CN103797923B - 一种改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的方法，采用高25cm、直径12cm的塑料花盆，将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部，每个容器共称重2kg园土基质，园土中分别加入园土基质重量的1-5%改性纳米碳；分别播种高羊茅种子4.5g，实验期间每天定时定量给水，满足植物生长所需，在实验室内进行植物培养，培养期间温度为25-34℃，相对湿度为31%-48%，光照条件为自然入射光，实验历时120d，在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割，留1cm茬，测量一茬草生物量，实验结束时进行二茬草生物量的测量。实验结果表明：5%HNO₃改性纳米碳可以提高土壤基质高羊茅的再生性。

Description

一种改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及城市绿化,特别是改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的方法。

背景技术

在构建草坪建植体系中，草皮铺设法在国内外城市应用非常普遍。草皮是把草坪平铲为平板状或剥离成不同大小的正方形、长方形、柱状等形状，在其上附带有一定土壤的草坪建植体或草坪建植材料。目前，草皮已成为一些国家的热销产品，仅美国草皮销售产值每年超过100亿美元。我国草皮生产前景同样广阔，很多城市每平方米售价高达10元。尽管草皮建植应用非常流行，但其弊端也不能回避。

城市草坪建植体系是集生态调控、景观美化、运动休闲及文化娱乐等多种功能为一体的生态工程。它是城市复合绿化系统的重要组成部分，不仅在维系复合城市生态系统平衡方面发挥着重要作用，而且它所带来的景观与美化效果是城市其它建设工程与项目所不可替代的。草坪有能保持水土，净化空气，降低环境噪声等能力，可以改善居民的生活环境质量。除此之外，草坪建植体系的构建对于改善城市投资环境、吸引外资、促进旅游等各个方面都起着不可忽略的作用，而城市中草坪绿化质量及面积也已成为评价城市环境质量的重要客观标准。

在构建草坪建植体系中，草皮铺设法在国内外城市应用非常普遍。草皮是把草坪平铲为平板状或剥离成不同大小的正方形、长方形、柱状等形状，在其上附带有一定土壤的草坪建植体或草坪建植材料。目前，草皮已成为一些国家的热销产品，仅美国草皮销售产值每年超过100亿美元。我国草皮生产前景同样广阔，很多城市每平方米售价高达10元。尽管草皮建植应用非常流行，但其弊端也不能回避。

草皮生产普遍采用成坪草皮卷直接铺设，可使业主在短期内获得成坪整齐的草坪，但这种方式会带走肥沃的表层土壤。为保证草皮品质，传统的草皮生产每完成一次生产过程，至少要铲去2cm以上熟土，在同一地块连续生产3-4茬草皮之后，肥沃的农田便遭到破坏，最肥沃的有机质土壤层被剥离干净，造成土地贫瘠。崔建宇等（2003）对草皮培植区的土壤特征进行了研究，结果表明草皮培植已使表层土壤的厚度减少了近10cm，土壤容重明显增大，土壤孔隙度显著降低。

碳黑是生物体或化石原料的挥发成分在不完全燃烧或高温热解时转化而成的，是气态过程的产物。通常情况下，碳黑为多孔性的纳米材料，直径为30～50nm，其较大的比表面积和较强的表面吸附能力，使其在重金属污染土壤治理中的应用成为可能。碳黑表面有酸性官能团和碱性含氧官能团。酸性官能团使碳黑具有极性，有利于吸附各种极性较强的化合物；碱性官能团易吸附极性较弱或非极性物质。人们在对乌柏籽壳活性炭氧化改性后发现:表面含氧官能团数量比未氧化处理的活性炭增加一倍左右，梭轻基比值高近4倍，碳表面极性增大，对某些有一定极性的溶质吸附容量增加。说明碳黑表面的官能团经氧化处理，可以提高表面含氧酸性基团的含量，增强表面的极性，从而提高对极性物质的吸附效果。

纳米碳的吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要发生在纳米碳丰富的微孔中，用于去除水和空气中的杂质，这些杂质的分子直径必须小于纳米碳的孔径，化学吸附主要是由于纳米碳的表面含有官能团，与被吸附的物质发生化学反应。介质中的杂质通过物理吸附和化学吸附不断进入纳米碳的多孔结构中使纳米碳吸附饱和，吸附效果下降。吸附饱和后的纳米碳需要进行活化再生，恢复其吸附能力，重复使用，吸附容量越大，吸附效果就越好。目前普遍认为纳米碳是有机污染物的超强吸附剂。它能够强烈吸附多环芳烃、多氯联苯、多氯代二苯并二恶英、多氯代二苯并呋喃和多溴联苯醚、农药敌草隆、3—氯酚和菲等各种有机污染物。事实上，纳米碳对重金属也有一定的吸附作用。吴成等发现碳黑能够强烈吸附Hg²⁺、As³⁺、Pb²⁺和Cd²⁺，且对Pb²⁺最大吸附量远大于对其他几种重金属。

但是，纳米碳是疏水性的非极性吸附剂，对非极性有机物具有较强的亲和力，而对极性物质，虽然可以吸附，但吸附能力较弱。已有研究表明，纳米碳对Pb²⁺的最大吸附量远小于矿物和腐植酸。通过氧化改性调节表面酸性基团含量，可明显增强其对Pb²⁺、Cr³⁺等极性较强的物质的吸附，减弱对极性较弱的有机物质的吸收。因此，有目的地对纳米碳进行表面改性，赋予其一些特殊的表面化学性质，从而改变其吸附性能是切实可行的。

针对纳米碳表面改性的方法主要有化学改性、物理改性、化学和物理联合改性、等离子体改性和电化学改性等。化学改性又分为氧化改性、还原改性、负载金属离子改性、添加N、F、Cl等杂原子改性。其中纳米碳的氧化改性主要是利用强氧化剂在适当温度下对纳米碳表面进行氧化处理，从而提高碳黑表面含氧酸性基团的含量，增强表面极性。目前，通过氧化改性提高活性炭表面酸性基团的改性剂主要有HNO₃、H₂O₂、H₂SO₄、HCl、HClO、HF和O₃等氧化碳黑，引入了梭基，其含量为6%。

从上面分析可以看出，纳米碳多作为环境修复材料来加以利用，如果可以提高植物的再生性能，将是一项十分有意义的工作。在草皮生产中，随着草皮的生产的不断进行，土壤的结构会变差，土壤养分也会有较大的损失。这种情况下，会大大影响草坪植物的再生性。鉴于此，本技术就是通过向土壤施加改性纳米碳黑，来达到改善草坪植物的再生性的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的调控方法。经过试验证明：本发明添加改性纳米碳可以提高土壤基质高羊茅的的再生性。这一技术为可持续高效草坪的建植提高技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种改性纳米碳对土壤基质草坪草再生性的调控方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）材料的处理：

采集土壤样品过2mm筛混匀备用；土壤性质为：pH7.44，有机质含量4.68，全氮0.21%，全磷22.03mg·kg^-1，饱和含水量0.58mL·g^-1，土壤样品过2mm筛混匀备用；

植物选用高羊茅（FestucaarundinaceaL.）；

纳米碳粒径20-70nm，比表面积为1.2×10⁵m²·kg^-1，pH值为7，施用前对其进行改性，分别得到KMnO₄、H₂SO₄或HNO₃改性的纳米碳；

（2）实验方法：

实验采用高25cm、直径12cm的塑料花盆，将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部，每个容器共称重2kg园土基质，园土中分别加入园土基质重量的1-5%改性纳米碳；分别播种高羊茅种子4.5g，实验期间每天定时定量给水，满足植物生长所需，在实验室内进行植物培养，培养期间温度为25-34℃，相对湿度为31%-48%，光照条件为自然入射光，实验历时120d，在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割，留1cm茬，测量一茬草生物量，实验结束时进行二茬草生物量的测量。

其中园土中分别加入园土基质重量的1%，3%，5%的H₂SO₄改性纳米碳；或分别加入1%，3%，5%的HNO₃改性纳米碳；或分别加入1%，3%，5%的KMnO₄改性纳米碳。

本发明进一步公开了改性纳米碳对土壤基质草坪草再生性的调控方法在提高土壤基质高羊茅再生性方面的应用。实验证明：5%HNO₃改性纳米碳对植物生长的促进作用最明显。

本发明更加详细的制备方法如下：

材料与方法

1.1实验材料

供试土壤样品取自天津师范大学院内。土壤深度为0-20cm，采集的土壤样品过2mm筛混匀备用。土壤性质为：pH7.44，有机质含量4.68，全氮0.21%，全磷22.03mg·kg^-1，饱和含水量0.58mL·g^-1，土壤样品过2mm筛混匀备用。草坪植物选用高羊茅（FestucaarundinaceaL.）。供试纳米碳购于天津市秋实碳黑厂，粒径20-70nm，比表面积为1.2×10⁵m²·kg^-1，pH值为7，施用前对其进行改性。

1.2改性纳米碳的制备

KMnO₄改性：称取纳米碳10g于250mL锥形瓶中，加入100mL0.03mol·L^-1的KMnO₄溶液，静置10min后，放于万用电热器上沸腾回流1h。冷却后，用去离子水反复冲洗，使溶液不再浑浊且pH稳定。转移至烧杯，110℃条件下烘干至恒重。

H₂SO₄改性：称取10g纳米碳加入到250mL20%的H₂SO₄溶液中，在110℃条件下加热90min。冷却后，用去离子水反复冲洗，使溶液不再浑浊且pH稳定。在110℃条件下烘干至恒重。

HNO₃改性：称取10g纳米碳加入到150mL65%的硝酸溶液中，置于通风橱的加热板上110℃氧化反应2h。冷却后，用去离子水反复冲洗，使溶液不再浑浊且pH稳定。在110℃条件下烘干至恒重。

1.3实验设计

实验采用高25cm、直径12cm的塑料花盆，将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部。每个容器共称重2kg基质，分别为：仅园土（CK）；园土中分别加入1%，3%，5%的H₂SO₄改性纳米碳（质量比）；园土中分别加入1%，3%，5%的HNO₃改性纳米碳；园土中分别加入1%，3%，5%的KMnO₄改性纳米碳。分别播种高羊茅种子4.5g。实验期间每天定时定量给水，满足植物生长所需。在实验室内进行植物培养，培养期间温度为25-34℃，相对湿度为31%-48%，光照条件为自然入射光，实验历时120d。在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割，留1cm茬，测量一茬草生物量。实验结束时进行二茬草生物量的测量。

1.4数据统计方法

文中数据都是3次重复的平均值以及标准差，采用SPSS11.5软件对所得数据进行比较均值中的单因素ANOVA统计分析。

2研制结果分析

2.1改性纳米碳对高羊茅一茬草生物量的影响

本实验中的改性纳米碳对高羊茅地上干鲜重有不同程度的促进作用，其中添加5%的三种改性纳米碳处理组效果最明显，5%H₂SO₄，5%HNO₃和5%KMnO₄改性纳米碳使高羊茅的地上鲜重相比CK分别显著增加了14.71%，35.66%和；28.18%地上干重相比CK分别显著增加了32.65%，36.73%和35.20%。实验第一阶段三种改性纳米碳对高羊茅形态生长已有明显的影响。

表1改性纳米碳对高羊茅一茬草生物量的影响

注：同列数据不同字母表示差异显著（P<0.05）；下同。

2.2改性纳米碳对高羊茅二茬草生物量的影响

在实验第120d对高羊茅地上部分进行刈割，测量二茬生物量。在此期间观察二茬草的生长情况，相比较一茬草，二茬草长势缓慢，植物纤细，颜色较浅，植物需水量明显低于一茬草生长所需用水。由表2可见，改性纳米碳对高羊茅二茬草的地上生物量影响差异大部分并不显著，只有5%HNO₃和5%KMnO₄改性纳米碳使高羊茅地上部分鲜重相比对照分别显著增加了35.47%和28.08%；地上干重相比对照分别显著增加了36.36%和33.33%。通过高羊茅一茬和二茬的地上部分干鲜重变化发现，5%HNO₃改性纳米碳在三种改性纳米碳的不同比例中，对植物生长的促进作用最明显。

表2改性纳米碳对高羊茅二茬草生物量的影响

注：同列数据不同字母表示差异显著（P<0.05）；下同。

3研制结论

添加改性纳米碳可以提高土壤基质高羊茅的的再生性。这一技术为可持续高效草坪的建植提高技术支撑。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。其中所用到的化学试剂均有市售。

实施例1

一种改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的方法：

（1）材料的处理：

采集土壤样品过2mm筛混匀备用；土壤性质为：pH7.44，有机质含量4.68，全氮0.21%，全磷22.03mg·kg^-1，饱和含水量0.58mL·g^-1，土壤样品过2mm筛混匀备用；

植物选用高羊茅（FestucaarundinaceaL.）；

纳米碳粒径20nm，比表面积为1.2×10⁵m²·kg^-1，pH值为7，施用前对其进行改性，分别得到KMnO₄、H₂SO₄或HNO₃改性的纳米碳；

（2）实验方法：

实验采用高25cm、直径12cm的塑料花盆，将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部，每个容器共称重2kg园土基质，园土中分别加入园土基质重量的1-5%改性纳米碳；分别播种高羊茅种子4.5g，实验期间每天定时定量给水，满足植物生长所需，在实验室内进行植物培养，培养期间温度为25℃，相对湿度为31%，光照条件为自然入射光，实验历时120d，在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割，留1cm茬，测量一茬草生物量，实验结束时进行二茬草生物量的测量。其中园土中加入园土基质重量的1%H₂SO₄改性纳米碳。

实施例2

一种改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的方法：

（1）材料的处理：

采集土壤样品过2mm筛混匀备用；土壤性质为：pH7.44，有机质含量4.68，全氮0.21%，全磷22.03mg·kg^-1，饱和含水量0.58mL·g^-1，土壤样品过2mm筛混匀备用；

植物选用高羊茅（FestucaarundinaceaL.）；

纳米碳粒径70nm，比表面积为1.2×10⁵m²·kg^-1，pH值为7，施用前对其进行改性，分别得到KMnO₄、H₂SO₄或HNO₃改性的纳米碳；

（2）实验方法：

实验采用高25cm、直径12cm的塑料花盆，将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部，每个容器共称重2kg园土基质，园土中分别加入园土基质重量的1-5%改性纳米碳；分别播种高羊茅种子4.5g，实验期间每天定时定量给水，满足植物生长所需，在实验室内进行植物培养，培养期间温度为34℃，相对湿度为48%，光照条件为自然入射光，实验历时120d，在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割，留1cm茬，测量一茬草生物量，实验结束时进行二茬草生物量的测量。

其中园土中加入园土基质重量的3%的H₂SO₄改性纳米碳；或3%的HNO₃改性纳米碳或3%的KMnO₄改性纳米碳。

实施例3

一种改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的方法：

（1）材料的处理：

采集土壤样品过2mm筛混匀备用；土壤性质为：pH7.44，有机质含量4.68，全氮0.21%，全磷22.03mg·kg^-1，饱和含水量0.58mL·g^-1，土壤样品过2mm筛混匀备用；

植物选用高羊茅（FestucaarundinaceaL.）；

纳米碳粒径50nm，比表面积为1.2×10⁵m²·kg^-1，pH值为7，施用前对其进行改性，分别得到KMnO₄、H₂SO₄或HNO₃改性的纳米碳；

（2）实验方法：

实验采用高25cm、直径12cm的塑料花盆，将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部，每个容器共称重2kg园土基质，园土中分别加入园土基质重量的1-5%改性纳米碳；分别播种高羊茅种子4.5g，实验期间每天定时定量给水，满足植物生长所需，在实验室内进行植物培养，培养期间温度为30℃，相对湿度为38%，光照条件为自然入射光，实验历时120d，在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割，留1cm茬，测量一茬草生物量，实验结束时进行二茬草生物量的测量。

其中园土中加入园土基质重量的5%的H₂SO₄改性纳米碳；或5%的HNO₃改性纳米碳；或5%的KMnO₄改性纳米碳。

Claims (2)

1.一种改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的调控方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）材料的处理：

采集土壤样品过2mm筛混匀备用；植物选用高羊茅FestucaarundinaceaL.；

纳米碳粒径20-70nm，比表面积为1.2×10⁵m²·kg^-1，pH值为7，施用前对其进行改性，分别得到KMnO₄、H₂SO₄或HNO₃改性的纳米碳；

（2）实验方法：

实验采用高25cm、直径12cm的塑料花盆，将纱布清洗烘干后剪成大小合适的圆形固定花盆底部，每个容器共称重2kg园土基质，园土中分别加入园土基质重量的1%，3%，5%改性纳米碳；分别播种高羊茅种子4.5g，实验期间每天定时定量给水，满足植物生长所需，在实验室内进行植物培养，培养期间温度为25-34℃，相对湿度为31%-48%，光照条件为自然入射光，实验历时120d，在实验第60d对高羊茅地上部分进行刈割，留1cm茬，测量一茬草生物量，实验结束时进行二茬草生物量的测量；

其中所述的园土中分别加入园土基质重量的1%，3%，5%的H₂SO₄改性纳米碳或分别加入1%，3%，5%的HNO₃改性纳米碳或分别加入1%，3%，5%的KMnO₄改性纳米碳。

2.权利要求1改性纳米碳改善土壤基质草坪草再生性的方法在提高土壤基质高羊茅再生性方面的应用，所述的改性纳米碳指的是：5%HNO₃改性纳米碳。