一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法与流程

本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法。

背景技术：

畜禽粪污厌氧发酵会产生大量沼液，不能直接排放至环境中，通过建设后期处理设施进行达标处理又导致建设运行费用大大增加，因此存在严重的消纳问题，然而沼液中含有丰富的氮，磷，钾，氨基酸，丰富的微量元素，b族维生素，各种水解酶，有机酸和腐植酸等生物活性物质，是很好的有机肥料，刺激作物生长，增强作物抗逆性及改善产品品质。沼液作为有机肥使用可实现资源的二次利用。沼液消纳难也直接限制了沼气工程的推广及长期高效稳定运行。沼液的施用既可有效处置污染物，又能将其中的有用营养成分循环于土壤—植物生态系统中，最大限度地实现资源化，可减少化肥、农药的施用量，提高土壤肥力。利用沼液弱碱性的特性，还可以用于酸性土壤改良。

水热炭化处理被认为是极具潜力的安全处置与资源化利用动物粪的技术措施之一。水热炭化属于自由基反应，包括大分子解聚为小分子和小分子片断重新聚合为大分子2个主要过程，涉及到水解、脱水、脱羧、缩聚和芳香化等反应。水热炭具有纳米微球体、绳状或多孔等独特的形态特征，主要由碳、氢和氧等组成，其次是灰分，表面含有丰富的-cooh、-co和-oh等多种含氧官能团。越来越多的研究结果显示，水热炭可用作土壤调理剂，不仅显著地改良培肥土壤，提高作物产量，而且扩大土壤碳库，降低温室气体排放，被视为未来可持续的绿色农业发展模式。

据统计，我国年均化肥消耗量近6000万吨，已成为世界化肥生产和消费的第一大国。施用化肥虽然可以快速提高农作物产量，但长期施用化肥会造成土壤酸化板结、养分流失、环境污染等问题。以化肥为主的农业生产模式显然已不满足我国生态文明建设的需要，开发绿色环保的农业废弃物肥料替代部分化肥施用已成为生态农业增产增收的首要任务。

水稻土在我国分布很广，占全国耕地面积的1/5，在长江中下游平原区最为集中，是我国一种重要的土地资源。由于我国南方降雨丰富、气温高、土壤淋溶强烈导致水稻土壤存在酸、粘、板、瘦等障碍因子，其生产力低，且耕作管理难度较大，严重制约该区域农业生产的发展。因此，针对该区域水稻土壤酸性强以及粘重、瘦等制约稻田高产稳产的问题，开展酸性水稻土改良及培肥技术的研究，形成区域酸化治理和地力提升的技术模式，是促进该区域农业生产发展的关键。目前，长效型酸化土壤有机改良模式的研发已成为当前酸性土壤改良研究的趋势。因此，利用动物粪水热炭与沼液为原材料开发长效性有机改良酸性水稻土壤的技术模式，既克服了长期施用水热炭而造成作物营养不全面、氮素严重不足等问题，也克服了长期施用沼液而造成土壤盐碱化、养分流失、环境污染等问题，以达到长效性解决酸性水稻土壤退化，促进农业废弃生物质资源化利用的目的，对我国生物质资源的循环利用和环境保护具有重要意义，也可为促进现代农业转型升级作出重要贡献。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明设计的目的在于提供一种利用水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法。该方法利用畜禽养殖的动物粪便制备水热解炭，利用养殖场厌氧发酵产生的沼液，再根据水稻对营养需求，将动物粪便水热炭和沼液联合使用，配合化肥施用到酸性水稻田，达到协同改良和培肥酸性水稻土壤的目的。

本发明通过以下技术方案加以实现：

所述的一种利用水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）利用养殖场产生的动物粪便为原料制备水热炭；

2）取正常产气沼气池内的沼液；

3）将制备好的水热炭及沼液复配联用添加到酸性水稻土中进行土壤酸度的调节，降低土壤酸害，提高土壤肥力，促进水稻增产。

所述的一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，其特征在于步骤1）中水热炭的制备方法为：选用养殖场产生的动物粪便为原料，在室温下自然风干、粉碎，过1mm筛；过筛后的动物粪便与水按质量比1:5的比例完全混合，于无氧条件下密封放置在水热釜设备中，加热到180℃，在200bar压力下水热解反应12小时制得水热炭。

所述的一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，其特征在于所述动物粪便选用猪粪便。

所述的一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，其特征在于步骤2）中沼液为厌氧消化完全的新鲜沼液或隔绝空气放置不超过1周的沼液。

所述的一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，其特征在于步骤3）中的具体施用方法为：水稻移栽前，将水热炭及过磷酸钙作为基肥一次性翻耕入土后进行水稻移栽种植，在水稻分蘖前期和拔节期分别施用稀释后的沼液。

所述的一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，其特征在于水热炭的施用量为1.5t/亩，过磷酸钙的施用量为50kg/亩。

所述的一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，其特征在于水稻分蘖前期沼液施用量为7.2t/亩，拔节期沼液施用量为4.8t/亩。

所述的一种水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，其特征在于沼液的稀释比例为，沼液：水的体积比为2:1。

本发明针对酸性水稻土壤，选用猪粪水热炭和规模化沼气池产生的沼液为原料进行复配联用，提出水热炭-沼液联合施用技术；根据水稻在酸性土壤种植过程中，不同生长季节对养分的需求，探究水热炭-沼液联用替代部分化肥对水稻土培肥和增产效应，明确水热炭-沼液最佳施用方法，提出炭沼联合施用的最佳技术模式，达到酸性水稻土酸碱度调理和肥力提升的目的。

根据以上所述水热炭、沼液的特点及土壤酸化的原因，本发明的方法汲取了水热炭和沼液的优点，兼顾了土壤酸化改良和水稻营养需求，以及养殖废弃生物质生态消纳的问题。与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）与纯施用沼液相比，本发明利用的水热炭和沼液联用协同改良酸性土壤的方法，客服了长期施用沼液而产生土壤盐碱化、养分流失、环境污染等问题；

2）与纯施用水热炭相比，本发明利用的水热炭和沼液联用协同改良酸性土壤的方法，客服了长期施用水热炭而产生作物营养不全面、氮素严重不足等问题；

3）与施用化肥相比，本发明利用的热水炭和沼液联用协同改良酸性土壤的方法，克服了长期施用化肥而造成土壤酸化板结、养分流失、环境污染等问题；

4）本发明利用养殖固废猪粪制备生物质炭，创新了以水热炭为纽带的循环农业模式；

5）本发明还可促进沼液的利用，为解决沼液的无害化消纳、保障沼气工程的正常运行，对促进我国养殖业发展具有积极意义；

6）本发明具有经济适用的优点，利于推广。本发明通过选用废弃养殖生物质制备的水热炭，原料量多、操作简单、投资较少。规模化养殖场产生大量沼液，若进行处理，需要大量投入。若采用本发明技术，则是通过沼液协同水热炭，将农业废弃物生态消纳转化为酸性水稻土调理剂用于水稻生产；

7）水热炭和沼液，大多偏碱性，两者复配联合施用是一种极佳酸性土壤调理措施，酸性土壤改良效果十分明显。

与已有技术相比，本发明利用水热炭和沼液联用协同改良酸性水稻土壤，汲取了水热炭和沼液两者优点，弥补了两者天然缺陷，兼具增加土壤肥力、缓解土壤酸化的多重功效，优势突出。

附图说明

图1为猪粪水热炭与沼液复配对土壤ph值的影响；

图2为猪粪水热炭与沼液复配对土壤交换性h⁺和al³⁺含量的影响；

图3为猪粪水热炭与沼液复配对土壤交换性盐基含量的影响；

图4为猪粪水热炭与沼液复配对土壤有效阳离子代换量的影响；

图5为猪粪水热炭与沼液复配混施对水稻产量的影响；

图6为猪粪水热炭与沼液复配对土壤有机质含量的影响；

图7为猪粪水热炭与沼液复配对土壤>0.25mm水稳性团聚体的影响。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步详细描述，并给出具体实施例。

本发明一种利用水热炭-沼液联合改良酸性水稻土的方法，包括利用畜禽养殖的动物粪制备水热解炭；利用养殖场厌氧发酵产生沼液；再根据水稻对营养需求，将猪粪水热炭和沼液联用，达到协同改良和培肥酸性水稻土壤的目的。具体包括：1）水热炭的选用与制备：选用养殖场产生的动物粪便为原料，在室温下自然风干，粉碎，过1mm筛；过筛后的原料与水按1:5的比例完全混合密封放置在水热釜设备中（无氧条件下）加热到180℃,反应12小时，在200bar压力下进行水热解反应制成；2）沼液选用：取正常产气沼气池内，厌氧消化完全的新鲜沼液或隔绝空气放置不超过1周的沼液；3）水热炭-沼液复配联用改良酸性水稻土：采集由第四纪红土母质发育多年耕作的酸性水稻土作为供试用土，土壤经风干、研磨过筛后贮存并分析其理化性质；根据水稻对氮素需求的安全控制限量，确定沼液施用量；根据土壤干重的1-3%添加水热炭作为基肥施用于水稻田，沼液则依据水稻不同生育期需肥量配合化肥（过磷酸钙）进行追施，测定土壤肥力指标及水稻产量；4）复配施用：水热炭和化肥（过磷酸钙）作为基肥一次性翻耕入土，沼液根据水稻对养分的需求尽量安排在傍晚时施用，尽量避免高温下或雨天施用，以免营养成分挥发或流失。

以下通过具体实施例对本发明进行进一步说明，但不仅限于此。

实施例1

浙江衢州酸性水稻土盆栽试验改良效果：采用随机区组试验设计，沼液用量（s0：不施用沼液、s1：每kg土壤（干重）施用沼液40ml（相当于每亩施用6t沼液）、s2：每kg土壤（干重）施用沼液80ml（相当于每亩施用12t沼液），猪粪水热炭添加量（b0：占土壤干重0%（不施用水热炭）、b1%：占土壤干重1%（相当于每亩施用1.5t水热炭）、b2%：占土壤干重2%（相当于每亩施用3t水热炭）和b3%：占土壤干重3%（相当于每亩施用4.5t水热炭）共12个处理，3次重复。5kg风干后过2mm筛的酸性水稻土与不同用量的猪粪水热炭、沼液、猪粪水热炭+沼液充分混合均匀后分别放入直径25cm、高25cm的塑料桶中，然后添加去离子水，使土壤保持在淹水泡田状态，整个培养期塑料桶土面上保持3cm左右水层。培养结束后，取出新鲜土样，测定土壤ph值、交换性h⁺和交换性al³⁺、交换性盐基离子、有效阳离子交换量的含量。各处理如下：

（1）b0s0（ck）：不添加猪粪水热炭和沼液；

（2）b1%s0：仅添加1%猪粪水热炭/kg土壤（干重），不添加沼液；

（3）b2%s0：仅添加2%猪粪水热炭/kg土壤（干重），不添加沼液；

（4）b3%s0：仅添加3%猪粪水热炭/kg土壤（干重），不添加沼液；

（5）b0s1：不添加猪粪水热炭，仅添加40ml沼液/kg土壤（干重）；

（6）b1%s1：添加1%猪粪水热炭/kg土壤（干重）和40ml沼液/kg土壤（干重）；

（7）b2%s1：添加2%猪粪水热炭/kg土壤（干重）和40ml沼液/kg土壤（干重）；

（8）b3%s1：添加3%猪粪水热炭/kg土壤（干重）和40ml沼液/kg土壤（干重）；

（9）b0s2：不添加猪粪水热炭，仅添加80ml沼液/kg土壤（干重）；

（10）b1%s2：添加1%猪粪水热炭/kg土壤（干重）和80ml沼液/kg土壤（干重）；

（11）b2%s2：添加2%猪粪水热炭/kg土壤（干重）和80ml沼液/kg土壤（干重）；

（12）b3%s2：添加3%猪粪水热炭/kg土壤（干重）和80ml沼液/kg土壤（干重）。

测定结果如下：

单独施用沼液或沼液与猪粪水热炭混合施用显著提高土壤ph值（p<0.05）（图1）。与b0s0（ck）处理相比，单独施用猪粪水热炭显著提高了土壤ph值（p<0.05），提高的幅度在37.7%-53.4%之间，其中，b3%s0处理提高的幅度最大，而b2%s0与b3%s0处理之间的差异不显著。与b0s1处理相比，不同用量的猪粪水热炭与沼液（s1）混合施用显著提高了土壤ph值44.7%-53.3%（p<0.05），而水热炭和沼液混施的各处理土壤ph值间的差异不显著。与b0s2处理相比，不同用量的猪粪水热炭与沼液（s2）混合施用显著提高了土壤ph值45.3%-48.8%，同样，水热炭和沼液混施的各处理土壤ph值间的差异不显著。

与b0s0（ck）处理相比，单施沼液或沼液与猪粪水热炭混合施用均能降低土壤交换性h⁺和交换性al³⁺的含量（图2）。单独施用猪粪水热炭显著降低土壤交换性h⁺的含量24.0%-30.8%（p<0.05），其中b3%s0处理降低的幅度最大，而b1%s0处理、b2%l0处理和b3%l0处理交换性h⁺的含量间差异不显著。与b0s1处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s1）混合施用显著降低土壤交换性h⁺含量24.3%-30.8%（p<0.05），其中b3%s1处理降低的幅度最大，而b1%s1处理、b2%s1处理和b3%s1处理交换性h⁺的含量间差异不显著。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s2）混合施用降低土壤交换性h⁺含量28.5%-32.2%（p<0.05），水热炭和沼液混施的各处理土壤交换性h⁺含量间的差异不显著（图2a）。

与b0s0（ck）处理相比，单独施用猪粪水热炭显著降低了土壤交换性al³⁺的含量9.2%-11.4%（p<0.05），而水热炭和沼液混施的各处理土壤交换性al³⁺含量间的差异不显著。与b0s1处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s1）混合施用显著降低土壤交换性al³⁺含量7.4%-11.4%（p<0.05），同样水热炭和沼液混施的各处理土壤交换性al³⁺含量间的差异不显著。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s2）混合施用显著降低土壤交换性al³⁺含量7.8%-13.4%，而水热炭和沼液混施的各处理土壤交换性al³⁺含量间的差异依然不显著（图2b）。

由图1和图2综合可知，单独施用猪粪水热炭或者沼液、猪粪水热炭与沼液混施均能提高土壤ph，降低土壤交换性h⁺和al³⁺的含量，而以猪粪水热炭与沼液混合施用对酸性水稻土酸性调节的效果较好，而从经济成本的角度考虑，则以b1%s2处理（每kg土壤（干重）施用10g的猪粪水热炭和80ml沼液），即每亩田施用1.5t猪粪水热炭和12t沼液对酸性水稻土酸性调节的效果最佳。

单独施用沼液或沼液与猪粪水热炭混合施用均能显著提高土壤交换性ca²⁺、交换性mg²⁺、交换性k⁺和交换性na⁺的含量（p<0.05）（图3）。与b0s0（ck）处理相比，单独施用猪粪水热炭能显著提高土壤交换性ca²⁺的含量14.3%-53.4%（p<0.05），以b3s0处理提高的幅度最大。与b0s1处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s1）混合施用对土壤交换性ca²⁺的含量的影响不显著（p>0.05）。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s2）混合施用能显著提高土壤交换性ca²⁺含量25.6%-33.7%，其中b2%s2处理提高的幅度最大，而b1%s2处理、b3%s2处理与b2%s2处理间的差异不显著（图3a）。

与b0s0（ck）处理相比，单独施用猪粪水热炭显著提高土壤交换性mg²⁺的含量76.2%-150.8%（p<0.05），以b3%s0处理提高的幅度最大。与b0s1处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s1）混合施用提高土壤交换性mg²⁺含量17.6%-55.5%，除b1%s1处理外，其它处理与b0l0.15%处理间差异显著，以b3%s1处理提高的幅度最大。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s2）混合施用显著提高土壤交换性mg²⁺含量22.1%-32.2%（p<0.05），而水热炭和沼液混施的各处理土壤交换性mg²⁺含量间的差异不显著（图3b）。

与b0s0（ck）处理相比，单独施用猪粪水热炭显著提高土壤交换性k⁺的含量41.9%-109.7%（p<0.05），以b3%s0处理提高的幅度最大。与b0s1处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s1）混合施用显著提高土壤交换性k⁺含量71.3%-90.0%（p<0.05），以b3%s1处理提高的幅度最大，而b1%s1处理、b2%s1处理与b2%s1处理间的差异不显著。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s2）混合施用显著提高了土壤交换性k⁺含量19.9%-25.6%，而水热炭和沼液混施的各处理土壤交换性k⁺含量间的差异不显著（图3c）。

与b0s0（ck）处理相比，单独施用猪粪水热炭能显著提高土壤交换性na⁺的含量22.9%-2145.8%（p<0.05），以b3%s0处理提高的幅度最大。与b0s1处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s1）混合施用提高土壤交换性na⁺含量43.2.0%-95.9%，以b3%s1处理提高的幅度最大。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s2）混合施用显著提高了土壤交换性na⁺含量42.9%-56.5%，同样，猪粪水热炭和沼液混施的各处理土壤交换性na⁺含量间的差异不显著（图3d）。

图4所示为猪粪水热炭与沼液混合施用对土壤有效阳离子代换量的影响。与b0s0（ck）处理相比，b1%s0处理土壤有效阳离子代换量降低1.2%，而b2%s0处理和b3%s0处理土壤有效阳离子代换量分别提高了2.2%和11.1%，各处理间土壤有效阳离子代换量的差异不显著（p>0.05）。与b0s1处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s1）混合施用对土壤有效阳离子代换量的影响不显著（p>0.05）。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液（s2）混合施用显著提高土壤有效阳离子代换量17.2%-21.7%，而猪粪水热炭和沼液混施的各处理土壤有效阳离子代换量间的差异不显著（p>0.05）。

由图3和图4可知，单独施用猪粪水热炭或者沼液、猪粪水热炭与沼液混施均能提高交换性盐基离子和有效阳离子代换量的含量，而以猪粪水热炭与沼液混合施用对酸性水稻土交换性盐基离子和有效阳离子代换量的提升效果较好，而从经济成本的角度考虑，则依然以b1%s2处理（每kg土壤（干重）施用10g的猪粪水热炭和80ml沼液），即每亩田施用1.5t猪粪水热炭和12t沼液对酸性水稻土交换性盐基离子和有效阳离子代换量的提升效果最佳。

实施例2

浙江衢州酸性水稻田培肥试验效果：采用裂区试验设计进行试验，主区为沼液施用量（s1：不施用沼液、s2：12t/亩的沼液），副区为猪粪水热炭施用量（b0:：不施用、b1%：1.5t/亩、b2%：3t/亩和b3%：4.5t/亩）共8个处理，三次重复，小区面积30m²（5m×6m）。依据水稻全生育期对氮素的需求（180kg/hm²）及沼液平均含氮量（0.1%），确定沼液添加量为12t/亩，由于沼液中氮和钾元素含量较高，而磷元素含量相对较低，故施用沼液的处理均添加过磷酸钙（12%p2o5）量为50kg/亩。猪粪水热炭和过磷酸钙作为基肥一次性翻耕入土，后进行水稻移栽。沼液分别在水稻的分蘖前期和拔节期3：2的比例施用，即分蘖前期施用沼液7.2t，拔节期施用沼液4.8t，为防止沼液拔节期烧苗，沼液以2:1与水稀释后施用。在水稻整个生育期结束后，测定水稻产量；在各小区以s型取样法，采取新鲜土样，测定水稳性团聚体含量，土壤经室内常温风干后测定土壤有机质含量。各处理如下：

（1）b0s1（ck）：不添加猪粪水热炭和沼液；

（2）b1%s1：仅添加猪粪水热炭1.5t/亩，不添加沼液；

（3）b2%s1：仅添加猪粪水热炭3t/亩，不添加沼液；

（4）b3%s1：仅添加猪粪水热炭4.5t/亩，不添加沼液；

（5）b0s2：不添加猪粪水热炭，仅添加沼液12t/亩；

（6）b1%s2：添加猪粪水热炭1.5t/亩和沼液12t/亩；

（7）b2%s2：添加猪粪水热炭3t/亩和沼液12t/亩；

（8）b3%s2：添加猪粪水热炭4.5t/亩和沼液12t/亩。

测定结果如下：

如图5所示，与b0s1（ck）处理相比，仅施用猪粪水热炭能够提高水稻产量3.6%-14.0%，其中b1%s1处理与b0s1处理间的差异不显著，而b2%s1处理和b2%s1处理的水稻产量分别显著提高了13.8%和14.0%（p<0.05）。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液混合施用能够显著提高水稻产量12.5%-17.4%，其中b2%s2处理提高的幅度最大，而b1%s2处理、b3%s2处理与b2%s2处理间的差异不显著（p>0.05）。可见，在沼液和猪粪水热炭混施时，当猪粪水热炭施用量>1%时，其对水稻增产效果不显著。

众所周知，土壤有机质和>0.25mm水稳性团聚体的含量是衡量土壤肥力的综合指标。如图6所示，与b0s1（ck）处理相比，仅施用猪粪水热炭能够提高酸性水稻土土壤有机质含量3.8%-20.5%，其中b1%s1处理、b2%s1处理与b0s1处理间的差异不显著，而b3%s1处理的水稻产量显著提高了20.5%。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液混合施用能够显著提高酸性水稻土土壤有机质含量26.5%-38.9%，其中b3%s2处理提高的幅度最大，而b1%s2处理、b2%s2处理与b3%s2处理间的差异不显著（p>0.05）。可见，在沼液和猪粪水热炭混施时，当猪粪水热炭施用量为>1%时，其对土壤有机质含量的影响不显著。

由图7可知，与b0s1（ck）处理相比，仅施用猪粪水热炭能够提高酸性水稻土>0.25mm水稳性团聚体含量3.7%-20.0%，其中b1%s1处理、b2%s1处理与b0s1处理间的差异不显著，而b3%s1处理的水稻产量显著提高了20.0%。与b0s2处理相比，不同用量猪粪水热炭与沼液混合施用能够显著提高土壤>0.25mm水稳性团聚体含量26.0%-39.0%，其中b3%s2处理提高的幅度最大，而b1%s2处理、b2%s2处理与b3%s2处理间的差异不显著（p>0.05）。可见，在沼液和猪粪水热炭混施时，当猪粪水热炭施用量>1%时，其对土壤>0.25mm水稳性团聚体含量的影响不显著。

综合实施例1和实施例2的试验结果，沼液和猪粪水热炭混合施用条件下，当猪粪水热炭用量为1%，沼液用量为12t/亩时，其对酸性水稻土酸度的调节、土壤肥力提升、水稻产量提高的效果最佳，即每亩田施用1.5t猪粪水热炭和12t沼液是改良酸性水稻土的最佳复配联用模式，具体施用方法：在水稻移栽前，猪粪水热炭（1.5t/亩）和过磷酸钙（50kg/亩）作为基肥一次性翻耕入土后进行水稻移栽种植，在水稻分蘖前期施用沼液7.2t/亩，在拔节期施用沼液4.8t/亩，为防止沼液拔节期烧苗，沼液以2:1比例与水稀释后施用。