本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及酸性土壤生物质炭改良剂及其制备方法和应用。
背景技术：
我国南方热带和亚热带地区土壤一般呈酸性（赵其国等，2002.科学出版社）。酸性土壤较低的ph和铝毒严重限制该类土壤上农作物生长和农林业生产。近年来，由于酸沉降和铵态氮肥的过量施用等原因，土壤酸化速率加快，酸化范围进一步扩大（guoetal.,2010.science,327:1008–1010）。传统的酸性土壤改良方法是施用石灰等碱性物质中和土壤酸度，提高土壤ph。这一方法虽然有效，但需要消耗大量的矿产资源，并且存在土壤复酸化的问题。
近年的研究发现由农作物秸秆等农业废弃物经厌氧热解制备的生物质炭对酸性土壤有一定的改良效果，因为生物质炭中含有碱性物质，能够直接中和土壤酸度。另一方面，由于添加生物质炭能提高土壤的ph缓冲容量，它还具有抑制土壤复酸化的功效。但与石灰相比，单位质量的生物质炭的碱含量较低，因此要到达与石灰相似的改良效果，必须加大生物质炭的施用量。由于生物质炭的制备和生产费用较高，用于改良酸性土壤的成本也相应增加。这些不利因素使生物质炭难以在农业生产中大规模推广和应用。但是，秸秆生物质炭的含碱量及其对酸性土壤改良效果随产生秸秆的农作物品种及其生长的土壤而变化，这为我们研发高效生物质炭改良剂创造了条件。
技术实现要素：
解决的技术问题：本发明针对一般农作物秸秆制备的生物质炭碱含量相对较低，对酸性土壤的改良效果不佳，秸秆生物质炭用量很大和施用成本较高等问题，提供一种酸性土壤生物质炭改良剂及其制备方法和应用。
技术方案：盐碱土上生长的向日葵叶和盘在制备酸性土壤生物质炭改良剂中的应用。
上述改良剂的制备步骤为：将生长在盐碱土上的向日葵收获后的叶和盘风干磨细，然后在400℃下厌氧热解制得。
优选的，上述热解时间为3小时。
酸性土壤生物质炭改良剂富含碱性物质和钾钙镁作物必需的养分。
酸性土壤生物质炭改良剂，由上述方法制得。向日葵叶和盘生物质炭碱含量分别达7.41mol/kg和5.37mol/kg，分别相当于370.5g和268.5g碳酸钙的酸中和能力；所述向日葵叶生物质炭钾、钙和镁含量分别为518.7、250.6和140.6cmol/kg，向日葵盘生物质炭钾、钙和镁含量分别为464.1、123.9和59.5cmol/kg。
上述酸性土壤生物质炭改良剂在降低酸性土壤铝毒中的应用。
上述酸性土壤生物质炭改良剂在提高酸性土壤ph中的应用。
上述酸性土壤生物质炭改良剂在提高酸性土壤交换性钾、钙和镁中的应用。
上述酸性土壤生物质炭改良剂在钝化酸性土壤中毒性镉中的应用。
上述应用的具体方法为，按土重的1-3%施用酸性土壤生物质炭改良剂，将土壤与酸性土壤生物质炭改良剂混匀，将土壤含水量调节至田间持水量的60%，一周后种植作物。
盐碱土含丰富的钾、钙、镁等盐基阳离子，生长在盐碱土上的向日葵从土壤中吸收大量钾、钙和镁，因此在其叶和盘中积累了较多的碱性物质（有机阴离子），以保持植物体的电中性状态。在厌氧热解制备生物质炭过程中，碱性物质被浓缩，部分转化为碳酸盐等无机碱性物质，其余部分仍以有机阴离子存在。当将生物质炭添加到酸性土壤中，生物质炭中的碱与酸发生中和反应，提高土壤ph，同时大量钾钙镁等盐基阳离子与土壤交换性铝反应，增加土壤交换性钾、钙和镁含量，并将交换性铝释放到溶液中，这些铝离子在较高ph下发生水解并形成氢氧化铝沉淀，使土壤毒性铝离子含量显著减少。这是本发明的主要技术原理。与普通秸秆生物质炭相比，本发明中向日葵叶和盘生物质炭的碱含量成倍增加，使得其对土壤酸度的改良效果大幅度提升，因此，是一种高效酸性土壤改良剂。
有益效果：由生长在盐碱土上的向日葵叶和盘制备的生物质炭含大量的碱性物质以及钾、钙和镁等作物必需的养分。向酸性土壤中添加这两种生物质炭有效中和了土壤酸度，提高了酸性土壤的ph以及交换性钾、钙和镁的含量，降低了酸性土壤交换性铝含量，缓解甚至消除了这类土壤中铝对植物的毒害。与普通秸秆生物质炭相比，向日葵叶和盘生物质炭的碱含量成倍增加，改良酸性土壤时改良剂用量减少，使用成本下降。内陆地区的盐碱土含大量钾、钠、钙和镁的可溶性无机盐，这类土壤大多分布于干旱地区，土壤中多余的盐分很难去除。另一方面，酸性土壤主要分布于多雨地区，土壤中钾、钙和镁等盐基性养分严重缺乏。因此，将生长在盐碱土上的向日葵等作物的废弃物制备成生物质炭，并施用于酸性土壤，可以将盐碱土多余的盐分转移到酸性土壤中，既降低了盐碱土可溶盐含量，又提高了酸性土壤交换性盐基阳离子的含量，缓解了酸性土壤盐基性养分缺乏的问题，具有双重功效。因此，本发明中向日葵叶和盘生物质炭不仅是高效的酸性土壤改良剂，对改良盐碱土也具有有益效果。
附图说明
图1不同秸秆原料制备的生物质炭含碱量比较示意图；
图2不同秸秆原料制备的生物质炭含钾量比较示意图；
图3不同秸秆原料制备的生物质炭含钙量比较示意图；
图4不同秸秆原料制备的生物质炭含镁量比较示意图；
图5添加1%的生物质炭对江西红壤ph提升效果的比较示意图；
图6添加不同量的稻草炭对江西红壤ph提升效果的比较示意图；
图7添加1%的生物质炭对江西红壤交换性铝降低效果的比较示意图；
图8添加1%的生物质炭对江西红壤交换性钾含量提升效果的比较示意图；
图9添加1%的生物质炭对江西红壤交换性钙含量提升效果的比较示意图；
图10添加1%的生物质炭对江西红壤交换性镁含量提升效果的比较示意图；
图11添加3%玉米秸秆炭和向日葵盘炭对江西水稻土ph提升效果的比较示意图；
图12添加3%玉米秸秆炭和向日葵盘炭对湖南水稻土ph提升效果的比较示意图。
具体实施方式
实施例1
生物质炭碱含量和钾、钙、镁含量
从内蒙古巴彦淖尔收集向日葵秸秆，这些向日葵生长在该地区的盐碱土上。向日葵籽粒收获后分向日葵叶、盘和茎采集物料，带回实验室风干、磨细备用。同时在江苏南京采集稻草和油菜秸秆，按相同方式处理这两种秸秆，用于对比研究。将不同有机物料分别装入陶瓷坩埚、压紧、盖上盖子，然后放入马弗炉中，400℃下炭化3小时。冷却后用于碱含量和钾、钙和镁的测定。图1结果表明，由向日葵叶和盘制备的生物质炭，其碱含量远高于油菜秸秆炭、稻草炭和向日葵茎制备的生物质炭。比较图1中的结果，向日葵叶生物质炭的碱含量分别为油菜秸秆炭的3.6倍，稻草炭的3.5倍，向日葵茎生物质炭的2.6倍；向日葵盘生物质炭的碱含量分别为油菜秸秆炭的2.6倍，稻草炭的2.4倍，向日葵茎生物质炭的1.9倍。由此可见，生长在盐碱土上向日葵的叶和盘是制备酸性土壤生物质炭改良剂的优良原料。
酸性土壤地区由于年降雨大，土壤中的钾、钙、镁等养分容易淋失，这类土壤中钾、钙、镁等养分比较缺乏，也是作物生长不良的原因。图2-4的结果表明，向日葵叶和盘制备的生物质炭中钾、钙和镁的含量也远高于稻草炭。向日葵叶生物质炭的钾、钙和镁含量分别为稻草炭的3.1、3.9和9.6倍；向日葵盘生物质炭的钾、钙和镁含量分别为稻草炭的2.8、1.9和4.1倍。这些结果说明，向日葵叶和盘制备的生物质炭不仅具备中和土壤酸度的巨大潜力，而且能有效提升酸性土壤钾、钙和镁等养分含量，提高土壤肥力水平。
实施例2
培养实验条件下生物质炭对旱地红壤的改良效果
称取200g风干酸性红壤（采自江西鹰潭），按土重的1%分别添加稻草炭和由向日葵叶、盘和茎制备的生物质炭，设置不加生物质炭的处理为对照。将土壤样品与生物质炭充分混合均匀后放入一次性塑料杯中，用去离子水将土壤含水量调节至土壤田间持水量的60%，用塑料薄膜封口塑料杯，并在薄膜上留5个口径为2mm的小孔，以便气体交换并减少水分损失。然后将塑料杯置于25℃的恒温培养箱中黑暗培养30天。每隔3天称重并补充水分，以保持土壤含水量恒定。培养结束后，将土壤样品取出风干、研磨、过60目筛，测定土壤ph、土壤交换性铝及交换性钾、钙和镁含量。图5的结果说明，与对照相比，添加不同生物质炭均能提高红壤的ph，但土壤ph的提升幅度存在很大差异。稻草炭和向日葵茎生物质炭仅使土壤ph分别提高0.16和0.19，而向日葵叶生物质炭和向日葵盘生物质炭分别使土壤ph提高1.2和0.95，说明向日葵叶和盘生物质炭对土壤酸度的改良效果远远优于稻草炭。图6的结果说明，随着稻草炭添加量的增加，土壤ph提升幅度增加，当稻草炭的添加量为5%时，土壤ph增加1.21，与添加1%的向日葵叶生物质炭的效果相当。由此可见，相同条件下，如施用向日葵叶和盘生物质炭，可以大大降低生物质炭的用量。
酸性土壤中铝毒是导致这类土壤上作物生长不良，甚至减产的主要原因。图7的结果表明，与对照相比，添加稻草炭虽降低了土壤交换性铝，但降幅不大；添加向日葵叶和盘生物质炭使土壤交换性铝降低到很低水平，可以有效缓解或消除土壤铝毒害。图8-10的结果表明，与对照相比，添加生物质炭提高了土壤交换性钾、钙和镁含量，添加向日葵叶和盘生物质炭的效果优于添加稻草炭。上述结果说明，由向日葵叶和盘制备的生物质炭在提高酸性土壤ph、降低土壤交换性铝和提高土壤交换性钾、钙和镁等方面均表现出特别优良的效果。
实施例3
培养实验条件下生物质炭对酸性水稻土的改良效果
分别从江西鹰潭和湖南长沙采集酸性水稻土，将土壤样品风干、磨细，然后按土重3%的比例分别添加玉米秸秆炭和向日葵盘生物质炭，混匀后按实施例2中所描述的方法进行恒温培养，培养30天后测定土壤ph。图11和图12的结果表明，添加向日葵盘生物质炭对2种水稻土ph的提升效果远远优于玉米秸秆炭，表现出对酸性水稻土优良的改良效果。
1.盐碱土上生长的向日葵叶和盘在制备酸性土壤生物质炭改良剂中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，制备步骤为：将生长在盐碱土上的向日葵收获后的叶和盘风干磨细，然后在400℃下厌氧热解制得。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述热解时间为3小时。
4.酸性土壤生物质炭改良剂，其特征在于，富含碱性物质和钾钙镁作物必需的养分。
5.权利要求4所述酸性土壤生物质炭改良剂在降低酸性土壤铝毒中的应用。
6.权利要求4所述酸性土壤生物质炭改良剂在提高酸性土壤ph中的应用。
7.权利要求4所述酸性土壤生物质炭改良剂在提高酸性土壤交换性钾、钙和镁中的应用。
8.权利要求4所述酸性土壤生物质炭改良剂在钝化酸性土壤中毒性镉中的应用。
9.权利要求5-8任一所述应用，其特征在于：按土重的1-3%施用酸性土壤生物质炭改良剂，将土壤与酸性土壤生物质炭改良剂混匀，将土壤含水量调节至田间持水量的60%，一周后种植作物。
技术总结