砂姜黑土改良——障碍因子消减与地

草甸潜育化-脱潜育化过程—黑土形成
2～6千年前 碳酸盐富集过程—结核形成（砂姜） 重碳酸盐水
0.8-1.4%有机质 (Q43)
Ca(HCO3)2= CaCO3+H2O+CO2
1.4～3万年前
(Q33~Q42)
砂 浆 黑 土 诊 断 依 据
2.9~4万年前
伴随属性障碍因子的砂姜黑土识别及分布界定
障碍因子特征
100
52.9
0
100
200 300 400 1m土层储水量（mm） 200 300 400 1-原始含水量； 1m土层储水量（mm） 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；20-100cm容重1.51 磨细土：0-20cm容重1.34；20-100cm容重1.45
888.0
山东
粘质石灰性砂姜黑土 粘质深砂姜层石灰性砂姜黑土 粘质覆盖石灰性砂姜黑土 岗黑土 姜底岗黑土
5
21.0 13.5 28.5 133.5 75.0
210.0
江苏
湖黑土 姜底湖黑土
5 34
94.5 42.0
355.5
盐黑土
无
10.5
合计
3420.0
障碍砂姜黑土土种分布界定及图形绘制
江苏省16个县/市/区界定到村级
砂姜黑土发育的地貌类型和剖面特点
砂姜黑土主要发育于河流间和山前低洼 平坦地区
土壤剖面 ①下部有碳酸盐聚集的砂浆层 ②中上部有胡敏酸胶体染黑的黑土层 ③有些土壤上层有被近代沉积物覆盖的暗 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
砂姜黑土形成
Fra Baidu bibliotek
19.5
12.2 14.9
3.改性减低内聚力
（1）改性物质：生物碳
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, 减少还有性(SBB,2012)
200-450℃闷烧
水稻秸秆生物炭微结构
组合式秸秆炭化炉(陈温福)
（2）改性物质：粗骨材料
1. 沙土 2. 粉煤灰（硅铝质的玻璃微珠和玻璃微多孔海绵体）
安徽省22个县区障碍砂姜黑土乡镇界定图
皖北伴有障碍因子砂姜黑土土种分布图
山东省省25个县区障碍砂姜黑土乡镇界定图
鲁东鲁南伴有障碍因子砂姜黑土土种分布图
河南省40个县区障碍砂姜黑土乡镇界定图

采样点
豫中豫南砂姜黑土土属分布图
砂姜黑土障碍因子消减原理 砂姜黑土改良基本原理
内因
障碍成因
消 减
外因
高 粘闭 田 间 持 水 量 龟 裂 含 水 量 减低僵板形成 水分动态变化 低 坚实僵板
易效水
田 间 持 水 量
含水量%
0
田间持水量
土壤
-30kPa %(v/v)
凋萎系数-1.5MPa
含水量 %(v/v) 占田间持水量 %
易-难效水分界点
土水势 (ψ,kPa) 含水量 %(v/v) 占田间持水量 %
难-极难效水分界点
土水势 (ψ,kPa) 含水量 %(v/v) 占田间持水 量%
青白土
31.2 35.2
0.2543b 0.3034b 0.3044b 0.5048a
秸秆还田-粉煤灰（黑炭）-控水组合技术效果（2012-2013麦季）
13.5 17.6
43.08 50.06
0.85 0.82
24.9 29.5
79.87 83.65
3.17 3.23
18.8 23.1
60.18 65.68
姜黑土 姜黄土
35.6
17.7
48.90
0.85
29.6
82.71
3.23
23.2
64.76
青白土 两合土 姜黄土
62.6 57.5 60.6
江苏省成果转化基金支持(2008)
（3）耕作改善
较好耕作层
含水量
塑限
粘闭
流限
泥浆
耕作
免耕 砂姜黑土水力学性质
地点 江苏新沂
样品数 7
塑限 (g/g) 31.0
流限 (g/g) 47.0
塑性指数% 16.2
安徽怀远/固镇
河南平舆/上蔡/汝南 山东临沂
12
10 3
26.8
25.9 22.4
46.3
38.1 37.3
激发
(高腐解菌) 100kg/亩
降低氧分压 增加堆腐效果
堆腐有机肥 耕翻下压 行间掩埋
减少物理扰动 缓解养分有机质表聚、板结
5季连免1季深耕翻
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, Huang et al, J of Food, Agr & Environ, 2012.
耕作层
20-50 20-50 50-
6.0
10.5 4.5 66.0
深位多量砂姜黑土
浅位钙盘砂姜黑土 深位钙盘砂姜黑土
5020-50 50无 无 20-50 50505050无 无 50-150 50-117 4652-113 100-120 77-100 67-100 70-100 55-100
34.5
砂姜黑土COLE和抗压强度与土壤黏粒(<2m)含量呈极显著正相关，而与 砂粒含量呈极显著负相关，表明砂姜黑土的高粘粒含量是控制土壤胀缩 和坚硬板结的主要因素。
省份
存在障碍因子 的土种名称
黑姜土 瘦黑姜土 黄姜土
砂姜位置 (cm)
53-120 58-102 25-100 70-120 40-120 无 60-100
（3）改性物质：改良剂
1. 杜拉纤维 2. 聚丙烯酰胺 3. ·····
技术验证
秸秆还田方式-耕作方式-控水组合技术 河南郸城城郊乡马寨村 秸秆还田-粉煤灰(黑炭)-控水组合技术试验 河南唐河上屯镇
秸秆还田方式-耕作方式-控水组合技术 安徽涡阳城东镇盛庄村
秸秆还田-粉煤灰(黑炭)-控水组合技术试验 安徽宿州市农科所试验农场
55.5 56.2 54.9 54.9 49.9 53.2 53.2 52.9 52.8
177.1 205.2 176.6 176.6 94.5 134.9 134.9 141.9 131.2
<1米
姜黑土 沙粉土 青白土 青白土 白黄土 两合土
两合土 59.6 淤土 0 57.5 淤土 沙粉土 沙粉土 白黄土 白黄土
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。
团聚体大小分布 (mm, %) 处理 5-2 CK 2%黑炭 4%黑炭 6%黑炭 5.07b 4.01b 8.54a 10.89a 2-1 4.17ab 3.06b 4.14ab 5.44a 1-0.5 13.95a 9.04b 10.37b 10.87b 0.5-0.25 5.95b 8.04ab 8.07ab 9.10a <0.25 70.86ab 76.24a 68.87ab 63.71b 平均加权 0.47bc 0.41c 0.51ab 0.57a 总孔隙度 (cm3/g)
对有机C、N的激发效果(2年)
耕翻下压
100kg/亩高腐解菌有机肥
18:17t和18:18t群落 --激发后特有
河南封丘潘店、汪寨示范现场（2008/2012)
行间掩埋+5季连免1季深耕翻
（2）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
梯次循环温控接种的堆肥新方法：高效低成本,无拮抗
Si-O四面体
型 蒙 脱 石
2:1
Al-O八面体
Si-O四面体
砂姜黑土膨胀系数和抗压强度
地点 江苏新沂 安徽怀远/固镇 河南平舆/上蔡/汝南 山东临沂
样品数 6 12 10 2
线性膨胀系数 (COLE)
0.108 0.090 0.081 0.069
抗压强度 （kPa）
1985 2633 2640 1071
全国高产创建暨增产模式攻关技术培训会
砂姜黑土改良：
障碍因子消减与地力提升技术
张佳宝 中国科学院南京土壤研究所 2014年8月4日 合肥
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
按各省第二次土壤普查资料
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
61.3 58.9 63.1
53.2 52.8 55.5
134.9 131.2177.1
难效水 极难效水 无效水
姜黄土 淤土 姜黑土
地 下 水 上 升 高 度
60.6 59.6 57.6 57.6 65.6 62.6 62.6 61.3 57.5
63.1 65.4 63.2 63.2 57.8 61.3 61.3 61.1 58.9
0
59.6 65.6
58.9 65.4 56.2 200 131.2 205.2 100 52.8 300 65.4 57.8
易效水 难效水 易效水 极难效水 难效水 无效水 极难效水 无效水 400
1m土层储水量（mm） 56.2 205.2 49.9 94.5
94.5 141.9 141.9
65.6 61.3 （57.8 61.1 52.9 g/g） 49.9 61.3 61.1
土种 个数
面积 (万亩)
672.0 18.0 820.5
总面积 (万亩)
伴 有 属 性 障 碍 因 子 的 沙 姜 黑 土 土 种 名 称 与 面 积
安徽
瘦黄姜土 薄淤黑姜土 厚淤黑姜土 覆泥黑姜土
7
4.5 166.5 258.0 27.0
1966.5
砂姜黑土
浅位少量砂姜黑土 浅位多量砂姜黑土 深位少量砂姜黑土
嗜高温促腐解菌组 堆肥周期 1 菌剂1 初期 菌剂2 高温期 菌剂3 降温期
一次添加,周期循环接种
周期2 ···循环
新型好氧快速连续发酵装置：提高了设备负荷, 缩短了发酵时间
技术参数优于国外同类产品
自落式与双螺旋抄板搅拌结合 分步式补,氧暴氧均匀
运行成本为同性能的1/5-1/7 有机肥产品达GB7959和GB8172标准的要求。
>30%粘粒； 2:1型蒙脱 粘土矿物
减低内聚力 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 （秸秆、有机肥、起垄、免耕）
控水
改良和提升地力关键技术 砂姜黑土改良基本原理
1.控水防止僵板形成
龟裂开始点
无效水 极难效水
凋 萎 系 数 难 极 难 界 点 -
难效水
易 难 界 点 -
干坚实，湿粘闭 胀缩强，耕期短 僵块多，结构差
有障碍因子判别标准
① 土壤粘粒含量≥30%；
内在机制
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
层间可交 换性阳离子 Ca基 Mg基 Na基 · · · · · ·
② 土壤粘土矿物以2:1型蒙脱石为主 （占最高比例）； ③ 耕层土壤有机质含量在1.5%以下， 耕层以下小于1%； ④ 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%。
COLE>0.06，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 COLE 抗压强度 pH 电导率 OC 全氮 全磷 粘粒(<2 m) 粉粒(2-20m) 沙粒(20-2000m) 塑性指数 P<0.01; P<0.05 线性膨胀系数(COLE) 1 0.519 -0.140 -0.144 0.361 0.358 0.346 0.796 0.010 -0.673 -0.413 抗压强度 0.519 1 -0.182 -0.304 -0.133 0.170 0.152 0.576 0.429 -0.744 0.053
13.5 31.5
河南
青黑土 粘质黑老土 浅位少量砂姜石灰性砂姜黑土 深位少量砂姜石灰性砂姜黑土 浅位多量砂姜石灰性砂姜黑土 深位多量砂姜石灰性砂姜黑土 深位钙盘石灰性砂姜黑土 复石灰青黑土 粘质石灰性黑老土 粘质砂姜黑土 粘质深砂姜层砂姜黑土
16
267.0 291.0 15.0 34.5 7.5 18.0 3.0 61.5 24.0 103.5 43.5
智能墒情监测与精准控水
2.调控减低内聚力
（1）激发式秸秆还田快速提升有机质 两个重要发现 稳定性地力提升:
有机质 团聚体 微生物总量 (G+ 好氧菌 放线菌) 秸秆、有机肥施用18年,土壤有机质1.53%、1.75%,后者诱发阿氏芽孢杆菌等
加速的着力点：有机肥激发 调低O2分压 减少物理扰动 激发式秸秆还田： 秸秆 还田