CN115500107B - 作物连作地的土壤改良方法 - Google Patents

作物连作地的土壤改良方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种作物连作地的土壤改良方法，包括：在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中，并用旋耕机使有机碳源物料与耕作层土壤混合均匀；按照预设持水量，对添加有有机碳源物料的土壤添加水分后覆盖薄膜；在确定覆盖薄膜的时间满足预设周期的情况下，撤去薄膜，得到消毒后的土壤；在利用消毒后的土壤种植作物前，按照第二预设比例，将还原性铁粉均匀添加至消毒后的土壤中，得到用于种植作物的改良土壤。

Description

作物连作地的土壤改良方法
技术领域
本发明涉及土壤改良技术领域，尤其涉及作物连作地的土壤改良方法。
背景技术
连作障碍，是指连续在同一块土壤上栽培同种作物或近缘作物引起的作物生长发育异常，例如作物生长状况变差、产量降低、品质变劣及病虫害发生加剧等现象的发生。连作障碍现象普遍存在于粮食、蔬菜、果树、药材、花卉等作物，导致连作障碍的原因主要包括土壤理化性质恶化、病虫害增加和有毒物质(包括化感物质等)的累积等。
随着集约化农业进程的加大，同时受耕作土地的限制，使得作物连作障碍日益严重。我国危害程度高的连作地块面积大于10％，其中规模化种植区发生面积一般超过20％；连作障碍导致当季作物损失巨大，占20％～80％，严重的几乎绝产，每年造成严重的经济损失，且连作障碍降低了农产品的安全性和市场竞争力。
发明内容
有鉴于此，本发明主要目的在于提供一种作物连作地的土壤改良方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题之一。
本发明提供了一种作物连作地的土壤改良方法，包括：
在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中，并用旋耕机使有机碳源物料与耕作层土壤混合均匀；
按照预设持水量，对添加有有机碳源物料的土壤添加水分后覆盖薄膜；
在确定覆盖薄膜的时间满足预设周期的情况下，撤去薄膜，得到消毒后的土壤；
在利用消毒后的土壤种植作物前，按照第二预设比例，将还原性铁粉均匀添加至消毒后的土壤中，得到用于种植作物的改良土壤。
根据本发明的实施例，有机碳源物料包括土豆粉，土豆粉为土豆皮晒干后磨成的粉。
根据本发明的实施例，土豆粉的细度为<1cm。
根据本发明的实施例，预设温度范围为25℃～50℃。
根据本发明的实施例，在确定覆盖薄膜的时间满足预设周期的情况下，撤去薄膜，得到消毒后的土壤之前，还包括：
根据预设点位，分别采集覆盖薄膜的土壤，得到多个土壤样本；
对每个土壤样本进行氧化还原电位的测量，得到多个测量值；
在确定测量值满足预设阈值的情况下，覆盖薄膜的时间保持预设周期。
根据本发明的实施例，在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中之前，还包括：
对发生连作障碍的土壤挖除根系并清除秸秆。
根据本发明的实施例，预设周期为2～4周。
根据本发明的实施例，第一预设比例为有机碳源物料与连作障碍的土壤的面积之比为1吨：1亩。
根据本发明的实施例，第二预设比例为还原性铁粉与消毒后的土壤的面积之比为0.4吨：1亩。
根据本发明的实施例，在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中，包括：
在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀撒落在发生连作障碍的土壤表面；
利用旋耕机翻耕，直至将有机碳源物料与发生连作障碍的耕作层土壤混合均匀。
基于上述技术方案可知，本发明的作物连作地的土壤改良方法与现有技术相比至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
(1)本发明通过对发生连作障碍的土壤中添加有机碳源物料，使土壤呈强还原环境，并通过加水覆盖薄膜保持土壤潮湿，持续呈强还原状态后完成土壤消毒，之后在种植作物前，为进一步加强土壤的还原状态，在土壤在中添加还原性铁粉，并与土壤混合均匀。通过创造强还原环境的处理方法快速杀灭好氧微生物，另外促进厌氧微生物(如Clostridiales)繁殖，通过产生大量的NH3、H2S和有机酸等发酵产物，进一步杀灭病原菌，实现消减土壤病原菌、补充铁载体、改良土壤理化性质、提高土壤肥力的多重目标；
(2)本发明有机碳源物料采用土豆粉，由于土豆皮等农产品加工废弃物资源丰富，成本低廉，易降解，是强还原处理的理想有机质之外，还能够推动农业废弃物的资源化利用；
(3)本发明通过有机质强还原过程提高土壤肥力，杀灭病原菌，从而降低农药化肥的投入量，是一种环境友好型土壤改良方法；
(4)本发明可实现杀灭土传病原菌，提高土壤pH，缓解次生盐碱化，增加土壤有机质、恢复微生物活性等多目标改良土壤；还可提升作物的产量和品质；
(5)由于我国农产品种植面积大，连作障碍普遍，提质增效需求大，本发明作物连作地的土壤改良时间短、简便易操作，且绿色、经济、高效，具有十分广阔的推广应用前景。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的作物连作地的土壤改良方法流程图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的实验处理组田间分布图；
图3示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤pH统计图；
图4示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤电导率(EC)统计图；
图5示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中硝态氮(NO3 --N)含量统计图；
图6示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中有机质(SOM)含量统计图；
图7示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中微生物活性统计图；
图8示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中真菌绝对丰度统计图；
图9示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中真菌的所属水平物种分布柱状图；
图10示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中真菌植物致病菌的相对丰度统计图；
图11示出了根据本发明实施例的不同处理组贝母虫害率统计图；
图12示出了根据本发明实施例的不同处理组贝母产量统计图；
图13示出了根据本发明实施例的不同处理组贝母中贝母素甲含量统计图；
图14示出了根据本发明实施例的不同处理组贝母中贝母素乙含量统计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
相关研究表明，解决作物连作障碍的方法，通常是与其他作物进行循环轮作，也就是发生连作障碍的土地采收后，挖除根系，清理秸秆，翻耕施肥后栽种一种或多种其他作物，一茬或几茬后再重新栽种原作物。例如，浙贝母-甜玉米-小番薯间套、轮作，虽然能够有效缓解浙贝母连作障碍问题，增加土地产出量，显著提升亩产效益；但是，同时也耽误了轮作期间种植贝母的时间，减少了土地种植收入，特别是用玉米、番薯、水稻等轮作作物的经济附加值较低，难以弥补贝母种植户的经济损失，影响市场效益。
此外，为防止病虫害，提高产量，种植者普遍会使用大量的化肥和农药，从而使土壤酸化板结的速度日益加快，土壤微生态环境加速恶化。
基于此，本发明提供了一种作物连作地的土壤改良方法，旨在显著改善土壤质量，消减连作障碍，进而减少农药化肥使用量，提高农产品的产量和质量，为作物的可持续生产提供理论和技术指导。
下面示意性举例说明作物连作地的土壤改良方法。需要说明的是，该举例说明只是本发明的具体实施例，并不能限制本发明的保护范围。
图1示意性示出了根据本发明实施例的作物连作地的土壤改良方法流程图。
如图1所示，该作物连作地的土壤改良方法包括操作S101～操作S104。
在操作S101中，在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中，并用旋耕机使有机碳源物料与耕作层土壤混合均匀。
根据本发明的实施例，预设温度可以根据土壤中厌氧微生物的生长代谢，能够达到杀灭土传病原菌的效果而确定。第一预设比例可以根据实际加入有机碳源物料后连作障碍的土壤的改良效果而确定。有机碳源物料可以是具有强还原性的有机质物料，例如，可以是土豆皮晒干后磨成的粉。
在操作S102中，按照预设持水量，对添加有有机碳源物料的土壤添加水分后覆盖薄膜。
根据本发明的实施例，预设持水量可以是根据土壤的最大持水量而确定。薄膜可以是塑料薄膜。通过使用薄膜对地面进行覆盖，能够阻断大气的氧气进入土壤，以确保土壤处于强还原状态。
在操作S103中，在确定覆盖薄膜的时间满足预设周期的情况下，撤去薄膜，得到消毒后的土壤。
根据本发明的实施例，预设周期可以根据维持强还原环境后能够杀灭好氧微生物的时间或者实际情况中需要达到杀灭好氧微生物的效果而确定。
在操作S104中，在利用消毒后的土壤种植作物前，按照第二预设比例，将还原性铁粉均匀添加至消毒后的土壤中，得到用于种植作物的改良土壤。
根据本发明的实施例，第二预设比例可以根据实际加入还原性铁粉后连作障碍的土壤的改良效果而确定。加入还原性铁粉，不仅能够加强土壤的还原状态，还可以补充铁载体。
根据本发明的实施例，通过对发生连作障碍的土壤中添加有机碳源物料，使土壤呈强还原环境，并通过加水覆盖薄膜保持土壤潮湿，持续呈强还原状态后完成土壤消毒，之后在种植作物前，为进一步加强土壤的还原状态，在土壤在中添加还原性铁粉，并与土壤混合均匀。通过创造强还原环境的处理方法快速杀灭好氧微生物，另外促进厌氧微生物(如Clostridiales)繁殖，通过产生大量的NH3、H2S和有机酸等发酵产物，进一步杀灭病原菌，实现消减土壤病原菌、补充铁载体、改良土壤理化性质，提高土壤肥力的多重目标。
需要说明的是，NH3、H2S和有机酸等发酵产物已被证实对多种土传病原菌，如尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)等具有强烈的毒害作用。
根据本发明的实施例，有机碳源物料包括土豆粉，土豆粉为土豆皮晒干后磨成的粉。
根据本发明的实施例，有机碳源物料采用土豆粉，由于土豆皮等农产品加工废弃物资源丰富，成本低廉，易降解，是强还原处理的理想有机质之外，还能够推动农业废弃物的资源化利用。
根据本发明的实施例，土豆粉的细度可以为<1cm，能够保证与土壤充分接触，达到均匀消毒的效果。
根据本发明的实施例，预设温度范围可以为25℃～50℃，在该条件下，能够提高土壤中厌氧微生物的生长代谢，达到杀灭土传病原菌，对土壤改良达到理想的处理效果。
根据本发明的实施例，预设周期可以为2～4周，既能够维持土壤这种强还原状态，充分发挥杀灭病原菌的目的，又能够短期内对土壤进行改良，避免影响作物的种植。
根据本发明的实施例，第一预设比例为有机碳源物料与连作障碍的土壤的面积之比可以为1吨：1亩。
根据本发明的实施例，第二预设比例为还原性铁粉与消毒后的土壤的面积之比可以为0.4吨：1亩。其中，在添加还原性铁粉时，为了节约还原性铁粉的投资成本，可以选择在作物种植的苗穴土壤上按第二预设比例均匀撒入还原性铁粉，并用铁耙人工使铁粉与土壤混合均匀。
根据本发明的另一实施例，该作物连作地的土壤改良方法除了可以包括操作S101～操作S104之外，在确定覆盖薄膜的时间满足预设周期的情况下，撤去薄膜，得到消毒后的土壤之前，还可以包括：
根据预设点位，分别采集覆盖薄膜的土壤，得到多个土壤样本；对每个土壤样本进行氧化还原电位的测量，得到多个测量值；在确定测量值满足预设阈值的情况下，覆盖薄膜的时间保持预设周期。
根据本发明的实施例，预设点位可以根据实际改良土壤的田地而确定。预设阈值可以根据土壤实际达到强还原状态的土壤氧化还原电位而确定。例如可以为-60mV。可以是测量值达到-60mV以下时，可以确定为满足预设阈值。撤去薄膜之后，还可以将土壤自然晾晒1周左右。
根据本发明的实施例，通过测量氧化还原电位，确保土壤处于强还原环境，以便于能够达到杀灭病原菌的目的。
根据本发明的一实施例，该作物连作地的土壤改良方法除了可以包括操作S101～操作S104之外，在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中之前，还可以包括：
对发生连作障碍的土壤挖除根系并清除秸秆。
根据本发明的实施例，在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中，可以包括：在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀撒落在发生连作障碍的土壤表面；利用旋耕机翻耕，直至将有机碳源物料与发生连作障碍的耕作层土壤混合均匀。
根据本发明的实施例，通过将有机碳源物料均匀撒落在发生连作障碍的土壤表面，利用旋耕机翻耕，使有机碳源物料与土壤混合均匀，充分发挥作用。
根据本发明的实施例，通过有机质强还原过程提高土壤肥力，杀灭病原菌，从而降低农药化肥的投入量，是一种环境友好型土壤改良方法；可实现杀灭土传病原菌，提高土壤pH，缓解次生盐碱化，增加土壤有机质、恢复微生物活性等多目标改良土壤；还可提升作物的产量和品质；并且由于我国农产品种植面积大，连作障碍普遍，提质增效需求大，本发明作物连作地的土壤改良时间短、简便易操作，且绿色、经济、高效，具有十分广阔的推广应用前景。
下面通过更具体的实施例说明作物连作地的土壤改良方法。需要说明的是，该举例说明只是本发明的具体实施例，并不能限制本发明的保护范围。
图2示意性示出了根据本发明实施例的实验处理组田间分布图。
实施例：以XX省XX市XX县的贝母生产基地中连作超过10年地块为研究对象，如图2所示，设置3大组处理：第一组(简写为RSD1)，不进行强还原处理，即空白的对照组；第二组(简写为RSD2)，添加土豆粉(有机碳含量35.8％，施用量1t/hm2)进行强还原处理；第三组(简写为RSD3)，添加固体型续耕保有机物料(一种农业科技公司用于连作障碍土壤修复的标准有机物质，有机碳含量30％，使用量1t/hm2)进行强还原处理。
处理时土壤温度在25℃以上，其中土壤强还原处理的具体方法可以是：对有连作障碍的贝母地挖除根系、清除秸秆；将物料按比例均匀地撒在地面上，并通过用旋耕机翻耕，将物料混埋到土壤耕作层内；均匀浇水至田间最大持水量，保持土壤潮湿；用塑料薄膜对土壤进行覆盖，使土壤与空气隔绝。三天后选择五个点对土壤的氧化还原电位进行实测，大多达到-60mv以下的要求，温度达到35℃以上。这样保持到第3周后土壤温度升到了45℃，到第4周后撤去薄膜。
需要说明的是，物料可以是有机碳源物料土豆粉和固体型续耕保有机物料。
如图2所示，其中三大处理组又可各自分为三小组，即不添加还原剂/添加铁粉/添加硫代硫酸钠，分别在贝母种植前添加到苗穴，其中还原剂铁粉用量为约400kg每亩，还原剂硫代硫酸钠用量为约1000kg每亩。此后按农户常规的步骤和要求种植贝母，且在种植过程中，RSD1组施用了化肥，RSD2和RSD3组均未施肥。
实验处理方案如下表1所示，且每个处理组均有三个重复，如图2所示分布。每小组面积可以为5m2。
在贝母成熟期采集土壤样品：各处理组每个小区按5点法(中心+四角)取样，利用不锈钢铲子采集15cm内表层土壤混合样品总共1000g，作为一个样品。混合均匀后去除杂物和细根，过2mm筛。过筛后的新鲜土壤样品分成三份：一份保存在4℃用于测定土壤微生物活性；一份保存在-80℃用于土壤微生物组DNA的提取；一份保存在常温下，待风干后测定土壤理化性质。收获贝母后，统计不同处理小区内贝母的产量和发病率。同时每小组随机采集6份贝母样品，检测贝母的贝母素含量。
表1
Figure BDA0003907302820000091
图3示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤pH统计图；图4示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤电导率(EC)统计图；图5示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中硝态氮(NO3 --N)含量统计图；
图6示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中有机质(SOM)含量统计图；图7示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中微生物活性统计图。
土壤理化性质分析结果表明，与对照相比，强还原处理(即土壤消毒)能够显著提升土壤pH，如图3所示；降低土壤电导率(EC)，如图4所示；显著降低土壤中硝态氮(NO3 --N)含量，如图5所示；并显著提升土壤中有机质(SOM)含量，如图6所示；增强土壤微生物活性(Fluorescein)，如图7所示；其中，R5组土壤硝态氮含量最低，土壤微生物活性最强。此外，如下表2所示的不同处理组土壤中K/Ca元素含量可以得知，添加土豆粉的RSD2处理组显著增加了土壤中K、Ca元素含量。
因此，土壤强还原处理，尤其是R5组(添加土豆粉强还原处理，并添加铁粉)能够有效消除土壤中积累的硝态氮，缓解土壤酸化和次生盐渍化问题，并且具有增加土壤有机碳源物料含量、恢复微生物活性、提升土壤肥力等改良土壤的作用。
表2
Figure BDA0003907302820000101
图8示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中真菌绝对丰度统计图；图9示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中真菌的所属水平物种分布柱状图；图10示出了根据本发明实施例的不同处理组土壤中真菌植物致病菌的相对丰度统计图。
通过荧光定量PCR技术，对贝母根际土壤真菌的丰度绝对定量，如图8所示的结果可以表明，RSD处理显著增加了真菌的丰度。
通过微生物高通量测序技术对贝母根际土壤真菌群落组成进行分析，如图9所示的结果可以表明，不同处理组贝母根际土真菌群落结构发生显著改变，且RSD处理后的真菌群落中优势菌属为毛壳菌属(Chaetomium)，尤其是R5中毛壳菌属的相对丰度达到69.3％。
需要说明的是，毛壳菌是一种高效广谱型微生物杀菌剂，对许多植物病原菌有潜在的生防作用，并且能产生各种内源激素，刺激、调节作物的生长发育。
通过Funguild数据库对真菌群落中的潜在真菌植物致病菌进行比对，如图10所示的结果可以表明，对照R1组中真菌植物致病菌与真菌的比例高达47.3％，而土壤强还原处理显著降低了致病菌丰度，尤其R5和R4组中真菌植物致病菌与真菌的比例分别低至7％和4％。
图11示出了根据本发明实施例的不同处理组贝母虫害率统计图；图12示出了根据本发明实施例的不同处理组贝母产量统计图；图13示出了根据本发明实施例的不同处理组贝母中贝母素甲含量统计图；图14示出了根据本发明实施例的不同处理组贝母中贝母素乙含量统计图。
如图11所示，贝母的产量和品质测定结果表明，RSD处理显著降低了贝母的虫害率，并分别提高了贝母素甲、乙的含量。
其中，相对于R1对照组，R5组显著提升24.2％小区贝母产量，如图12所示；并显著提高52.7％贝母素甲含量(如图13所示)与41.6％贝母素乙含量(如图14所示)。
需要说明的是，在本发明附图中涉及的字母a，b，c，d，e，f，g及其组合本身不具有任何含义，它们是用来体现不同处理组之间的值是否存在统计上显著差异。例如，一种处理的数值表为a，另一种处理的数值标为b，表明这两种处理的效果有显著差异；如果一种处理的数值表为a，另一种处理的数值标为ab，表明这两种处理的效果没有显著差异；如果一种处理的数值表为a，一种处理的数值标为b，另一种处理的数值标为c，表明标为a和c两种处理的差异要比标为a和b的两种处理的差异更加显著。
根据本发明的实施例，综合土壤理化性质、微生物群落、贝母产量及品质的所有数据结果表明，R5处理组效果最好，即添加土豆粉和铁粉进行土壤改良的技术最优。说明本发明提供的作物连作地的土壤改良方法可以在改良土壤质量的同时调节土壤微生态环境，减少病原菌丰度，减少农药化肥的用量，提升贝母的产量和品质，为贝母产业的良性可持续发展提供技术保障。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种作物连作地的土壤改良方法，包括：
在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中，并用旋耕机使所述有机碳源物料与耕作层土壤混合均匀；
按照预设持水量，对添加有所述有机碳源物料的土壤添加水分后覆盖薄膜；
在确定覆盖所述薄膜的时间满足预设周期的情况下，撤去所述薄膜，得到消毒后的土壤；
在利用所述消毒后的土壤种植作物前，按照第二预设比例，将还原性铁粉均匀添加至所述消毒后的土壤中，得到用于种植所述作物的改良土壤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机碳源物料包括土豆粉，所述土豆粉为土豆皮晒干后磨成的粉。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述土豆粉的细度为<1cm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设温度范围为25℃～50℃。
5.根据权利要求1所述的方法，在所述在确定覆盖所述薄膜的时间满足预设周期的情况下，撤去所述薄膜，得到消毒后的土壤之前，还包括：
根据预设点位，分别采集所述覆盖薄膜的土壤，得到多个土壤样本；
对每个所述土壤样本进行氧化还原电位的测量，得到多个测量值；
在确定所述测量值满足预设阈值的情况下，覆盖所述薄膜的时间保持所述预设周期。
6.根据权利要求1所述的方法，在所述在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中之前，还包括：
对发生所述连作障碍的土壤挖除根系并清除秸秆。
7.根据权利要求1或5或6所述的方法，其中，所述预设周期为2～4周。
8.根据权利要求1或5或6所述的方法，其中，所述第一预设比例为所述有机碳源物料与所述连作障碍的土壤的面积之比为1吨：1亩。
9.根据权利要求1或5或6所述的方法，其中，所述第二预设比例为所述还原性铁粉与所述消毒后的土壤的面积之比为0.4吨：1亩。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在预设温度范围内，按照第一预设比例，将有机碳源物料均匀添加至发生连作障碍的土壤中，并用旋耕机使所述有机碳源物料与耕作层土壤混合均匀，包括：
在所述预设温度范围内，按照所述第一预设比例，将所述有机碳源物料均匀撒落在发生所述连作障碍的土壤表面；
利用所述旋耕机翻耕，直至将所述有机碳源物料与发生所述连作障碍的所述耕作层土壤混合均匀。
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