一种生物炭对土壤团聚体组成结构的特征分析方法
技术领域
本发明涉及技术领域，尤其涉及一种生物炭对土壤团聚体组成结构的特征分析方法。
背景技术
全球有相当大面积的农田受流动的风沙土侵袭，风沙土的范围逐年扩大。联合国粮农组织的资料显示，从1970年至今，每年约有5-7万平方公里的土地逐渐沙化。据调查，我国每年都有较大面积的土地遭受风蚀，沙化致使全国大面积的林地与草地面积减少，与此同时沙化还导致耕地的退化，加大了耕地上种植的难度，更影响了作物的质量和产量，沙化致使土地的生产力逐渐衰竭，严重影响了土地的生产能力，人类的生活和生产也受到了严重的冲击。辽西北地区处于科尔沁沙地南部边缘，是防风固沙的前线。其气候为温带季风性气候，特点是干旱且多风，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，受季风影响，降水中的60％-65％集中在夏季。年均气温在7.2-8.3℃，年平均降水量为450-700mm左右。地貌类型为东北平原与内蒙古高原的过渡地带，属于农牧交错带，是我国土地荒漠化严重发展区，生态环境十分脆弱，具有典型的区域代表性。该地区土壤类型为风沙土，降雨量较少、蒸散量大，风沙活动强烈，土壤层薄且呈多砂性[1-2]，土壤贫瘠，含沙量高，松散易流动。风沙土结构松散，受水力侵蚀影响很大。其境内有辽河、柳河、绕阳河、秀水河等主要河流。
研究表明：土壤团聚体既是土壤中各种物理、化学和生物作用的结果也是土壤结构构成的基础，影响着土壤的各种理化性质[3]。土壤团聚体的稳定性直接影响土壤表层的水、土界面行为，特别是与降雨入渗和土壤侵蚀关系十分密切。其多孔性与水稳性的特点可影响土壤水、肥、气、热等因素。20世纪70年代，由于扫描电子显微镜等一些高分辨率观测仪器的出现及其在土壤学中的应用，土壤微团聚体研究才向微观方向发展，不仅可以区分各粒级微团聚体的性质、含量和分布，还能鉴别由黏土片不同排列所形成的各种微结构的形态及其对土壤理化性质的影响。应用微团聚体组成和机械组成的资料，不仅能够判断两者间存在的内在联系，还能计算出土壤结构系数、分散系数和团聚度等物理参数。土壤微团聚体的含量和分布对土壤一系列物理性质都有重要影响。土壤微团聚体的测定，有助于了解土壤中由原生颗粒所形成的微团聚体在浸水状态下的结构性能和分散强度，根据土壤中有效微团聚体测定结果与土壤颗粒结果中小于0.001mm部分的含量，可以计算出土壤速效养分的分散系数和结构系数。分散系数越高，表明土壤微结构的水稳性越低，保水保肥能力就受很大影响。因此，在农业生产中土壤团聚体的好坏不仅可以影响土壤性质的好坏，还对自然环境的优劣有很大的影响，所以土壤团聚体改良的相关研究有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种生物炭对土壤团聚体组成结构的特征分析方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：所述生物炭的组成元素主要为碳、氢、氧等，其中碳含量高达60％以上，其次是钾、钙、钠、镁、磷、硅等；主要物质组成为烷烃和芳香烃化合物，并具有生物化学稳定性和热稳定性。生物炭的结构和比表面积等理化性质除了受原料、技术工艺的影响，还与热解环境等有很大关系。有学者通过对生物质热解进行研究显示，随着温度的升高，比表面积及孔径增大，表面积增大以及生物炭的芳构化程度加深，导致生物炭具有较强的吸附能力。因此，生物炭不仅可以充当土壤活性调理剂，增加土壤吸附性能，保水、保肥、促进作物生长，同时还可以促进土壤的贮碳功能[。研究表明，生物炭施入土壤后能有效提高土壤的容重和持水透气能力，提高作物产量。将生物炭作为一种改良剂，是农用的一种方式。相关研究表明，生物炭可以提高土壤有机碳含量水平；与土壤相比，生物炭容重低、粘性差，因而可以降低粘质土壤容重，从而改善土壤质地及耕作性能。
在一优选的实施方式中：所述草炭是沼泽发育过程中的产物，形成于第四纪，由沼泽植物的残体，在多水的嫌气条件下，经不完全分解堆积而成。其含有大量水分和未被彻底分解的植物残体、腐殖质以及一部分矿物质。草炭是煤化程度最低的煤(为煤最原始的状态)，是有机物质。其本身大量的营养成分，对于植物而言非常有利，因此草炭被大量用来建植草坪、高尔夫球场、足球场、网球场、绿茵场地、草地园林和栽种花卉等，是上佳的复合肥原料之一，因此有“草炭”之称号。草炭排水功能很强，加之肥效较长，能促进地下根系的生长，达到色正株壮之效果。
在一优选的实施方式中：所述草炭对土壤的种植层有基础性的改良作用，对后期草坪的生长、护理和保养的帮助很大。花卉与蔬菜的育苗过程中，可采用草炭为介质材料，为基质结构来培育幼苗，可大大提高种子的萌发率、提高幼苗的发育质量和成活率。草炭是有机无机肥的主要添加原材料，也是生产优质花卉营养土、育苗床土、工厂化育苗(无土栽培)、出口盆栽花卉基土等不可缺少的主要原材料因草炭本身就已经是无公害的绿色肥料，用之而生产的各类生物菌肥、高效有机无机复混肥料，具有长效、无污染、无公害、无残留等优点，是现时中国重点推广建设“绿色生态”农业环境的理想肥料。草炭在改良土壤方面无论对种花、种草或种植其他农作物的土壤，如有板结、硬化等现象，只要适量加入便可恢复并提高土壤的持水、通气和保肥的能力，又能增加营养成分，从而提高产品质量，达到更高的经济效益。
在一优选的实施方式中：所述木炭是一种深褐色或黑色的多孔固体燃料残渣，经不完全燃烧或未热解到空气中形成。木炭具有提高地温的功能，在土壤中加入木炭后，由于黑色木炭粒吸收太阳热能，可使土壤温度升高几摄氏度，促进种子萌发，特别是可以促进不易发芽的种子发芽，提高发芽率。木炭也可以改善土壤质量，在土壤中添加木炭后，由于木炭表层可生成根粒菌，因而形成适合于植物培养的土壤，在农业上避免连续耕作障碍，进而促进谷物、蔬菜和蔬菜的生长和发育，木炭还可以显著地促进水土保持，木炭在 50％以上的相对湿度下，可迅速吸收约20％的水分，通过提高植物的透气性和土壤的排水性来保持土壤水分，为植物和微生物的生存提供了良好的空间。木炭具有很强的吸附性，因此，木炭可作为农药或肥料的缓释剂，可使农药或肥料处于平衡状态，并保证在较长的时间内不易被降雨等因素造成水土流失的现象。
在一优选的实施方式中：所述木炭是一种深褐色或黑色的多孔固体燃料残渣，经不完全燃烧或未热解到空气中形成。木炭具有提高地温的功能，在土壤中加入木炭后，由于黑色木炭粒吸收太阳热能，可使土壤温度升高几摄氏度，促进种子萌发，特别是可以促进不易发芽的种子发芽，提高发芽率。木炭也可以改善土壤质量，在土壤中添加木炭后，由于木炭表层可生成根粒菌，因而形成适合于植物培养的土壤，在农业上避免连续耕作障碍，进而促进谷物、蔬菜和蔬菜的生长和发育，木炭还可以显著地促进水土保持，木炭在 50％以上的相对湿度下，可迅速吸收约20％的水分，通过提高植物的透气性和土壤的排水性来保持土壤水分，为植物和微生物的生存提供了良好的空间。木炭具有很强的吸附性，因此，木炭可作为农药或肥料的缓释剂，可使农药或肥料处于平衡状态，并保证在较长的时间内不易被降雨等因素造成水土流失的现象。
在一优选的实施方式中：所述农业生产的过程也是一个能量转换的过程。作物在生长过程中要不断消耗能量，也需要不断补充能量，不断调节土壤中水、肥、气、热的含量。秸秆中含有大量的新鲜有机物料，在归还于农田之后，经过一段时间的腐解作用，就可以转化成有机质和速效养分。既可改善土壤理化性状，也可供应一定的钾等养分。秸秆还田可促进农业节约水、节约成本、增产、增效，因此在环保和农业可持续发展中也应受到充分重视。秸秆还田补充了土壤养分，作物秸秆含有一定养分和纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和灰分元素，既有较多有机质，又有氮、磷、钾等营养元素。如果把秸秆从田间运走，那么残留在土壤中的有机物仅有10％左右，造成土壤肥力下降。那么，只有通过施肥或秸秆还田等途径才能得以补充；秸秆还田促进了微生物活动，土壤微生物在整个农业生态系统中具有分解土壤有机质和净化土壤的重要作用。有机物的合成由植物叶绿素来完成，有机物的分解则由微生物来完成。秸秆还田给土壤微生物增添了大量能源物质，各类微生物数量和酶活性也相应增加；实行秸秆还田可增加微生物18.9％，接触酶活性可增加33％，转化酶活性可增加47％，尿酶活性可增加17％。所述农业生产的过程也是一个能量转换的过程。作物在生长过程中要不断消耗能量，也需要不断补充能量，不断调节土壤中水、肥、气、热的含量。秸秆中含有大量的新鲜有机物料，在归还于农田之后，经过一段时间的腐解作用，就可以转化成有机质和速效养分。既可改善土壤理化性状，也可供应一定的钾等养分。秸秆还田可促进农业节约水、节约成本、增产、增效，因此在环保和农业可持续发展中也应受到充分重视。秸秆还田补充了土壤养分，作物秸秆含有一定养分和纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和灰分元素，既有较多有机质，又有氮、磷、钾等营养元素。如果把秸秆从田间运走，那么残留在土壤中的有机物仅有10％左右，造成土壤肥力下降。那么，只有通过施肥或秸秆还田等途径才能得以补充；秸秆还田促进了微生物活动，土壤微生物在整个农业生态系统中具有分解土壤有机质和净化土壤的重要作用。有机物的合成由植物叶绿素来完成，有机物的分解则由微生物来完成。秸秆还田给土壤微生物增添了大量能源物质，各类微生物数量和酶活性也相应增加；实行秸秆还田可增加微生物18.9％，接触酶活性可增加33％，转化酶活性可增加47％，尿酶活性可增加 17％。
本发明具有如下有益效果：
本发明在我国土壤类型多样，不同区域代表性土壤颗粒组成和结构性质等差异较大，土壤稳定性不尽相同。目前我国对用生物炭改良风沙土各项指标的研究尚少，因此本文旨在通过对辽西北风沙土质土壤采用定位方法研究，用比较分析法探究草炭、木炭和秸秆炭对风沙土土壤物理结构和土壤团聚体稳定性改良的效果差异，用控制变量法探究多少生物炭添加量对风沙土土壤团聚体稳定性提高效果最好，有助于为今后风沙土土壤改良提供一定的科学依据，为提高辽西北地区农业生产力水平增加可选择方式。
附图说明
图1为本发明提出的一种生物炭对土壤团聚体组成结构的特征分析方法的技术路线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
请参阅图1，本发明提供以下技术方案：
本发明工作原理及流程：
施入生物炭后，随时间增加，样地土壤含水量和孔隙度较原土壤均有不同程度提高，施加秸秆炭对提高样地土壤含水量和孔隙度效果比施加木炭效果好，施加草炭效果最差。经改良后土壤含水量达到18.11％以上，较原土提高了 11.81％，土嚷孔隙度达到45.2％以上，较原土提高了7.5％。样地土壤容重较原土壤均有不同程度降低，施加秸秆炭对降低土壤容重效果比施加木炭效果好，施加草炭效果最差。经改良后土壤容重降低到1.32g/cm3以下，较原土下降了0.13 g/cm3。由此可看出，施加秸秆炭可显著提高风沙土土壤物理性质。施入生物炭后，随时间增加，生物炭与土壤融合程度越来越高，土壤团聚体破坏率(PAD) 呈下降趋势，三种生物炭都可以降低土壤团聚体破坏率，施加秸秆炭效果在三种生物炭中最好，木炭次之，草炭最差。经改良后，土壤团聚体破坏率降低到9.5％，较原土下降了1.7％。由此可看出，长期施加生物炭可降低风沙土土壤团聚体破坏率，但效果并不显著。施入生物炭后，随时间增加，生物炭与土壤融合程度越来越高，三种生物炭样地土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)逐渐增大，施加秸秆炭效果在三种生物炭中最好，木炭次之，草炭最差。经改良后，土壤团聚体平均重量直径增加到2.29mm，较原土增加了0.54mm，土壤团聚体几何平均直径增加到1.14mm，较原土增加了0.36mm。由此可看出，长期施加生物炭对提高土壤团聚体平均重量直径和几何平均直径效果较为显著。施入生物炭后，随时间增加，土壤分形维数逐渐降低，至2018年收获期样地土壤分形维数下降到2.39，较2017年播种期原土下降了0.25。由此可看出，施加生物炭可使土壤结构性状变得松散且有较好的通透性。施入生物炭后，随时间增加，土壤稳定性得到较大提高，施加秸秆炭效果在三种生物炭中最好，木炭次之，草炭最差。土壤可蚀性因子K值从原土壤K值0.1080下降到0.0440，下降了0.064。由此可看出，施加生物炭对提高土壤抗侵蚀能力效果极其显著。综合本研究土壤物理性质、土壤团聚体稳定性各项指标显示，添加浓度为2kg/m2的秸秆炭对风沙土土壤物理性质和土壤团聚体稳定性的提高效果最好，更利于风沙土质土壤改良。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
