复合生物土壤改良剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及土壤环境治理领域，具体涉及到一种复合生物土壤改良剂及其制备方法和应用。

背景技术：

滨海盐碱土壤中na⁺离子含量高、ph值高、营养物质低，导致盐碱土壤区域植被种类和数量稀少，微生物多样性差，难以进行农业利用。随着我国土地资源的日益稀缺，对滨海地区盐碱土壤进行改良，具有十分重要的意义。

近年来，生物炭和生物菌肥在盐碱土壤改良中得到广泛应用。例如，发表于《中国海洋大学学报(自然科学版)》(2019，15(8)：085-092)的《浒苔生物炭对滨海盐碱土na⁺的吸附迁移机制研究》公开了浒苔生物炭通过改变盐碱土壤na⁺的分布，进而为植物提供良好的根区环境；cn107493896a公开了一种利用丛枝菌根真菌促进甜高粱在盐碱地生长的方法，主要使丛枝菌根真菌菌剂和甜高粱形成共生关系，改善植物营养吸收，提高其耐盐能力。然而，仅利用单一的生物炭或生物菌肥方法对盐碱土壤的改良程度一般。

为解决上述问题，研究人员进一步将生物炭与生物菌肥相结合，以期提高其改良土壤的能力。cn108083908a公开的一种含有生物炭的微生物菌肥及其制作方法，通过对微生物的扩大培养后和生物炭混合对盐碱土壤进行改良；cn105123008b公开的秸秆生物炭与微生物菌肥组配改良盐碱地的方法，利用生物炭吸附有机肥和微生物菌肥发酵堆肥，从而降低土壤盐度。但上述公开专利皆忽视了菌肥微生物种类与土著微生物存在的拮抗作用和生物炭自身呈碱性在盐碱土壤应用受限的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种改良盐碱土的复合生物土壤改良剂及其制备方法和应用。该制备方法能够降低生物炭碱性的同时，削弱菌种与土著微生物的拮抗作用，提高复合生物土壤改良剂的协同改良能力，进而在考虑盐碱生态系统土著微生物的基础上，实现对盐碱土的改良，具有环保、高效、生物适应性的特点。

本发明公开了一种复合生物土壤改良剂，由改性生物炭和丛枝菌根真菌菌肥混合制备得到，其中，按重量份数计，包括改性生物炭70-80份，丛枝菌根真菌菌肥20-30份；所述改性生物炭为磷酸改性的生物炭，所述丛枝菌根真菌菌肥包括接种的丛枝菌根真菌、土壤土著微生物、天然含盐土壤和植物根部部分。

本发明还公开了所述复合生物土壤改良剂的制备方法，改性生物炭的制备方法包括以下步骤：

(1)原始生物炭的制备：藻类生物质风干后粉碎、研磨，过1-5mm筛，得到生物质粉，将生物质粉装入坩埚中压实加盖，放置于马弗炉中，以3-5℃·min^-1速率升至300-500℃，保持1-3h后自然冷却取出，粉碎过50-100目筛；

(2)原始生物炭的改性：取原始生物炭25-35质量份于锥形瓶中，按照每克原始生物炭加入2-8ml的比例加入体积浓度为5-15％的h3po4溶液，在室温下用磁力搅拌器搅拌8-16h，转速为110-140r·min^-1，将改性后的生物炭反复用蒸馏水浸泡13-48h后抽滤清洗，直到洗液ph值稳定，在50-80℃下烘干至恒重，得到h3po4改性生物炭。

作为优选，所述藻类生物质为浒苔和石莼中的至少一种。

作为优选，还包括丛枝菌根真菌菌肥的制备，包括以下步骤：

将以孢子形式存在的丛枝菌根真菌，接种到具备一定植物生长能力的天然含盐土壤中，以适应土壤土著微生物，待与植物形成共生菌根后，取接种丛枝菌根真菌的植物根段和根际土壤，按照每100重量土壤喷20-50重量的水，充分搅拌，至土壤形成直径0.25-3mm的颗粒，风干得到丛枝菌根真菌菌肥。

作为优选，所述丛枝菌根真菌为：球霉菌属，巨孢囊霉属，担子菌属和被孢霉菌属中的至少一种。

作为优选，所述植物可为黑麦草、碱茅草中的至少一种。

本发明还公开了所述复合生物土壤改良剂在轻中度盐碱地改良中的应用。

作为优选，所述应用方法如下，取复合生物土壤改良剂均匀覆盖在盐碱土表面，充分翻耕使改良剂与盐碱土混合均匀；其中，所述土壤改良剂施加在盐碱土深度为25cm的土壤中，添加量为土壤重量的0.5-5％。

作为优选，所述土壤改良剂施加在盐碱土深度为20cm的土壤中；

对于含盐量2.0‰以下的轻度盐碱地，按照土壤重量的0.5-2％称取土壤改良剂添加到盐碱土中，优选为1-1.5％；

对于含盐量2.0‰-4.0‰的轻中度盐碱地，按照土壤重量的2-3.5％称取土壤改良剂添加到盐碱土中，优选为2.5-3.0％；

对于含盐量4.0‰-7.0‰的中度盐碱地，按照土壤重量的3-5％称取土壤改良剂添加到盐碱土中，优选为3.5-4.5％。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)海洋废弃生物质的资源化利用：利用浒苔和石莼等常于滨海地区暴发的海洋藻类为生物炭原料，解决处置难题；

(2)低成本解决生物炭碱性问题：利用酸改性，在提高生物炭吸附能力的同时，可有效缓解生物炭的高ph值问题；

(3)削弱菌种与土著微生物的拮抗作用：制作菌肥过程中，首先接种于天然含盐土壤，模拟土壤环境，克服直接添加外来菌剂适应性差的不足，增加与土壤土著微生物的适应性，降低丛枝菌根真菌与土著微生物之间的拮抗作用，进一步提高菌肥中微生物的多样性；

(4)改性生物炭和生物菌肥的协同增效：改性生物炭直接改善盐碱土壤理化性质，降低表层土壤盐度，同时，为微生物提供营养来源和避难所，进一步保证丛枝菌根菌肥中的微生物成活率，进而利用菌肥提高植物的耐盐性，促进植物生长，另一方面，丛枝菌根真菌捕获改性生物炭的磷元素传递给植物，进一步促进植物对土壤的反馈，最终改良盐碱土壤。

附图说明

图1为不同处理条件下的盐度为2.0‰盐碱土中碱茅草叶绿素、脯氨酸和根系活力的变化情况；

图2为不同处理条件下的盐度为3.8‰盐碱土中碱茅草叶绿素、脯氨酸和根系活力的变化情况；

图3为不同处理条件下的盐度为6.8‰盐碱土中碱茅草叶绿素、脯氨酸和根系活力的变化情况；

图4为盐度为6.8‰条件下的土壤细菌群落分类组成情况；

图5为盐度为6.8‰条件下复合生物土壤改良剂中与添加复合生物土壤改良剂土壤中优势真菌菌群变化情况。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种复合生物土壤改良剂，由改性生物炭和丛枝菌根真菌菌肥混合制备得到，其中，按重量份数计，包括改性生物炭70-80份，丛枝菌根真菌菌肥20-30份；所述改性生物炭为磷酸改性的生物炭，所述丛枝菌根真菌菌肥包括接种的丛枝菌根真菌、土壤土著微生物、天然含盐土壤和植物根部部分。

改性生物炭和丛枝菌根真菌的联合生物改良，具有多重技术优势：生物炭具有巨大的比表面积，能够直接改善土壤理化性质、降低土壤容重，减弱了土壤的毛细作用，减缓na⁺的上升，进而降低表层土壤盐度，但大部分生物炭本身呈碱性，不利于盐碱土壤的修复，通过对生物炭进行酸改性，进一步提高比表面积，增加含氧官能团，增强离子吸附能力，降低ph值，解决加入生物炭后，盐碱土壤ph值升高的问题；丛枝菌根真菌接种在天然含盐土壤中和植物相互作用，一方面加速与土壤中土著微生物的适应性，克服外来菌剂可能产生的拮抗作用，提高微生物多样性，进一步和植物形成共生菌根，增强对土壤营养的吸收，提高植物耐盐性，促进植物对土壤的反馈调节。此外，丛枝菌根真菌可成为生物炭和植物营养传递的桥梁，能够捕获生物炭表面的磷元素进而传递给植物，而生物炭的高孔隙结构和营养缓释能力同时为微生物提供避难所和营养物质来源。

本发明实施例还公开了所述复合生物土壤改良剂的制备方法。

在一可选实施例中，改性生物炭的制备方法包括以下步骤：

(1)原始生物炭的制备：藻类生物质风干后粉碎、研磨，过1-5mm筛，得到生物质粉，将生物质粉装入坩埚中压实加盖，放置于马弗炉中，以3-5℃·min^-1速率升至300-500℃，保持1-3h后自然冷却取出，粉碎过50-100目筛；

(2)原始生物炭的改性：取原始生物炭25-35质量份于锥形瓶中，按照每克原始生物炭加入2-8ml的比例加入体积浓度为5-15％的h3po4溶液，在室温下用磁力搅拌器搅拌8-16h，转速为110-140r·min^-1，将改性后的生物炭反复用蒸馏水浸泡13-48h后抽滤清洗，直到洗液ph值稳定，在50-80℃下烘干至恒重，得到h3po4改性生物炭。

上述实施例中，利用磷酸改性生物炭，在提高其吸附能力的同时，可有效缓解生物炭使盐碱土壤ph值升高的问题。

在一优选实施例中，所述藻类生物质为浒苔和石莼中的至少一种。上述实施例中，浒苔和石莼均为常于滨海地区暴发的大型海洋藻类，将它们制成生物炭用于盐碱地改良，可以解决处置难题，实现海洋废弃生物质的资源化利用。

在一可选实施例中，还包括丛枝菌根真菌菌肥的制备，包括以下步骤：

将以孢子形式存在的丛枝菌根真菌，接种到具有植物生长的天然含盐土壤中，以适应土壤土著微生物，待与植物形成共生菌根后，取接种丛枝菌根真菌的植物根段和根际土壤，按照每100重量土壤喷20-50重量的水，充分搅拌，至土壤形成直径0.25-3mm的颗粒，风干得到丛枝菌根真菌菌肥。

在上述实施例中，在制作菌肥过程中，接种于天然含盐土壤，模拟土壤环境，克服直接添加外来菌剂的不足，增加与土壤土著微生物的适应性，降低丛枝菌根真菌与土著微生物之间的拮抗作用，进一步提高菌肥中微生物的多样性。土壤与水的比例可以在所述范围内调整，例如，每100重量土壤可以喷25、30、35、40、45重量的水，添加上述比例的水可以保持合适的粘度，以便于成型。颗粒直径可根据实际情况在所述范围内灵活调整，例如还可以制成直径0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm和4.5mm，颗粒直径大小以制作方便、便于储存为准，对土壤改良效果并无特别影响。

在一可选实施例中，所述丛枝菌根真菌为：球霉菌属，巨孢囊霉属，担子菌属和被孢霉菌属中的至少一种。上述实施例中，一方面选取的菌属耐盐性高，在盐碱地中能够形成优势真菌属种，适应能力强；另一方面所选菌属对植物的侵染能力高，且侵染种类多。

在一可选实施例中，所述植物可为黑麦草、碱茅草中的至少一种。上述实施例中，这些植物均是有一定抗盐碱能力且能被丛枝菌根真菌侵染的植物，利于菌肥的制备。

本发明实施例还公开了所述复合生物土壤改良剂在轻中度盐碱地改良中的应用。所述应用方法如下，取复合生物土壤改良剂均匀覆盖在盐碱土表面，充分翻耕使改良剂与盐碱土混合均匀；其中，所述土壤改良剂施加在盐碱土深度为25cm的土壤中，添加量为土壤重量的0.5-5％。

在上述实施例中，改性生物炭直接改善盐碱土壤理化性质，降低表层土壤盐度，同时，为微生物提供营养来源和避难所，进一步保证丛枝菌根菌肥中的微生物成活率，进而利用菌肥提高植物的耐盐性，促进植物生长，另一方面，丛枝菌根真菌能够捕获改性生物炭中的磷元素传递给植物，进一步加速植物对土壤的反馈，最终促进盐碱土壤改良。

在一优选实施例中，所述土壤改良剂施加在盐碱土深度为20cm的土壤中；对于含盐量2.0‰以下的轻度盐碱地，按照土壤重量的0.5-2％称取土壤改良剂添加到盐碱土中，优选为1-1.5％；对于含盐量2.0‰-4.0‰轻中度盐碱地，按照土壤重量的2-3.5％称取土壤改良剂添加到盐碱土中，优选为2.5-3.0％；对于含盐量4.0‰-7.0‰中度盐碱地，按照土壤重量的3-5％称取土壤改良剂添加到盐碱土中，优选为3.5-4.5％。

上述实施例中，土壤改良剂的加入量可以根据土壤盐碱化程度和土地未来需求灵活调整，但添加量过少无法起到改良土壤的效果，添加量过多则会大大增加成本。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的复合生物土壤改良剂及其制备方法和应用，下面将结合具体实施例进行描述。

实施例1

盐碱土选取

选取位于黄河三角洲地区，山东省东营市的滨海潮滩盐土，盐度为2.0‰，ph值为7.90，盐分组成以氯化钠为主，容重为1.42g/cm³，速效钾为164.80mg/kg，有机碳为0.92％。

复合生物土壤改良剂的制备

原始生物炭的制备：

浒苔生物质风干后粉碎、研磨，过2mm筛，得到浒苔粉，将浒苔粉装入坩埚中压实加盖，放置于马弗炉中，以4℃·min^-1速率升至400℃，保持2h后自然冷却取出，粉碎过60目筛，得原始生物炭。

改性生物炭的制备：

取制备好的原始生物炭30.0g于锥形瓶中，分别加入100ml浓度为10％h3po4(v/v)溶液，在室温下用磁力搅拌器125r·min^-1搅拌12h，将改性后的浒苔生物炭反复用去离子水浸泡24h后抽滤清洗，直到滤液ph值稳定，在70℃下烘干至恒重，得到h3po4改性生物炭。

丛枝菌根真菌菌种的选择：

选择的菌种包括球囊霉孢子和无梗孢囊霉孢子，重量配比1:1。

丛枝菌根真菌菌肥的制备：

将以孢子形式存在的球囊霉孢子和无梗孢囊霉孢子，施用到种植植物的天然含盐土壤中，种植植物为碱茅草，以适应土著微生物，并成功与植物形成共生菌根，取接种丛枝菌根真菌的碱茅草根段和根际土壤，按每100重量土壤喷30重量的水，充分搅拌，至土壤形成直径2mm的颗粒，风干得到丛枝菌根真菌菌肥。

生物炭-丛枝菌根真菌复合生物改良剂的制备：

取h3po4改性生物炭75份，丛枝菌根真菌菌肥25份，均匀混合，得到生物炭和丛枝菌根真菌联合的生物改良剂。

复合生物土壤改良剂的施用及功效评价方法

室内盆栽试验，每盆取土壤1kg，作上述处理后保持土壤水分为饱和持水量的60％，平衡2周备用，按照土壤重量的1.5％称取复合生物土壤改良剂，均匀覆盖在盐碱土深度为20cm以上的土壤中，充分翻耕使复合生物土壤改良剂与盐碱土混合均匀。

所选植物为碱茅草，共设置空白(ck)、丛枝菌根真菌菌肥(f)、磷酸改性生物炭(mb)、复合生物土壤改良剂(fmb)四组实验。自然光照条件下，碱茅草共种植60d，视情况浇水，实时观察植株长势，60d后破坏性取样，测量实验前后土壤盐度、ph值、有机碳等理化指标和碱茅草株高、根长等形态指标和叶绿素、脯氨酸含量、根系活力等生理指标，分析植物的生长差异和对盐碱土壤的改良情况。

功效评价结果

经过对比分析，添加菌肥后土壤盐度基本不变，添加1.5％的改性生物炭及复合生物土壤改良剂后盐度均有微弱上升，但由于添加量不大，所以不会导致土壤盐度大幅上升，相对于对照，单独添加菌肥、改性生物炭和添加复合生物土壤改良剂，ph值分别降低0％、6.2％、8.7％；容重分别降低0.07％、23.06％、22.85％；速效钾分别增加4.49％、0.78％、5.82％，有机碳提高242.39％；植物株高分别增加24％、32％、48％，添加制备的复合生物土壤改良剂使碱茅草根长、鲜重提高最为明显，分别为55.56％、99.17％；植物生理指标中根系活力分别提高46.41％、73.24％、148.89％，叶绿素含量提高8.77％、42.43％、54.89％，复合生物改良剂将脯氨酸含量降低了55.57％，综合分析，针对轻度盐碱土壤，添加1.5％的生物炭和丛枝菌根真菌复合生物土壤改良剂改良效果明显，具体实施例结果见表1，2和图1。

表1盐度为2.0‰盐碱土壤理化性质的变化

表2盐度为2.0‰盐碱土壤中碱茅草60d后的生长指标

实施例2

与实施例1的不同之处为：土壤属于盐度为3.8‰的轻中度滨海潮滩盐土，ph值为7.92，容重为1.42g/cm³，速效钾为162.10mg/kg，有机碳为0.82％；按照土壤重量的3％施加生物炭和丛枝菌根真菌复合生物土壤改良剂。

相对于对照，单独添加菌肥、改性生物炭和添加复合生物土壤改良剂，ph值分别降低0％、8.08％、8.08％；容重分别降低0％、23.02％、23.30％；速效钾分别增加8.08％、13.63％、16.96％，复合生物土壤改良剂使有机碳提高263.41％，植物株高增加36.84％，鲜重提高最为明显，为166.49％；植物生理指标中根系活力分别提高120.83％、146.50％、306.51％，叶绿素含量提高24.59％、49.31％、65.34％，复合生物土壤改良剂将脯氨酸含量降低了46.15％，综合分析，针对轻中度盐碱土壤，添加3％的生物炭和丛枝菌根真菌复合生物改良剂具有明显的改良优势，具体实施例结果见表3，4和图2。

表3盐度为3.8‰盐碱土壤理化性质的变化

表4盐度为3.8‰盐碱土壤中碱茅草60d生长指标

实施例3

与实施例1、2的不同之处为：土壤属于盐度为6.8‰的中度滨海潮滩盐土，ph值为7.98，容重为1.42g/cm³，速效钾为183.00mg/kg，有机碳为0.71％；按照土壤重量的4％施加生物炭和丛枝菌根真菌复合生物土壤改良剂，具体结果见表5、6和图3；

相对于对照，单独添加菌肥、改性生物炭和添加复合生物土壤改良剂，ph值分别降低0％、8.64％、8.64％；容重分别降低0.07％、22.90％、22.98％；复合生物土壤改良剂使速效钾增加4.69％，有机碳提高298.59％；植物生长指标中，添加复合生物改良剂使碱茅草株高和鲜重提高最为明显，分别为58.82％、122.07％；植物生理指标中根系活力分别提高243.21％、235.57％、357.98％，叶绿素含量提高21.87％、18.23％、51.36％，而复合生物土壤改良剂将脯氨酸含量降低了71.52％。综合分析，针对中度盐碱土壤，添加4％的生物炭和丛枝菌根真菌复合生物土壤改良剂具有明显的改良效果。

表5盐度为6.8‰盐碱土壤理化性质的变化

表6盐度为6.8‰盐碱土壤中碱茅草60d生长指标

实施例4

不同于实施例1-3，实施例4以盐度为6.8‰的中度滨海潮滩盐土为基础，考察复合生物土壤改良剂对土壤微生物群落多样性的影响。结果如表7、图4和图5所示。本结果通过细菌高通量测序和真菌its测序得到，并经过r语言进行相关数据分析作图。

表7盐度为6.8‰时不同处理条件下土壤细菌群落多样性与丰富度指数

从表7可以看出，单独添加菌肥和添加复合生物土壤改良剂对土壤细菌群落丰富度和多样性影响不大，但复合生物土壤改良剂明显使土壤细菌的otus增加32.45％，说明复合生物改良剂与土壤中微生物具有相互适应性。总体上添加复合生物改良剂能提高土壤细菌otus数量，这与改良剂中生物炭自身为细菌提供避难所，并改善土壤结构有关，同时，菌剂中的微生物与土著细菌的拮抗作用低，也是重要原因。

图4为土壤细菌群落分类组成情况，对照土壤(ck)的优势细菌菌门分别为变形菌门，酸杆菌门，拟杆菌门，绿弯菌门，放线菌门，芽单胞菌门；添加复合生物土壤改良剂(fmb)对于变形菌门和拟杆菌门的相对丰度促进作用明显，说明土壤微生物活性增高，适应性增强，盐碱土壤得到改善。

图5为复合生物土壤改良剂中真菌菌群(jj)以及添加复合生物土壤改良剂的土壤(fmb)中真菌菌群的变化情况。无论是复合生物土壤改良剂自身还是添加复合生物土壤改良剂的土壤，子囊菌门都是关键菌群。其中，所属子囊菌门的曲霉科，散囊菌目等是复合生物土壤改良剂的显著菌群，添加复合生物土壤改良剂的土壤中散囊菌纲，孢腔菌科菌群具有显著性，复合生物土壤改良剂中的显著菌群成为添加复合生物土壤改良剂土壤中的优势菌群，说明复合生物土壤改良剂中的微生物能够快速适应土壤条件，大量繁殖，进而成为优势菌群，参与高等植物的互利互作，在植物营养中发挥重要作用。