CN103323574A

CN103323574A - 稻壳炭改良酸性土壤的方法

Info

Publication number: CN103323574A
Application number: CN2013101788741A
Authority: CN
Inventors: 刘荣厚; 王燕
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种稻壳炭改良酸性土壤的方法；所述方法包括如下步骤：第一步，稻壳炭的获取：稻壳在流化床反应器中快速热裂解制得；第二步，土壤为0～20cm的表层酸性土；第三步，稻壳炭与土壤机械性混匀，其中稻壳炭的添加量为大于1%且小于等于4%；第四步，保持土壤水分为最大持水量的50～75%；本发明采用稻壳炭添加酸性土壤中，稻壳炭可以显著增加土壤碳贮存，提高土壤有效钾含量，增加土壤中镁、锰等微量元素含量，提高土壤的pH值，并且在一定程度上降低了重金属铅的有效性，对土壤不会造成二次污染。本发明方法简单，节能减排，成本低，效率高，效果显著。

Description

稻壳炭改良酸性土壤的方法

技术领域

本发明涉及一种改良酸性的方法，特别涉及一种稻壳炭改良酸性土壤的方法。

背景技术

我国国土面积约占全球陆地面积的1/15，而土壤总有机碳库仅占全球的1/30，所以我国是低土壤有机碳的国家。50～80年代初，由于人口的急剧增长，大面积的自然土壤被开垦，我国土壤总体上以富有机碳的自然土壤有机碳的消耗为特征。在东北和西北，原富有机碳的草甸草原土壤或草原土壤开垦后有机碳降低幅度为9～30g/kg。另外由于土壤储存着高达1500Pg的有机碳（SOC），是大气碳库的3倍、陆地生物量的约2.5倍，土壤通过呼吸排出的CO₂是决定陆地生态系统碳平衡的主要因子，因此抑制土壤二氧化碳及氮氧化物的排放，增加土壤的碳储存，是减缓气候变暖的有效措施。

在自然界中，酸性土壤占全球没有冰覆盖的土壤的30%，它们常常与生物多样性和生产力水平低下有关。土壤酸化可能是由酸雨造成的，然而过度使用某种类型的氮肥则是另一个原因，而这也被研究人员确认为造成中国土壤酸化的罪魁祸首。而土壤的pH值对于植物生长是至关重要的。大多数农作物都会在中性或微酸性土壤中茁壮生长。而一旦土壤的pH值下降，其所带来的疾病和害虫将阻碍植物的生长。并且强酸环境还会加速有毒金属向周围水体的滤出。

因此寻找一种既能固碳又能改良土壤的环境友好型物质是生态环境领域研究的重点。生物炭，一种生物质经高温（无氧或低氧条件下）热裂解产生的物质，应运而生生物炭通常含碳40～75%，其中碳大多以稳定芳香环不规则叠层堆积存在，含羟基（-OH）、烯烃（C=C）含少量矿物质和挥发有机化合物，呈碱性，不易为微生物分解，且裂解温度越高，pH值越高。生物炭之所以呈碱性，是因为它含有一定量的灰分，灰分中含有矿质元素如Na、K、Mg、Ca等的氧化物或碳酸盐，溶于水后呈碱性。生物炭的多孔性、巨大的表面积及羧基基团赋予生物炭强吸附能力，使其具有较大的离子交换量。并且，生物炭可以长期完整地保存在土地中而不被分解成二氧化碳。因此，将生物炭施入土壤就是一种有效且廉价的固存CO₂的方法。

本研究以流化床反应器稻壳快速热裂解制取的生物炭及茶园酸性土壤为试验材料，开展了生物炭对土壤养分及酸碱度的影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种稻壳炭改良酸性土壤的方法，既能固碳又能改良土壤，具有环境友好的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明提供一种稻壳炭改良酸性土壤的方法，所述方法包括如下步骤：

第一步，稻壳炭的获取：稻壳在流化床反应器中快速热裂解制得；

第二步，土壤的采集：采集表层土样；

第三步，稻壳炭与土壤机械性混匀，稻壳炭的添加重量为大于1%且小于等于4%；

第四步，土壤定期浇水。

优选地，第一步中，所述裂解温度为500～550℃。

优选地，第二步中，所述采集0～20cm的土层。

优选地，第三步中，所述稻壳炭的粒径小于1mm，所述土壤的粒径小于5mm。

优选地，第四步中，所述土壤温度为20～30℃，湿度为60～80%。

优选地，第四步中，所述土壤水分为田间最大持水量的50～75%。

优选地，所述稻壳炭越多，改良土壤酸性效果越好，土壤阳离子交换量越高，重金属有效性越低。

本发明针对宜兴茶园土壤酸度大，重金属铅含量高的问题，提出了添加稻壳炭以改良土壤的方法。本实验采用土壤室内培养的方法，研究短期内稻壳炭添加对土壤pH值、养分及重金属铅的影响。土壤pH过低，会阻碍植物生长，使得一些有毒金属离子向外释放，而稻壳炭为碱性，其水溶液pH值为7.96，向土壤中施加稻壳炭可以提高土壤的pH值，与稻壳炭添加量成正比；除此之外，由于稻壳炭比表面积巨大，本身含有丰富的矿质养分，因此，添加稻壳炭的土壤总炭，钾、钙、镁、锰、钠的含量都增加，随稻壳炭添加量的增加而增加；铅和铝的有效性成降低趋势与添加稻壳炭量成反比。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明采用稻壳炭添加酸性土壤中，稻壳炭可以显著增加土壤碳贮存，提高土壤有效钾含量，增加土壤中镁、锰等微量元素含量，提高土壤的pH值，并且在一定程度上降低了重金属铅的有效性，对土壤不会造成二次污染。本发明方法简单，节能减排，成本低，效率高，效果显著。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种稻壳炭改良酸性土壤的方法，所述方法包括如下步骤：

第一步，稻壳炭的获取：稻壳在550℃流化床反应器中快速热裂解制得；此步骤可以采用现有技术实现，比如采用山东易能生物有限公司的流化床快速热裂解装置制取的稻壳炭；

第二步，土壤的采集：采集0～20cm土层，然后均匀混合在一起。同时，取少量土壤置于28～35℃烘箱干燥，分析前部分土样过2mm筛，再取少量过80目筛。特性为：土壤pH值为3.33，土壤全炭含量为2.1％，总氮为0.22％；有效磷0.267mg/g、有效钾0.055mg/g、可交换性铝1.327mg/g、钙0.068mg/g、铁0.276mg/g，该土壤质地为中壤；

第三步，稻壳炭与土壤混匀：将土壤与稻壳炭手动混匀后，置于小的泡沫箱内，稻壳炭添加重量比例为1%；

第四步，土壤培养：将混匀的土壤表面喷水，将其置于20℃培养箱内，定期浇水，培养期间保持土壤含水量在最大持水量的50%，培养60天；

第五步，定期取样及样品预处理：每隔20天取少量土壤样品，将其置于28～35℃的烘箱，干燥四天，将土壤取出过2mm筛，少量样品过80目筛；

第六步，指标测定：过2mm筛的土壤样品10g，溶于25ml1M的氯化钾溶液，使得液土比为2.5:1，取搅拌1min后静止20min，过滤，利用pH计测定滤液的pH值；将过80目筛的样品包入铝箔，用元素分析仪测定其总炭的含量；取过2mm筛的土壤样品10g,置于100ml的塑料瓶中，加入50ml M3浸提剂（0.2mol/L CH₃COOH+0.25mol/L NH₄NO₃+0.013mol/L HNO₃+0.015mol/L NH₄F+0.001mol/L EDTA），混匀后置于180rpm的往复震荡机中，保持温度为22±1℃，震荡6min,取出后静止30min,过滤，用ICP-AES测定滤液中的无机元素。

设不添加稻壳炭的土壤为空白对照，比较添加1%稻壳炭的土壤与空白对照土壤培养60天的pH值，有效钾、钙、钠、镁、锰、铝和磷的含量，可浸提的重金属铅的含量，土壤总炭氮含量。

土壤pH值实验表明，添加1%的稻壳炭培养60天，该土壤pH由对照的3.45增加为3.47，增加幅度为0.58%。1%的稻壳炭增加了土壤pH。

土壤总炭实验表明，添加1%的稻壳炭60天，该土壤的总碳含量由对照的2.14%增加到2.58%，增加了20.6%；总氮含量略有增加。添加1%稻壳炭明显增加了土壤的总炭含量。

土壤有效阳离子实验表明，添加1%的稻壳炭培养60天，土壤有效钾由0.0544mg/g增加到0.1227mg/g，增加了126%；钙由0.0641mg/g增加到0.0777mg/g，增加了21.2%；钠由0.0159mg/g增加到0.0166mg/g，增加了4.4%；镁由0.0096mg/g增加到0.0156mg/g，增加了62.5%；锰由对照的0.0080mg/g到0.0105mg/g，增加了31.25%。铝含量由1.286mg/g减少到1.271mg/g，降低了1.17%；对有效磷含量无明显影响。添加1%的稻壳炭增加了土壤钾钙钠镁锰的有效元素含量，降低了铝的有效性，表明稻壳炭有降低铝的潜力，土壤铝过量会抑制植物对钙镁铁的吸收。

重金属铅实验表明，添加1%的稻壳炭培养60天，土壤可浸提的铅由对照的0.61降低到0.60，降低了1.64%。添加1%的稻壳炭降低的土壤重金属铅的有效性，效果不明显，但表明稻壳炭有固定重金属铅的潜力。

实施例2

第三步，稻壳炭与土壤混匀：将土壤与稻壳炭手动混匀后，置于小的泡沫箱内，稻壳炭添加比例为2%；

第四步，土壤培养：将混匀的土壤表面喷水，将其置于30℃培养箱内，定期浇水，培养期间保持土壤含水量在最大持水量的75%，培养60天；

第五步，定期取样及样品预处理：每隔20天取少量土壤样品，将其置于28℃～35℃ 的烘箱，干燥四天，将土壤取出过2mm筛，少量样品过80目筛；

第六步，指标测定：过2mm筛的土壤样品10g，溶于25ml1M的氯化钾溶液，使得液土比为2.5:1，取搅拌1min后静止20min，过滤，利用pH计测定滤液的pH值；将过80目筛的样品包入铝箔，用元素分析仪测定其总炭的含量；取过2mm筛的土壤样品10g,置于100ml的塑料瓶中，加入50ml M3浸提剂（0.2mol/L CH₃COOH+0.25mol/L NH₄NO₃+0.013mol/L HNO₃+0.015mol/L NH₄F+0.001mol/L EDTA），混匀后置于180rpm的往复震荡机中，保持温度为22±1℃，震荡6min,取出后静止30min，过滤，用ICP-AES测定滤液中的无机元素。

设不添加稻壳炭的土壤为空白对照，比较添加2%稻壳炭的土壤与空白对照土壤培养60天的pH值，有效钾、钙、钠、镁、锰、铝和磷的含量，可浸提的重金属铅的含量，土壤总炭氮含量。

土壤pH值实验表明，添加2%的稻壳炭培养60天，该土壤pH由对照的3.45增加为3.51，增幅为1.74%，表明稻壳炭可以提高土壤pH。

土壤总炭氮实验表明，添加2%的稻壳炭60天，该土壤的总碳含量由对照的2.14%增加到2.85%，增加了33%，总氮含量略有增加。添加2%稻壳炭60天明显增加土壤碳储存。

土壤有效阳离子实验表明，添加2%的稻壳炭培养60天，土壤有效钾由0.0544mg/g增加到0.2405mg/g，增加了341.8%；钠由0.0159mg/g增加到0.0253mg/g，增加了58.9%；钙由0.0641mg/g增加到0.1205mg/g，增加了87.87%；镁由0.0096mg/g增加到0.0297mg/g，增加了208.6%；锰分别由对照的0.0080mg/g增加到0.0165mg/g，增加了107.9%；铝由1.286mg/g减少到1.26mg/g，减少了2.02%。对土壤磷含量没有明显影响。添加2%的稻壳炭60天增加了土壤钾钙钠镁锰的有效元素含量，降低了铝的有效性，表明稻壳炭有降低铝的潜力，土壤铝过量会抑制植物对钙镁铁的吸收。

重金属铅实验表明，添加2%的稻壳炭培养60天，土壤可浸提的铅由对照的0.0061mg/g降低到0.0058mg/g，降低了4.54%。表明添加2%的稻壳炭60天可以明显降低重金属铅的有效性。

实施例3

第一步，稻壳炭的获取：稻壳在500℃流化床反应器中快速热裂解制得。此步骤可以采用现有技术实现，比如采用山东易能生物有限公司的流化床快速热裂解装置制取的稻壳炭；

第二步，土壤的采集：采集0～20cm土层，然后均匀混合在一起。同时，取少量土壤置于28～35℃烘箱干燥，分析前部分土样过2mm筛，再取少量过80目筛；特性为：土壤pH值为3.33，土壤全炭含量为2.1％，总氮为0.22％；有效磷0.267mg/g、有效钾0.055mg/g、可交换性铝1.327mg/g、钙0.068mg/g、铁0.276mg/g，该土壤质地为中壤；

第三步，稻壳炭与土壤混匀：将土壤与稻壳炭手动混匀后，置于小的泡沫箱内，稻壳炭添加比例为4%；

第四步，土壤培养：将混匀的土壤表面喷水，将其置于25℃的培养箱内，定期浇水，培养期间保持土壤含水量在最大持水量的60%，培养20天；

设不添加稻壳炭的土壤为空白对照，比较添加4%稻壳炭的土壤与空白对照土壤培养20天的pH值，有效钾、钙、钠、镁、锰、铝和磷的含量，可浸提的重金属铅的含量，土壤总炭氮含量。

土壤pH值实验表明，添加4%的稻壳炭培养20天，该土壤pH由对照的3.33增加为3.45，增加了3.60%。表明稻壳炭有改善土壤pH的潜力。

土壤总炭氮实验表明，添加4%的稻壳炭20天，该土壤的总碳含量由对照的2.04%增加到3.51%，增加了72.1%；总氮含量略有增加。添加4%稻壳炭20天明显增加土壤碳储存。

土壤有效阳离子实验表明，添加4%的稻壳炭培养20天，土壤有效钾由0.0419mg/g增加到0.3598mg/g，增加了758.7%；钠由0.0045mg/g增加到0.0184mg/g，增加了309%；钙由0.055mg/g增加到0.1197mg/g，增加了117.6%；镁由0.0091mg/g增加到0.0416mg/g，增加了357.1%；锰由对照的0.0099mg/g到0.0202mg/g，增加了104.0%；铝由1.0225mg/g减少到0.8274mg/g减少了19.1%；对土壤磷含量没有明显影响。添加4%的稻壳炭20天增加了土壤钾钙钠镁锰的有效元素含量，降低了铝的有效性，表明稻壳炭有降低铝的潜力，土壤铝过量会抑制植物对钙镁铁的吸收。

重金属铅实验表明，添加4%的稻壳炭培养20天，土壤可浸提的铅由对照的0.0053降低到0.0045，减少了15.1%。表明添加4%的稻壳炭20天可以明显降低重金属铅的有效性。

实施例4

第一步，稻壳炭的获取：稻壳在530℃流化床反应器中快速热裂解制得。此步骤可以采用现有技术实现，比如采用山东易能生物有限公司的流化床快速热裂解装置制取的稻壳炭；

第二步，土壤的采集：采集0～20cm土层，然后均匀混合在一起；同时，取少量土壤置于28～35℃烘箱干燥，分析前部分土样过2mm筛，再取少量过80目筛；特性为：土壤pH值为3.33，土壤全炭含量为2.1％，总氮为0.22％；有效磷0.267mg/g、有效钾0.055mg/g、可交换性铝1.327mg/g、钙0.068mg/g、铁0.276mg/g，该土壤质地为中壤；

第四步，土壤培养：将混匀的土壤表面喷水，将其置于25±2℃培养箱内，定期浇水，培养期间保持土壤含水量在最大持水量的73%，培养60天；

设不添加稻壳炭的土壤为空白对照，比较添加4%稻壳炭的土壤与空白对照土壤培养60天的pH值，有效钾、钙、钠、镁、锰、铝和磷的含量，可浸提的重金属铅的含量，土壤总炭氮含量。

土壤pH值实验表明，添加4%的稻壳炭培养60天，该土壤pH由对照的3.45增加为3.63，增幅为5.22%，表明稻壳炭可以提高土壤pH。

土壤总炭氮实验表明，添加4%的稻壳炭60天，该土壤的总碳含量由对照的2.14%增加到3.62%，增加了69.2%，总氮含量略有增加。添加4%稻壳炭60天明显增加土壤碳储存。

土壤有效阳离子实验表明，添加4%的稻壳炭培养60天，土壤有效钾由0.0544mg/g增加到0.4169mg/g，增加了671.3%；钠由0.0159mg/g增加到0.0251mg/g，增加了57.9%；钙由0.0641mg/g增加到0.1351mg/g，增加了110.8%；镁由0.0096mg/g增加到0.0421mg/g，增加了338.5%；锰分别由对照的0.0080mg/g增加到0.0203mg/g，增加了153.8%；铝由1.286mg/g减少到1.171mg/g，减少了8.9%。对土壤磷含量没有明显影响。添加4%的稻壳炭60天增加了土壤钾钙钠镁锰的有效元素含量，降低了铝的有效性，表明稻壳炭有降低铝的潜力，土壤铝过量会抑制植物对钙镁铁的吸收。

重金属铅实验表明，添加4%的稻壳炭培养60天，土壤可浸提的铅由对照的0.0061mg/g降低到0.0055mg/g，降低了9.84%。表明添加4%的稻壳炭60天可以明显降低重金属铅的有效性。

总之，该稻壳炭可以显著增加土壤碳贮存，提高土壤有效钾含量，增加土壤中钙、钠、镁、锰等元素含量，提高土壤的pH，并且在一定程度上降低了铝和重金属铅的有效性。另外，该稻壳炭中重金属含量极低，其中Pb为0.00717mg/g，As为0.000356mg/g，Cu为0.000506mg/g，施用于土壤不会造成二次污染。但是这只是稻壳炭在短期内对土壤的影响，稻壳炭施入土壤中几十年甚至更长时间对土壤的影响仍继续研究。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims

1.一种稻壳炭改良酸性土壤的方法，其特征在于，所述方法向酸性土壤中添加稻壳炭，具体包括如下步骤：

第二步，土壤的采集：采集表层土样；

第四步，土壤定期浇水。

2.根据权利要求1所述的稻壳炭改良酸性土壤的方法，其特征在于，第一步中，所述裂解温度为500～550℃。

3.根据权利要求1所述的稻壳炭改良酸性土壤的方法，其特征在于，第二步中，所述采集0～20cm的土层。

4.根据权利要求1所述的稻壳炭改良酸性土壤的方法，其特征在于，第三步中，所述稻壳炭的粒径小于1mm，所述土壤的粒径小于5mm。

5.根据权利要求1所述的稻壳炭改良酸性土壤的方法，其特征在于，第四步中，所述土壤温度为20～30℃，湿度为60～80%。

6.根据权利要求1所述的稻壳炭改良酸性土壤的方法，其特征在于，第四步中，所述土壤水分为田间最大持水量的50～75%。

7.根据权利要求1所述的稻壳炭改良酸性土壤的方法，其特征在于，所述稻壳炭越多，改良土壤酸性效果越好，土壤阳离子交换量越高，重金属有效性越低。