一种寒区农业生产的减冻控融增效剂、制备方法及应用
技术领域
本发明属于土壤农业化学技术领域，特别是涉及一种寒区农业生产的减冻控融增效剂、制备方法及应用。
背景技术
我国的季节性冻土面积约占国土面积的54％，主要位于中国的东北、华北以及西北地区，这些地区大多属于干旱、半干旱的水资源短缺地区。土壤的冻融循环现象是一种普遍存在于中高纬度、海拔较高、或者部分山地地区的自然现象。当温度在自然冻结温度附近上下波动时，土壤水不断冻结、融化。冻融循环会对土壤的物理性质、微生物群落结构、活性以及土壤所含各类物质造成巨大的影响。而随着全球气候在最近几年的持续升温，引起冬季地表雪盖层厚度下降，地表温度也随之更加容易受到日照、空气温度的影响，导致冻融作用的强化和冻融交替的增加。在我国季节性冻土作物种植区域内，土壤在周期性的冻融循环过程中，温度和液态含水率的也发生着一定的周期性变化，冻融作用对于土壤中水热状况的主要影响体现在：对于越冬作物(如水稻、大豆、玉米等)，越冬期土壤水热状况将直接影响到作物的出苗率，并间接影响作物幼苗发育和物质积累，对作物生长起到了承上启下的作用。
土壤是农业生产的物质基础，土壤中的水热状况对于土壤中微生物的活动、养分转化以及植物根系的呼吸作用都有着重要的影响，为作物的生长提供了重要的物质保证。因此，土壤水热迁移和变化严重影响着土壤内部的物理、化学过程，对于作物的生长发育有着重要意义。在冻融交替作用下，改善土壤物理结构，有效的调节土壤水热状况，减少冻融交替次数，对于合理开发土壤水热资源、高效利用寒区冻融土壤具有重要的现实意义。
发明内容
针对上述存在的技术问题，通过对秸秆生物炭、腐殖酸等大量吸附、结构改良材料进行筛选、复配和反复试验，提供能改善土壤物理结构，调节土壤水热状况，缓解土壤冻融交替作用的一种寒区农业生产的减冻控融增效剂、制备方法及应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种寒区农业生产的减冻控融增效剂，按重量分数计包括以下原料：秸秆生物炭20份～40份、粉煤灰10份～20份、腐殖酸10份～25份、膨润土10份～25份、风化煤15份～30份、草木灰5份～10份。
优选地，还添加有1份～2份聚谷氨酸。
优选地，将草木灰与浓H2SO4按重量比2:1比例混拌均匀后封闭进行螯合反应，常温反应5～7天，得到反应物。
优选地，所述秸秆生物炭是将玉米秸秆置于充有氮气流的管式炉中进行高温碳化，碳化温度为500℃～600℃，升温速率10℃～15℃/min，恒温时间2h～3h，氮气进气流量0.2L～0.3L/min，碳化时间为8～20h，冷却得到。
优选地，所述碳化时间为10小时。
所述寒区农业生产的减冻控融增效剂的制备方法，包括如下步骤：
1)按所述重量份称取秸秆生物炭、粉煤灰、腐殖酸、膨润土、风化煤；
2)将草木灰与浓H2SO4按重量比2:1比例混拌均匀进行反应，得到的反应物；
3)将称取的原料与步骤2)中得到的反应物置于搅拌机中搅拌掺匀，搅拌时间为15min，得到混合物；
4)将步骤3)中得到的混合物料进行造粒，烘干，筛分出粒径为3mm～5mm的颗粒。
所述的寒区农业生产的减冻控融增效剂的应用，结合秋整地将所述增效剂一起施入土壤中，施入土壤深度为10～30cm。
优选地，所述增效剂施用量为50～100kg/亩。
本发明的有益效果为：
1.本发明可以有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度和大团聚体比例，提高土壤田间持水量，调节土壤固相、液相和气相比例。增效剂中秸秆生物炭和风化煤具有孔隙发达、容重小和比表面积大的物理特征，可有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤田间持水量，调节土壤三相比。秸秆生物炭和腐殖酸中丰富的腐殖质是团粒结构的良好胶结剂，有效增加土壤大团聚体比例。
2.本发明可有效的调节土壤水热状况，减少冻融交替次数，粉煤灰中的硅酸盐矿物质和炭粒具有多孔结构，有利于降低土壤容重，提高孔隙度，提高地温，缩小土壤膨胀率。一方面由于增效剂为灰黑色，吸收太阳辐热，增强土壤吸热能力，从而提高地温；另一方面增效剂中的粉煤灰能够改变土壤的氧化还原状态，矿物的加速水解，释放出大量的能量，加快了有机质矿化和其氧化过程的进行，粉煤灰中磁性矿物的氧化水解和有机质的氧化分解的加速，都有强烈的能量释放，进一步提升了地温。
3.本发明中的组合物均为有机物料，作为有机质和高碳源施入，可有效调节土壤中C/N比，促进土壤微生物活性。地温提高又促进了有机肥的分解和微生物的繁衍，促进了农作物的呼吸、代谢过程，使土壤中氮、钾和磷等养分的有效性增加，形成良性的水热循环环境。
4.本发明中还可以添加聚谷氨酸，其与腐殖酸产生螯合反应，与肥料、土壤中的氮结合起到固定的作用，使组合后的分子结构更稳定，增效作用更强，有效的防止土壤流失。
5.本发明增效剂施入土壤后改善土壤物理性质，调节土壤水热状况，同时起到补充高碳养分，促进土壤微生物活性，增加土壤有机质含量，培肥地力的效果。
附图说明
图1为本发明在不同土壤深度不同施用量对土壤容重和孔隙度的影响；其中(a)表示对土壤容重的影响；(b)表示对土壤孔隙度的影响。
图2为本发明不同施用量对0～20cm深度土壤水分的影响。
图3为本发明不同施用量对10cm土壤温度的影响。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：本例一种寒区农业生产的减冻控融增效剂，按重量分数计包括以下原料：秸秆生物炭25份、粉煤灰15份、腐殖酸15份、膨润土20份、风化煤20份、草木灰5份。
所述生物炭是将玉米秸秆置于充有氮气流的管式炉中进行高温碳化，碳化温度为500℃，升温速率10℃/min，恒温时间2h，氮气进气流量0.2L/min，碳化时间为10h，冷却得到。
所述寒区农业生产的减冻控融增效剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)按所述重量份称取秸秆生物炭、粉煤灰、腐殖酸、膨润土、风化煤；
2)将草木灰与浓H2SO4按重量比2:1比例混拌均匀进行反应，得到的反应物；
3)将称取的原料与步骤2)得到的反应物置于搅拌机中搅拌掺匀，搅拌时间为15min，得到混合物；
4)将步骤3)中得到的混合物料进行造粒，烘干，筛分出粒径为3mm～5mm的颗粒。
所述的寒区农业生产的减冻控融增效剂的应用，结合秋整地将所述增效剂一起施入土壤中，施入土壤深度为20cm。所述增效剂施用量为50kg/亩。
实施例2：本例与实施例1不同的是：本例中添加1份聚谷氨酸。本例一种寒区农业生产的减冻控融增效剂，按重量分数计包括以下原料：秸秆生物炭25份、粉煤灰14份、腐殖酸15份、膨润土15份、风化煤20份、聚谷氨酸1份、草木灰10份。
所述生物炭是将玉米秸秆置于充有氮气流的管式炉中进行高温碳化，碳化温度为550℃，升温速率10℃/min，恒温时间2.5h，氮气进气流量0.25L/min，碳化时间为8h，冷却得到。
所述寒区农业生产的减冻控融增效剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)按所述重量份称取秸秆生物炭、粉煤灰、腐殖酸、膨润土、风化煤；
2)将草木灰与水按重量比2:1比例混拌均匀进行反应，得到的反应物；
3)将称取的原料与步骤2)得到的反应物置于搅拌机中搅拌掺匀，搅拌时间为15min，得到混合物；
4)将步骤3)中得到的混合物料进行造粒，烘干，筛分出粒径为3mm～5mm的颗粒。
所述的寒区农业生产的减冻控融增效剂的应用，结合秋整地将所述增效剂一起施入土壤中，施入土壤深度为25cm。所述增效剂施用量为80kg/亩。
实施例3：本例与实施例1不同的是：本例一种寒区农业生产的减冻控融增效剂，按重量分数计包括以下原料：秸秆生物炭30份、粉煤灰13份、腐殖酸15份、膨润土10份、风化煤20份、聚谷氨酸2份、草木灰10份。
所述生物炭是将玉米秸秆置于充有氮气流的管式炉中进行高温碳化，碳化温度为600℃，升温速率15℃/min，恒温时间3h，氮气进气流量0.3L/min，碳化时间为15h，冷却得到。
所述寒区农业生产的减冻控融增效剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)按所述重量份称取秸秆生物炭、粉煤灰、腐殖酸、膨润土、风化煤；
2)将草木灰与浓H2SO4按重量比2:1比例混拌均匀进行反应，得到的反应物；
3)将称取的原料与步骤2)得到的反应物置于搅拌机中搅拌掺匀，搅拌时间为15min，得到混合物；
4)将步骤3)中得到的混合物料进行造粒，烘干，筛分出粒径为3mm～5mm的颗粒。
所述的寒区农业生产的减冻控融增效剂的应用，结合秋整地将所述增效剂一起施入土壤中，施入土壤深度为20cm。所述增效剂施用量为100kg/亩。
实施例4：本例与实施例1不同的是：本例一种寒区农业生产的减冻控融增效剂，按重量分数计包括以下原料：秸秆生物炭20份、粉煤灰10份、腐殖酸10份、膨润土10份、风化煤15份、聚谷氨酸2份、草木灰10份。
所述生物炭是将玉米秸秆置于充有氮气流的管式炉中进行高温碳化，碳化温度为500℃，升温速率12℃/min，恒温时间2h，氮气进气流量0.2L/min，碳化时间为20h，冷却得到。
实施例5：本例与实施例1不同的是：本例一种寒区农业生产的减冻控融增效剂，按重量分数计包括以下原料：秸秆生物炭40份、粉煤灰18份、腐殖酸25份、膨润土30份、风化煤30份、聚谷氨酸2份、草木灰10份。
所述生物炭是将玉米秸秆置于充有氮气流的管式炉中进行高温碳化，碳化温度为520℃，升温速率13℃/min，恒温时间2.2h，氮气进气流量0.28L/min，碳化时间为18h，冷却得到。
对比试验
以实施例1的减冻控融增效剂作为样品，对本发明的寒区农业生产的减冻控融增效剂在玉米上进行了一系列的试验，取得了良好的应用效果。
试验在辽宁省铁岭市蔡牛乡张庄村进行，设不施增效剂即农民习惯施肥(CK)、农民习惯施肥基础上增施50kg本发明减冻控融增效剂(T1)，农民习惯施肥基础上增施80kg本发明减冻控融增效剂(T2)及农民习惯施肥基础上增施100kg本发明减冻控融增效剂(T3)四个处理，每个处理三次重复，共12个小区，随机区组排列，小区面积30m2。
(1)施用寒区农业生产的减冻控融增效剂对土壤容重和孔隙度的影响
由图1可见，与对照相比，施用增效剂的T1、T2和T3处理5～10cm和15～20cm土壤容重显著降低，分别降低了0.82％～1.48％和0.22％～2.97％；土壤孔隙度分别增加了0.22％～2.98％和0.86％～1.14％。由此可见，本发明的寒区农业生产的减冻控融增效剂可以显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改良土壤结构。
(2)施用寒区农业生产的减冻控融增效剂对土壤养分状况的影响
如表1所示。CK与T1、T2、T3的土壤碱解氮、有效钾和有机质差异显著(P<0.05)，与对照处理相比，增施减冻抗融增效剂处理0～20cm土壤碱解氮分别增加了1.62％、5.41％、9.46％；速效钾增加了6.55％、13.11％、15.40％；有机质分别增加了0.73％、1.41％、1.59％。
表1不同处理对土壤养分的影响(0-20cm)
注：不同字母表示在0.05水平上差异显著。
(3)施用寒区农业生产的减冻控融增效剂对土壤水热状况的影响
施用寒区农业生产的减冻控融增效剂对土壤水分的影响，如图2所示。通过增施减冻抗融增效剂，2017年11月～2018年4月土壤冻融交替期间，与对照处理相比，增施减冻抗融增效剂处理0～20cm土壤平均含水量提高了1.45～2.28个百分点。由此可见，本发明的寒区农业生产的减冻控融增效剂显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，同时增加了土壤蓄水能力，减缓地表径流的发生频次。
施用寒区农业生产的减冻控融增效剂对土壤温度的影响，如图3所示。通过增施减冻抗融增效剂，2017年11月～2018年4月土壤冻融交替期间，与对照处理相比，增施减冻抗融增效剂处理10cm土壤平均温度提高了0.86～2.0℃。
