本发明涉及农业固碳减排领域，具体涉及一种可以促进土壤固碳并稳产的土壤调理剂及其制备方法和应用。
背景技术：
随着全球温室气体排放浓度的不断增加，全球气候变暖已经成为不争的事实。中国是全球温室气体排放第一大国，面临着巨大的减排压力，中国政府已经向世界承诺，到2020年我国减少相对二氧化碳排放量占每单位GDP(国内生产总值)产生排放量的45％，任务艰巨；农业作为在生态系统的碳汇能为减排做什么呢？事实上只有新增的土壤有机碳量才能计入碳汇，目前农田和管理草地能够计入碳汇的数量不足，原因之一是化学品投入过多，目前很多人都在考虑用土壤调理剂等方法来改变现状。
土壤调理剂(soil conditioner)也称为土壤改良剂(soil modifier)、土壤添加剂(soil amendment)，是一类主要用于改良土壤物理、化学和生物化学性质，使其更适宜于植物生长，并实现一定的环境或者生态功能(例如废弃物处理、改善水土流失、防止土壤退化、节水、固碳、防止土壤酸化和盐碱化等等)。近年来，世界各国为了改善耕地质量和提高农作物产量和品质，研制和开发了许多新型固碳改良剂，例如土壤保湿剂、土壤结构剂、松土剂、固沙剂、增肥剂、消毒剂和降酸碱剂等等。如何利用土壤改良剂改善土壤养分供应能力并促进土壤有机质的固定，也成为各国研究土壤改良剂的专家关注的问题之一。经检索，现有土壤调理剂相关专利申请有：
CN101391930A公开了一种具有保水作用的边坡人工土壤调理剂,包括畜禽粪便、高吸水树脂、磷矿粉、硬石膏粉、腐植酸、沸石粉、壳聚糖、膨润土、磷酸脂、柠檬酸。所述调理剂对增强土壤持水性能、减少水土流失、改善土壤理化特性、促进植被恢复方面具有显著的效果。CN01136114.X公开了一种利用多种复合材料配置而成的能够快速有效改善土壤质地和肥力的新型改良剂。CN103897704A公开了一种保水松土土壤调理剂，具有较好的保水松土效果。CN103756684A公开了利用生物炭、聚丙烯酰胺、腐殖酸钾、月桂醇乙氧基硫酸按聚合物和膨润土组成的土壤结构调理剂，具有提高土壤保水持水能力、调节土壤pH值、改良土壤结构、促进团粒结构形成等多重效益。
但是现有土壤结构调理技术主要围绕提高土壤保水性能、改良土壤盐碱化、改善土壤结构、钝化重金属等环境问题展开，对固碳稳产的效果考虑较少。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种可以促进土壤固碳、减少肥料投入并且稳定作物产量的具有多重效益的土壤结构调理剂。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种稳产固碳的土壤结构调理剂，包括以下质量份的组分：植物材料30-90份，矿物材料1-40份；动物材料1-30份；复合微生物菌剂1-10份。
优选地，所述稳产固碳的土壤结构调理剂，包括以下质量份的组分：植物材料36-80份；矿物材料12-30份；动物材料6-20份；复合微生物菌剂2-7份。
上述植物材料以作物秸秆为主体，具体由作物秸秆、天然中草药与植物氨基酸粉混合而成，按质量份数，其组成为：作物秸秆60-80份，天然中草药10-30份；植物氨基酸粉1-40份。
上述作物秸秆为田间种植的任意植物秸秆，优选为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆、甘蔗秸秆等中的一种或几种；进一步优选上述作物秸秆为田间种植的上茬作物秸秆。
上述天然中草药为万寿菊、续随子、丁香、苦参、百部、川穹、黄荆、五倍子、烟草、蓖麻、苍耳、水蓼、狼毒、大蒜、艾叶、香蕉皮或核桃皮中的一种或几种的任意比混合物。
上述植物氨基酸粉以棉籽粕、豆粕、油菜粕、花生粕、葵花子粕、油茶粕、乌桕粕或蓖麻粕为原料生产的氨基酸原粉，其所含氨基酸的质量百分比≥8％。
上述矿物材料由含钾矿物组分、含磷矿物组分、含钙与镁矿物组分、含硫与铁矿物组分、稀土矿物组分以及辅料矿物组分混合而成，按质量份数，其组成为：含钾矿物组分40-70份；含磷矿物组分15-30份；含钙与镁矿物组分5-10份；含硫与铁矿物组分5-10份；稀土矿物组分1-5份；辅料矿物组分3-5份。
上述含钾矿物组分为钾长石、霞石、白榴石、海绿石或云母中的一种或几种的任意比混合物；含磷矿物组分为磷灰石；含钙与镁矿物组分为方解石、白云岩、石灰岩或蛇纹石中的一种或几种的任意比混合物；含硫与铁矿物组分为硫铁矿；稀土矿物组分为稀土矿；辅料矿物组分为凹凸棒石粘土、膨润土、沸石、蛭石或麦饭石中的一种或几种的任意比混合物。
上述动物材料为牡蛎粉、贝壳粉、甲壳素或壳聚糖中的一种或几种的任意比混合物。
所述复合微生物菌剂含有枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)1-3亿cfu/g、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)1-2亿cfu/g、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)0.1-2亿cfu/g、凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)0.1-3亿cfu/g、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)0.1-3亿cfu/g、侧孢芽孢杆菌(Latin Name Bacillus laterosporus Laubach)0.01-0.5亿cfu/g、5406放线菌(Actinobacteria-5406)0.01-0.5亿cfu/g、光合细菌(简称PSB Photosynthetic Bacteria Abbr)0.01-0.5亿cfu/g、胶冻样芽孢杆菌(又名硅酸盐细菌Bacillus mucilaginosus)0.01-0.3亿cfu/g、绿色木霉菌(Trichoderma viride)0.01-0.3亿cfu/g。
优选地，所述复合微生物菌剂含有枯草芽孢杆菌1-3亿cfu/g、地衣芽孢杆菌1.3-1.8亿cfu/g、巨大芽孢杆菌1-2亿cfu/g、凝结芽孢杆菌2-4亿cfu/g、嗜酸乳杆菌1-3亿cfu/g、侧孢芽孢杆菌0.1-0.5亿cfu/g、5406放线菌0.1-0.5亿cfu/g、光合细菌0.1-0.3亿cfu/g、胶冻样芽孢杆菌0.05-0.2亿cfu/g、绿色木霉菌0.05-0.2亿cfu/g。
优选地，所述复合微生物菌剂中枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌和嗜酸乳杆菌五种菌的重量之和是侧孢芽孢杆菌、5406放线菌、光合细菌、胶冻样芽孢杆菌、绿色木霉菌五种菌的重量之和的9倍。
上述复合微生物菌剂中各微生物均为本领域常规菌种，均可通过常规途径获得。
上述复合微生物菌剂的制备方法可以是将上述各微生物菌粉按比例混匀即可。所述各微生物菌粉可按本领域常规方法制备，例如将所述各微生物原始菌种在无菌条件下依次进行斜面培养、摇床培养、发酵罐培养和/或固体发酵产孢后，将得到的发酵产物干燥制备成微生物菌粉。
本发明还提供上述稳产固碳的土壤结构调理剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将矿物材料混合，并经过900-1500℃高温煅烧5-20小时，冷却后粉碎过60-150目筛；
2)将植物材料分别烘干粉碎，然后混合；
3)将动物材料烘干，粉碎，过30-100目筛；
4)将复合微生物菌剂各原料混合，过60-150目筛；
5)将以上原料按配比混合均匀，即可。
进一步地，控制所述稳产固碳的土壤结构调理剂含水量在8-10wt％。
本发明还包括上述土壤结构调理剂在土壤稳产固碳方面的应用。特别适用于作物稳产前提下华北、东北等地区旱地的土壤固碳。
推荐所述土壤结构调理剂的用量：15-50公斤/亩(大田作物)。
推荐所述土壤结构调理剂的使用方法：与秸秆配合使用；具体包括，土壤表面撒施秸秆(优选将秸秆粉粹至长度1-5cm左右或粉末状)，或者在作物收获后将秸秆粉粹成长度1-5cm左右或粉末状后直接还田，然后在秸秆上撒施所述土壤结构调理剂，深翻土壤(优选翻耕深度25-35厘米)。可采用耕幅2米、深25-30厘米的迪尔754拖拉机或耕幅2米、深30-35厘米的迪尔1204拖拉机进行深翻。技术要点是秸秆和土壤结构调理剂均匀撒施，复合微生物菌剂均与喷施在秸秆上。优选地，所述土壤结构调理剂原料中的作物秸秆为上茬作物秸秆。
本发明土壤结构调理剂各原材料来自我国广泛存在的天然矿物，采用先进的低温物理加工技术，按照一定的加料顺序，将天然矿物的晶体结构转化为非晶体物质，成为植物可利用的枸溶性鳌合态的具有多重效益的土壤结构调理剂。
本发明土壤结构调理剂，富含60多种作物必需的营养元素、有益元素和生命元素，其中主要养分：钾≥4％、镁≥4％、硫≥3％、硅≥15％、钙≥20％。产品具有缓释性和高吸收率，作物根系通过分泌有机酸主动吸收自身需求的营养，避免了养分的奢嗜吸收，养分在土壤中不挥发不流失，当季用不完可供下季作物利用，养分利用率100％，能调节减少化肥投入。
本发明土壤结构调理剂，与各种秸秆配合使用，可以起到效果叠加的作用，能快速形成土壤腐殖质，提升土壤有机质1～2％。腐殖质占有机质的50～70％，腐殖质的主要组成元素为碳、氮、磷、硫比值大约为100：10：1：1；按照有机质提升1％计算相当于固碳量0.88吨/亩，如果在我国20％的耕地上应用此项技术相当于碳减排3亿吨/年。
本发明土壤结构调理剂可促进土壤固碳减排、促进团粒结构形成，提高土壤保水持水能力，增加有效水供应；调节土壤pH值，降低或减少铝毒危害；改良盐碱土，调节土壤盐基饱和度和阳离子交换量；调理失衡的土壤养分体系，促进有效养分供应；因此被称为土壤结构调理剂。
有益效果：
第一，选择富含植物所需的大量元素、中量元素、微量元素、有益元素的各种天然矿物优化组合，经过煅烧、粉碎、混合等方法，活化矿物中的各种营养元素，有效提供微生物和植物所需的矿物质营养元素，可达到植物营养均衡的目的，从而有效提高植物所需的肥料的利用率，并增强植物的健康状态。
第二，通过天然中草药与植物氨基酸粉进行优化配比，加上特殊动物材料与甲壳素、壳聚糖等优化组合，不仅进一步提供植物所需的各种营养，还可以有效刺激植物健康生长，进一步提高植物抗逆能力。
第三，添加微生物菌群从而增加根际土壤中有益菌群的数量与活性，抑制土壤中有害微生物的数量与活动，与秸秆配合使用可快速降解纤维素，同时促进土壤团粒结构的形成，提高土壤有机质。此外，土壤改良效果明显，可持续利用能力可得到显著加强。
附图说明
图1为本发明土壤结构调理剂制备方法工艺流程示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
其中，植物氨基酸粉购自新疆塔城市星河生物工程有限责任公司。以下所述固碳测定方法为重络酸钾氧化法，参考鲁如坤.土壤农业化学分析方法.北京:中国农业科技出版社.2000。所述有机质测定方法为NY/T1121.2-2006土壤检测第六部分：土壤有机质的测定。
实施例1
一种稳产固碳的土壤结构调理剂，包括以下质量份的组分：植物材料60份；矿物材料20份，动物材料6份，复合微生物菌剂2份。
其中植物材料按质量份数计其组成为：玉米、水稻和小麦三种秸秆(三者重量比为1:1:1)共70份，天然中草药10份，植物氨基酸粉20份。
上述天然中草药为万寿菊、续随子、烟草、蓖麻、艾叶、苍耳、五倍子、川芎、苦参、百部等重量比例的混合物。植物氨基酸粉所含氨基酸的质量百分比≥8％。
矿物材料为天然矿石，按质量份数计含钾矿物组分40份；磷矿物组分20份；含钙与镁矿物5份；含硫与铁矿物组分5份。稀土矿物组分2份；辅助矿物材料组分3份。其中含钾矿物组分为钾长石、霞石、云母、海藻石中等重量比例的混合物；含磷矿物组分为磷灰石；含钙与镁矿物组分为方解石、白云岩、石灰岩、蛇纹石等重量比例的混合物；含硫与铁矿物组分为硫铁矿；稀土矿物组分为稀土矿；辅料矿物组分为凹凸棒石粘土、膨润土、沸石、蛭石、麦饭石等重量比例的混合物。
动物材料为牡蛎粉、贝壳粉、甲壳素、壳聚糖等重量比例的混合物。
复合微生物菌剂含有枯草芽孢杆菌2.5亿cfu/g、地衣芽孢杆菌1.5亿cfu/g、巨大芽孢杆菌1.5亿cfu/g、凝结芽孢杆菌3亿cfu/g、嗜酸乳杆菌2亿cfu/g、侧孢芽孢杆菌0.3亿cfu/g、5406放线菌0.4亿cfu/g、光合细菌0.1亿cfu/g、胶冻样芽孢杆菌0.1亿cfu/g、绿色木霉菌0.1亿cfu/g。
该稳产固碳的土壤结构调理剂的制备方法包括：将矿物材料混合，并经过900℃高温煅烧5小时，冷却后粉碎过150目筛；将玉米、水稻和小麦三种秸秆、天然中草药、植物氨基酸粉分别烘干粉碎，过100目筛，然后混合；将动物材料烘干，粉碎，过100目筛；将复合微生物菌剂各原料混合，过150目筛；将以上植物材料、矿物材料、动物材料、复合微生物菌剂按比例倒入搅拌器中，充分混拌均匀；将混拌均匀的材料计量、包装。含水量控制在8-10wt％，制得产品。
实施例2
一种稳产固碳的土壤结构调理剂，包括以下质量份的组分：植物材料80份；矿物材料30份，动物材料20份，复合微生物菌剂7份。
其中植物材料按质量份数计其组成为：玉米、水稻和小麦三种秸秆(三者重量比为1:1:1)共70份，天然中草药15份，植物氨基酸粉15份。
上述天然中草药为万寿菊、续随子、烟草、蓖麻、艾叶、苍耳、五倍子、川芎、苦参、百部等重量比例的混合物。植物氨基酸粉所含氨基酸的质量百分比≥8％。
矿物材料为天然矿石，含钾矿物组分60份；磷矿物组分20份；含钙与镁矿物8份；含硫与铁矿物组分8份；稀土矿物组分3份；辅助矿物材料组分4份。其中含钾矿物组分为钾长石、霞石、云母、海藻石等重量比例的混合物；含磷矿物组分为磷灰石；含钙与镁矿物组分为方解石、白云岩、石灰岩、蛇纹石等重量比例的混合物；含硫与铁矿物组分为硫铁矿；稀土矿物组分为稀土矿；辅料矿物组分为凹凸棒石粘土、膨润土、沸石、蛭石、麦饭石等重量比例的混合物。
动物材料为牡蛎粉、贝壳粉、甲壳素、壳聚糖等重量比例的混合物。
复合微生物菌剂含有枯草芽孢杆菌2.5亿cfu/g、地衣芽孢杆菌1.5亿cfu/g、巨大芽孢杆菌1.5亿cfu/g、凝结芽孢杆菌3亿cfu/g、嗜酸乳杆菌2亿cfu/g、侧孢芽孢杆菌0.3亿cfu/g、5406放线菌0.4亿cfu/g、光合细菌0.1亿cfu/g、胶冻样芽孢杆菌0.1亿cfu/g、绿色木霉菌0.1亿cfu/g。
该稳产固碳的土壤结构调理剂的制备方法同实施例1。
实施例3
一种稳产固碳的土壤结构调理剂，包括以下质量份的组分：植物材料36公斤，矿物材料12公斤，动物材料9公斤，复合微生物菌剂3公斤。
取水稻秸秆65公斤，烘干粉碎过100目筛；取等重量比例的万寿菊、苦参、百部、川芎、蓖麻、烟草、狼毒混合物18公斤，烘干粉碎过100目筛；取植物氨基酸粉烘18公斤干粉碎过100目筛；将以上原料混合均匀，制得植物材料；
称取钾长石40公斤，方解石3公斤，硫铁矿5公斤，磷灰石10公斤，膨润土和蛭石混合物1公斤，稀土1公斤，混合后于1500℃煅烧5小时，冷却后粉碎过150目筛，得矿物材料。
称取贝壳粉5公斤，过100目筛，与4公斤壳聚糖混合，得动物材料。
复合微生物菌剂含有枯草芽孢杆菌2.5亿cfu/g、地衣芽孢杆菌1.5亿cfu/g、巨大芽孢杆菌1.5亿cfu/g、凝结芽孢杆菌3亿cfu/g、嗜酸乳杆菌2亿cfu/g、侧孢芽孢杆菌0.3亿cfu/g、5406放线菌0.4亿cfu/g、光合细菌0.1亿cfu/g、胶冻样芽孢杆菌0.1亿cfu/g、绿色木霉菌0.1亿cfu/g。
将复合微生物菌剂各原料混合，过60-150目筛；得复合微生物菌剂。
将以上植物材料、矿物材料、动物材料、复合微生物菌剂按比例倒入搅拌器中，充分混拌均匀；将混拌均匀的材料计量、包装。含水量控制在8-10wt％，制得稳产固碳的土壤结构调理剂产品。
对比例1
一种土壤结构调理剂，与实施例1的区别仅在于复合微生物菌剂不同。本对比例复合微生物菌剂仅含有枯草芽孢杆菌0.8亿cfu/g、凝结芽孢杆菌0.8亿cfu/g、嗜酸乳杆菌0.4亿cfu/g、光合细菌0.1亿cfu/g、胶冻样芽孢杆菌0.08亿cfu/g、绿色木霉菌0.02亿cfu/g。
对比例2
一种土壤结构调理剂，与实施例2的区别仅在于复合微生物菌剂不同。本对比例复合微生物菌剂仅含有地衣芽孢杆菌1亿cfu/g、凝结芽孢杆菌0.5亿cfu/g、嗜酸乳杆菌0.3亿cfu/g、侧孢芽孢杆菌0.1亿cfu/g、胶冻样芽孢杆菌0.05亿cfu/g、绿色木霉菌0.05亿cfu/g。
对比例3
一种土壤结构调理剂，与实施例3的区别仅在于复合微生物菌剂不同。本对比例复合微生物菌剂仅含有枯草芽孢杆菌0.5亿cfu/g、地衣芽孢杆菌0.5亿cfu/g、巨大芽孢杆菌0.4亿cfu/g、凝结芽孢杆菌0.3亿cfu/g、嗜酸乳杆菌0.1亿cfu/g、侧孢芽孢杆菌0.06亿cfu/g、5406放线菌0.04亿cfu/g、光合细菌0.04亿cfu/g、胶冻样芽孢杆菌0.03亿cfu/g、绿色木霉菌0.03亿cfu/g。
实验例1
在北京顺义某番茄生产基地进行土壤固碳实验：
对照组1：施用50公斤/亩复合肥(N:P2O5:K2O＝15-15-15)，2000公斤/亩有机肥；
对照组2：施用2000公斤/亩有机肥和100公斤/亩粉碎的玉米秸秆同作基肥，另施用对比例1制备的土壤结构调理剂50公斤/亩；
实验组：施用2000公斤/亩有机肥和100公斤/亩粉碎的玉米秸秆同作基肥，另施用实施例1制备的土壤结构调理剂50公斤/亩。
对照组2和实验组均不使用任何化肥肥料。
实验结果见表1。结果表明，对照组2与对照组1相比，番茄产量、土壤固碳及有机质均有所最佳，但差异不显著；实验组与对照组2、对照组1相比，番茄产量、土壤固碳及有机质均显著增加，表明对土壤的可持续能力增加。
表1
实验例2
在北京通州某樱桃园基地开展土壤改良实验：
对照组1：施用50公斤/亩复混肥(N:P2O5:K2O＝15-15-15)，3000公斤/亩有机肥；
对照组2：施用3000公斤/亩有机肥和200公斤/亩粉碎的玉米秸秆同作基肥，另施用对比例2制备的土壤结构调理剂50公斤/亩；
实验组：施用3000公斤/亩有机肥和200公斤/亩粉碎的玉米秸秆同作基肥，另施用实施例2制备的土壤结构调理剂50公斤/亩。
对照组2和实验组均不使用任何化肥肥料。
实验结果见表2。结果表明，对照组2与对照组1相比，樱桃产量、土壤固碳及有机质均有所最佳，但差异不显著；实验组与对照组2、对照组1相比，樱桃产量、土壤固碳及有机质均显著增加，表明对土壤的可持续能力增加。
表2
实验例3
在黑龙江省密山某水稻种植基地进行实验：
对照组1：施用17公斤/亩复混肥(N:P2O5:K2O＝15-15-15)，17公斤/亩尿素、5公斤/亩钾肥；
对照组2：施用15公斤/亩复混肥(N:P2O5:K2O＝15-15-15)，4公斤/亩钾肥以及上茬水稻秸秆粉碎后全部还田同作基肥，追肥尿素10公斤/亩；另施用对比例3制备的土壤结构调理剂25公斤/亩；
实验组：施用15公斤/亩复混肥(N:P2O5:K2O＝15-15-15)，4公斤/亩钾肥以及上茬水稻秸秆粉碎后全部还田同作基肥，追肥尿素10公斤/亩；另施用实施例3制备的土壤结构调理剂25公斤/亩。
实验结果见表3。结果表明，对照组2与对照组1相比，水稻产量、土壤固碳及有机质均有所最佳，但差异不显著；实验组与对照组2、对照组1相比，水稻产量、土壤固碳及有机质均显著增加，表明对土壤的可持续能力增加。
表3
实验例4
2014年和2016年连续两年在山东淄博进行玉米-小麦肥效试验，实验组同时施用复合肥底肥(N:P2O5:K2O＝15:15:15)20公斤/亩(比常规施肥量减少1/3)，本发明实施例1制备的土壤结构调理剂30公斤/亩；对照组常规使用复合肥。玉米季结束实验组有机质含量比对照组增加14％；实验组小麦产量8978公斤/公顷，玉米产量10377公斤/公顷，分别比对照组增加2％和11％，固碳比对照增加20％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。