利用生物炭修復(fù)沙化土地的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用生物炭修復(fù)沙化土地的方法，將粒徑≤2mm的生物炭按1％～2％的重量百分比加入到沙化土壤中，并種植豆科植物。生物炭能夠快速改善沙化土的理化性質(zhì)，增加土壤有機(jī)碳和氮含量，提高土壤保水保肥能力和豆科植物含氮量，結(jié)合豆科植物還田，節(jié)約水肥投入，快速有效恢復(fù)植被。
【專利說(shuō)明】利用生物炭修復(fù)沙化土地的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土地沙化防治【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)，涉及一種利用生物炭修復(fù)沙化土地的方法，節(jié)水節(jié)肥、快速恢復(fù)沙化地植被。
【背景技術(shù)】
[0002]土地沙化是指因氣候變化和人類活動(dòng)所導(dǎo)致的天然沙漠?dāng)U張和沙質(zhì)土壤上植被破壞、沙土裸露的過(guò)程。土地沙化一直是我國(guó)北方地區(qū)(例如，北京)面臨的主要生態(tài)問題之一。2009年發(fā)布的《北京市第四次荒漠化和沙化土地監(jiān)測(cè)報(bào)告》表明:北京市的沙化土地主要分布在永定河、潮白河、溫榆河沿岸，康莊地區(qū)、南口地區(qū)，懷柔、密云大沙河地區(qū)以及房山拒馬河與山前風(fēng)沙區(qū)。自從新中國(guó)建國(guó)40周年、50周年、60周年以來(lái)，北京市沙化土地面積分別增加了 3344hm2、4148hm2和362hm2，總體呈擴(kuò)展趨勢(shì)。盡管上世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)家對(duì)防沙治沙工作的重視和重點(diǎn)工程項(xiàng)目的開展，北京市沙化土地?cái)U(kuò)展趨勢(shì)已得到有效遏制，但仍有涉及11個(gè)區(qū)縣和105個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積約52448hm2的沙化土地亟待治理。
[0003]由于沙化土地干旱貧瘠，保水保肥力很差，目前常用方法是選種抗風(fēng)沙、耐干旱、耐瘠薄、低耗水的各種喬灌適生樹種和草種增加土壤有機(jī)質(zhì)，以提高土壤肥力，從而恢復(fù)植被、減少風(fēng)沙危害。但植樹種草提高土壤肥力需要的周期較長(zhǎng)，且往往需要大量的澆水施肥和噴施農(nóng)藥，而由于沙化土地極低的保水保肥能力，吸附性很差，造成灌溉水滲漏損失嚴(yán)重，不能夠有效利用，同時(shí)肥料中的氮磷鉀等元素和殘留的農(nóng)藥不能被土層有效吸附而隨水向下遷移，嚴(yán)重威脅地下 水的生態(tài)安全，還會(huì)通過(guò)地表徑流對(duì)周邊地表水造成污染。
[0004]從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，單純依靠植樹種草來(lái)修復(fù)沙化土地，雖然可以短期內(nèi)恢復(fù)植被，但經(jīng)濟(jì)成本較高，且存在潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，尤其在水資源匱乏的地區(qū)和能源緊缺的當(dāng)下，這種修復(fù)模式并不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種利用生物炭和豆科植物快速、可持續(xù)地修復(fù)沙化土壤的方法，本發(fā)明方法能夠提高沙化土壤的保水保肥能力，增加地上植被生物量，且利用生物炭和豆科植物聯(lián)動(dòng)提高沙化土地的碳氮含量，不需施肥，對(duì)環(huán)境友好無(wú)污染。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明首先提供一種利用生物炭修復(fù)沙化土壤的方法，將生物炭按1%~2%的重量百分比加入到沙化土壤中。
[0007]作為優(yōu)選，將生物炭按2%的重量百分比加入到沙化土壤中。
[0008]其中，所述生物炭通過(guò)農(nóng)林廢棄物在400~500°C的厭氧條件下燒制4~8個(gè)小時(shí)得到。
[0009]進(jìn)一步地，所述農(nóng)林廢棄物為作物秸桿或樹枝落葉。
[0010]作為優(yōu)選，所述生物炭的粒徑< 2_，使得生物炭可以與土壤充分混勻。
[0011]作為優(yōu)選，將生物炭加入沙化土壤后，保持土壤含水量為15-25%。[0012]進(jìn)一步地，將生物炭加入沙化土壤后，種植豆科植物，再將豆科植株刈割后還田。沙化土壤加入生物炭后能夠增加植物生物量，促進(jìn)豆科植物的共生固氮作用，將豆科植株莖葉還田可以增加土壤中的氮含量。
[0013]作為優(yōu)選，所述豆科植物為多年生豆科植物，每年刈割2-3次。
[0014]本發(fā)明還提供了一種用于修復(fù)沙化土壤的生物炭，所述生物炭用農(nóng)林廢棄物在400~500°C的厭氧條件下燒制4~8個(gè)小時(shí)得到。
[0015]其中，所述農(nóng)林廢棄物為作物秸桿或樹枝落葉。
[0016]作為優(yōu)選,所述生物炭的粒徑< 2mm。
[0017]本發(fā)明進(jìn)一步提供了所述生物炭和豆科植物在修復(fù)沙化土壤中的應(yīng)用。具體為，將生物炭按I %~2 % (優(yōu)選2 % )的重量百分比加入到沙化土壤中，并種植豆科植物,再將豆科植株刈割后還田。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:
[0019]本發(fā)明是將用農(nóng)林廢棄物燒制的生物炭加入到沙化土壤中，減小土壤容重，增加土壤孔隙度和土壤田間持水量，提高土壤的保水保肥能力，增加地上植被生物量和植被蓋度，從而減小沙化地引起的風(fēng)沙危害，改善景觀。另一方面，生物炭增強(qiáng)了豆科植物的共生固氮能力，將豆科植物莖葉還田后，進(jìn)一步增加土壤氮含量。生物炭和豆科植物聯(lián)合，充分利用自然的生物固氮能力，節(jié)約了水肥，快速?gòu)氐仔迯?fù)沙化土地。本發(fā)明中玉米秸桿生物炭的加入量以減小土壤容重到更加適合植物生長(zhǎng)，增加了土壤有效養(yǎng)分濃度，同時(shí)土壤PH值控制在不影響植物正常 生長(zhǎng)的范圍內(nèi)(pH值6~8.5，土壤容重1.0~1.3，如果按照質(zhì)量百分比為土壤質(zhì)量的I~2%)。
[0020]生物炭是將植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下，經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物質(zhì)，可以用農(nóng)業(yè)廢棄物如作物收割后剩下的秸桿等作為原材料加工燒制，成本低廉且將農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶，從另一方面減小了環(huán)境壓力。生物炭可以迅速減小沙化土壤的容重，改善土壤理化性狀，提高沙化地保水保肥能力及增加地上植被生物量和蓋度，將豆科植物還田后增加土壤氮含量，具有修復(fù)效率高、成本低，修復(fù)徹底，易于推廣等特點(diǎn)。
[0021]本發(fā)明利用農(nóng)林廢棄物在高溫厭氧條件下燒制得到的生物炭與豆科植物聯(lián)合修復(fù)沙化土壤，快速改善沙化土地理化性質(zhì)，提高土壤保水保肥能力，充分利用自然共生固氮，成本低廉。與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)相比，具有成本低，修復(fù)效率高，水肥投入小且避免二次污染等特點(diǎn)，是一種快速有效的修復(fù)沙化土地的方法，從而提高土壤生產(chǎn)力和恢復(fù)生態(tài)景觀。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1 (A)為本發(fā)明實(shí)施例1中不同生物炭添加量對(duì)沙化土壤有機(jī)碳含量的影響。
[0023]圖1 (B)為本發(fā)明實(shí)施例1中不同生物炭添加量對(duì)沙化土壤全氮含量的影響。
[0024]圖1 (C)為本發(fā)明實(shí)施例1中不同生物炭添加量對(duì)沙化土上種植的三葉草地上部生物量的影響。
[0025]圖1 (D)為本發(fā)明實(shí)施例1中不同生物炭添加量對(duì)沙化土上種植的三葉草地上部含氮量的影響。
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中不同生物炭處理?xiàng)l件下三葉草生長(zhǎng)情況。[0027]圖3 (A)為本發(fā)明實(shí)施例2中添加生物炭和種植苜蓿對(duì)沙化土有機(jī)碳含量的影響。
[0028]圖3(B)為本發(fā)明實(shí)施例2中添加生物炭對(duì)沙化土上種植的苜蓿地上部生物量的影響。
[0029]圖3 (C)為本發(fā)明實(shí)施例2中添加生物炭和種植苜蓿對(duì)沙化土全氮含量的影響。
[0030]圖3 (D)為本發(fā)明實(shí)施例2中添加生物炭對(duì)沙化土上種植的苜蓿地上部含氮量的影響。
[0031]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中添加生物炭與不添加生物炭條件下苜蓿生長(zhǎng)和植被蓋度情況。
【具體實(shí)施方式】
[0032]以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0033]實(shí)施例1利用生物炭修復(fù)沙化土地的方法——盆栽試驗(yàn)
[0034]本實(shí)施例中提供的修復(fù)沙化土地的方法，生物炭是用玉米秸桿在缺氧和400~500°C高溫的條件下，熱裂解制備而得，將制備好的生物炭過(guò)2_篩，按照0%~4%的重量百分比加入到沙化土中混勻，澆透水后陳化一個(gè)月，種植常用草坪草三葉草，保持15%~25%的土壤含水量，三葉草生長(zhǎng)5個(gè)月后收獲，測(cè)定三葉草生物量；另同步進(jìn)行向沙化土中加入O %、I %、2 % 的玉米秸桿生物炭但不種植物，測(cè)定土壤的容重、田間持水量和土壤孔隙度；測(cè)定沙化土有效養(yǎng)分含量。
[0035]本發(fā)明的測(cè)定方法是環(huán)刀法測(cè)定土壤的容重、田間持水量和土壤孔隙度，稱重法測(cè)定植物生物量，常規(guī)方法分析土壤有效養(yǎng)分含量和植物體內(nèi)的元素含量。
[0036]用玉米秸桿燒制的生物炭對(duì)京郊沙化土地的修復(fù)效果:
[0037]供試土壤采自北京市大興區(qū)由于歷史上永定河的洪積作用導(dǎo)致的嚴(yán)重沙化的土地，表層僅有約1cm左右的土層，下面都是河沙，由于土壤十分貧瘠，作物很難生長(zhǎng)，已經(jīng)荒廢。土壤粒徑分布見表1。將過(guò)2mm篩的玉米秸桿炭按照0%、0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、4%的土壤質(zhì)量比加入到沙化土地土壤后充分混勻，保持15%~25%的土壤含水量，陳化I個(gè)月后將三葉草種子播入土壤，三葉草生長(zhǎng)5個(gè)月后收獲。用去離子水沖洗三葉草地上部分，洗凈后用吸水紙擦干表面水分、烘干，稱量記錄三葉草生物量；同步進(jìn)行O %、I %、2 %的玉米秸桿生物炭加入量但不種植物，保持15 %~25 %的土壤含水量，陳化6個(gè)月后測(cè)定土壤的容重、田間持水量和土壤孔隙度。試驗(yàn)中每個(gè)處理均設(shè)4個(gè)重復(fù)。
[0038]結(jié)果表明，加入玉米秸桿生物炭后，沙化土的容重減小了 4.3%~9.2%，總孔隙度增加了 12.2%~17.0%，毛管孔隙度增加了 17.6%~23.6%，田間持水量增加了23.0%~36.4% (表2);沙化土中堿解氮、速效鉀、速效磷、有效鎂、有機(jī)碳和全氮的含量分別最高增加0.1、2.9、0.4、0.3、2.7和1.0倍(表3，圖1A，B);生物炭加入后，三葉草地上部的生物量和含氮量分別最高增加52.2%和64.4% (圖1C，D)。通過(guò)計(jì)算，將三葉草還田后沙化土的氮含量還可以在加入生物炭的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加I%。
[0039]在收獲時(shí)，不加炭的三葉草已經(jīng)枯黃，而1%和2%的生物炭處理中三葉草生長(zhǎng)良好，2%處理的三葉草長(zhǎng)勢(shì)最好(圖2) ;4%生物炭處理中，三葉草在生長(zhǎng)三個(gè)月時(shí)就幾乎全部枯死，原因是生物炭用量過(guò)大使得水分保持在土表，難以下滲，從而限制植物根的下扎，植物難以得到充足的水分和養(yǎng)分，逐漸萎蔫干枯。因此，生物炭添加量以2%為最佳。[0040]表1試驗(yàn)用沙化土粒徑分布
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種利用生物炭修復(fù)沙化土地的方法，其特征在于，將生物炭按1%~2%的重量百分比加入到沙化土壤中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將生物炭按2%的重量百分比加入到沙化土壤中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述生物炭通過(guò)農(nóng)林廢棄物在400~500°C的厭氧條件下燒制4~8個(gè)小時(shí)得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述農(nóng)林廢棄物為作物秸桿或樹枝落葉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述生物炭的粒徑<2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，將生物炭加入沙化土壤后，保持土壤含水量為15-25%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，生物炭加入沙化土壤后，種植豆科植物，并將豆科植株刈割后還田。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述豆科植物為多年生豆科植物，每年刈割2-3次。
9.一種用于修復(fù)沙化土壤的生物炭，其特征在于，所述生物炭通過(guò)農(nóng)林廢棄物在400~500°C的厭氧條件下燒制4~8個(gè)小時(shí)得到，所述農(nóng)林廢棄物為作物秸桿或樹枝落葉。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的生物炭，其特征在于，所述生物炭的粒徑<2mm。
【文檔編號(hào)】A01B79/02GK104025743SQ201410263882
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】鄭瑞倫, 龐卓, 謝祖彬, 孫國(guó)新, 武菊英, 王慶海, 肖波, 李翠 申請(qǐng)人:北京市農(nóng)林科學(xué)院