一种生物炭改良盐碱土壤的方法及其促进饲草紫花苜蓿生长的应用

1.本发明涉及盐碱土壤改良技术领域，具体涉及一种生物炭改良盐碱土壤的方法及其促进饲草紫花苜蓿生长的应用。


背景技术：

2.土地盐碱化给农业生产带来严重威胁，加速土地退化，导致粮食减产，造成巨大经济损失，成为世界性难题。目前我国各类盐碱地已达9913万公顷，其面积不断增长。盐碱土的渗透力和水力传导能力较低，极易形成板结现象，阻碍幼苗的生根和出苗。在植物的生长季，盐碱土水分流失会降低植物吸水能力，引起植物体内生理干旱，产生离子毒害作用，阻碍植物对养分元素的吸收，造成植物营养失调、代谢紊乱，导致植物生长性能降低和作物生产力下降。
3.紫花苜蓿(medicago sativa l.)又称紫苜蓿，是一种多年生豆科草本。因其营养丰富、品质良好，紫花苜蓿常作为饲料与牧草，为食草型家畜提供重要的食物来源，因此被全球各地广泛引种栽培。土壤盐碱化危害着紫花苜蓿生长，影响紫花苜蓿对于水分和营养物质的吸收，导致其产量大幅降低。较高的土壤盐度及ph值导致土壤结构恶化，养分元素被固定在土壤中，因此加大紫花苜蓿根系生长阻力，使紫花苜蓿体内养分物质流失，营养品质随之下降，对畜牧业造成一定威胁。
4.生物炭是一种富含碳元素的材料，通过在高温无氧的环境中热解废弃的木材、树叶、秸秆和生物粪便等生物质制作而成，被视作环境友好型碳中性材料。生物炭具有多孔结构、丰富的表面官能团和良好的稳定性，施入盐碱地后能有效改善土壤孔隙结构和微环境、调节土壤ph值、降低土壤容重，并提高土壤通透性、团聚性、水肥利用效率及阳离子交换量，从而降低土壤盐分、缓解盐碱胁迫。生物炭利用在土壤治理等领域已受到高度重视。
5.作为土地资源的一部分，盐碱土是重要的潜在耕地资源。科学改良盐碱化土地，促进饲草在盐碱地中的抗逆生长，对合理开发利用盐碱化土地资源、促进畜牧业生产力、改善生态环境质量及保障农业可持续发展具有重要意义。
6.目前已有很多研究旨在改良盐碱土壤以促进农作物生长，主要包括农田耕作、工程措施改良和土壤改良剂应用等。比如，深耕法通过整地深翻，将地表盐分均匀到土层深处，同时改善土壤排水和通气，使农作物免受盐分胁迫；灌溉洗盐法利用微咸水、咸水、碱性水和高矿化水进行灌溉，将土壤中的可交换性na
+
置换出来，达到降低盐分、促进植物生长目的；脱硫石膏等土壤改良剂应用通过利用石膏中ca
2+
置换土壤中过量的na
+
，使过量的na
+
被渗透至更深层土壤，以保障农作物在表层土壤的生长。然而，工程措施改良的造价成本较高，且需针对不同类型的土壤调整改良方案，实施难度较大；土壤改良剂不能有效地改善土壤物理结构，可能会对土壤健康产生负面影响，导致次生盐渍化和重金属积累，对植物产生毒性作用。目前关于促进饲草紫花苜蓿在盐碱土壤中生长的方法还较少，亟需提出更加高效环保的改良方案。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对背景技术中提出的问题，提供了一种生物炭改良盐碱土壤的方法及其促进饲草紫花苜蓿生长的应用，其操作简单，效率高，环保。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.一种生物炭改良盐碱土壤的方法，其特征在于：将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，所述生物炭由玉米秸秆制作而成，烧制温度为400℃，烧制时间为2h，含碳量为40％～60％，ph值为8.8。
10.优选的，将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每kg土壤添加10g生物炭。
11.优选的，将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每kg土壤添加20g生物炭。
12.优选的，将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每kg土壤添加50g生物炭。
13.优选的，将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每kg土壤添加100g生物炭。
14.一种生物炭改良盐碱土壤的方法在促进饲草紫花苜蓿生长中的应用。
15.本发明具有以下有益效果：所述改良盐碱土壤的参数包括降低土壤含盐量、降低土壤ph值、提高土壤通透性、提高土壤无机氮含量。
16.所述促进饲草紫花苜蓿生长的参数包括提高紫花苜蓿生长性状、降低紫花苜蓿逆境胁迫、增加紫花苜蓿营养品质。其中，提高紫花苜蓿的生长性状包括提高发芽率、株高、根长、分枝数、茎粗、叶面积、地上生物量、地下生物量和根冠比；降低紫花苜蓿的逆境胁迫包括降低丙二醛、可溶性蛋白和脯氨酸含量；增加紫花苜蓿营养品质包括提高木质素和相对饲用价值。综合土壤及饲草紫花苜蓿特性评判，每公斤盐碱土壤添加50g生物炭具有最好的改良效果，适合农业生产时使用。
附图说明
17.图1为本发明中不同方案对土壤特性的影响。注：含盐量(a)、ph值(b)、含水率(c)和无机氮含量(d)。
18.图2为本发明中不同方案对饲草紫花苜蓿生长性状的影响。注：发芽率(a)、株高(b)、根长(c)、分枝数(d)、茎粗(e)、叶面积(f)、地上生物量(g)、地下生物量(h)和根冠比(i)。
19.图3为本发明中不同方案对饲草紫花苜蓿逆境胁迫的影响。注：丙二醛含量(a)、脯氨酸含量(b)、可溶性蛋白含量(c)和可溶性糖含量(d)。
20.图4为本发明中不同方案对饲草紫花苜蓿营养品质的影响。注：粗脂肪含量(a)、粗蛋白含量(b)、木质素含量(c)、酸性洗涤纤维含量(d)、中性洗涤纤维含量(e)和相对饲用价值(f)。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.实施例1
23.1、试验材料
24.本发明以饲草紫花苜蓿“中兰1号”为植物材料，将种子消毒后置于蒸馏水中待其吸胀，24h后将种子转移至含有1kg盐碱土壤(含盐量为1.2％)的花盆中。生物炭购买于沈阳隆泰生物工程有限公司，由玉米秸秆制作而成，烧制温度为400℃，烧制时间为2h，含碳量为40％～60％，ph值为8.8。
25.将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每千克土壤分别添加10g、20g、50g和100g生物炭，分别对应方案一、方案二、方案三、方案四，另设置一组对照，每组设置20个花盆，从底部托盘浇水至土壤完全湿润，平衡14天。每个花盆种植20粒吸胀的种子，待种子发芽。每2天浇一次水，浇至花盆托盘中，保持浇水量相同。在第50天时，收集土壤及植物样品进行以下测量和分析。
26.2、土壤特性：
27.含盐量：称取风干土样8g，加入40ml无二氧化碳蒸馏水，振荡后离心，过滤其上清液待测。取待测液至已知烘干质量的三角瓶中，水浴蒸干，于105℃烘干至恒重，干燥冷却后称量三角瓶重量。水溶性盐总量为三角瓶重量差值乘以分取倍数再比上干土质量，单位为％。
28.ph值测定：称取风干土样10g，加入25ml无二氧化碳蒸馏水，振荡后常温静置30min后待测。将ph计电极探头插入制备土壤悬浊液中，读取ph计数值。
29.含水率：称取新鲜土样5g，于105℃烘干24h，待干燥冷却至室温后称量烘干土壤总重。土壤含水率为烘干前后的土壤重量差值除以烘干土壤重量，单位为％。
30.土壤无机氮含量为土壤硝氮、亚硝氮和铵氮含量的总和。
31.硝氮含量测定：称取新鲜土样8g，加入20ml 1mol
·
l-1
的kcl溶液，振荡过滤后得到浸提液待测。配置1000mg n
·
l-1
的kno3溶液，并稀释至0、0.02、0.05、0.08、0.1、0.2、0.5、0.8、1、2、4和6mg
·
l-1
的标准溶液。将100μl待测浸提液或标准溶液吸取至96微孔板中，加入100μlvcl3溶液、50μl griess1溶液和50μl griess2溶液，于37℃反应1h后，使用酶标仪(infinite 200pro，tecan，瑞士，下同)测定其在540nm波长下吸光值，根据标准曲线计算硝氮含量。
32.亚硝氮含量测定：浸提液的提取方法同硝氮测定方法。配置1000mg
·
l-1
的nano2溶液，并稀释至0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5mg
·
l-1
的标准溶液。将100μl待测浸提液或标准溶液吸取至96微孔板中，加入100μl去离子水和20μl显色剂，于室温下反应1h后，测定其在543nm波长下的吸光值，根据标准曲线计算亚硝氮含量。
33.铵氮含量测定：浸提液的提取方法同硝氮测定方法。配置1000mg
·
l-1
的nh4cl溶液，并稀释至0、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、3、4和5mg
·
l-1
的标准溶液。将50μl待测浸提液或标准溶液吸取至96微孔板中，加入200μl硝普酸钠-苯酚显色剂，充分混合，静置15min，后加入5μl二氯异氰尿酸钠显色剂，于常温下反应5h后，测定其在630nm下的吸光值，根据标准曲线计算铵态氮含量。
34.3、饲草紫花苜蓿生长性状参数：
35.盆栽结束后，测定植物发芽率，并从每个花盆中取出所有株植物，分别测定植株的株高、根长、分枝数、茎粗和叶面积。于每个花盆中选取一株性状典型的新鲜植株先于105℃烘干2h，后于65℃烘干72h至恒重，最后测量植物单株地上生物量和地下生物量。根冠比由地下生物量除以地上生物量计算而来。
36.4、饲草紫花苜蓿逆境胁迫参数：
37.丙二醛含量测定：取新鲜植物叶片0.1g，加入1ml 5％三氯乙酸溶液，研磨至匀浆并离心。取上清液600μl，加入600μl 0.67％硫代巴比妥酸溶液，100℃水浴10min后冷却至常温，再次离心15min。取上清液于96微孔板中，分别测定样品在532nm、600nm、450nm波长下的吸光值，利用吸光值差值计算丙二醛含量。
38.可溶性蛋白含量测定：取新鲜植物叶片0.1g，加入1ml去离子水，研磨至匀浆并离心，得到样品待测液。配置100μg
·
ml-1
的牛血清蛋白溶液，并稀释至0、2、4、6、8、20、40、60和80μg
·
ml-1
的标准溶液。取40μl样品待测液或标准溶液于96微孔板中，加入200μl考马斯亮蓝溶液，放置2min待反应完成，测定样品及标准溶液在595nm波长下的吸光值，根据标准曲线计算可溶性蛋白含量。
39.可溶性糖含量测定：取新鲜植物叶片0.1g，加入10ml去离子水，100℃水浴30min，冷却后并定容到25ml，得到样品提取液。吸取0.5ml提取液，加入1.5ml去离子水、0.5ml蒽酮乙酸乙酯溶液及5ml浓硫酸，充分混合，100℃水浴1min，冷却至室温，得到样品待测液。配置100μg
·
l-1
的蔗糖溶液，并稀释至0、1、2、5、8、10、20、30、40和50mg
·
l-1
的标准溶液。取200μl样品待测液或标准溶液于96微孔板中，测定样品及标准溶液在630nm波长下的吸光值，根据标准曲线计算可溶性糖含量。
40.脯氨酸含量测定：取新鲜植物叶片0.1g，加入5ml 3％磺基水杨酸溶液，100℃水浴10min，冷却至室温后过滤得到样品提取液。配置100μg
·
ml-1
的脯氨酸溶液，并稀释至0、1、3、4、5和6μg
·
ml-1
的标准溶液。取1ml样品提取液，加入1ml冰醋酸及1ml酸性茚三酮溶液，100℃水浴30min，冷却后加入2ml甲苯，混合后取上层液体离心。取上层红色溶液200μl于96微孔板中，测定样品在520nm波长下的吸光值，根据标准曲线计算脯氨酸含量。
41.5、饲草紫花苜蓿营养品质参数：
42.取烘干植物叶片约1g，研磨至粉末，使用ft-ir(fourier transform infrared spectrometry)近红外光谱仪测定粗脂肪、粗蛋白、酸改性洗涤纤维(acid detergent fiber，adf)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，ndf)和木质素含量。根据adf和ndf含量，相对饲用价值(relative feedvalue，rfv)可通过以下公式进行计算：
43.rfv＝dmi
×
ddm
÷
1.29
ꢀꢀ
(1)
44.结果
45.1、土壤特性：
46.生物炭添加显著(p《0.05，lsd)降低了土壤含盐量、ph值和含水率，并提高了土壤无机氮含量。土壤含盐量、ph值和含水率随生物炭浓度升高而线性降低，分别在方案四中达到最低，含盐量为0.80％，ph值为7.82，含水率为14.30％，相比对照分别减少48.1％、42.8％和8.3％。土壤无机氮含量随生物炭浓度升高而呈现先下降后上升的趋势，在方案四中达到最高，为21.57mg
·
kg-1
，相比对照升高67.1％。
47.2、饲草紫花苜蓿生长参数：
48.生物炭添加显著(p《0.05，lsd)提高了紫花苜蓿的发芽率、株高、根长、分枝数、茎粗、叶面积、单株地上生物量、单株地下生物量和根冠比，且促进效果随生物炭浓度升高而增强，在5％生物炭组达到最高。方案三紫花苜蓿的发芽率为82.00％，株高为27.52cm，根长为12.79cm，分枝数为11，茎粗为1.15mm，单株地上生物量为0.23g，单株地下生物量为
0.063g，叶面积为44.71cm2，相比对照分别增长66.1％、47.1％、54.3％、30.4％、17.86％、225.0％、53.7％和188.6％。
49.3、饲草紫花苜蓿逆境胁迫参数：
50.生物炭添加显著(p《0.05，lsd)降低了紫花苜蓿的丙二醛、可溶性蛋白和脯氨酸含量。方案三中紫花苜蓿的丙二醛含量为36.07μmol
·
mg-1
，可溶性蛋白含量为2.49mg
·
g-1
，脯氨酸含量为0.064mg
·
g-1
，相比对照分别降低15.7％、12.8％和20.4％；相反，紫花苜蓿的可溶性糖含量在方案四中降到最低，为7.48μg
·
g-1
，相比对照增加6.2％。
51.4、饲草紫花苜蓿营养品质参数：
52.生物炭处理显著(p《0.05，lsd)增加了紫花苜蓿的木质素含量和相对饲用价值，但降低了粗脂肪和中性洗涤纤维含量。方案三中紫花苜蓿的木质素含量为9.49％，相对饲用价值为142.06，相比对照分别增加12.4％和10.9％；相反，方案三中紫花苜蓿的粗脂肪含量为2.51％，中性洗涤纤维含量为42.02％，相比对照分别降低11.0％和9.8％。
53.盐碱土的ph值通常大于8.5，盐度超过0.6％，改良处理前后土壤ph值和盐度变化是评价盐碱土改良成功与否的最重要因素。本发明结果表明，生物炭能够有效降低土壤盐度、ph值和含水率。由于生物炭具有多孔结构，富含吸附能力较强的官能团，有助于盐的淋率和土壤胶体的交换，使土壤中的na
+
被二价阳离子所取代，从而降低土壤盐度。生物炭添加也能够产生较多正电荷和负电荷，减少土壤养分流失，增强土壤缓冲能力，从而降低盐碱土ph值，同时，生物炭氧化过程中释放的酸性官能团也可能是导致土壤ph值降低的原因。土壤氮元素是农作物及土壤生物赖以生存的重要物质基础，其中，铵氮、硝氮、亚硝氮是速效氮养分，可以被植物直接吸收利用，对植物的生长发育具有非常重要的调节作用，有助于植物合成氨基酸和次生代谢产物。因此，土壤中的无机氮含量一定程度上反映了土壤的养分水平。在本研究中，生物炭浓度越高，土壤无机氮含量越高，生物炭添加使土壤养分变得丰富，更有利于植物吸收，从而提高作物产量。
54.生物炭是一种富含碳元素的生物质材料，能够促进土壤养分积累，并提高植物地上部和地下部对氮、磷、钾、钙和镁的吸收效率，有助于植物生长。同时生物炭能够通过调节土壤ph值促进生物硝化作用，并通过调节根系活力帮助根瘤菌进行生物固氮，改变氮的利用效率，促进植物对矿物元素的吸收，增加植物生物量及土壤初级生产力。本研究中生物炭添加显著增强了紫花苜蓿的生长及功能性状，促进地上、地下部协同生长，并且极大增强了紫花苜蓿的产量，其中方案三能够达到最大的促进效果。
55.土壤中盐分的积累会破坏植物体内活性氧含量的平衡，导致活性氧累积过多，加重对蛋白质、核酸及脂类的氧化损伤，而其中脂质过氧化过程会导致丙二醛的增加，以上过程被称为氧化胁迫，丙二醛可以被视作植物受氧化胁迫的表征物质。在本研究中，紫花苜蓿体内丙二醛含量在生物炭处理中显著降低，这表明生物炭能够有效降低植物受氧化胁迫的程度。作为植物体内的渗透调节物质，脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的积累可以帮助细胞内水分平衡，来抵御植物受到盐碱刺激时的渗透胁迫，防止植物吸水困难以及细胞代谢紊乱，因此脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的含量可以用来表征植物受渗透胁迫的程度大小。脯氨酸是一种多功能氨基酸，在各种胁迫条件下植物体内会大量积累。脯氨酸积累与许多细胞过程密切相关，如渗透压调节、氧化还原平衡和防御病原体等。可溶性蛋白和可溶性糖对植物结构和代谢都起着重要的作用，能够参与渗透调节、活性氧的形成与清除等多种抗
逆生理反应，同时也是营养物质和代谢物信号分子。在本发明中，紫花苜蓿的脯氨酸和可溶性蛋白含量在方案三中均显著降低，表明生物炭能够缓解紫花苜蓿的渗透胁迫，以促进植物在盐碱环境中的生长。
56.在中国北方干旱及半干旱草原上，紫花苜蓿是主要的饲用型牧草，改善紫花苜蓿的营养品质具有重要的现实意义。作为生命体的主要组成部分，蛋白质及糖类为植物的生命活动提供了重要来源，且能够通过牲畜啃食使养分在食物链中传递，使牲畜获取能量并茁壮生长。木质素在植物体内的积累为其直立生长提供支撑作用，因此木质素含量一定程度上能够反映植物生长情况。根据我国苜蓿甘草品质评定方法，粗蛋白质、粗脂肪、酸改性洗涤纤维、中性洗涤纤维和相对饲用价值等指标能够直接反映苜蓿的营养品。在本研究中，紫花苜蓿的粗脂肪含量虽然有所降低，但木质素含量和相对饲用价值在方案三中显著上升，表明生物炭显著增强紫花苜蓿的营养品质，并且将其质量分级从三级(相对饲用价值rfv《130)提升至二级(相对饲用价值rfv≥140)。在生产方面，经过方案三改良的紫花苜蓿能为畜牧行业提供营养价值高、产量大的战略性优质牧草，这对我国畜牧业健康稳定的发展具有重要意义。
57.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。

技术特征：
1.一种生物炭改良盐碱土壤的方法，其特征在于：将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，所述生物炭由玉米秸秆制作而成，烧制温度为400℃，烧制时间为2h，含碳量为40％～60％，ph值为8.8。2.根据权利要求1所述的一种生物炭改良盐碱土壤的方法，其特征在于：将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每kg土壤添加10g生物炭。3.根据权利要求1所述的一种生物炭改良盐碱土壤的方法，其特征在于：将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每kg土壤添加20g生物炭。4.根据权利要求1所述的一种生物炭改良盐碱土壤的方法，其特征在于：将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每kg土壤添加50g生物炭。5.根据权利要求1所述的一种生物炭改良盐碱土壤的方法，其特征在于：将生物炭颗粒与盐碱土壤充分混合，每kg土壤添加100g生物炭。6.权利要求4的所述一种生物炭改良盐碱土壤的方法在促进饲草紫花苜蓿生长中的应用。

技术总结
本发明涉及盐碱土壤改良技术领域，具体涉及一种生物炭改良盐碱土壤的方法及其促进饲草紫花苜蓿生长的应用。所述改良盐碱土壤的参数包括降低土壤含盐量、降低土壤pH值、提高土壤通透性、提高土壤无机氮含量。所述促进饲草紫花苜蓿生长的参数包括提高紫花苜蓿生长性状、降低紫花苜蓿逆境胁迫、增加紫花苜蓿营养品质。其中，提高紫花苜蓿的生长性状包括提高发芽率、株高、根长、分枝数、茎粗、叶面积、地上生物量、地下生物量和根冠比；降低紫花苜蓿的逆境胁迫包括降低丙二醛、可溶性蛋白和脯氨酸含量；增加紫花苜蓿营养品质包括提高木质素和相对饲用价值。综合，每公斤盐碱土壤添加50g生物炭具有最好的改良效果。物炭具有最好的改良效果。物炭具有最好的改良效果。


技术研发人员：刘杰 石紫阅
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：2023.06.03
技术公布日：2023/8/21