一种基于生物炭与化学肥料互作的土壤无机氮调控方法

摘要

本发明属于农业废弃资源循环利用和农业土壤肥力提升领域，具体涉及一种基于生物炭与化学肥料互作的土壤无机氮调控方法，a将小麦秸秆清洗干净，粉碎，在450?550℃无氧条件下完成热裂解以制成生物炭；于菜地休耕期内，将制备好的生物炭按照400?500g/m

说明书

技术领域

本发明属于农业废弃资源循环利用和农业土壤肥力提升领域，具 体涉及一种一种基于生物炭与化学肥料互作的土壤无机氮调控方法。

背景技术

人民生活质量的大幅度提高，促进了我国蔬菜产业的迅猛发展。 据统计资料显示，21世纪初我国蔬菜播种面积高达1735万hm²。由 于菜地作物生长周期短，轮作频率快，菜地缺乏休耕期，造成土壤肥 力降低迅速。为弥补土壤肥力下降所致产量亏损，菜地生产中无机氮 肥过量施用情况普遍。过量施用无机氮肥一方面造成了耕作层土壤养 分富集严重，另一方面带量了土壤盐渍化、硝酸盐富集、土壤病虫害 及大量氮肥流失等问题。这些问题不仅限制了菜地生产效能发挥，并 且会造成土壤退化及环境污染，严重危害菜地生态系统的可持续农业 发展。因此，减少菜地土壤氮肥投入量、提高氮肥利用效率，是缓解 过量施用无机氮肥对菜地土壤负面影响的必须举措，也是响应国家对 农村污染治理“一控、两减、三基本”方针政策。

生物炭是有机生物质在厌氧条件下热裂解后产生的固化物，具备 高含碳量，高表面积的稳定材质。生物炭还田最早以增加土壤碳封存 为契机而提出。中国发布专利申请号CN102807459A公布了一种利用 生物炭制成的菜地土壤调理剂；CN1025159114A公布了一种生物质碳 肥料的制备及使用方法；CN102342301A公布了一种利用秸秆、厨余 生物质炭化生产的多功能生物质炭肥。上述利用生物炭制成生物肥料 提供了一些土壤改良的应用方法，但是由于生物炭自身化学性质稳定， 养分含量，对农业作物营养元素直接供应存在局限性。因此，急需结 合生物炭对土壤养分循环也存在潜在的影响，寻找一种生物炭与传统 化学肥料相互协作的方法，以实现调控菜地土壤中无机氮素的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用生物炭降低土壤氮肥投入量、提 升菜地土壤氮肥利用效率的基于生物炭与化学肥料互作的土壤无机 氮调控方法。它是一种工艺简便、原料来源广、成本低廉、效果显著 的以小麦秸秆制成生物炭为主要原料的菜地土壤无机氮素调控的办 法，用以促进菜地植物对氮素吸收效率，增加植物产量，减少菜地土 壤氮素流失，改善土壤微环境，实现提升菜地土壤氮素利用效率的目 标。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于生物炭与化学肥 料互作的土壤无机氮调控方法，包括如下步骤：

a将小麦秸秆清洗干净，烘干，粉碎至10cm以内长度，在450-550℃ 无氧条件下完全热裂解，自然冷却至室温后，制备成生物炭；

b于菜地休耕期内，将制备好的生物炭按照400-500g/m²的比例均 匀施加到菜地土壤表面；并将耕作层土壤与施加的生物炭充分混合；

c施加生物炭后，当季减少化肥无机氮施用量，化肥无机氮施用 量减少至农户常规用量的30％-40％，即化肥无机氮施用量减少为 100-200kgN/ha；

d在连续施化肥无机氮耕作3-4茬后，可不添加化肥无机氮耕作 1-2茬，并再次恢复添加，如此循环；

e距离第一次添加生物炭的2-3年后，按照原施加量一半 200-250g/m²再次施加于菜地土壤，并使耕作层土壤与生物炭充分混 合；之后根据步骤c和d安排并调节化肥无机氮施用量。

步骤a中，加热达到450-550℃后，持续进行热裂解的时间为2-5 小时。具体时间依据小麦秸秆单次添加量而有所不同。

步骤c中，农户常规施用量为每耕作一茬施肥300-400kgN/ha， 因种植作物不同而有所差异。农户常规施用量下每耕作一茬每公顷总 共施用300-400kg氮元素。

在步骤e中，再次施加生物炭的量为200-250g/m²；步骤b中， 耕作层的厚度为15cm-20cm。

在步骤e之后，还设有步骤f：此后每隔2-3年，重新添加一次 生物炭于菜地土壤，生物炭的添加量为200-250g/m²；此后化肥无机 氮施用量根据步骤c和步骤d确定。

本发明的有益效果

1根据电镜扫描结果显示通过此方法下制备的小麦秸秆生物炭其 特点为疏松多孔(图1)，具有管状通道，比表面积大的特点。因此 具备极大的吸附能力，增加土壤孔隙度，配合菜地土壤自身高营养元 素投入的特点，有益于土壤中微生物群落的聚集和生长。

2本发明中生物炭化学性质稳定，不溶于水，对菜地土壤不存在 任何负面影响。

3本发明中生物炭进入菜地土壤中能够增加土壤孔隙度，改善土 壤透气透水性，有利于菜地作物根系生长，为作物对土壤氮素利用效 率的提高坚定基础。

4本发明中生物炭可直接吸附土壤中富集的无机态氮素(铵态氮， 硝态氮)，并在作物需要或土壤养分不足时，给予释放补充，大幅度 降低了施肥带来的短期内土壤无机态氮素含量过高的环境流失风险。

5本发明中生物炭自身具备弱碱性特点，有助于缓解由于施用化 肥引起的土壤酸化现象，也能够治理当前酸化土壤，使其逐渐中性化。

6本发明中生物炭原料选取小麦秸秆是农业生产中常见剩余物质， 利用此制成生物炭能够实现农业生产的循环利用和农业资源的本地 化处置，是环境友好型的农业资源利用方式。

7本发明中操作方法简单，仅需每隔两年补充一次生物炭，不需 要对原有菜地耕作方式进行调整，对菜地高强度、快周转生产方式不 产生影响，却能有效降低土壤化肥无机氮的施用量，提高氮肥有效性， 具备较高经济优势。

附图说明

图1小麦秸秆生物炭(450℃)电镜扫描图片。

具体实施方式

下面结合图1和具体实施例详述本发明的技术方案。

根据电镜扫描结果显示通过此方法下制备的小麦秸秆生物炭其 特点为疏松多孔(图1)，具有管状通道，比表面积大的特点。因此 具备极大的吸附能力，增加土壤孔隙度，配合菜地土壤自身高营养元 素投入的特点，有益于土壤中微生物群落的聚集和生长。

实施例1：

a将50kg小麦秸秆清洗干净，烘干，粉碎至10cm以内长度， 在无氧条件下，按10kg每次进行热裂解，炉温达到500℃后保持5 小时以上，保证完全裂解，后自然降温至室温，取出。

b于菜地休耕期内，将制备好的生物炭按照450g/m²的比例均匀 施加到菜地土壤表面。并利用人工翻耕或机械设备将耕作层 (15cm-20cm)土壤与施加的生物炭充分混合。

c生物炭施加后，当季减少化肥无机氮施用量至农户常规施用量 的30％，即氮肥施用量为每一茬中每公顷总共施用100kg氮元素。

d并在连续施肥耕作3-4茬后，不添加化肥氮耕作1-2茬。一茬 即为一季。

e距离第一次添加生物炭2-3年后，需按照原施加量一半 (225g/m²)再次施加于菜地土壤，并与菜地土壤充分混合用以补充 正常生产中生物炭损耗。

实施例2：

a将小麦秸秆清洗干净，烘干，粉碎至10cm以内长度，以每次 5kg的量在450℃无氧条件下热裂解3小时以上，确保裂解完全，后 自然降温至室温，取出。

b于菜地休耕期内，将制备好的生物炭按照500g/m²的比例均匀 施加到菜地土壤表面。并利用人工翻耕或机械设备将耕作层 (15cm-20cm)土壤与施加的生物炭充分混合。

c生物炭施加后，当季减少化肥无机氮施用量至农户常规施用量 的30％，即氮肥施用量为每一茬中每公顷总共施用100kg氮元素。

d并在连续施肥耕作3-4茬后，不添加化肥氮耕作1-2茬。一茬 即为一季。

e距离第一次添加生物炭2-3年后，需按照原施加量一半 (250g/m²)再次施加于菜地土壤，并与菜地土壤充分混合用以补充 正常生产中生物炭损耗。

实施例3：在江苏省农业科学院进行的生物炭添加于菜地土壤盆 栽试验

采集江浙地区太湖流域附近典型菜地土壤，试验开始前测定土壤 基本特性。试验设置4个处理，其中1个处理为仅添加氮肥(添加农 户常规施用量30％)，1个处理添加氮肥+生物炭(按照实施例1的步 骤a-d处理)，1个处理仅添加生物炭(按照实施例1的步骤a-b处 理)，其余1个处理为对照组(不添加任何物质)，每个处理进行3次 重复试验。化学肥料使用农户常用尿素，施用量也为当地农户常规施 用量的30％，约100kgN/ha(每公顷100kgN元素)，试验种植小青 菜，试验开始于2014年9月，结束于2015年4月，中间总共种植3 季小青菜。

由表1结果可以看出，生物炭+氮肥能够在3季中维持最高的小青 菜产量，说明菜地中施加生物炭能够增加菜地作物产量，同时表2显 示3季中植物的氮吸收部分也是生物炭+氮肥处理组最高，说明菜地 中施加生物炭能够增加菜地作物氮素利用效率。

表1小青菜产量

表2小青菜氮素吸收量

由表3结果可以看出，添加生物炭后土壤pH状况发生了变化，表 现为仅施加生物炭处理土壤pH向中性变化，添加氮肥+生物炭处理组 相比较正常添加氮肥处理组能够缓解pH酸化趋势，说明添加生物炭 能够改善土壤酸碱性特征。

表3种植三季后土壤pH值的变化

此外4个处理中，正常添加氮肥处理下土壤微生物量显著下降， 而施加生物炭两个处理的微生物量显著上升(表4)，说明添加生物 炭有利于菜地土壤中微生物环境的改善。

表4种植三季后土壤微生物碳氮含量以及氨氧化微生物细菌(AOB)

表4结果可以看出，添加生物炭后土壤中与氮素过程相关的AOB 发生了变化，表现为添加氮肥+生物炭处理组下AOB丰度显著上升， 高于正常添加氮肥处理组。说明添加生物炭能够显著增加土壤中与氮 素转运有关的微生物群体数量。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的 方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。