CN112980448A - 一种稻田土壤调理剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种稻田土壤调理剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种稻田土壤调理剂及其制备方法和应用，属于土壤改良剂技术领域。本发明所述土壤调理剂包括以下重量份的组分：生物炭30～70份、方解石10～30份、云母10～20份和羟基磷灰石10～20份。本发明所述稻田土壤调理剂能够降低土壤活性还原性物质和亚铁、亚锰离子含量，改善土壤氧化还原性条件。

Description

一种稻田土壤调理剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及土壤改良剂技术领域，具体涉及一种稻田土壤调理剂及其制备方法和应用。
背景技术
水稻土是人为水耕熟化、长期淹水种稻而形成的土壤。铁、锰元素在水稻土中广泛存在，是植物生长所必需的两种微量元素，铁锰的不同存在形态及其转化不仅影响着有效性，而且控制着土壤肥力的平衡。然而，摄入过多或过少都会对作物生长产生很大的危害。由于长期淹水，土壤有机质厌氧分解、铁锰等变价元素被还原，造成土壤中有机和无机还原性物质的积累。
土壤还原性条件的改良可以通过水利工程措施和耕作措施实现，例如开沟排水、起垄栽培等。但是水利、耕作措施对改良水稻土效果虽较为明显，但存在耗资过大或费工费时的不足。而利用土壤改良剂可实现潜育性稻田的轻简改良，研究表明，石灰、脱硫灰、粉煤灰、过氧化钙等无机材料均能改良土壤潜育化程度，石灰等碱性调理剂，通过调节土壤pH从而降低Fe2+与Mn2+的溶解度而降低土壤中还原性物质。但是这些石灰、脱硫灰、粉煤灰等无机材料长期、大量使用过程中会引起土壤结构破坏，养分供给不均，引起产量大幅降低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稻田土壤调理剂及其制备方法和应用。本发明所述稻田土壤调理剂能够降低土壤活性还原性物质和亚铁和亚锰离子含量，改善土壤氧化还原性条件。
本发明提供了一种稻田土壤调理剂，所述土壤调理剂包括以下重量份的组分：生物炭30～70份、方解石10～30份、云母10～20份和羟基磷灰石10～20份。
优选的是，所述生物炭的制备用原料包括烟草秸秆和/或玉米芯和/或玉米秸秆。
优选的是，所述生物炭、方解石、云母和羟基磷灰石的粒径分别为0.8～1mm。
优选的是，当所述生物炭的制备用原料为烟草秸秆时，生物炭的制备方法包括以下步骤：
取烟草秸秆，在无氧条件下，以10℃/min的升温速度升至350～400℃，并在350～400℃的温度下炭化2小时，自然冷却。
优选的是，当所述生物炭的制备用原料为玉米芯和/或玉米秸秆时，生物炭的制备方法包括以下步骤：
取玉米芯和/或玉米秸秆，在无氧条件下，以15℃/min的升温速度升至500～550℃，并在500～550℃的温度下炭化4小时，自然冷却。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
将生物炭、方解石、云母和羟基磷灰石混合，得到土壤调理剂。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的土壤调理剂在改善土壤氧化还原性条件中的应用。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的土壤调理剂在降低土壤活性还原性物质含量中的应用。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的土壤调理剂在降低土壤中亚铁和亚锰离子含量中的应用。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的土壤调理剂在提高土壤pH中的应用。
本发明提供了一种稻田土壤调理剂。本发明所述土壤调理剂的原料主要源于土壤矿物和生物炭，能够提高土壤pH，改变土壤氧化还原状况，具体为降低土壤活性还原性物质和水溶液中植物易吸收态Fe2+和Mn2+含量，本发明土壤调理剂的应用对潜育化稻田改良具有重要意义。试验结果表明，本发明所述稻田土壤调理剂能够通过提高稻田土壤pH值，降低活性还原性物质、亚铁和水溶性亚铁含量，降低亚锰离子含量，最终改善土壤氧化还原条件。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的供试土壤还原性物质组成及含量；
图2为本发明实施例1提供的水稻生育期内土壤孔隙水pH动态变化；
图3为本发明实施例1提供的供试土壤根系周围水溶液中亚铁和亚锰动态变化；
图4为本发明实施例2提供的供试土壤还原性物质组成及含量；
图5为本发明实施例2提供的水稻生育期内土壤孔隙水pH动态变化；
图6为本发明实施例2提供的供试土壤根系周围水溶液中亚铁和亚锰动态变化。
具体实施方式
本发明提供了一种稻田土壤调理剂，所述土壤调理剂包括以下重量份的组分：生物炭30～70份、方解石10～30份、云母10～20份和羟基磷灰石10～20份。
本发明所述土壤调理剂包括30～70份的生物炭，更优选为50～70份，最优选为50份或70份。在本发明中，所述生物炭的作用为调节土壤pH，吸附亚铁和亚锰离子，同时调节土壤结构，提高土壤孔隙通气性。在本发明中，所述生物炭的制备用原料优选包括烟草秸秆和/或玉米芯。在本发明中，所述生物炭的粒径优选为0.8～1mm。
在本发明中，当所述生物炭的制备用原料为烟草秸秆时，生物炭的制备方法包括以下步骤：取烟草秸秆，在无氧条件下，以10℃/min的升温速度升至350～400℃，并在350～400℃的温度下炭化2小时，自然冷却。本发明所述升温优选从常温开始，本发明所述常温优选为20～30℃，更优选为25℃。在本发明中，炭化的温度更优选为375℃。本发明上述制备方法条件的限定能够降低烧制生物炭过程中产生灰分的比例，增加生物炭产出率。本发明上述温度形成的生物炭孔隙度较多，有利于增加金属离子吸附位点，同时调高土壤通气性。
在本发明中，当所述生物炭的制备用原料为玉米芯和/或玉米秸秆时，生物炭的制备方法包括以下步骤：取玉米芯和/或玉米秸秆，在无氧条件下，以15℃/min的升温速度升至500～550℃，并在500～550℃的温度下炭化4小时，自然冷却。本发明所述升温优选从常温开始，本发明所述常温优选为20～30℃，更优选为25℃。在本发明中，炭化的温度更优选为375℃。本发明所述制备方法能够降低烧制生物炭过程中产生灰分的比例，增加生物炭产出率。同时上述温度形成的生物炭孔隙度较多，有利于增加金属离子吸附位点，同时调高土壤通气性。
本发明所述土壤调理剂包括10～30份的方解石，更优选为20份或10份。本发明所述方解石的粒径优选为0.8～1mm。本发明对方解石的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的常规市售产品即可，如购自东莞市三隆新材料科技有限公司。本发明所述方解石比表面积大，对环境无害，能够有效提高土壤微域环境pH，改善土壤氧化还原状况，降低还原性物质活性。
本发明所述土壤调理剂包括10～20份的云母，更优选为15份或10份。本发明所述云母的粒径优选为0.8～1mm。本发明对所述云母的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的常规市售云母即可，优选为市售云母粉，如购自粤江新材料(广州)有限公司。本发明所述云母能够吸收土壤中Fe2+和Mn2+，从而有效降低亚铁和亚锰的毒害。
本发明所述土壤调理剂包括10～20份的羟基磷灰石，更优选为15份或10份。本发明所述羟基磷灰石的粒径优选为0.8～1mm。本发明对所述羟基磷灰石的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的常规羟基磷灰石的市售产品即可，如购自西安恩元生物科技有限公司。本发明所述羟基磷灰石能够有效改善土壤pH和吸附土壤亚铁和亚锰离子。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
将生物炭、方解石、云母和羟基磷灰石混合，得到土壤调理剂。本发明优选混合均匀即可。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的土壤调理剂在改善土壤氧化还原性条件中的应用。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的土壤调理剂在降低土壤活性还原性物质含量中的应用。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的土壤调理剂在降低土壤中亚铁和亚锰离子含量中的应用。
本发明还提供了上述技术方案所述土壤调理剂或上述技术方案所述制备方法制备得到的土壤调理剂在提高土壤pH中的应用。
下面结合具体实施例对本发明所述的一种稻田土壤调理剂及其制备方法和应用做进一步详细的介绍，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
取玉米芯，在无氧条件下，以15℃/min的升温速度从25℃升至500～550℃，并在500～550℃的温度下炭化4小时，自然冷却，获得生物炭材料I(简称BC(I))。BC(I)生物炭颗粒较大，过0.8～1mm筛备用。取烟草秸秆，在无氧条件下，以10℃/min的升温速度从常温升至350～400℃，并在350～400℃的温度下炭化2小时，自然冷却，获得生物炭材料II(简称BC(II))。BC(II)生物炭颗粒较小，过0.8～1mm筛备用。因其原材料不同，两种生物炭呈不同物理和化学性质。市场购买方解石、云母、羟基磷灰石，分别过0.8～1mm筛子。将粒径为0.8～1mm范围内的生物炭：方解石：云母：羟基磷灰石分别按30：30：20：20、50：20：15：15、70：10：10：10和100：0：0：0进行人工混合。混合过程可以采用搅拌或垂直往复震荡的方法。
此实施例中的稻田土壤调理剂的BC(I)生物炭和BC(II)生物炭检测后的各项参数详见表1。
表1供试材料基本性质
处理 BC(I)生物炭 BC(II)生物炭
有机质g/kg 87.9 90.2
N％ 0.46 1.6
P％ 0.26 0.38
K％ 2.13 9.40
pH 8.04 10.23
实施例2
2019年在潜江市浩口镇进行土壤还原性物质消减试验，供试土壤还原性物质总量为5.8cmol/kg，pH为7.8，土壤有机质18.8g/kg，全氮0.10％，碱解氮106.1mg/kg，有效磷35.0mg/kg，速效钾254.1mg/kg。设置生物炭：方解石：云母：羟基磷灰石比例为30：30：20：20(BC(I)30)、50：20：15：15(BC(I)50)、70：10：10：10(BC(I)70)、100：0：0：0(BC(I)100)，施用量为400kg/亩。试验结果如图1～3(对应表2～4)所示：
表2供试土壤还原性物质组成及含量
Figure BDA0002931270510000061
Figure BDA0002931270510000071
表3水稻生育期内土壤孔隙水pH动态变化
处理 6月24日 7月1日 7月8日 7月22日 8月1日 8月16日
BC30(I) 8.56 8.72 8.31 8.17 7.92 8.04
BC50(I) 8.09 8.54 8.34 8.24 8.06 7.71
BC70(I) 8.41 8.19 8.38 8.17 7.92 7.70
BC100(I) 8.22 8.50 8.22 8.03 7.92 8.01
CK 8.40 8.34 8.27 7.72 7.97 7.61
表4供试土壤根系周围水溶液中亚铁和亚锰动态变化
Figure BDA0002931270510000072
图1为供试土壤还原性物质组成及含量，其中，A为还原性物质总量含量，B为活性还原性物质含量，C为亚铁离子含量，D为亚锰离子含量；图2为水稻生育期内土壤孔隙水pH动态变化；图3为供试土壤根系周围水溶液中亚铁和亚锰动态变化，其中，A为亚铁离子含量，B为亚锰离子含量。结果表明，稻田土壤调理剂能够显著降低稻田土壤活性还原性物质和亚铁含量。BC70(I)对活性还原性物质降低量高于其他处理，整个水稻生育期内，活性还原性物质降低量率介于16.0％～45.9％。施用BC70(I)后土壤亚铁含量降低率介于11.0～8.8％。通过对水稻根系周围孔隙水pH、亚铁和亚锰含量的监测表明，BC70(I)提高根系周围微域环境，pH提高了0.11～0.45，亚铁含量降低了4.5～48.2μg/kg。
实施例3
2019年在潜江市浩口镇进行土壤还原性物质消减试验，供试土壤还原性物质总量为5.8cmol/kg，pH为7.8，土壤有机质18.8g/kg，全氮0.10％，碱解氮106.1mg/kg，有效磷35.0mg/kg，速效钾254.1mg/kg。设置生物炭：方解石：云母：羟基磷灰石比例为30：30：20：20(BC30(Ⅱ))、50：20：15：15(BC50(Ⅱ))、70：10：10：10(BC70(Ⅱ))、100：0：0：0(BC100(Ⅱ))，施用量为400kg/亩。试验结果如图4～6(分别对应表5～7)所示：
表5供试土壤还原性物质组成及含量
Figure BDA0002931270510000081
Figure BDA0002931270510000091
表6水稻生育期内土壤孔隙水pH动态变化
处理 6月24日 7月1日 7月8日 7月22日 8月1日 8月16日
BC30(Ⅱ) 8.33 8.59 8.38 7.95 7.98 7.85
BC50(Ⅱ) 8.36 8.74 8.38 7.97 7.89 7.78
BC70(Ⅱ) 8.05 8.43 8.38 7.86 8.10 7.92
BC100(Ⅱ) 8.07 8.53 8.32 8.08 7.98 7.77
CK 8.40 8.34 8.27 7.72 7.97 7.61
表7供试土壤根系周围水溶液中亚铁和亚锰动态变化
Figure BDA0002931270510000092
Figure BDA0002931270510000101
图4为供试土壤还原性物质组成及含量，其中，A为还原性物质总量含量，B为活性还原性物质含量，C为亚铁离子含量，D为亚锰离子含量；图5为水稻生育期内土壤孔隙水pH动态变化；图6为供试土壤根系周围水溶液中亚铁和亚锰动态变化，其中，A为亚铁离子含量，B为亚锰离子含量。结果表明，稻田土壤调理剂能够显著降低稻田土壤活性还原性物质和亚铁含量。BC30(Ⅱ)和BC50(Ⅱ)对活性还原性物质降低量高于其他处理，整个水稻生育期内，活性还原性物质降低率分别介于18.9％～39.4％和5.5％～43.7％。施BC50(Ⅱ)后土壤亚铁含量降低率介于1.3％～27.3％，远高于其他处理。通过对水稻根系周围孔隙水pH、亚铁和亚锰含量的监测表明，BC50(Ⅱ)提高根系周围微域环境，pH提高了0.10～0.40，亚铁含量降低了4.5～48.2μg/kg。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种稻田土壤调理剂，其特征在于，所述土壤调理剂包括以下重量份的组分：生物炭30～70份、方解石10～30份、云母10～20份和羟基磷灰石10～20份。
2.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述生物炭的制备用原料包括烟草秸秆和/或玉米芯和/或玉米秸秆。
3.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述生物炭、方解石、云母和羟基磷灰石的粒径分别为0.8～1mm。
4.根据权利要求2所述的土壤调理剂，其特征在于，当所述生物炭的制备用原料为烟草秸秆时，生物炭的制备方法包括以下步骤：
取烟草秸秆，在无氧条件下，以10℃/min的升温速度升至350～400℃，并在350～400℃的温度下炭化2小时，自然冷却。
5.根据权利要求2所述的土壤调理剂，其特征在于，当所述生物炭的制备用原料为玉米芯和/或玉米秸秆时，生物炭的制备方法包括以下步骤：
取玉米芯和/或玉米秸秆，在无氧条件下，以15℃/min的升温速度升至500～550℃，并在500～550℃的温度下炭化4小时，自然冷却。
6.权利要求1～5任一项所述土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
将生物炭、方解石、云母和羟基磷灰石混合，得到土壤调理剂。
7.权利要求1～5任一项所述土壤调理剂或权利要求6所述制备方法制备得到的土壤调理剂在改善土壤氧化还原性条件中的应用。
8.权利要求1～5任一项所述土壤调理剂或权利要求6所述制备方法制备得到的土壤调理剂在降低土壤活性还原性物质含量中的应用。
9.权利要求1～5任一项所述土壤调理剂或权利要求6所述制备方法制备得到的土壤调理剂在降低土壤中亚铁和亚锰离子含量中的应用。
10.权利要求1～5任一项所述土壤调理剂或权利要求6所述制备方法制备得到的土壤调理剂在提高土壤pH中的应用。
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