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。
技术实现要素：
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100-200kg N/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300-400kg N/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100kg N/ha(每公顷100kg N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。