一种天然惰性腐殖质材料的激活及长效降解调控方法
阅读说明：本技术 一种天然惰性腐殖质材料的激活及长效降解调控方法 (Method for regulating and controlling activation and long-acting degradation of natural inert humus material ) 是由 张丛志 张佳宝 潘慧 李健鹏 谭钧 邢文军 郑延云 马东豪 陈林 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：一种天然惰性腐殖质材料的激活及长效降解调控方法,以天然木本泥炭为原料,该木本泥炭腐殖质含量高达70%以上,降解半衰期为133-155年,属于一种天然惰性腐殖质材料,在应用于土壤改良和地力提升前需要进行激活。在惰性木本泥炭材料中添加不同生物质活性材料和微生物激发调节剂进行配方组合,将木本泥炭惰性腐殖质材料激活。并根据不同土壤类型的有机质周转速率,优选出适宜于不同类型土壤的不同材料组合方式,快速提升土壤地力,并具有长效稳定性。(A method for regulating and controlling the activation and long-acting degradation of natural inert humus material features that natural wood peat is used as raw material, its humus content is up to 70% or more, and its degradation half-life is 133-155 years. Adding different biomass active materials and microorganism excitation regulators into the inert woody peat material for formula combination, and activating the inert humic material of the woody peat. According to the turnover rate of organic matters in different soil types, different material combination modes suitable for different types of soil are selected preferably, the soil fertility is improved rapidly, and the soil has long-acting stability.)
技术领域
本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及一种天然惰性腐殖质材料的激活及长效降解调控方法。
背景技术
土壤有机质通常被认为是衡量耕地质量和土壤肥力高低的最重要的指标。其原因是有机质是陆地生态系统中生命循环所需的最重要的碳库、养分与能量的最主要来源，是土壤生物活性和养分循环的主要驱动力。土壤有机质还是团聚体形成和稳定的重要胶结物质，与土壤孔隙和通气状况、土壤容重、持水性、水分和溶质运移等密切相关。
农作物秸秆和有机肥是培肥土壤、提高土壤有机质含量的重要有机物料，然而大量研究表明，利用这些传统有机物料进行培肥土壤的一大缺点就是通常需要较长的熟化培育过程才能显著地提升土壤中难分解土壤有机质的含量。Courtier-Murias等(2013)的研究结果表明，经过44年分别连续施用有机肥和秸秆后，钙积土中有机碳的含量仅分别增加了35％和10％。Xin等(2016)的研究结果表明，在连续施用有机肥23年后，才将潮土有机碳的含量从3.81gkg-1提升到9.08g kg-1。Liu等(2010)的试验结果表明，30年分别连续施用有机肥和秸秆后，黑垆土有机碳仅分别增加了32.7％和23.0％。李继明等(2011)的研究结果表明，将紫云英绿肥和有机肥连续配合施用26年后，红壤有机质仅提升了20％。造成上述这些长期定位试验结果的原因，在很大程度上是由于秸秆、有机肥以及绿肥等有机物料与土壤腐殖质在化学组成和官能团结构等方面存在的显著差异，使得它们在土壤中相对容易被微生物所分解和利用。虽然较高的分解率能让秸秆、有机肥、绿肥等快速地为土壤提供大量的易分解土壤有机质等活性养分，但也毫无疑问需要极大的时间成本累积难分解土壤有机质的含量并提高土壤的肥力与质量水平。
木本泥炭的形成和积累是由于淹水还原环境下，树木残体分解量无法抵消树木生长量所致，经过成千上万年的降解，其活性有机质部分基本降解完毕，残留下的主要为难分解的惰性腐殖质。本发明采用的木本泥炭原料腐殖质含量高达70％以上，降解半衰期长达133-155年。因此将木本泥炭应用于土壤改良和地力提升中，首先需要对其进行激活，将木本泥炭与秸秆或有机肥等活性有机质混合，并添加生物激发剂，可显著减小混合有机物料的质量损失率，增大分解半衰期，恢复木本泥炭惰性腐殖质材料的有机质功能，促进系统养分循环，快速提升土壤地力。在此基础上，待改良土壤区域高产土壤有机质含量和周转速率、以及活性有机材料资源情况确定活性有机材料的选择和用量，达到土壤有机碳库持续稳定性，土壤地力持续维持的目的。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种天然惰性腐殖质材料的激活及长效降解调控方法，具有既能实现木本泥炭矿产资源耕地华利用，又能快速提升土壤地力，方法简单、高效等优点。
技术方案：
一种天然惰性腐殖质材料的激活及长效降解调控方法，包括以下步骤：
步骤1，以天然惰性腐殖质材料木本泥炭为原料，其腐殖质含量高达70％以上，降解半衰期为133-155年，并通过物理手段将原料破碎到1mm以下形成木本泥炭粉末；
步骤2，通过添加生物质活性材料和微生物激发调节剂进行配方组合，将木本泥炭惰性腐殖质材料激活，所述生物质活性材料为活性有机质材料，其类型和用量根据待改良土壤区域高产土壤有机质含量和周转速率、以及活性有机质材料资源情况确定；
步骤3，将组合材料混入农田土壤耕作层0.1-15cm；
步骤4，常规施肥，翻耕土壤，常规耕作。
优选的，所述步骤1中天然惰性腐殖质材料木本泥炭原料在矿区经过初步加工，使大块原料粒径降低到30cm以下，然后经过除铁器去除混入原料的磁性材料，再将初步加工和去除磁性材料后的原料投入一级破碎机，将原料破碎到粒径2cm以下，然后经过输送、提升到达二级破碎机进一步破碎，使木本泥炭原料粒径被破碎到1mm以下。
优选的，所述步骤2中生物质活性材料为易被微生物利用的活性有机质材料。
优选的，所述易被微生物利用的活性有机质材料为富含小分子有机酸、氨基糖、多糖中的一种或几种。
优选的，所述步骤2中有机质周转速率高的土壤活性有机质材料选择降解速率高的秸秆；有机质周转速率慢的土壤活性有机质材料选择降解速率低的有机肥或秸秆、有机肥两种有机物料搭配施用。
优选的，所述活性有机质材料中秸秆用量不超过500kg/亩，有机肥用量不超过1吨/亩。
优选的，所述微生物激发调节剂为诱导激发土壤土著微生物快速繁殖增长的生物激发剂，快速激发促进土著微生物向沃土化方面大量繁殖。
优选的，所述生物激发剂中元素含量为全碳415.52(g kg-1)、全氮27.60(g kg-1)、全磷0.43(g kg-1)、全钾56.66(g kg-1)、C/N15.06。
优选的，所述木本泥炭与活性有机质材料的用量比例应根据待改良同类型高产土壤有机质转化速率确定，参考待改良土壤难分解有机质和易分解有机质含量比例。
优选的，所述木本泥炭与活性有机质材料的用量比例为7.5～8:2～2.5。
本发明技术的原理为：
本发明采用的天然惰性木本泥炭腐殖质含量达到70％以上，如
具体实施方式
中表1所述，腐殖质含量高达70％以上，降解半衰期为133-155年。木本泥炭腐殖质材料性质稳定，在待改良土壤中仅施用木本泥炭无法行使其有机质功能，木本泥炭原料破碎采用物理破碎，避免化学破碎手段带来的外源化学物质，颗粒破碎降到1mm以下，便于农业生产应用。通过添加不同生物质活性材料(富含小分子有机酸、氨基糖、多糖等易被微生物利用的活性有机质，如秸秆和有机肥)和微生物激发调节剂(诱导激发土壤土著微生物快速繁殖增长)进行配方组合，将木本泥炭惰性腐殖质材料激活。并根据不同土壤类型的有机质周转速率，优选出适宜于不同类型土壤的不同材料组合方式，快速提升土壤地力，并具有长效稳定性。
本发明采用的木本泥炭腐殖质含量高，可达70％以上，且其腐殖质以HA为主，腐殖化程度较高，品质和稳定性较好，是用于培肥土壤的优质有机物料。但木本泥炭腐殖质组分比例与土壤腐殖质存在巨大差异，且颗粒表面更致密，活性较低，难分解物质多，需要先进行活化才能行使其土壤有机质功能。
本发明采用的活性有机材料富含含多糖/有机酸/氨基糖，与土壤易分解有机质组分相似，能够为土壤有机质提供来源及为土壤微生物提供能源，能够活化木本泥炭，促进其降解如具体实施例中表5所示。
本发明所采用的木本泥炭、活性有机材料以及微生物激发调节剂能够机械化施用，利用常规农田机械即可完成作业。
本发明所采用的木本泥炭和活性有机材料组合，能够大幅度降低降解周期，促进土壤有机质快速提升。
本发明所采用的微生物激发调节剂能刺激土著微生物大量繁殖，激活微生物驱动，促进秸秆腐解，促进土壤养分转化，活化土壤养分，刺激微生物和根系生长，提高生物转化力。
本发明以不同类型高产土壤土壤有机质组成和有机质周转速率为依据，进行活性有机物料的选择和用量配比，确保了能够对惰性木本泥炭腐殖质材料进行可控的降解，并保持长效性。
本发明具有生态安全性，添加的木本泥炭剂具有绿色无害特点，确保木本泥炭作为农田土壤改良剂具有生态环境安全性。
本发明所采用的所有材料均能确保机械化作业施用。
本发明田间所有操作均为常规机械化作业，具有低成本、高效、简便、环保的特点。
有益效果：1.本发明所采用的木本泥炭，既能实现木本泥炭矿产资源耕地华利用，又能快速提升土壤地力，方法简单、高效。2.具有生态环境安全性。选自绿色无害的木本泥炭改良剂、活性有机材料，改良后的农田土壤具有生态环境安全性。3.具有可操作性。采用木本泥炭、活性有机材料、微生物激发调节剂组合制成土壤改良剂，操作工程简单，一次性完成，材料能够机械化作业施用。4.具有可靠性。通过试验验证，该技术对农田土壤培肥具有可靠性。5.具有市场竞争性。与其他土壤改良剂相比，该发明技术的可操作性、成本以及培肥后的农田土壤等级具有明显的优势和市场竞争性。
附图说明
图1本申请技术原理和模式示意图；
图2本申请不同有机物料及其组合在4种不同土壤中的质量损失率随培养时间的变化图。
具体实施方式
以下土壤试验进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，以下实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，试验中未注明的具体测定方法均采用鲁如坤等编著，土壤农业化学分析方法，中国农业科技出版社1999中所述的测定方法。
试验过程及实施例：
实施例1
一种天然惰性腐殖质材料的激活及长效降解调控方法，包括以下步骤：
步骤1，以天然惰性腐殖质材料木本泥炭为原料，其腐殖质含量高达70％以上，降解半衰期为133-155年，天然惰性腐殖质材料木本泥炭原料在矿区经过初步加工，使大块原料粒径降低到30cm以下，然后经过除铁器去除混入原料的磁性材料，以保护下游设备安全；再将初步加工和去除磁性材料后的原料投入一级破碎机，将原料破碎到粒径2cm以下，然后经过输送、提升到达二级破碎机进一步破碎，使木本泥炭原料粒径被破碎到1mm以下，得到木本泥炭粉末。
步骤2，通过添加生物质活性材料和微生物激发调节剂进行配方组合，将木本泥炭惰性腐殖质材料激活，所述生物质活性材料为活性有机质材料，其类型和用量根据待改良土壤区域高产土壤有机质含量和周转速率、以及活性有机质材料资源情况确定；
步骤3，将组合材料混入农田土壤耕作层0.1-15cm；
步骤4，常规施肥，翻耕土壤，常规耕作。
一、试验物料和处理
1、试验用有机物料
如表1所示，本实验的有机物料除了采用表中的木本泥炭和有机肥外，还采用秸秆以及生物激发剂，其中秸秆有水稻秸秆与玉米秸秆两种。将水稻和玉米秸秆自田间收获后于60℃烘干，剪至小于0.5cm长后装袋备用。两种秸秆及激发剂的养分元素含量列于表2。
表1、木本泥炭、有机肥和黄棕壤的腐殖质含量(％)及PQ值
表2秸秆与激发剂养分元素含量Table 2.2Nutrient element concentrationsofstraw and activator
2、试验用土壤样品
在全国范围内从南至北依次选取了四个典型的需改良土壤作为培养实验的土壤。分别为江西省鹰潭市余江县刘家站(28°20′50″N，116°52′51″E)山地丘陵地区发育自第四纪红黏土的红壤，土壤质地为砂壤土；陕西省延安市宝塔区康坪村(35°26′30″N，107°52′51″E)的旱作黄绵土，土壤质地为粉砂壤土，该土地整治田块土壤基本是黄土母质；吉林省通榆县新兴乡(35°23′31″N，118°42′51″E)的旱作淡黑钙土和向海乡(45°01′48″N，122°20′20″E)水田耕作的苏打碱土。江西余江刘家站所处地区的气候属亚热带湿润季风气候，年平均气温和年平均降水量分别为17.6℃和1788mm，地形以低丘岗地为主。陕西延安康坪村所处温带半干旱区，属高原大陆性季风气候，年平均气温和年平均降水量分别为9.2℃和500mm，沟壑丘陵地貌。吉林通榆新兴乡和向海乡同属于北温带大陆性季风气候区，平均气温和年平均降水量分别为5.1℃和408mm。
四个样点的土壤样品都在平整田块前采集了原始土壤样品，并将土壤样品风干过5mm筛后装袋备用(水田土壤需要先调节其pH值再风干过筛，具体为：鹰潭酸性红壤每6kg加入10g CaCO3，碱性苏打碱土每6kg加入40g CaSO4)。
表3所用土壤样品基本理化性质
3、实验处理
本实验设置了对照组、组合组和优化组三个组别模式共8个实验处理，每个组别模式及处理分别为：
(1)对照组：
M：只含有木本泥炭
S：只含有玉米或水稻秸秆
O：只含有有机肥
(2)组合组：
MS：木本泥炭+玉米或水稻秸秆
MO：木本泥炭+有机肥
OS：有机肥+玉米或水稻秸秆
(3)优化组：
MSP：木本泥炭+玉米或水稻秸秆+生物激发剂
OSP：有机肥+玉米或水稻秸秆+生物激发剂
本实验还模拟野外水田和旱地的耕作环境，设置了淹水(水田)和不淹水(旱地)两种土壤耕作环境条件。两种土壤耕作环境条件的组别模式和处理一致，唯一不同的是，水田条件下的秸秆为水稻秸秆，而旱地条件下为玉米秸秆。由于秸秆体积较大，而木本泥炭和有机肥体积较小，组合组和优化组的秸秆与木本泥炭和有机肥，均按照4g秸秆:8g木本泥炭或有机肥的比例称取鲜样进行组合。各组别模式及各处理有机物料的用料实际干重配比列于表4。
表4不同处理有机物料用量(干重，g)
4、实验过程
本实验采用网袋分解培养实验法来研究不同处理有机物料在4种新垦土壤中的分解状况。培养实验的具体步骤为：
(1)按照表4的用量分别称取各处理有机物料鲜样，充分混匀后装于孔隙大小为500目，尺寸为8×10cm的尼龙网袋中；
(2)将每个尼龙网袋封口后水平埋于装有750g土壤的塑料培养盒小格中(网袋下土层厚度为2cm，网袋上土壤厚度为4cm)，并置于25℃的恒温培养箱中恒温培养360天；
(3)对于旱地土壤(延安和新兴)，在整个培养期间，每隔1～2天就采用称重法补充水分以保持土壤含水量在田间持水量的70％，而对于水田土壤(鹰潭和向海)，则始终保持土壤处于淹水状态，水面离土壤表层约有1cm；
(4)分别在培养了30、90、180和360天后取出8个处理的网袋，每个处理样品网袋取三个重复；
(5)将网袋外表附着的土壤擦干净，之后于60℃烘干称重，计算培养前后质量损失，最后过100目筛并装袋备用。
5、有机物料降解半衰期计算
根据不同处理有机物料在土壤中分解后，有机物料的质量占分解前(0天)有机物料质量的百分数来计算有机物料的质量残留率。采用一级动力学方程Wt＝100e-Kt对质量残留率进行拟合以估算有机物料的分解速率常数K(天-1)(章明奎等,2012)，式中Wt为分解t天时的有机物料质量残留率(g 100g-1)。再根据公式T1/2＝ln(2)/(360K)计算有机物料的分解半衰期T1/2，其单位为年。
二、试验结果
图2为不同处理有机物料在旱地或水田耕作条件下的四种土壤中(延安、新兴、鹰潭和向海)培养360天期间质量损失率的变化结果。由图中可以看到，在任意土壤或耕作条件下，对照组只含有木本泥炭的M处理的质量在培养360天内几乎都没有显著的变化与损失。这一结果与前一章的预测结果相一致，表明木本泥炭确实属于难分解的有机物料。相反，对照组只含有秸秆或有机肥的S与O处理的质量相较于培养前(第0天)都有显著下降，且都随培养时间的延长而持续增大。其中，尽管秸秆的C/N比值较有机肥更高，其分解速率则要远远大于有机肥的分解速率。如，经过360天培养后，S处理的质量在旱地和水田中分别损失了66.9％～73.0％和48.3％～52.1％，而O处理的质量在旱地和水田中仅分别损失了14.5％～26.3％和8.3％～10.8％，如图2所示。更由于秸秆的分解速率比有机肥大，向土壤中添加更高含碳量的秸秆对SOM含量的提高作用也要远小于有机肥。有机肥在土壤尤其是水田土壤中的质量损失率较小，如图2所示。
如图2所示，由木本泥炭、秸秆和有机肥的分解结果可知，单独施用它们中的一种有机物料，要么只能增加土壤中难分解SOM的含量，要么主要增加的是易分解SOM的含量。显然，将木本泥炭、秸秆和有机肥进行组合后施入土壤，便可以既增加土壤中难分解SOM的含量，同时又能增加易分解SOM的含量，因而对土壤培肥更为有利。在农业生产实际中应当合理搭配有机物料种类，因为这样可以为土壤微生物提供更加丰富的碳源和生长物质，增加养分释放，提高土壤pH，改善土壤微生物的碳源利用效率，增强土壤生物活性，从而促进土壤质量提升。
由图2可以看到，在相同土壤类型或耕作条件下，8个处理有机物料在整个培养时期内的质量损失的大小顺序基本上都为：S>>OSP≈OS>MSP≈MS>O>MO>M。如除M处理外的S、OSP、OS、MSP、MS、O和MO处理在延安旱地土壤中培养了360天后，它们的质量分别损失了73.0％、39.1％、36.8％、31.9％、30.7％、26.3％和11.4％；在新兴土壤中的质量损失分别为66.9％、41.9％、34.7％、32.0％、30.4％、14.5％和9.5％。而它们在鹰潭水田土壤中经过360天的培养后则分别损失了48.3％、29.4％、31.8％、20.4％、22.1％、10.8％和5.6％；在向海土壤中也分别损失了52.1％、30.0％、27.7％、24.4％、26.0％、8.3％和4.1％。由这些数据可以看出，相对于容易分解的秸秆，添加木本泥炭或有机肥降低了混合有机物料的分解速率；相反，相对于难分解的木本泥炭，添加秸秆或有机肥则提高了混合有机物料的分解速率。这揭示，可通过调节不同稳定性有机物料之间含量的配比，来调节混合有机物料的分解速率，以更好地满足不同土壤的地力提升要求。
比较上述数据还可得出，对于不同耕作条件下的土壤，相同处理有机物料在旱作条件下的分解速率和质量损失要显著大于水田环境。虽然旱地土壤采用的秸秆为玉米而水田土壤为水稻，但由于水稻秸秆的C/N比低于玉米秸秆，其分解速率应当高于玉米秸秆。故这一结果表明淹水厌氧环境会显著降低有机物料的分解，其影响高于秸秆类型的不同。此外，在相同耕作和培养条件下，相同处理有机物料的分解速率在不同土壤中几乎没有显著的差异。而上述数据还表明，添加生物激发剂在延安和新兴旱地土壤中对OS和MS处理有机物料的分解有一定的促进作用。而在水田土壤中，添加生物激发剂对有机物料的质量损失则几乎没有效果，仅对向海土壤中的OS处理有机物料的分解有一定的促进作用。
分解半衰期对指导有机物料在土壤中的合理利用有重要的参考意义，可根据有机物料在土壤中分解时质量残留率随时间的变化结果，采用一级动力学指数模型方程Wt＝100e-K t进行拟合计算而得到。根据图2的结果，不同处理有机物料在旱地和水田土壤中的分解拟合方程和分解半衰期的结果分别列于表5。由拟合结果可见，不同处理有机物料的分解速率常数K的大小顺序与有机物料质量损失率的大小顺序一致，而分解半衰期则与之相反为：M>MO>O>MS≈MSP>OS≈OSP>S。对用于传统培肥的有机物料秸秆和有机肥而言，在水田土壤中，秸秆的分解半衰期仅为0.83～0.84年，有机肥为5.60～6.74年，两者的混合有机物料OS处理为1.62～1.63年；而在旱地土壤中，秸秆和有机肥的分解半衰期则更短，仅分别为0.38～0.45年和2.19～3.60年，两者的混合有机物料OS处理也只有1.11～1.12年。可见，正是由于传统培肥有机物料较短的分解半衰期，使得利用秸秆或有机肥来培肥土壤往往需要冗长的时间。对木本泥炭来说，它在水田土壤中的分解半衰期为148.88～153.37年，分别是秸秆和有机肥在水田土壤中分解半衰期的179.4～186.2倍和22.8～26.6倍；而在旱地土壤中，木本泥炭的分解半衰期为133.09～133.68年，分别是秸秆和有机肥在旱地土壤中分解半衰期的295.8～351.8倍和37.1～60.8倍。木本泥炭130～150年左右的半衰期一方面保证了其施入土壤后不会像传统有机物料一样被快速分解，从而能快速提高难分解SOM的含量，另一方面也不像碳残留时间可达上千年的高稳定性生物炭那样过于稳定而难与土壤粘土矿物结合形成有机无机复合体。
可见，施用单一有机物料不能同时提高土壤易分解和难分解SOM的含量，所以应将不同稳定性的有机物料配合后施用，并通过调节各有机物料的相对含量，来调节混合有机物料的分解速率。由表5可以看出，当MS处理中木本泥炭的相对含量为47.1％时，其在旱地土壤中的分解半衰期为1.49～1.57年，增大至只有秸秆的S处理的3.3～4.1倍，其在水田土壤中的分解半衰期也增大至S处理的2.5～2.8倍。同样，当MO处理中木本泥炭的相对含量为37.1％时，其在旱地和水田土壤中的分解半衰期分别为5.19～6.57年和10.20～15.33年，也分别增大至只有有机肥的O处理的1.8～2.4倍和1.5～2.7倍。
表5、不同试点木本泥炭和不同物料组合的半衰期
比较不同处理在旱地和水田两种耕作条件下分解半衰期的结果(表5)可以看出，淹水环境也显著增大了相同有机物料的分解半衰期。M、S、O、MS、MO、OS、MSP和OSP处理在水田土壤中的平均分解半衰期(即相同有机物料在鹰潭和向海土壤中的分解半衰期的平均值)分别为旱地土壤中平均分解半衰期的1.1、2.0、2.1、1.4、2.2、1.5、1.6和1.5倍。相比之下，在相同耕作条件下，有机物料在不同土壤中的分解半衰期的差异要小得多。在旱地土壤中，除S和OS处理在新兴土壤中的分解半衰期要略小于延安土壤外，其他处理有机物料均略大于或等于相同有机物料在延安土壤中的分解半衰期。其中，O和MO处理在两种土壤之间的差异最大，它们在新兴土壤中的分解半衰期分别为延安土壤中的1.64和1.27倍。而在水田土壤中，除了MO处理在鹰潭土壤中的分解半衰期要小于向海土壤外，其他处理有机物料在鹰潭土壤中的分解半衰期均要略大于向海土壤。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种沼液肥料及其制备方法