区，广泛分布着各种红色或黄色的酸性土壤。当地气温高、雨量大，年降雨多在1500mm以上。这种高温多雨、湿热同季的特点，使土壤的风化和成土作用均甚强烈，生物物质的循环十分迅速；盐基高度不饱和，pH一般在4.5～6；同时铁铝氧化物有明显积聚，土壤酸瘦。酸性土壤会使土壤有益微生物数量减少，抑制有益微生物的生长活动，从而影响土壤有机质的分解和土壤中氮、磷、钾、硫等元素的循环。而且还会造成病菌滋生，根系病害增加，如土壤酸化将会加重农作物根线虫病的滋生与蔓延。此外，酸性土壤会造成营养元素的固定，如当土壤pH值低于6时，红壤中磷的固定率随着pH的降低而直线上升，由于磷被固定，大大降低了磷元素的有效利用率，对作物生长产生严重影响。另外，酸性土壤将会促进铝离子的释放、活化、溶出。会对多种作物的幼苗产生毒害作用。在酸性土壤上种植作物，不易全苗，常形成僵苗和老苗，产量和品质低下。
目前，用于改良酸性红壤的土壤改良剂主要包括石灰粉、碳酸钙粉、白云石粉，此外，含有氨水、碳酸氢铵、石灰氮等成分的生理碱性肥料对改良酸性土壤也具有积极意义。然而，整体来看，目前所采用的土壤改良剂在效果方面仍不够理想，无论是土壤自身的理化指标还是农作物的产量和栽培效果，都有待提升。另一方面，目前秸秆等农业废弃物难以得到有效利用，若直接丢弃则无经济附加值且污染环境；而常规的沼气发电、纤维素乙醇等资源化利用方法，又对设备及工艺要求较高、成本投入较大、且对废弃物成分具有一定的要求。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，以解决现有技术中，用于酸性红壤的常规土壤改良剂，其功效有待提升的技术问题。
本发明要解决的另一技术问题是，如何使秸秆等农业废弃物得到资源化利用。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，包括以下重量份的成分：复合发酵产物20～25份，云母粉1～2份，草木灰1～2份，啤酒糟干粉1～2份，高岭土1～2份，复合菌液2～3份；
其中，所述复合菌液含有以下浓度的活菌：甲烷八叠球菌104～105CFU/mL，红平红球菌104～105CFU/mL，大肠埃希氏菌5×103～5×104CFU/mL，铁氧化钩端螺旋菌5×103～5×104CFU/mL，肠膜明串珠菌5×103～5×104CFU/mL，地衣芽孢杆菌103～104CFU/mL，丁酸梭菌5×102～5×103CFU/mL；
所述复合发酵产物是由以下方法制备的：
1)分别将干燥的水稻秸秆、油菜秸秆、大豆秸秆粉碎至粒度不大于80目，得到水稻秸秆粉、油菜秸秆粉、大豆秸秆粉，将三者以3:4:1的重量比混匀，得到秸秆混合料；
2)取秸秆混合料称重，得到干重，而后放入蒸箱，在蒸箱水槽中加入所述干重10倍重量的、浓度为30％v/v的酒精水溶液，以80℃的温度恒温熏蒸70min，而后取出秸秆混合料，得到湿料，同时收集蒸箱水槽中的残余液体，4℃保存；
3)将步骤2)所得的湿料放置于常温环境中自然冷却，当所述湿料冷却至50℃时，向其中拌入绿色木霉至浓度为104～105CFU/g，而后升温至60℃并加压至2个大气压，保持20min，而后恢复常温常压，静置培养2d；
4)以每千克干重对应0.2L复合营养液的比例，向步骤3)所得的培养产物中加入复合营养液，而后将步骤2)保存的残余液体加入其中，调节pH至7.4，得到混合培养物；其中，每升所述复合营养液中含有15g硫代硫酸钠、3g亚硒酸氢钠、0.8g去氧胆酸钠、1.2g柠檬酸铁铵、8g甘露醇、柠檬酸钾0.6g；
5)向步骤4)所得混合培养物中接入詹氏乳杆菌、毕赤酵母至浓度分别为106～107CFU/g、105～106CFU/g，在28℃、1.5个大气压下培养24h；而后向其中加入所述干重0.6倍重量的蚯蚓粪、所述干重0.5倍重量的花生壳粉，混匀，再向其中加入肌醇六磷酸酶至100U/g、半乳糖苷酶至180U/g、植酸酶至70U/g、糜蛋白酶至220U/g，而后接入丙酮丁醇梭菌、鼓藻、铜绿假单胞菌至浓度分别为105～106CFU/g、104～105CFU/g、104～105CFU/g，在35℃、常压下继续培养48h；
6)收集步骤5)所得的培养产物，固液分离取固相，烘干至水分含量10％～20％，即得到所述复合发酵产物。
作为优选，该土壤改良剂还包括3～5重量份的麸皮。
作为优选，该土壤改良剂还包括1～3重量份的硅藻土。
作为优选，该土壤改良剂还包括0.5～0.8重量份的聚乙烯醇。
作为优选，该土壤改良剂还包括1～3重量份的膨润土。
作为优选，所述复合菌液中还含有103～104CFU/mL浓度的枯草芽孢杆菌。
作为优选，所述复合菌液中还含有5×102～5×103CFU/mL浓度的蓝色犁头霉。
作为优选，步骤2)所保存的残余液体，其重量不低于所述干重的4倍。
作为优选，在步骤3)静置培养的过程中，培养体系持续处于超声震荡环境中。
作为优选，步骤6)中所述的固液分离，是沥干水分或离心去除液相；步骤6)中所述的烘干，是在45℃、0.8个大气压的条件下实现的。
在以上技术方案中，复合发酵产物是指由上述步骤1)～6)制得的产物；复合菌液是指同时含有以上特定浓度微生物的菌悬液；云母粉是常规矿物成分云母经研磨而成的粉末，可自市面购得；草木灰是指由植物焚烧后的残余物，可自市面购得；啤酒糟干粉是指由啤酒糟干燥并研磨得到的粉末，其中啤酒糟可自市面购得；高岭土为常规矿物成分，可自市面购得。本发明的土壤改良剂，是将上述成分均匀混合后所得的组合物，在施用时，需均匀泼洒在土壤表面，再借助翻地机充分翻动土壤，而后静置，即可逐渐发挥作用。
本发明提供了一种以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂。该技术方案基于发酵方法对秸秆、蚯蚓粪等农业废弃物进行改性，旨在降低其污染性并转化营养成分，在此基础上，通过复配方式构建土壤改良剂配方，并引入了含有特定微生物的复合菌液。
具体来看，本发明将水稻、油菜、大豆三种秸秆粉碎后混配，首先利用低浓度酒精进行熏蒸，一方面通过酒精蒸汽使堆体状的秸秆物料得到灭菌；另一方面可调节物料湿度，便于后续接菌及发酵，同时，80℃的温度可避免糖类变性，而相对较低的酒精浓度可确保残留的酒精成分不影响后续发酵；再一方面，80℃的长时间熏蒸可使大部分蛋白得到变性，对后续的固态糖化发酵具有促进作用。此外，秸秆粉末在微观结构上往往存在腔室和小孔，不利于霉菌的生长和分布，针对这一问题，在向熏蒸产物中接入绿色木霉后，首先执行一步加压过程，使微观腔室得到挤压，与菌体接触更加充分。加压步骤完成后，恢复常压进行固态糖化发酵；对所得的发酵产物，首先补加营养物，而后接入詹氏乳杆菌和毕赤酵母执行一次发酵，待发酵持续一段时间后，补加蚯蚓粪、花生壳粉以及复合酶系，并接入丙酮丁醇梭菌、鼓藻、铜绿假单胞菌执行二次发酵。与天然的农业废弃物相比，以上发酵产物的污染性得到降低，可溶性营养成分充分提高，对土壤性能具有良好的调节作用。
在以上技术方案的基础上，本发明将云母粉、草木灰、啤酒糟干粉、高岭土以特定比例与之复配，并引入了复合菌剂。本发明构建的土壤改良剂，尤其适用于酸性红壤的调理改良，可使其pH向中性靠拢，并显著提高农作物产量，有望扩展酸性红壤可栽培的农作物范围，较常规土壤改良剂具有突出的技术优势。同时，本发明使农业废弃物得到资源化利用，在提高经济附加值的同时缓解了环境污染问题，为农业废弃物综合利用提供了一种新的途径。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中，各土壤改良剂对农作物产量的影响。
图2是本发明具体实施方式中，各土壤改良剂对土壤pH值的影响。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
实施例1
以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，包括以下重量份的成分：复合发酵产物20～25份，云母粉1～2份，草木灰1～2份，啤酒糟干粉1～2份，高岭土1～2份，复合菌液2～3份；
其中，所述复合菌液含有以下浓度的活菌：甲烷八叠球菌104～105CFU/mL，红平红球菌104～105CFU/mL，大肠埃希氏菌5×103～5×104CFU/mL，铁氧化钩端螺旋菌5×103～5×104CFU/mL，肠膜明串珠菌5×103～5×104CFU/mL，地衣芽孢杆菌103～104CFU/mL，丁酸梭菌5×102～5×103CFU/mL；
所述复合发酵产物是由以下方法制备的：
1)分别将干燥的水稻秸秆、油菜秸秆、大豆秸秆粉碎至粒度不大于80目，得到水稻秸秆粉、油菜秸秆粉、大豆秸秆粉，将三者以3:4:1的重量比混匀，得到秸秆混合料；
2)取秸秆混合料称重，得到干重，而后放入蒸箱，在蒸箱水槽中加入所述干重10倍重量的、浓度为30％v/v的酒精水溶液，以80℃的温度恒温熏蒸70min，而后取出秸秆混合料，得到湿料，同时收集蒸箱水槽中的残余液体，4℃保存；
3)将步骤2)所得的湿料放置于常温环境中自然冷却，当所述湿料冷却至50℃时，向其中拌入绿色木霉至浓度为104～105CFU/g，而后升温至60℃并加压至2个大气压，保持20min，而后恢复常温常压，静置培养2d；
4)以每千克干重对应0.2L复合营养液的比例，向步骤3)所得的培养产物中加入复合营养液，而后将步骤2)保存的残余液体加入其中，调节pH至7.4，得到混合培养物；其中，每升所述复合营养液中含有15g硫代硫酸钠、3g亚硒酸氢钠、0.8g去氧胆酸钠、1.2g柠檬酸铁铵、8g甘露醇、柠檬酸钾0.6g；
5)向步骤4)所得混合培养物中接入詹氏乳杆菌、毕赤酵母至浓度分别为106～107CFU/g、105～106CFU/g，在28℃、1.5个大气压下培养24h；而后向其中加入所述干重0.6倍重量的蚯蚓粪、所述干重0.5倍重量的花生壳粉，混匀，再向其中加入肌醇六磷酸酶至100U/g、半乳糖苷酶至180U/g、植酸酶至70U/g、糜蛋白酶至220U/g，而后接入丙酮丁醇梭菌、鼓藻、铜绿假单胞菌至浓度分别为105～106CFU/g、104～105CFU/g、104～105CFU/g，在35℃、常压下继续培养48h；
6)收集步骤5)所得的培养产物，固液分离取固相，烘干至水分含量10％～20％，即得到所述复合发酵产物。
实施例2
在实施例1技术方案的基础上，将复合发酵产物替换为由以下方法制备的发酵产物：
1、分别将水稻秸秆、油菜秸秆、大豆秸秆粉碎至粒度不大于80目，将三者以3:4:1的重量比混匀，得到秸秆混合料；
2、将秸秆混合料放入青贮添加剂溶液中浸泡，浸泡时间为30-120分钟，青贮添加剂采用质量百分比浓度为0.5％-20％金属盐溶液，金属盐溶液的溶质添加质量比例为秸秆质量的1/10～1/500；
3、将浸泡后的秸秆碎料与青贮添加剂混合料放入密封容器中，密封容器用真空泵抽成真空，形成厌氧环境，真空密闭保存30-120天，得到青贮秸秆；
4、厌氧发酵产沼气：将步骤3中所得的青贮秸秆进行厌氧发酵，发酵时，厌氧发酵接种物与青贮秸秆的干物质的质量比为1：1-50，厌氧发酵温度为35-40℃，厌氧发酵时间为10-60天，厌氧发酵过程中加入微量元素营养液。
实施例3
在实施例1技术方案的基础上，将复合菌液替换为以下重量份的成分：曲霉8～12份、荧光假单孢菌18～22份、不动杆菌18～22份、氨基酸粉35～40份、枯草芽孢杆菌18～22份、巨大芽孢杆菌8～12份、复木霉素4～6份、酵素菌4～6份。
对比例1
由韩国先行株式会社出品的“解土”牌市售土壤改良剂。
对比例2
由淄博蓝得生物科技有限公司出品的硅钙镁土壤调理剂。
以下通过实验方法考察各实验组的土壤改良效果。
选取酸性红壤田地进行实验，检测参数如下：土壤pH5.12，土壤容重1.49g/cm3，土壤孔隙率51％，土壤有机质含量21.73g/kg，微生物量碳2.23g/kg，全氮1.10g/kg，全磷0.51g/kg，全钾10.55g/kg。
对上述田地进行分区，随机挑选区域并利用以上实施例1～3、对比例1～2提供的土壤改良剂进行改良实验，具体方法是以100kg/亩的用量将土壤改良剂泼洒到土壤中，使用翻地机进行混合翻松，使土壤改良剂与土壤表层的20～30cm充分混合。改良后分别种植花生、油菜、大豆，并以未施加任何土壤改良剂的区域作为空白组。并对各区域农作物产量及栽培后土壤pH进行检测。实验结果如以下表1、图1、图2所示。
表1各实验组栽培结果统计
| 花生产量(kg/亩) | 油菜产量(kg/亩) | 大豆产量(kg/亩) | 土壤pH | |
| 空白对照 | 262 | 162 | 128 | 5.12 |
| 实施例1 | 459 | 439 | 274 | 6.77 |
| 实施例2 | 273 | 178 | 122 | 5.83 |
| 实施例3 | 265 | 183 | 136 | 6.22 |
| 对比例1 | 343 | 225 | 169 | 5.79 |
| 对比例2 | 328 | 207 | 162 | 5.94 |
如表1、图1、图2所示，与实施例2、3，对比例1、2以及空白对照组相比，实施例1对作物的增产作用非常明显，其中花生、大豆两种作物的增产幅度分别达到75％和114％，而油菜的增产幅度更是高达171％，远超全国平均水平。此外，实施例1对土壤pH向中性的调节作用也最为显著。
与实施例1相比，实施例2、3在分别改进了秸秆发酵工艺及复合菌剂成分后，几乎丧失了土壤改良效果，尽管对pH有一定的调节作用，但未表现出明显的增产作用。由此可见，本发明所采用的发酵工艺及菌剂成分对土壤改良效果起到了至关重要的作用，而且二者表现出了一定的协同性。
对比例1、对比例2具有一定的土壤改良功效，但与实施例1的效果差距较大，尤其对油菜的增产作用十分有限，仅达到平均亩产的1/2左右。而且，对比例1、对比例2对土壤pH的调节作用有限，难以长期维持改良功效。
在以上实验的基础上，进一步分析其土壤性状参数，如以下表2所示。
表2各实验组土壤参数统计
如以上表2所示，经实施例1改良后的土壤，其孔隙率和全氮含量得到一定程度的提升，其中孔隙率的提升可能与微生物的活动有关，而全氮含量的提升则可能与特定发酵方法使纤维素得到降解密切相关。而有机质含量、容重未见明显升高，可以认为，实施例1所获得的增产作用并非主要依靠有机物供给实现，此外，这也在一定程度上表明本发明的土壤改良剂不会对土壤的营养水平和土壤物性造成明显影响。
与实施例1相比，两组市售土壤改良剂(对比例1、对比例2)对土壤营养成分的影响更大，却并未表现出更优的增产作用及pH调节作用。而实施例2、实施例3对土壤参数也形成了一定的影响，其中有机质含量、微生物量碳甚至超过实施例1，但却不具有确切的增产作用。这表明本发明的土壤改良效果并非依靠某些孤立的参数来实现。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于包括以下重量份的成分：复合发酵产物20～25份，云母粉1～2份，草木灰1～2份，啤酒糟干粉1～2份，高岭土1～2份，复合菌液2～3份；
其中，所述复合菌液含有以下浓度的活菌：甲烷八叠球菌104～105CFU/mL，红平红球菌104～105CFU/mL，大肠埃希氏菌5×103～5×104CFU/mL，铁氧化钩端螺旋菌5×103～5×104CFU/mL，肠膜明串珠菌5×103～5×104CFU/mL，地衣芽孢杆菌103～104CFU/mL，丁酸梭菌5×102～5×103CFU/mL；
所述复合发酵产物是由以下方法制备的：
1)分别将干燥的水稻秸秆、油菜秸秆、大豆秸秆粉碎至粒度不大于80目，得到水稻秸秆粉、油菜秸秆粉、大豆秸秆粉，将三者以3:4:1的重量比混匀，得到秸秆混合料；
2)取秸秆混合料称重，得到干重，而后放入蒸箱，在蒸箱水槽中加入所述干重10倍重量的、浓度为30％v/v的酒精水溶液，以80℃的温度恒温熏蒸70min，而后取出秸秆混合料，得到湿料，同时收集蒸箱水槽中的残余液体，4℃保存；
3)将步骤2)所得的湿料放置于常温环境中自然冷却，当所述湿料冷却至50℃时，向其中拌入绿色木霉至浓度为104～105CFU/g，而后升温至60℃并加压至2个大气压，保持20min，而后恢复常温常压，静置培养2d；
4)以每千克干重对应0.2L复合营养液的比例，向步骤3)所得的培养产物中加入复合营养液，而后将步骤2)保存的残余液体加入其中，调节pH至7.4，得到混合培养物；其中，每升所述复合营养液中含有15g硫代硫酸钠、3g亚硒酸氢钠、0.8g去氧胆酸钠、1.2g柠檬酸铁铵、8g甘露醇、柠檬酸钾0.6g；
5)向步骤4)所得混合培养物中接入詹氏乳杆菌、毕赤酵母至浓度分别为106～107CFU/g、105～106CFU/g，在28℃、1.5个大气压下培养24h；而后向其中加入所述干重0.6倍重量的蚯蚓粪、所述干重0.5倍重量的花生壳粉，混匀，再向其中加入肌醇六磷酸酶至100U/g、半乳糖苷酶至180U/g、植酸酶至70U/g、糜蛋白酶至220U/g，而后接入丙酮丁醇梭菌、鼓藻、铜绿假单胞菌至浓度分别为105～106CFU/g、104～105CFU/g、104～105CFU/g，在35℃、常压下继续培养48h；
6)收集步骤5)所得的培养产物，固液分离取固相，烘干至水分含量10％～20％，即得到所述复合发酵产物。
2.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于该土壤改良剂还包括3～5重量份的麸皮。
3.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于该土壤改良剂还包括1～3重量份的硅藻土。
4.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于该土壤改良剂还包括0.5～0.8重量份的聚乙烯醇。
5.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于该土壤改良剂还包括1～3重量份的膨润土。
6.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于，所述复合菌液中还含有103～104CFU/mL浓度的枯草芽孢杆菌。
7.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于，所述复合菌液中还含有5×102～5×103CFU/mL浓度的蓝色犁头霉。
8.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于，步骤2)所保存的残余液体，其重量不低于所述干重的4倍。
9.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于，在步骤3)静置培养的过程中，培养体系持续处于超声震荡环境中。
10.根据权利要求1所述的以农业废弃物为主要成分的土壤改良剂，其特征在于，步骤6)中所述的固液分离，是沥干水分或离心去除液相；步骤6)中所述的烘干，是在45℃、0.8个大气压的条件下实现的。
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