CN113621383A - 一种酸性土壤调理剂及其制备和施用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种酸性土壤调理剂，以质量份计，包括：秸秆生物炭粉30‑69.5份，磁性氧化铁改性生物炭5‑10份，CaCO3改性硅藻土10‑20份，草木灰15‑40份，以及阿氏芽孢杆菌冻干粉0.15‑0.30份。本发明原材料来源丰富、价格低廉；不会对土壤产生二次污染，保障农产品投入的绿色、安全，不会对环境和人体健康产生潜在危害；对酸性土壤的改良效果显著，可明显提高土壤有机质含量，提高土壤对养分的持续保持和缓释的能力，更好地满足农作物的生长需求，提高农产品品质；配合肥料优化配施方案，可以提高肥料利用率，从源头上降低面源污染发生的幅度；施用简单，易于规模化推广。

Description

一种酸性土壤调理剂及其制备和施用方法
技术领域
本发明属于土壤改良剂技术领域，具体涉及一种酸性土壤调理剂及其制备和施用方法，特别适用于具有酸化趋势明显，土壤总养分含量高但有效养分含量低，土壤保肥能力差等障碍因子的土壤。
背景技术
我国长江以南的区域多数田地处于高温高湿环境，风化和淋溶作用强烈，盐基离子不断淋失，土壤胶体的负电荷点被H+所占据，使土壤逐渐向酸性发展，加之含氮化肥的过量使用，加速了土壤酸化，影响了土壤理化特性及肥力，最终影响了农作物生产。例如，广东省强酸性和酸性土壤耕地面积分别占广东省总耕地面积的3.6％和27.5％；湖南省酸性耕地占总耕地面积的72.6％，且酸性耕地面积呈现不断增涨趋势；2015年，江西省酸性、强酸性耕地土壤面积占江西省总耕地面积的90.9％，pH值平均值为5.2；2017年，福建省土壤pH值小于5.5的耕地占总耕地面积的74.2％。又如，安徽淮北平原耕层土壤酸化趋势明显，酸性土壤占全区土壤总面积的63.38％；相对于深层土壤，66.51％的耕层土壤呈酸化；相对于20世纪80年代耕层土壤，62.5％的耕层土壤呈酸化。安徽主要产茶区土壤数据显示：所有的调查茶园表层土壤值均低于茶树生长适宜范围下限，pH降低速率为0.06/年；随着茶园种植年限的增加，土壤pH呈明显下降趋势。
近年来，随着环境治理压力的增加，施用土壤调理剂逐渐成为治理土壤酸化的一项重要措施。2016-2020年，关于酸性土壤改良剂的国家授权发明专利超过50项。研究和应用表明，好的酸性土壤调理剂被认为应当包含以下特质：改良土壤理化性质的效果好，可以提高作物生长能力的类别，与土壤中酸离子反应比较温和、不会造成土壤局部过碱性和土壤板结、对土壤中微生物活性影响较小等等。
发明内容
本发明的目的主要在于提供一种酸性土壤调理剂。
具体地，本发明通过以下技术手段实现上述目的：
一种酸性土壤调理剂，以质量份计，包括：秸秆生物炭粉30-69.5份，磁性氧化铁改性生物炭5-10份，CaCO3改性硅藻土10-20份，草木灰15-40份，以及阿氏芽孢杆菌冻干粉0.15-0.30份。
作为优选的实施方式，所述秸秆生物炭粉通过以下方法制备而成：
(1)将秸秆类生物质材料在温度600-700℃、氮流速16.0-19.0mL·min-1的条件下热解30-90min；
(2)热解产物在氮流速16.0-19.0mL·min-1的条件下冷却16-24h，再经过研磨、均化、筛分，得到0.25-0.50mm的生物炭；
(3)用超纯水清洗所得生物炭后，60℃烘干8-24h直到恒重。
示例性地，所述秸秆类生物质材料可选自坚果壳、小麦秸秆、水稻秸秆、稻壳、油菜秸秆、玉米秸秆等中的一种或两种以上的组合。
作为优选的实施方式，使用微波合成的磁性氧化铁粒子对生物炭进行修饰，从而获得磁性氧化铁改性生物炭。
现有技术中已有关于微波合成磁性氧化铁粒子的报道，但在本发明中，优选地，所述磁性氧化铁粒子的制备方法为：
(1)将0.8-1.2g FeSO4·7H2O溶解于100mL水中，然后缓慢加入1M的氢氧化钠或氢氧化钾溶液直到pH值达到12.0；在此过程中，形成氢氧化铁沉淀；
(2)用水将悬浮液稀释至200mL，并将其放置进微波炉(700W，2450MHz)中以最大功率处理6-12min以形成纳米/微米级磁性氧化铁颗粒，随后收集形成的氧化铁颗粒并水洗至pH值呈中性。
优选地，合成的磁性氧化铁颗粒的粒径(D50)为25-100nm。
优选地，磁性氧化铁粒子对生物炭进行修饰包括：
将50.0-100.0g生物炭粉加入200mL浓度为1-5％的磁性氧化铁颗粒悬浮液中，使生物炭粉与磁性颗粒充分且均匀混合，然后将悬浮液于50-60℃干燥12-48h，研磨，得到磁性氧化铁改性生物炭。其中，使用的生物炭粉可以是上文提到的秸秆生物炭粉，也可以是商购的其它种类生物炭粉，优选上文提到的秸秆生物炭粉。
作为优选的实施方式，CaCO3改性硅藻土通过以下步骤制备而成：
(1)将硅藻土和盐酸水溶液混合进行酸化处理，然后洗涤至pH为中性，烘干过筛，得到预处理后的硅藻土；
(2)将预处理后的硅藻土与Na2CO3水溶液混合，恒温振荡后加入饱和CaCl2水溶液，再次恒温振荡，随后洗涤至pH为中性，烘干、研磨、过筛，得CaCO3改性硅藻土。
进一步优选地，所述CaCO3改性硅藻土可通过以下步骤制备而成：
(1)按固液比为1g/5mL-1g/8mL的比例，将硅藻土和浓度为1-2mol/L的盐酸水溶液混合，超声分散30-60min之后，收集并用乙醇和去离子水洗涤硅藻土直到滤液pH为中性，烘干至恒重，过60目标准筛，得预处理后的硅藻土；
(2)按固液比为1g/5mL-1g/10mL的比例，将预处理后的硅藻土与浓度为0.5mol/L的Na2CO3水溶液混合，在25-30℃条件下恒温振荡1-2h后，加入饱和CaCl2水溶液(Na2CO3水溶液与CaCl2水溶液的体积比为5:1-10:1)，恒温振荡30min后，收集并用蒸馏水洗涤产物至滤液为中性，105℃恒温烘干，研磨，过200目标准筛，得CaCO3改性硅藻土。
作为优选的实施方式，阿氏芽孢杆菌冻干粉的制备方法为：
(1)菌种活化和扩大培养：在无菌操作的条件下，由冷藏的试管斜面转移到培养基中，30℃恒温培养12-24h，进行活化；将单菌落转接至沙士液体摇瓶中，培养16-24h，以2.5-4.5％的接种量接种至锥形瓶中进行扩大培养，直至OD600＝0.4-0.8；
(2)菌体的收集：取少量菌液进行镜检，确定无杂菌污染后，再将菌液置于离心机中，在5500-6500r/min的条件下离心8-12min，收集菌泥；
(3)真空冷冻干燥：将收集到的菌泥与冻干保护剂混合制成菌悬液，4℃平衡2-3h后，-80℃预冻1-2h，随后迅速将样品移入冷冻干燥机中冷冻干燥12-24h，制得菌体冻干粉。
其中，使用的冻干保护剂可选自浓度为3-10％的蔗糖溶液、乳糖溶液或甘露醇溶液中的至少一种。优选地，菌泥与溶质的质量比为1:1-1:2。
在上述制备方法中，使用的阿氏芽孢杆菌培养基(以1000mL为例)可选自以下四种培养基中的任意一种或两种以上的组合：
(1)TGY培养基：胰蛋白胨5g，酵母提取物3g，葡萄糖1g，蒸馏水1000mL；
(2)MKB培养基：酪蛋白氨基酸5g，K2HPO4 2.5g，MgSO4·7H2O 2.5g，甘油15mL，蒸馏水1000mL；
(3)PKO无机磷培养基：蔗糖10g，MgSO4·7H2O 0.1g，(NH4)2SO4 0.1g，NaCl 0.5g，Ca3(PO4)2 3.0g，KCl 0.2g，MnSO4·H2O 0.03g，FeSO4 0.03g，酵母提取物0.5g，琼脂20g，蒸馏水1000mL；
(4)King培养基：蛋白胨20g，甘油15mL，MgSO4·7H2O 1.5g，K2HPO4 1.15g，蒸馏水1000mL。
在确定配方组成之后，如何制备本发明的上述酸性土壤调理剂对本领域技术人员而言属于容易确定的常规技术。一般来说，在获取各组分之后，将各组分按照配比混匀即可。从避免影响生物质功效的角度出发，优选地，可将秸秆生物炭粉、磁性氧化铁改性生物炭、CaCO3改性硅藻土和草木灰混匀的同时，将阿氏芽孢杆菌冻干粉单独放置，使用前再混匀，或者阿氏芽孢杆菌冻干粉单独施用。
本发明还涉及上述酸性土壤调理剂在酸性土壤治理中的应用。其中，所述调理剂特别适用于pH值范围为5.0-6.5的农田(水稻田除外)和pH值范围为4.0-6.5的水稻田。
非限制性地，本发明提供一种将上述酸性土壤调理剂施用于农田的方法，包括以下步骤：
(1)适用农田：选择土壤pH值范围为5.0-6.5(酸性)的农作物种植地块；
(2)高温浸水处理：选择夏天高温季节，用耕地起垄机深翻土壤30-40cm，然后用水浸泡土壤，水面高于土壤表面3-5cm；针对露地农田，使用旧棚膜或地膜对农田地表进行覆膜处理3-5天；针对设施农田，密闭大棚15-25天进行高温闷棚；高温浸水处理结束后，将水排干净；针对露地农田，高温暴晒5-10天；针对设施农田，打开大棚通风4-5天；
(3)将堆腐后的水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆中的一种或几种均匀撒施在农田地表，堆腐秸秆添加量为110-260kg/亩；再撒施本发明的酸性土壤调理剂，添加量为100-200kg/亩；全部撒施结束之后，一次性深耕土壤，并等待5-10天。
在经过上述处理后，即可在农田土壤上种植农作物。
非限制性地，本发明还提供一种将上述酸性土壤改良剂施用于水稻田的方法，包括以下步骤：
(1)适用农田：选择土壤pH值范围为4.0-5.0(强酸性)或5.0-6.5(酸性)的水稻田；
(2)灌水浸泡土壤12h以上，待土壤松软、泥脚深度为0.1-0.2m时，将水排干净；
(3)将堆腐后的水稻秸秆均匀地撒在田间，撒施量为250-350kg/亩；在堆腐水稻秸秆之上，撒施本发明的酸性土壤调理剂，撒施量为150-260kg/亩；
(4)翻耕污染水田；
(5)在深耕后的水田中灌水，深度为1-3cm，维持水田的浸泡状态，时间为15-20天，期间避免雨水冲刷；
(6)在浸泡期将近结束时，停止向水田中添加灌溉水，使水田中的地表水层自然蒸干，并维持水田土壤的湿润状态。
在经过上述处理后，即可在稻田中插植水稻秧苗。
上述两种施用方法中，确定步骤(1)适用农田时土壤酸碱度的分级评价可参照以下途径：
(1)土样的采集：野外样品采集方法及质量要求执行《DZ/T 0258-2014多目标区域地球化学调查规范(1:250000)》，耕层土壤采样深度为0-20cm，样品经自然干燥后，用20目的尼龙筛充分过筛，土壤pH值采用离子选择性电极法(ISE)测定；
(2)土壤酸碱度分级标准：根据《DZ/T 0259-2016土地质量地球化学评价规范》进行土壤酸碱度分级评价，分级标准见表1。
表1土壤酸碱度(pH值)分级
pH值范围 ＜5.0 5.0-6.5 6.5-7.5 7.5-8.5 ≥8.5
含义 强酸性 酸性 中性 碱性 强碱性
相比于现有技术，本发明的酸性土壤调理剂具有以下技术优势：原材料来源丰富、价格低廉；酸性土壤调理剂的所有指标符合中华人民共和国国家标准和农业农村部的相关规定，不会对土壤产生二次污染，保障农产品投入的绿色、安全，不会对环境和人体健康产生潜在危害；对酸性土壤的改良效果显著，可明显提高土壤有机质含量，提高土壤对养分的持续保持和缓释的能力，更好地满足农作物的生长需求，提高农产品品质；配合肥料优化配施方案，可以提高肥料利用率，从源头上降低面源污染发生的幅度；施用简单，易于规模化推广。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步详细说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
(一)酸性土壤调理剂I的制备
1.秸秆生物炭A的制备：
(1)将坚果壳10份、水稻秸秆和稻壳60份、油菜秸秆30份在温度600℃、氮流速16.0mL·min-1的条件下热解90min；
(2)热解产物在氮流速16.0mL·min-1的条件下冷却24h，再经过研磨、均化、筛分，得到粒径约0.25mm的生物炭；
(3)用超纯水(MilliQ Integral；Merck Millipore Corp.,USA)清洗所得生物炭后，60℃烘干8h直到恒重。
2.磁性氧化铁粒子的制备：
(1)在800mL的烧杯中，将0.8g FeSO4·7H2O溶解于100mL水中；然后缓慢加入1M的氢氧化钠溶液直到pH值达到12.0；在此过程中，形成氢氧化铁沉淀；
(2)用水将悬浮液稀释至200mL，并将其放置进微波炉(700W，2450MHz)中，以最大功率处理6min。从微波炉中拿出烧杯，用水反复洗涤形成的磁性氧化铁颗粒，直到磁性悬浮颗粒pH范围至6.8-7.0。
合成的氧化铁纳米颗粒的D50为55nm。
3.磁性氧化铁改性生物炭的制备：
将80.0g秸秆生物炭A加入200mL浓度为2％的磁性氧化铁颗粒悬浮液中，用磁力搅拌器剧烈混合，使生物炭粉与磁性粒子均匀混合，随后将产物55℃干燥30h，研磨，得到磁性氧化铁改性生物炭。
4.CaCO3改性硅藻土的制备：
(1)按固液比为1g/5mL的比例，将硅藻土和浓度为2mol/L的盐酸水溶液混合，超声分散30min之后，用乙醇和去离子水洗涤硅藻土直到滤液pH呈中性，烘干至恒重，过60目标准筛，得预处理后的硅藻土；
(2)按固液比为1g/10mL的比例，将预处理后的硅藻土与浓度为0.5mol/L的Na2CO3溶液混合，在30℃条件下恒温振荡1.5h后，加入饱和CaCl2溶液(Na2CO3溶液与CaCl2溶液的体积比为5:1)，在30℃恒温振荡30min后，用蒸馏水洗涤产物至滤液呈中性，105℃恒温烘干，研磨，过200目标准筛，得CaCO3改性硅藻土。
5.阿氏芽孢杆菌培养基的配方(以1000mL为例)：
(1)MKB培养基：酪蛋白氨基酸5g，K2HPO4 2.5g，MgSO4·7H2O 2.5g，甘油15mL，蒸馏水1000mL。
(2)PKO无机磷培养基：蔗糖10g，MgSO4·7H2O 0.1g，(NH4)2SO4 0.1g，NaCl 0.5g，Ca3(PO4)2 3.0g，KCl 0.2g，MnSO4·H2O 0.03g，FeSO4 0.03g，酵母提取物0.5g，琼脂20g，蒸馏水1000mL。
6.阿氏芽孢杆菌冻干粉的制备：
(1)菌种活化和扩大培养：在无菌操作条件下，由冷藏的试管斜面转移到培养基中，30℃恒温培养12h，进行活化；将单菌落转接至沙士液体摇瓶中，培养20h，以2.5％的接种量接种至锥形瓶中进行扩大培养，直至OD600＝0.6。
(2)菌体的收集：取少量菌液进行镜检，确定无杂菌污染后，再将菌液置于离心机中，在5500r/min的条件下离心12min，收集菌泥。
(3)真空冷冻干燥：将收集到的菌泥与浓度为4.5％的乳糖溶液混合制成菌悬液(菌泥与乳糖质量比1:1)，4℃平衡2h后，-80℃预冻1.5h，随后迅速将样品移入冷冻干燥机中冷冻干燥24h，制得菌体冻干粉。
7.酸性土壤调理剂I的制备：
由秸秆生物炭A 30份、磁性氧化铁改性生物炭10份、CaCO3改性硅藻土20份、草木灰39.7份，以及阿氏芽孢杆菌冻干粉0.30份组成。
(二)土壤调理剂的施用(露地菜地)
(1)改良地块：根据《DZ/T 0259-2016土地质量地球化学评价规范》进行土壤酸碱度分级评价(分级标准见表1)，选择露地茄子的种植地块，土壤的pH值为5.3(酸性)。
(2)高温浸水处理：选择夏天高温季节，用耕地起垄机深翻土壤30cm，然后用水浸泡土壤，水面高于土壤表面5cm；使用地膜对农田地表进行覆膜处理3天。高温浸水处理结束后，将水排干净，高温暴晒10天。
(3)将堆腐后的水稻秸秆均匀撒施在菜田地表，堆腐秸秆添加量为150kg/亩；再撒施土壤调理剂，添加量为160kg/亩。全部撒施结束后，一次性深耕土壤，并等待5天。
根据土壤调理剂的施用情况，分为以下4个处理：
表2实施例1的不同处理
试验处理 土壤调理剂的种类 施用量(kg/亩)
处理1(Q-CK) 不施土壤调理剂 0
处理2(Q-2) 秸秆生物炭A 160
处理3(Q-3) 草木灰 160
处理4(Q-4) 酸性土壤调理剂I 160
(4)在土壤上种植茄苗。试验处理1-4中，除了土壤调理剂施用情况不同外，其它耕作措施(如种植制度、施肥打药、灌水排水等)、田间日常管理方面均完全一致，均按照中华人民共和国国家标准《瓜菜作物种子第3部分：茄果类》(GB 16715.3-2010)、《蔬菜病虫害安全防治技术规范第2部分：茄果类》(GB/T 23416.2-2009)、《农产品购销基本信息描述茄果类》(GB/T 34257-2017)执行。
(三)试验结果
1.不同处理对土壤pH值和交换性酸含量的影响
如表3所示，与对照处理1(Q-CK)相比，不同土壤调理剂品种均可提升土壤pH值，提升幅度为0.6-1.4个单位，增幅范围为11.32-26.42％。其中，施用本发明的酸性土壤调理剂I对提升土壤pH值的效果最佳，增加了1.4个单位，增幅为26.42％。
与对照处理1(Q-CK)相比，不同土壤调理剂品种均可降低土壤交换性酸含量，降低幅度为2.77-5.16cmol/L，降幅范围为42.75-79.63％。其中，施用本发明的酸性土壤调理剂I对降低土壤交换性酸含量的效果最佳，降低了5.1cmol/L，降幅为79.63％。
综合可见，在提升土壤pH值和降低土壤交换性酸含量方面，相比于施用秸秆生物炭A和草木灰，施用本发明的酸性土壤调理剂I的效果最好。
表3不同处理对土壤pH值和交换性酸含量的影响
试验处理 pH值 增幅(％) 交换性酸(cmol/L) 降幅(％)
处理1(Q-CK) 5.3 - 6.48 -
处理2(Q-2) 6.2 16.98 2.86 55.86
处理3(Q-3) 5.9 11.32 3.71 42.75
处理4(Q-4) 6.7 26.42 1.32 79.63
2.不同处理对土壤养分含量的影响
如表4所示，与对照处理1(Q-CK)相比，施用秸秆生物炭A、草木灰、酸性土壤调理剂I分别使土壤有机质含量提高60.80％、52.84％和43.18％，分别使土壤碱解氮含量提高27.06％、16.86％和33.46％，分别使土壤有效磷含量降低5.12％、8.39％和8.71％，分别使土壤速效钾含量降低39.89％、33.23％和48.23％。这些数据说明，相比于酸性土壤调理剂I，秸秆生物炭A、草木灰可以使土壤土壤有机质含量的提高幅度更大；但是相对于秸秆生物炭A、草木灰，本发明的酸性土壤调理剂I可以更显著地提高土壤碱解氮含量，并降低处于高水平的有效磷和速效钾含量，更好的提高土壤的保肥能力。
表4不同处理对土壤养分含量的影响
Figure BDA0003254070010000091
Figure BDA0003254070010000101
3.不同处理对茄子产量的影响
如表5所示，与对照处理1(Q-CK)相比，处理2的茄子产量增加了288.7kg/亩，增产率为7.76％，差异不显著；处理3的茄子产量增加了402.8kg/亩，增产率为10.83％，差异显著；处理4的茄子产量增加了482.5kg/亩，增幅为12.97％，差异显著。
综上所述，三种土壤调理剂均可增加茄子的产量，其中施用本发明的酸性土壤调理剂I的增产效果最佳，增收幅度最大。
表5不同处理对茄子产量及经济效益的影响
Figure BDA0003254070010000102
实施例2
(一)酸性土壤调理剂II的制备
1.秸秆生物炭B的制备：
(1)将坚果壳10份、水稻秸秆和稻壳50份、油菜秸秆20份、玉米秸秆20份，在温度650℃、氮流速17.5mL·min-1的条件下热解55min；
(2)热解产物在氮流速17.5mL·min-1的条件下冷却20h，再经过研磨、均化、筛分，得到0.50mm的生物炭；
(3)用超纯水(MilliQ Integral；Merck Millipore Corp.,USA)清洗所得生物炭后，60℃烘干16h直到恒重。
2.磁性氧化铁粒子的制备：
(1)在800mL的烧杯中，将1.0g FeSO4·7H2O溶解于100mL水中，然后缓慢加入1M的氢氧化钾溶液直到pH值达到12.0；在此过程中，形成氢氧化铁沉淀；
(2)用水将悬浮液稀释至200mL，并将其放置进微波炉(700W，2450MHz)中，以最大功率处理9min。从微波炉中拿出烧杯，用水反复洗涤形成的磁性氧化铁颗粒，直到磁性悬浮颗粒pH范围至6.8-7.0。
合成的氧化铁纳米颗粒的D50为60nm。
3.磁性氧化铁改性生物炭的制备：
将50.0g秸秆生物炭B加入200mL浓度为5％的磁性氧化铁颗粒悬浮液中，用磁力搅拌器剧烈混合，使生物炭粉与磁性粒子均匀混合，随后将产物60℃干燥12h，研磨，得到磁性氧化铁改性生物炭。
4.CaCO3改性硅藻土的制备：
(1)按固液比为1g/8mL的比例，将硅藻土和浓度为1mol/L的盐酸溶液混合，超声分散45min之后，用乙醇和去离子水洗涤硅藻土直到滤液pH呈中性，烘干至恒重，过60目标准筛，得预处理后的硅藻土；
(2)按固液比为1g/5mL的比例，将预处理后的硅藻土与浓度为0.5mol/L的Na2CO3溶液混合，在28℃条件下恒温振荡1h后，加入饱和CaCl2溶液(Na2CO3水溶液与CaCl2溶液的体积比为8:1)，在30℃恒温振荡30min后，用蒸馏水洗涤产物至滤液为中性，105℃恒温烘干，研磨，过200目标准筛，得CaCO3改性硅藻土。
5.阿氏芽孢杆菌培养基的配方(以1000mL为例子)：
(1)TGY培养基：胰蛋白胨5g，酵母提取物3g，葡萄糖1g，蒸馏水1000mL。
(2)PKO无机磷培养基：蔗糖10g，MgSO4·7H2O 0.1g，(NH4)2SO4 0.1g，NaCl 0.5g，Ca3(PO4)2 3.0g，KCl 0.2g，MnSO4·H2O 0.03g，FeSO4 0.03g，酵母提取物0.5g，琼脂20g，蒸馏水1000mL。
6.阿氏芽孢杆菌冻干粉的制备：
(1)菌种活化和扩大培养：在无菌操作的条件下，由冷藏的试管斜面转移到培养基中，30℃恒温培养24h，进行活化；将单菌落转接至沙士液体摇瓶中，培养16h，以4.5％的接种量接种至锥形瓶中进行扩大培养，直至OD600＝0.4。
(2)菌体的收集：取少量菌液进行镜检，确定无杂菌污染后，再将菌液置于离心机中，在6000r/min的条件下离心10min，收集菌泥。
(3)真空冷冻干燥：将收集到的菌泥与5％的甘露醇溶液混合制成菌悬液(菌泥与甘露醇的质量比1:1)，4℃平衡2.5h后，-80℃预冻2h，随后迅速将样品移入冷冻干燥机中冷冻干燥18h，制得菌体冻干粉。
7.酸性土壤调理剂II的制备：
由秸秆生物炭B 69.5份、磁性氧化铁改性生物炭5份、CaCO3改性硅藻土10份、草木灰15.2份，以及阿氏芽孢杆菌冻干粉0.30份组成。
(二)酸性土壤调理剂II的施用(设施菜地)
(1)改良地块：根据《DZ/T 0259-2016土地质量地球化学评价规范》进行土壤酸碱度分级评价(分级标准见表1)，选择设施辣椒的种植地块，土壤的pH值为5.2(酸性)。
(2)高温浸水处理：用耕地起垄机深翻土壤30cm，然后用水浸泡土壤，水面高于土壤表面5cm，密闭大棚15天进行高温闷棚。高温浸水处理结束后，将水排干净，再打开大棚通风5天。
(3)将堆腐后的油菜秸秆均匀撒施在农田地表，堆腐秸秆添加量为120kg/亩；再撒施土壤改良剂，添加量为100kg/亩。全部撒施结束后，一次性深耕土壤，并等待8天。
根据土壤调理剂的施用情况，分为以下4个处理：
表6实施例2的不同处理
试验处理 土壤调理剂的种类 施用量(kg/亩)
处理1(L-CK) 不施土壤调理剂 0
处理2(L-2) 秸秆生物炭B 100
处理3(L-3) 草木灰 100
处理4(L-4) 酸性土壤调理剂II 100
(4)在土壤上种植辣椒。试验处理1-4中，除了土壤调理剂施用情况不同外，其它耕作措施(如种植制度、施肥打药、灌水排水等)、田间日常管理方面均完全一致，均按照中华人民共和国国家标准化指导性技术文件《辣椒生产技术规范》(GB/Z 26583-2011)执行。
(三)试验结果
1.不同处理对土壤pH值和交换性酸含量的影响
如表7所示，与对照处理1(L-CK)相比，不同土壤调理剂品种均可提升土壤pH值，提升幅度为0.9-1.4个单位，增幅范围为17.31-26.92％。其中，施用本发明的酸性土壤调理剂II对提升土壤pH值的效果最佳，增加了1.4个单位，增幅为26.92％。
与对照处理1(L-CK)相比，不同土壤调理剂品种均可降低土壤交换性酸含量，降低幅度为1.56-3.09cmol/L，降幅范围为29.05-57.54％。其中，施用酸性土壤调理剂II对降低土壤交换性酸含量的效果最佳，降低了3.09cmol/L，降幅为57.54％。
综合得出，在提升土壤pH值和降低土壤交换性酸含量方面，相比于施用秸秆生物炭B和草木灰，施用本发明的酸性土壤调理剂II的效果最好。
表7不同处理对土壤pH值和交换性酸含量的影响
试验处理 pH值 增幅(％) 交换性酸(cmol/L) 降幅(％)
处理1(L-CK) 5.2 - 5.37 -
处理2(L-2) 6.3 21.15 3.29 38.73
处理3(L-3) 6.1 17.31 3.81 29.05
处理4(L-4) 6.6 26.92 2.28 57.54
2.不同处理对土壤养分含量的影响
如表8所示，与对照处理1(L-CK)相比，施用秸秆生物炭B、草木灰、酸性土壤调理剂II分别使土壤有机质含量提高47.09％、33.14％和24.42％，分别使土壤碱解氮含量提高10.47％、16.40％和24.65％，分别使土壤有机磷含量增加12.65％、18.13％和22.02％，分别使土壤速效钾含量增加17.86％、11.18％和26.91％。这些数据说明，相较于酸性土壤调理剂II，秸秆生物炭B、草木灰对于提升土壤有机质含量的效果更好；但是在土壤肥力较低的前提下，相对于秸秆生物炭B、草木灰，本发明的酸性土壤调理剂II可以更好地提高土壤碱解氮、土壤有机磷、土壤速效钾含量，提高土壤有效养分的供给能力，为作物生长提供更好的养分供应条件。
表8土壤调理剂品种对土壤养分含量的影响
Figure BDA0003254070010000141
Figure BDA0003254070010000151
3.不同处理对设施辣椒产量及经济效益的影响
如表9所示，通过使用土壤调理剂，3个品种辣椒的产量、商品性和收益均有所提高。皖椒10号、皖椒18号、皖椒101号的产量排序为：处理1(L-CK)<处理3(L-3)<处理2(L-2)<处理4(L-4)。
与对照处理1(L-CK)相比，处理2(L-2)、处理3(L-3)、处理4(L-4)可分别使皖椒10号产量增加15.49％、8.26％、17.87％，使皖椒18号产量增加9.09％、7.43％、13.97％，使皖椒101号产量增加16.23％、12.33％、18.72％。
与对照处理1(L-CK)相比，处理2(L-2)、处理3(L-3)、处理4(L-4)可分别使皖椒10号纯收益增加6.43％、5.79％、17.59％，使皖椒18号纯收益增加1.38％、9.94％、15.69％，使皖椒101号纯收益增加10.84％、12.63％、16.26％。
综上所述，3种土壤调理剂均可增加辣椒的产量和收益，其中，施用本发明的酸性土壤调理剂II的增产效果最佳，增收幅度最大。
表9不同处理对设施辣椒产量及经济效益的影响
Figure BDA0003254070010000152
Figure BDA0003254070010000161
实施例3
(一)酸性土壤调理剂III的制备
1.秸秆生物炭C的制备：
(1)将坚果壳5份、小麦秸秆25份、水稻秸秆和稻壳35份、油菜秸秆15份和玉米秸秆20份，在温度700℃、氮流速19.0mL·min-1的条件下热解30min；
(2)热解产物在氮流速19.0mL·min-1的条件下冷却16h，再经过研磨、均化、筛分，得到粒径约0.3mm的生物炭；
(3)用超纯水(MilliQ Integral；Merck Millipore Corp.,USA)清洗所得生物炭后，60℃烘干24h直到恒重。
2.磁性氧化铁粒子的制备：
(1)在800mL的烧杯中，将1.2g FeSO4·7H2O溶解于100m水中，然后缓慢加入1M的氢氧化钠溶液直到pH值达到12.0；在此过程中，形成氢氧化铁沉淀；
(2)用水将悬浮液稀释至200mL，并将其放置进微波炉(700W，2450MHz)中，以最大功率处理12min。从微波炉中拿出烧杯，用水反复洗涤形成的磁性氧化铁颗粒，直到磁性悬浮颗粒pH范围至6.8-7.0。
合成的氧化铁纳米颗粒的D50为65nm。
3.磁性氧化铁改性生物炭的制备：
将100.0g秸秆生物炭C加入200mL浓度为1％的磁性氧化铁颗粒悬浮液中，用磁力搅拌器剧烈混合，使生物炭粉与磁性粒子均匀混合，随后将产物50℃干燥48h，研磨，得到磁性氧化铁改性生物炭。
4.CaCO3改性硅藻土的制备：
(1)按固液比为1g/6mL的比例，将硅藻土和浓度为1.5mol/L的盐酸水溶液混合，超声分散60min之后，用乙醇和去离子水洗涤硅藻土直到滤液pH为中性，烘干至恒重，过60目标准筛，得预处理后的硅藻土；
(2)按固液比为1g/8mL的比例，将预处理后的硅藻土与浓度为0.5mol/L的Na2CO3溶液混合，在25℃条件下恒温振荡2h后，加入饱和CaCl2溶液(Na2CO3溶液与CaCl2溶液的体积比为10:1)，在30℃恒温振荡30min后，用蒸馏水洗涤产物至滤液为中性，105℃恒温烘干，研磨，过200目标准筛，得CaCO3改性硅藻土。
5.阿氏芽孢杆菌培养基的配方(以1000mL为例子)：
(1)King培养基：蛋白胨20g，甘油15mL，MgSO4·7H2O 1.5g，K2HPO4 1.15g，蒸馏水1000mL。
(2)PKO无机磷培养基：蔗糖10g，MgSO4·7H2O 0.1g，(NH4)2SO4 0.1g，NaCl 0.5g，Ca3(PO4)2 3.0g，KCl 0.2g，MnSO4·H2O 0.03g，FeSO4 0.03g，酵母提取物0.5g，琼脂20g，蒸馏水1000mL。
6.阿氏芽孢杆菌冻干粉的制备：
(1)菌种活化和扩大培养：在无菌操作的条件下，由冷藏的试管斜面转移到培养基中，30℃恒温培养18h，进行活化；将单菌落转接至沙士液体摇瓶中，培养24h，以3.0％的接种量接种至锥形瓶中进行扩大培养，直至OD600＝0.8。
(2)菌体的收集：取少量菌液进行镜检，确定无杂菌污染后，再将菌液置于离心机中，在6500r/min的条件下离心8min，收集菌泥。
(3)真空冷冻干燥：将收集到的菌泥与6％的蔗糖溶液混合制成菌悬液(菌泥与蔗糖的质量比1:2)，4℃平衡2h后，-80℃预冻1.5h，随后迅速将样品移入冷冻干燥机中冷冻干燥16h，制得菌体冻干粉。
7.酸性土壤调理剂III的制备：
由秸秆生物炭C 55份、磁性氧化铁改性生物炭7份、CaCO3改性硅藻土10份、草木灰27.8份，以及阿氏芽孢杆菌冻干粉0.2份组成。
(二)酸性土壤调理剂III的施用(稻田)
(1)改良地块：根据《DZ/T 0259-2016土地质量地球化学评价规范》进行土壤酸碱度分级评价(分级标准见表1)，选择稻田，土壤的pH值为5.1(酸性)。
(2)灌水浸泡土壤12h以上，待土壤松软、泥脚深度约为0.2m时，将水排干净。
(3)将堆腐后的水稻秸秆均匀地撒在田间，撒施量为250kg/亩；在堆腐水稻秸秆之上，撒施土壤调理剂，撒施量为200kg/亩。
根据土壤调理剂的施用情况，分为以下2个处理：
表10实施例3的不同的处理
试验处理 土壤调理剂的种类 施用量(kg/亩)
处理1(R-CK) 不施土壤调理剂 0
处理2(R-2) 酸性土壤调理剂III 200
(4)翻耕污染水田。
(5)在深耕后的水田中灌水，深度为3cm，维持水田的浸泡状态，时间为15天，期间避免雨水冲刷。
(6)在浸泡期将近结束时，停止向水田中添加灌溉水，使水田中的地表水层自然蒸干，并维持水田土壤的湿润状态；
(7)在稻田中插植水稻秧苗。试验处理1-2中，除了土壤调理剂施用情况外，其它耕作措施(如种植制度、施肥打药、灌水排水等)、田间日常管理方面均完全一致，均按照中华人民共和国农业行业标准《无公害食品水稻生产技术规程》(NY/T 5117-2002)执行。
(三)试验结果
1.对土壤基本理化性质的影响
如表11所示，与对照处理1(R-CK)相比，本发明的酸性土壤调理剂III可以提升土壤pH值，提升幅度为0.8个单位，增幅为15.69％。与此同时，本发明的土壤调理剂可以提升土壤碱解氮、有效磷、有机质、交换性钾、交换性钙、交换性镁的含量，增幅分别为22.94％、5.88％、28.06％、4.07％、26.97％、4.26％；土壤交换性铝、总铅、总镉的含量变化幅度不明显。
表11水稻土部分基本理化性质
Figure BDA0003254070010000191
2.生物学效应
试验结果表明：与对照处理1(R-CK)相比，施用本发明的酸性土壤调理剂III可显著增加秧苗的干物质量、单株分蘖数、单株叶面积、茎宽和株高，降低弱苗率(表12)；提高秧苗的根系活力强、叶绿素含量和茎鞘含糖量(表13)；增加秧苗地上部分与地下部分营养元素积累量(表14和15)；降低秧苗致病菌的感染率(表16)。
表12土壤调理剂对水稻秧苗活力的影响(I)
Figure BDA0003254070010000201
表13土壤调理剂对水稻秧苗活力的影响(II)
处理 根系活力(μg·g<sup>-1</sup>h<sup>-1</sup>) 叶绿素含量(SPAD) 茎鞘含糖量(mg·g-<sup>1</sup>)
R-CK 50.2 17.6 6.2
R-2 68.3 29.3 11.9
表14土壤调理剂对秧苗地上部营养元素积累的影响
Figure BDA0003254070010000202
表15土壤调理剂对秧苗地下部营养元素积累的影响
Figure BDA0003254070010000203
表16土壤调理剂对秧苗致病菌感染率(人工接种致病菌)的影响
处理 立枯病(％) 青枯病(％) 恶苗病(％) 细菌性褐斑病(％)
R-CK 24 30 40 5
R-2 11 17 19 2
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施例，与本发明构思无差异的技术方案均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种酸性土壤调理剂，以质量份计，包括：秸秆生物炭粉30-69.5份，磁性氧化铁改性生物炭5-10份，CaCO3改性硅藻土10-20份，草木灰15-40份，以及阿氏芽孢杆菌冻干粉0.15-0.30份。
2.根据权利要求1所述的酸性土壤调理剂，其特征在于，所述秸秆生物炭粉通过以下方法制备而成：
(1)将秸秆类生物质材料在温度600-700℃、氮流速16.0-19.0mL·min-1的条件下热解30-90min；
(2)热解产物在氮流速16.0-19.0mL·min-1的条件下冷却16-24h，再经过研磨、均化、筛分，得到0.25-0.50mm的生物炭；
(3)用超纯水清洗所得生物炭后，60℃烘干8-24h直到恒重。
3.根据权利要求1所述的酸性土壤调理剂，其特征在于，磁性氧化铁改性生物炭通过以下方法制备而成：
将50.0-100.0g生物炭粉加入200mL浓度为1-5％的磁性氧化铁颗粒悬浮液中，使生物炭粉与磁性颗粒充分且均匀混合，然后将悬浮液于50-60℃干燥12-48h，研磨，得到磁性氧化铁改性生物炭。
4.根据权利要求3所述的酸性土壤调理剂，其特征在于，所述磁性氧化铁颗粒的制备方法为：
(1)将0.8-1.2g FeSO4·7H2O溶解于100mL水中，然后缓慢加入1M的氢氧化钠或氢氧化钾溶液直到pH值达到12.0；在此过程中，形成氢氧化铁沉淀；
(2)用水将悬浮液稀释至200mL，并将其放置进微波炉中处理6-12min以形成纳米/微米级磁性氧化铁颗粒，随后收集形成的氧化铁颗粒并水洗至pH值呈中性。
5.根据权利要求3或4所述的酸性土壤调理剂，其特征在于：磁性氧化铁颗粒的粒径(D50)为25-100nm。
6.根据权利要求1所述的酸性土壤调理剂，其特征在于，CaCO3改性硅藻土通过以下步骤制备而成：
(1)将硅藻土和盐酸水溶液混合进行酸化处理，然后洗涤至pH为中性，烘干过筛，得到预处理后的硅藻土；
(2)将预处理后的硅藻土与Na2CO3水溶液混合，恒温振荡后加入饱和CaCl2水溶液，再次恒温振荡，随后洗涤至pH为中性，烘干、研磨、过筛，得CaCO3改性硅藻土。
7.根据权利要求1或6所述的酸性土壤调理剂，其特征在于，所述CaCO3改性硅藻土通过以下步骤制备而成：
(1)按固液比为1g/5mL-1g/8mL的比例，将硅藻土和浓度为1-2mol/L的盐酸水溶液混合，超声分散30-60min之后，收集并用乙醇和去离子水洗涤硅藻土直到滤液pH为中性，烘干至恒重，过60目标准筛，得预处理后的硅藻土；
(2)按固液比为1g/5mL-1g/10mL的比例，将预处理后的硅藻土与浓度为0.5mol/L的Na2CO3水溶液混合，在25-30℃条件下恒温振荡1-2h后，加入饱和CaCl2水溶液，恒温振荡30min后，收集并用蒸馏水洗涤产物至滤液为中性，105℃恒温烘干，研磨，过200目标准筛，得CaCO3改性硅藻土。
8.根据权利要求1所述的酸性土壤调理剂，其特征在于，阿氏芽孢杆菌冻干粉的制备方法为：
(1)菌种活化和扩大培养：在无菌操作的条件下，由冷藏的试管斜面转移到培养基中，30℃恒温培养12-24h，进行活化；将单菌落转接至沙士液体摇瓶中，培养16-24h，以2.5-4.5％的接种量接种至锥形瓶中进行扩大培养，直至OD600＝0.4-0.8；
(2)菌体的收集：取少量菌液进行镜检，确定无杂菌污染后，再将菌液置于离心机中，在5500-6500r/min的条件下离心8-12min，收集菌泥；
(3)真空冷冻干燥：将收集到的菌泥与冻干保护剂混合制成菌悬液，4℃平衡2-3h后，-80℃预冻1-2h，随后迅速将样品移入冷冻干燥机中冷冻干燥12-24h，制得菌体冻干粉。
9.权利要求1-8中任一项所述的酸性土壤调理剂在酸性土壤治理中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述酸性土壤是pH值范围为5.0-6.5的农田(水稻田除外)和pH值范围为4.0-6.5的水稻田。
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