砂姜黑土改良——障碍因子消减与地力提升技术(张佳宝)

1、张佳宝张佳宝中国科学院南京土壤研究所中国科学院南京土壤研究所20142014年年8 8月月4 4日日 合肥合肥砂姜黑土砂姜黑土改良：改良：障碍因子消减与地力提升技术障碍因子消减与地力提升技术全国高产创建暨增产模式攻关技术培训会全国高产创建暨增产模式攻关技术培训会 报告内容砂姜黑土知识伴随属性障碍因子的砂姜黑土识别及分布界定砂姜黑土障碍因子消减原理砂姜黑土改良和地力提升关键技术 砂姜黑土知识省 份 县市区 面积(万亩)安徽省 23 2471.5河南省 46 1993.1山东省 37 743.0江苏省 14 359.4合 计 120 5567.0按各省第二次土壤普查资料 砂姜黑土主要发育于河流间和

2、山前低洼砂姜黑土主要发育于河流间和山前低洼平坦地区平坦地区 土壤剖面土壤剖面下部有碳酸盐聚集的砂浆层下部有碳酸盐聚集的砂浆层中上部有胡敏酸胶体染黑的黑土层中上部有胡敏酸胶体染黑的黑土层有些土壤上层有被近代沉积物覆盖的暗有些土壤上层有被近代沉积物覆盖的暗棕土层棕土层 色黑但有机质含量低, 养分贫瘠，质地粘重，结构发育差，湿闭，干坚硬，耕性严重不良，有“僵土”之称 砂姜黑土发育的地貌类型和剖面特点砂姜黑土发育的地貌类型和剖面特点砂姜黑土形成砂姜黑土形成0.8-1.4%有机质(Q43)(Q33Q42)砂浆黑土诊断依据1.43万年前2.94万年前26千年前Ca(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2

3、重碳酸盐水碳酸盐富集过程碳酸盐富集过程结核形成（砂姜）结核形成（砂姜）草甸潜育化草甸潜育化-脱脱潜育化潜育化过程过程黑土形成黑土形成 伴随属性障碍因子的砂姜黑土识别及分布界定 干坚实，湿粘闭 胀缩强，耕期短 僵块多，结构差障碍因子特征内在机制Si-O四面体Al-O八面体Si-O四面体层间可交换性阳离子Ca基Mg基Na基2:1型蒙脱石很高的粘粒含量并伴有大量的2:1型膨胀性蒙脱石粘土矿物 土壤粘粒含量30%； 土壤粘土矿物以2:1型蒙脱石为主（占最高比例）； 耕层土壤有机质含量在1.5%以下，耕层以下小于1%； 土表-50cm土层0.5cm裂缝达25 cm深，地面开裂时，1cm的裂缝超过50%。

4、 有障碍因子判别标准地点样品数线性膨胀系数(COLE)抗压强度（kPa）江苏新沂60.108 1985 安徽怀远/固镇120.090 2633 河南平舆/上蔡/汝南100.081 2640 山东临沂20.069 1071 砂姜黑土膨胀系数和抗压强度COLE0.06，产生严重危害砂姜黑土耕层COLE和抗压强度与土壤性质的相关性土壤属性土壤属性线性膨胀系数线性膨胀系数(COLE)(COLE)抗压强度抗压强度COLECOLE1 1 0.519 0.519抗压强度抗压强度 0.519 0.5191 1pHpH-0.140-0.140-0.182-0.182电导率电导率-0.144-0.144-0.30

5、4-0.304OCOC 0.361 0.361 -0.133-0.133全氮全氮 0.358 0.358 0.170 0.170全磷全磷 0.346 0.346 0.152 0.152粘粒粘粒(2 (2 m m) ) 0.796 0.796 0.576 0.576粉粒粉粒(2-20(2-20 m m) ) 0.010 0.010 0.429 0.429沙粒沙粒(20-2000(20-2000 m m) ) -0.673 -0.673 -0.744 -0.744塑性指数塑性指数 -0.413 -0.413 0.053 0.053P0.01; P0.05砂姜黑土砂姜黑土COLE和抗压强度与土壤黏粒

6、和抗压强度与土壤黏粒(30%30%粘粒；粘粒；2:12:1型蒙脱型蒙脱粘土矿物粘土矿物内因外因水分动态变化水分动态变化龟裂含水量田间持水量粘闭坚实僵板改性措施 添加外源物质 （沙、粉煤灰、黑炭）调控措施 提高有机质 适宜耕作 控水 （秸秆、有机肥、起垄、免耕） 障碍成因消减砂姜黑土改良基本原理 砂姜黑土障碍因子消减原理减低内聚力减低僵板形成低高土壤田间持水量-30kPa%(v/v)凋萎系数-1.5MPa易-难效水分界点难-极难效水分界点含水量%(v/v)占田间持水量%土水势(,kPa)含水量%(v/v)占田间持水量%土水势(,kPa)含水量%(v/v)占田间持水量%青白土31.213.543.

7、080.8524.979.873.1718.860.18姜黑土35.217.650.060.8229.583.653.2323.165.68姜黄土35.617.748.900.8529.682.713.2323.264.76无效水无效水极难效水极难效水 难效水难效水易效水易效水0 0凋萎系数凋萎系数难难- -极难界点极难界点易易- -难界点难界点田间持水量田间持水量含水量含水量% % 龟裂开始点龟裂开始点1.控水防止僵板形成砂姜黑土改良基本原理 改良和提升地力关键技术地下水上升高度地下水上升高度11米米1-原始含水量；2-毛管水上升稳定后含水量；3-田间持水量原状土：0-20cm容重1.32；

8、20-100cm容重1.51磨细土：0-20cm容重1.34；20-100cm容重1.45（g/g）智能墒情监测与精准控水智能墒情监测与精准控水 （1 1）激发式秸秆还田激发式秸秆还田快速提升有机质快速提升有机质Chu, Lin* et al, SBB, 2007; Lin* et al, EST, 2012; Yu, Ding* et al, 2012, Soil Tillage & Research; Yu, Ding* et al., Biology & Fertility of Soils; Zhang, Ding* et al, SBB, 2013. Nie, Hua

9、ng et al, J of Food, Agr & Environ, 2012.p 两个重要发现两个重要发现 稳定性地力提升稳定性地力提升: :有机质有机质 团聚体团聚体 微生物总量微生物总量 (G+(G+ 好氧菌好氧菌 放线菌放线菌 ) )秸秆秸秆、有机肥施用有机肥施用1818年年, ,土壤有机质土壤有机质1.53%1.53%、1.75%1.75%, ,后者诱发阿氏芽孢杆菌等后者诱发阿氏芽孢杆菌等p 加速的着力点：加速的着力点：有机肥激发有机肥激发 调低调低O O2 2分压分压 减少物理扰动减少物理扰动 p 激发式秸秆还田：激发式秸秆还田： 秸秆秸秆 还田还田 (高腐解菌)堆腐有机

10、肥堆腐有机肥 100kg/100kg/亩亩 激发激发 降低氧分压降低氧分压 增加堆腐效果增加堆腐效果耕翻下压耕翻下压 行间掩埋行间掩埋5 5季连免季连免1 1季深耕翻季深耕翻 减少物理扰动减少物理扰动缓解养分有机质表聚、板结缓解养分有机质表聚、板结2.调控减低内聚力100kg/100kg/亩高腐解菌有机肥亩高腐解菌有机肥行间掩埋行间掩埋+5+5季连免季连免1 1季深耕翻季深耕翻耕翻下压耕翻下压河南封丘潘店、汪寨示范现场（河南封丘潘店、汪寨示范现场（2008/2012)2008/2012)对有机对有机C C、N N的激发效果的激发效果(2(2年年) )18:118:1 7t7t和和18:118:

11、1 8t8t群落群落-激发后特有激发后特有（2 2）高腐解菌堆腐有机肥生产连续好氧快速发酵技术高腐解菌堆腐有机肥生产连续好氧快速发酵技术 激发式秸秆还田对高腐解菌有机肥产生了极大需求，发明了激发式秸秆还田对高腐解菌有机肥产生了极大需求，发明了 p梯次循环温控接种的堆肥梯次循环温控接种的堆肥新方法：新方法：高效低成本高效低成本, ,无拮抗无拮抗堆肥周期 1 初期 高温期 降温期 周期2 循环 嗜高温促腐解菌组嗜高温促腐解菌组菌剂1 菌剂2 菌剂3一次添加一次添加, ,周期循环接种周期循环接种p新型好氧快速连续发酵装置：新型好氧快速连续发酵装置：提高了设备负荷提高了设备负荷, 缩短了发酵时间缩短了

12、发酵时间自落式与双螺旋抄板搅拌结合自落式与双螺旋抄板搅拌结合 分步式补分步式补, ,氧暴氧均匀氧暴氧均匀运行成本为同性能运行成本为同性能的的1/5-1/71/5-1/7有机肥产品有机肥产品达达GB7959GB7959和和GB8172GB8172标准标准的要求。的要求。江苏省成果转化基金支持江苏省成果转化基金支持(2008)(2008)技术参数优于国外同类产品地点样品数塑限(g/g)流限(g/g)塑性指数%江苏新沂731.0 47.0 16.2 安徽怀远/固镇1226.8 46.3 19.5 河南平舆/上蔡/汝南1025.9 38.1 12.2 山东临沂322.4 37.3 14.9 砂姜黑土水

13、力学性质砂姜黑土水力学性质塑限 流限较好耕作层较好耕作层 粘闭粘闭 泥浆泥浆 含水量 耕作耕作 免耕免耕 （3）耕作改善）耕作改善组合式秸秆炭化炉组合式秸秆炭化炉( (陈温福陈温福) )（1 1）改性物质：）改性物质：生物碳生物碳200-450200-450闷烧闷烧水稻秸秆生物炭微结构水稻秸秆生物炭微结构加生物炭能改善土壤结构，提高土壤生物活性加生物炭能改善土壤结构，提高土壤生物活性加生物炭促进稻田甲烷氧化菌生长加生物炭促进稻田甲烷氧化菌生长, , 减少还有性减少还有性(SBB,2012)(SBB,2012)3.改性减低内聚力（2）改性物质：粗骨材料粗骨材料1. 沙土沙土2. 粉煤灰（硅铝质的玻璃微珠和玻璃微多孔海绵体）粉煤灰（硅铝质的玻璃微珠和玻璃微多孔海绵体）（3）改性物质：改良剂改良剂1. 1. 杜拉纤维杜拉纤维2. 2. 聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺3. 3. 技术验证控制实验研究结果表明，亩施4吨以上的黑炭，可促进2-5mm大团聚体形成，增加土壤总孔容。 处理处理团聚体大小分布团聚体大小分布 (mm, %)(mm, %)总孔隙度总孔隙度(cm(cm3 3/g)/g)5-25-22-12-11-0.51-0