一种维持酸性农田根区土壤适宜pH长期稳定的方法

一种维持酸性农田根区土壤适宜ph长期稳定的方法
技术领域
1.本发明涉及土壤调节技术领域，具体涉及一种维持酸性农田根区土壤适宜ph长期稳定的方法。


背景技术：

2.农业生产中为保证农作物正常生长需要施用铵态氮肥，然而，包括铵态氮肥在内的化学肥料的过量施用常导致土壤酸化的发生，引起土壤ph下降。尤其对于酸性农田，土壤ph的持续下降影响作物的正常生长，导致农作物减产甚至绝收。虽然施用石灰等传统改良剂能够将酸化土壤的ph调节至适合作物正常生长的范围，但在我国耕地高强度利用条件下农田土壤酸化速度快，施用石灰后土壤会很快发生再次酸化，因此需要频繁施用石灰等碱性改良剂，这导致土壤ph长期处于波动状态，严重制约农业的高产和稳产。另外，石灰等强碱性改良剂的大范围和大量撒施还会对人体健康造成危害。如能将耕地高强度利用条件下施肥等农业措施产生的酸实时清除，则可维持土壤ph基本稳定，避免由于土壤ph的波动导致农作物产量的不稳定。要实现这一目标需要解决3个关键问题：估算农业措施每年或每季产生酸的数量；能实时消除这些酸的专用调理剂；针对性的调理剂施用方法。但目前还没有针对这些问题的系统性的解决方案。
3.在现有技术中，有机肥与化肥配施能够缓解由化肥引起的土壤酸化，但由于缺少化肥产酸数量的估算方法，目前有机肥的施用量及其与化肥的配比比较随意，虽然施用有机肥对土壤酸化有一定的缓解作用，但不能维持土壤适宜ph的长期稳定。由农作物秸秆等农业废弃物厌氧热解制备的生物质炭不仅能中和土壤酸度，还能提高土壤的酸缓冲容量。施用生物质炭对化肥引起的土壤酸化也能起到一定的抑制作用。但不同生物质材料在不同条件下制备的生物炭其碱性特征及对土壤酸缓冲性能的提升效果有很大差异，在通常的农田施用条件下也很难维持土壤适宜ph的长期稳定。
4.对大多数农作物，化肥一般施于作物根系所能到达的范围，化肥引起的土壤酸化主要发生在根区土壤中。因此，急需研发酸性农田根区土壤质子的实时清除技术，以将根区土壤的ph长期维持在适宜作物生长的范围。


技术实现要素：

5.解决的技术问题：针对上述存在的问题，本发明提供了一种维持酸性农田根区适宜土壤ph长期稳定的方法。
6.技术方案：一种维持酸性农田根区适宜土壤ph长期稳定的方法，包括以下步骤：(1)作物生长期间根区土壤ph变化量的确定：采集红壤，将土壤ph调节至不低于5.5；将红壤风干、磨细、过10目筛，然后将化肥与土壤按施用比例混合均匀；再将土壤分别装填到根箱的根区、过渡区和非根区，不同区域之间用尼龙网隔开；用蒸馏水将土壤含水量调节至田间持水量的70％，将植物种植于根箱的根区，在日光温室中生长1个月；采集根区土壤样品，测定土壤ph，并与实验前的土壤ph进行比较，确定实验前后土壤ph的变化量δph1；(2)根区质
子产生量的计算：测定单位质量土壤ph降低1个单位时所需质子的数量q1，mmol/kg/ph，采用下列公式计算质子产生量(q)：q(mmol/kg)＝q1×
δph1；(3)调理剂酸中和能力的确定：采集ph《5.0的酸性红壤，风干、磨细，添加调理剂，混合均匀后将土壤含水量调节至田间持水量的70％，培养箱中恒温培养30天；培养实验结束后，测定培养前后土壤ph的变化量δph2，测定单位质量土壤ph升高1个单位需要添加的碱量q2,mmol/kg/ph；调理剂的酸中和能力(nc)的计算公式为：nc(mmol/kg)＝q2×
δph2×
1000/r，r为1kg土中调理剂的用量g；(4)调理剂用量的确定：根据步骤2中获得的质子产生量(q)、步骤3中调理剂的酸中和能力(nc)，计算出维持根区土壤ph基本稳定的调理剂用量(m)，计算公式为：m(g/kg)＝q
×
1000/nc，m为1kg土壤中需要施用调理剂的数量g。
7.上述调理剂由腐殖酸、柠檬酸钠、氢氧化钾和白云石粉复配而成，其中按质量腐殖酸65-75份、柠檬酸钠10-25份、氢氧化钾5-15份、白云石粉5-10份。
8.上述腐殖酸为黄腐酸或胡敏酸。
9.上述调理剂由以下方法制得：将腐殖酸、柠檬酸钠、氢氧化钾和白云石粉按比例混合，添加蒸馏水搅匀成糊状，然后40℃烘干、磨细过10目筛即成
10.上述调理剂的具体组成为：黄腐酸70wt.％，柠檬酸钠16wt.％，氢氧化钾9wt.％，白云石粉5wt.％。
11.调理剂的施用方法为：采用步骤1中的根箱实验装置，将化肥、调理剂与根区土壤混合，然后将土壤装入根箱中，按步骤1中相同的操作种植作物，作物收获后采样测定土壤ph，验证土壤ph的维持效果；当该方法在田间条件使用时，将调理剂与基肥一起或单独一次性施于根区土壤中，与根区土壤混合后种植作物即可，每季作物种植前施用1次。
12.上述化肥为硫酸铵或尿素。
13.有益效果：(1)本发明提供一种维持根区土壤适宜ph长期稳定的方法，可以有效解决传统的石灰改良剂施用导致的土壤ph的波动，保障农作物稳产。(2)本发明中采用不同有机材料与不同无机碱性材料耦合制备成温和型调理剂，能动态、实时中和根区土壤中的质子，可以克服生石灰等强碱性改良剂在根区施用导致的局部过碱而对植物根系造成的伤害、以及反应速度太快难以与根区质子产生同步的问题。(3)本发明中调理剂的施用采用少量多次、根区施用的方法，可以与基肥一起施用，也可单独施用，一季作物仅需施用1次，可以避免石灰等改良剂的大范围、大量撒施对人体健康造成的伤害。
附图说明
14.图1是硫酸铵施用量对根箱实验根区土壤ph的影响；
15.图2是不同硫酸铵施用量引起根箱实验根区土壤ph的变化量(δph)；
16.图3是硫酸铵施用量对根区土壤质子产生量的影响；
17.图4是添加专用调理剂后酸性红壤培养过程中土壤ph的动态变化；
18.图5是培育实验期间添加专用调理剂引起红壤ph的变化量(δph)；
19.图6是根箱实验中维持不同硫酸铵施加量的根区土壤ph基本稳定的专用调理剂施用量；
20.图7是根箱实验中专用调理剂对不同硫酸铵施加量的根区土壤ph的影响；
21.图8是培养实验所用酸性红壤酸碱添加量与土壤ph的关系。
具体实施方式
22.实施例1：根区土壤质子产生量的测算
23.一种维持酸性农田根区适宜土壤ph长期稳定的方法及应用，首先确定作物生长期间化肥施用及作物生长在根区土壤中产生的质子数量，然后制备专用调理剂，确定调理剂对酸的中和能力，计算中和根区土壤中质子所需调理剂的用量，在植物种植前将专用调理剂施入根区土壤，实现维持根区土壤ph长期基本稳定的目标。
24.根区土壤质子产生量的估算方法如下：
25.s1-1、作物生长期间根区土壤ph变化量的确定：采集土壤ph处于适宜作物生长范围(ph》5.5)的红壤，对ph《5.5的土壤，先用石灰等传统改良剂将土壤ph调节至5.5以上。将红壤风干、磨细、过10目筛，然后将硫酸铵与土壤混合均匀。将土壤样品分别装填到根箱的根区、过度区和非根区，不同区域之间用尼龙网隔开。用蒸馏水将土壤含水量调节至田间持水量的70％，将植物种植于根箱的根区，在日光温室中生长1个月。实验结束后采集根区土壤样品，测定土壤ph，不施n肥的对照处理土壤ph为5.95，分别施100和200mg n/kg的施肥处理，土壤ph分别为5.18和4.84(图1)。将施肥处理与对照处理的土壤ph进行比较，可计算出施肥引起的ph变化量δph，分别为0.77和1.11(图2)。当该方法在田间条件使用时，分别在作物种植前和作物收获后，采集根区土壤，测定土壤ph，获取土壤的δph值。
26.s1-2、根区质子产生量的计算：测定单位质量土壤ph降低1个单位时所需质子的数量(q1，mmol/kg/ph)，采用下列公式计算质子产生量(q)：q(mmol/kg)＝q1×
δph。测得上述土壤的q1为31.81mmol/kg/ph。根据步骤s1-1获得的δph，计算出施肥量分别为100和200mg n/kg时，根区土壤质子产生量分别为24.5和34.42mmol/kg(图3)。
27.专用调理剂的制备
28.s1-3、专用调理剂制备：由黄腐酸或胡敏酸、柠檬酸钠、氢氧化钾和白云石粉复配而成，具体配方为：黄腐酸70％，柠檬酸钠16％，氢氧化钾9％，白云石粉5％。制备方法：将黄腐酸、柠檬酸钠、氢氧化钾和白云石粉按比例混合，添加蒸馏水搅匀成糊状，然后40℃烘干、磨细过10目筛即成。腐殖酸与氢氧化钾反应产生具有较快的中和酸度能力的组分，柠檬酸钠中和酸度后形成柠檬酸，其在土壤中逐渐被微生物分解，达到清除土壤中质子的目的，配以白云石的慢速酸中和及较大调理剂颗粒的缓释效应，最终实现动态、实时清除根区质子的目的。
29.s1-4、专用调理剂酸中和能力的确定：采集ph较低(ph《5.0)的酸性红壤，风干、磨细，添加一定量的专用调理剂，混合均匀后将土壤含水量调节至田间持水量的70％，培养箱中恒温培养30天，期间每隔5天采集少量样品测定土壤ph。不加改良剂的土壤在培养过程中土壤ph变化很小，添加黄腐酸-koh处理在培养实验的前5天土壤ph增加幅度较大，之后变化很小，但添加专用调理剂的土壤，培养实验期间土壤ph一直持续小幅度增加(图4)，说明本发明制备的调理剂具备动态、实时和持续中和质子能力的特征。培养实验结束后，采集土壤样品，测定土壤ph并与培养实验前的土壤ph比较，计算土壤ph的变化量(δph)，添加专用调理剂处理的δph为1.66(图5)。测定土壤q2为30.85mol/kg/ph。调理剂的酸中和能力(nc)的计算公式为：nc(mmol/kg)＝q2×
δph
×
1000/r，r为1kg土中调理剂的用量(g)。本发明中图4所用调理剂的nc为3964.2mmol/kg。
30.维持根区土壤ph稳定的调理剂用量确定
31.s1-5、专用调理剂用量的确定：根据步骤s1-2中获得的质子产生量(q)、步骤s1-4中专用调理剂的酸中和能力(nc)，可计算出维持根区土壤ph基本稳定的调理剂用量(m)，计算公式为：m(g/kg)＝q
×
1000/nc，m为1kg土壤中需要施用调理剂的数量(g)。当氮肥施用量为100和200mg n/kg时，维持步骤s1-1中根区土壤ph基本稳定所需步骤s1-4中专用调理剂的数量分别为6.0和8.7g/kg(图6)
32.调理剂施用方法与效果
33.s1-6、调理剂的施用方法与效果验证：采用步骤s1-1中的根箱实验装置，将硫酸铵化肥、调理剂与根区土壤混合，然后将土壤装入根箱中，按s1-1中相同的操作步骤种植作物，作物收获后采样测定土壤ph，验证土壤ph的维持效果。不施氮肥和调理剂的对照处理土壤ph为5.76(图7)，分别施用100和200mg n/kg硫酸铵化肥及步骤s1-5确定的相应用量的调理剂处理，土壤ph分别为5.91和5.62(图7)，与对照相比土壤ph分别相差0.15和-0.14，说明施用专用调理剂取得比较好的稳定根区土壤ph的效果。当该方法在田间条件使用时，将调理剂与基肥一起或单独施于根区土壤中，与根区土壤混合后种植作物即可，每季作物均需施用。
34.单位质量土壤ph降低或增加1个单位酸碱消耗量的测定方法
35.通过向土壤样品中添加一系列不同浓度的酸或碱进行模拟酸化或碱化的方法测算土壤ph降低或增加1个单位酸碱消耗量。在10个聚乙烯离心管中各自加入4g土样并添加一定量的去离子水，然后分别添加不同体积的0.04mol/l hcl或naoh溶液，确保添加hcl或naoh后的悬液体积为20ml，将土样与溶液混合均匀。一般酸或碱的添加量为0.5,1,2,3,5,7ml，为使酸碱反应后悬液体系的ph位于ph 4.0-7.0之间，酸或碱添加量随土壤初始ph调整。添加1.0ml 0.04mol/l cacl2以保持体系离子强度基本恒定。此外，每只离心管中添加0.25ml的氯仿以抑制微生物活动。悬液在25℃下恒温震荡24小时，之后在相同温度下放置平衡6天，每天振荡2分钟。7天后测定土壤悬液ph。以土壤ph对酸或碱的加入量作图，从图中拟合直线的斜率获得土壤的ph降低或增加1个单位酸碱消耗量(图8)。

技术特征：
1.一种维持酸性农田根区适宜土壤ph长期稳定的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）作物生长期间根区土壤ph变化量的确定：采集红壤，将土壤ph调节至不低于5.5；将红壤风干、磨细、过10目筛，然后将化肥按施用比例与土壤混合均匀；再将土壤分别装填到根箱的根区、过渡区和非根区，不同区域之间用尼龙网隔开；用蒸馏水将土壤含水量调节至田间持水量的70%，将植物种植于根箱的根区，在日光温室中生长1个月；采集根区土壤样品，测定土壤ph，并与实验前的土壤ph进行比较，确定实验前后土壤ph的变化量
∆
ph1；（2）根区质子产生量的计算：测定单位质量土壤ph降低1个单位时所需质子的数量q1，mmol/kg/ph，采用下列公式计算质子产生量（q）：q (mmol/kg) = q1×∆
ph1；（3）调理剂酸中和能力的确定：采集ph<5.0的酸性红壤，风干、磨细，添加调理剂，混合均匀后将土壤含水量调节至田间持水量的70%，培养箱中恒温培养30天；培养实验结束后，测定培养前后土壤ph的变化量
∆
ph2，测定单位质量土壤ph升高1个单位需要添加的碱量q2, mmol/kg/ph；调理剂的酸中和能力（nc）的计算公式为：nc (mmol/kg) = q2×∆
ph2×
1000/r，r为1 kg土中调理剂的用量g；（4）调理剂用量的确定：根据步骤2中获得的质子产生量（q）、步骤3中调理剂的酸中和能力（nc），计算出维持根区土壤ph基本稳定的调理剂用量（m），计算公式为：m (g/kg) = q
×
1000/nc，m为1 kg土壤中需要施用调理剂的数量g。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调理剂由腐殖酸、柠檬酸钠、氢氧化钾和白云石粉复配而成，其中按质量腐殖酸65-75份、柠檬酸钠10-25份、氢氧化钾5-15份、白云石粉5-10份。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述腐殖酸为黄腐酸或胡敏酸。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调理剂由以下方法制得：将腐殖酸、柠檬酸钠、氢氧化钾和白云石粉按比例混合，添加蒸馏水搅匀成糊状，然后40℃烘干、磨细过10目筛即成。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述调理剂的具体组成为：黄腐酸70wt.%，柠檬酸钠16wt.%，氢氧化钾9wt.%，白云石粉5wt.%。6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，调理剂的施用方法为：采用步骤1中的根箱实验装置，将化肥、调理剂与根区土壤混合，然后将土壤装入根箱中，按步骤1中相同的操作种植作物，作物收获后采样测定土壤ph，验证土壤ph的维持效果；当该方法在田间条件使用时，将调理剂与基肥一起或单独一次性施于根区土壤中，与根区土壤混合后种植作物即可，每季作物种植前施用1次。7.根据权利要求1-5任一所述方法，其特征在于，所述化肥为硫酸铵或尿素。

技术总结
一种维持酸性农田根区土壤适宜pH长期稳定的方法，首先确定作物生长期间化肥施用及作物生长在根区土壤中产生的质子数量，然后制备专用调理剂，确定调理剂对土壤酸的中和能力，计算中和根区质子所需调理剂的用量，在植物种植前将专用调理剂一次性施入根区土壤，以维持根区土壤pH长期基本稳定。本发明中采用不同有机材料与不同无机碱性材料耦合制备成温和型调理剂，能动态、实时中和根区土壤中的质子，可以克服生石灰等强碱性改良剂在根区施用导致的局部过碱而对植物根系造成的伤害、以及反应速度太快难以与根区质子产生同步的问题。速度太快难以与根区质子产生同步的问题。速度太快难以与根区质子产生同步的问题。


技术研发人员：徐仁扣 闫静
受保护的技术使用者：中国科学院南京土壤研究所
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/9