CN103804100A - 一种改性纳米碳对堆肥基质高羊茅生长的调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法，它是在直径3cm高25cm的PVC管，下端封以一层棉布和尼龙网，将垃圾堆肥与各改性纳米碳按比例混合均匀，每根管中装入混合材料150g；钝化7d后，每根管播种0.2g高羊茅种子，实验期间温度为19-27℃，相对湿度为60%-72%，每天给堆肥补充水分，使堆肥水分达到田间持水量70%，在实验室平衡30d，进行测定；其中所述的各改性纳米碳的加入量为垃圾堆肥重量的1-5%（w/w）。实验结果表明：改性纳米碳的加入促进堆肥基质高羊茅生长。

Description

一种改性纳米碳对堆肥基质高羊茅生长的调控方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及城市绿化,特别是一种改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法。

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。

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2 cm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10 cm，土壤容重明显增大，土壤孔隙度显著降低。另外，由于土壤中的杂草繁殖体具有较强的种群竞争优势，杂草危害也成为一大难题。由此可见，这种草皮培植模式，从保护环境、降低成本等方面来看，均不符合可持续发展的要求。针对现有草皮培植体系存在的弊端，将无土栽培技术应用于草皮培植的相关研究已引起关注。由于无土栽培具有产量高、品质好、清洁卫生、降低劳动强度、节省养分水分、减少土壤资源浪费等诸多优点，因此，无土栽培技术应用于草皮培植应具有重要的研发价值研究了无土基质草皮铺设高尔夫球场的环境质量效应；张万君等（2001）利用海湾泥、粉煤灰及碱渣土3种固体废弃物构配了新型土， 以替代土壤进行城市绿化。廉菲等（2007）通过研究黑麦草和高羊茅对符合城市生活垃圾堆肥基质的生态响应得出，用生活垃圾堆肥和豆秸复合草坪基质来替代土壤是非常具有资源开发潜力的。多立安等（2007）也以生活垃圾堆肥为主体材料组配草皮培植基质，对组配基质生态适宜性展开了研究，证明组配基质适宜草皮培植要求。

目前，城市垃圾堆肥应用草皮生产的方式主要还是将垃圾堆肥作为肥料施于土壤，这种应用方式无法实现垃圾堆肥替代土壤和销纳更多垃圾的目标。因此，将垃圾堆肥作为主体成分用于草坪基质的研究受到关注。将垃圾堆肥用作草坪培植基质，不仅可以促进草坪植物生长，保持草坪的优良性状，又可解决垃圾销纳和保护耕地土壤的问题。但是，由于我国目前大部分的城市垃圾都没有经过分类处理，造成许多废旧电子产品和生活垃圾一起堆放，造成生活垃圾堆肥中重金属含量较高，并且会随着降雨渗滤到土壤和地下水中，引起土壤的重金属污染；同时，重金属的生物有效部分可能导致土壤表面的植物体内重金属含量较高，并通过食物链在人体中聚集，给人体健康带来了巨大危害。而且其对人体危害具有很大隐蔽性，一般很难发觉，但一发现将很难或无法治愈。

由此可见，虽然城市垃圾堆肥可以促进植物生长，但是其较高的重金属总量限制了生活垃圾堆肥的实际应用；加上堆肥具有高渗特性，对此找到一种外源调节物质，它既有钝化重金属的作用，同时又有钝化堆肥重金属的作用，则可谓一举两得。因此，城市垃圾堆肥中重金属污染问题也是限制其替代草皮土壤基质应用的关键所在。

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30～50 nm，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。唐乃红，郑新生（1997）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。

本技术采用一定浓度的硫酸，硝酸和高锰酸钾对纳米碳进行表面氧化改性，并将其与堆肥成比例混合作为基质，达到了改性纳米碳促进堆肥中高羊茅生长的作用；而这一技术国内外尚无文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法。本发明在优化实验的基础上，通过采用不同方法对纳米碳进行改性，对比了不同改性纳米碳对堆肥重金属的钝化作用的基础上，通过改性纳米碳草坪草生长调控的响应实验，探究了改性纳米碳应用到草坪建植中的可行性，为指导垃圾堆肥基质草坪建植提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）材料的处理：

实验前对垃圾堆肥进行预处理，去除其中的塑料薄膜、砖瓦、石块和玻璃大块杂物，风干后，过2 mm筛，备用；垃圾堆肥理化性质为：pH 7.62，有机质含量221.25 g·kg^-1，全氮13.48 g·kg^-1，有效磷0.078 g·kg^-1，C/N是8.37，饱和含水量0.76 mL·g^-1，容重0.85 g·mL^-1；重金属（Cr、Cu、Pb、Zn）含量分别为67.00、238.73、172.11和496.38 mg·kg^-1；

植物选用高羊茅（Festuca arundinacea L.）；

纳米碳粒径20-70 nm，比表面积为1.2×10⁵ m² ·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：

在直径3 cm高25 cm 的PVC管，下端封以一层棉布和尼龙网，将垃圾堆肥与各改性纳米碳按比例混合均匀，每根管中装入混合材料150g；钝化7 d后，每根管播种0.2 g高羊茅种子，实验期间温度为19-27 ℃，相对湿度为60%-72%，每天给堆肥补充水分，使堆肥水分达到田间持水量70%，在实验室平衡30d，进行测定；其中所述的各改性纳米碳的加入量为垃圾堆肥重量的1-5%（w/w）。

本发明所述的垃圾堆肥中分别加入改性的纳米碳的重量百分数为：1%，3%或5%（w/w）。

本发明所述的垃圾堆肥中分别加入1%，3%，5%的H₂SO₄改性纳米碳；垃圾堆肥中分别加入1%，3%，5%的HNO₃改性纳米碳；垃圾堆肥中分别加入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堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法在促进堆肥基质高羊茅生长方面的应用; 所述的改性纳米碳为5%H₂SO₄ ，5%HNO₃，5%KMnO₄。

本发明通过试验所达到的结论：添加改性纳米碳可以促进堆肥基质高羊茅的生长。

本发明更加详细的制备方法如下：

1 材料与方法

1.1 供试材料

生活垃圾堆肥，来自天津市小淀垃圾堆肥处理厂。实验前对垃圾堆肥进行预处理，去除其中的塑料薄膜、砖瓦、石块和玻璃等大块杂物，风干后，过2 mm筛，备用。堆肥理化性质为：pH 7.62，有机质含量221.25 g·kg^-1，全氮13.48 g·kg^-1，有效磷0.078 g·kg^-1，C/N是8.37，饱和含水量0.76 mL·g^-1，容重0.85 g·mL^-1；重金属（Cr、Cu、Pb、Zn）含量分别为67.00、238.73、172.11和496.38 mg·kg^-1。草坪植物选用高羊茅（Festuca arundinacea L.）。

供试纳米碳购于天津市秋实碳黑厂，粒径20-70 nm，比表面积为1.2×10⁵ m² ·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10 g于250 mL锥形瓶中，加入100 mL0.03 mol·L^-1的KMnO₄溶液，静置10 min后，放于万用电热器上沸腾回流1 h。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10 g 纳米碳加入到250 mL 20%的H₂SO₄溶液中，在110 ℃条件下加热90 min。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10 g 纳米碳加入到150 mL 65%的硝酸溶液中，置于通风橱的加热板上110 ℃氧化反应2 h。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

实验共设13个处理：仅堆肥（CK）；堆肥中分别加入1%，3%，5%（质量比）的未改性纳米碳（CB），堆肥中分别加入1%，3%，5%的H₂SO₄改性纳米碳；堆肥中分别加入1%，3%，5%的HNO₃改性纳米碳；堆肥中分别加入1%，3%，5%的KMnO₄改性纳米碳。使用直径3 cm高25 cm 的PVC管，下端封以一层棉布和尼龙网，将堆肥以不同质量比与改性纳米碳混合均匀，每根PVC管装入混合材料150 g，对照为150 g堆肥，每个处理3次重复。钝化一周（7 d）后，每根管播种0.2 g高羊茅种子。实验期间温度为19-27 ℃，相对湿度为60%-72%，每天给堆肥补充水分，使堆肥水分达到田间持水量70%左右，在实验室平衡30d，实验共计37 d。

1.4 数据处理

文中数据都是3次重复的平均值以及标准差，采用SPSS 11.5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 改性纳米碳的比表面积变化

由表1可见，纳米碳经过改性后，比表面积有所变化，其中，HNO₃改性纳米碳的比表面积相比原碳黑显著降低，而KMnO₄ 改性纳米碳的比表面积相比原碳黑显著升高。这可能是由于HNO₃强酸性对纳米碳表面起到一种酸溶解的作用或将其微孔烧结，导致部分孔道坍塌以及生成的杂质对微孔道的堵塞造成比表面积所降低。而对于KMnO₄ 的改性纳米碳的比表面积增大，可能时由于KMnO₄的强氧化性使纳米碳一部分中孔的壁面被侵蚀变成大孔或形成新的微孔所致。

表1 纳米碳改性前后比表面积比较

注：同列数据不同字母表示差异显著（P<0.05）；下同。

2.2 改性纳米碳的表面官能团分析

由表2 可以看出，原碳黑的表面酸性基团量为，酚羟基＞羧基＞内酯基，并且碱性基团量稍大于酸性总基团量。经过改性后，纳米碳的表面酸性基团比例发生变化，羧基量均高于酚羟基量。HNO₃和KMnO₄改性使纳米碳的表面羧基量相比原碳黑分别显增加了85.71%和71.43；三种改性使纳米碳的表面内酯基量相比原碳黑分别显著增加了27.27%，45.45%和18.18%；虽然纳米碳经过改性之后，其表面酚羟基量均显著低于原碳黑，但其表面酸性总基团有所提高，均高于对应的表面碱性基团。由此可见，氧化改性改变了纳米碳的表面化学性质，增加了其表面酸性基团的含量，纳米碳表面酸性的提高，使得碳黑表面的亲水性增强，有利于化学吸附，而改性过后，纳米碳表面羧基这种极性较强的酸性基团的增加可以提高活性炭对极性物质的吸附强度。

表2 不同纳米碳的Boehm滴定结果

注：同列数据不同字母表示差异显著（P<0.05）；下同。

2.3 添加改性纳米碳对高羊茅地上生物量的影响

     通过添加不同质量比的改性纳米碳，均可促进高羊茅地上部生长，处理组高羊茅地上生物量均高于对照组。其中鲜重部分与对照产生显著差异的是5% H₂SO₄ ，3% HNO₃，5% HNO₃  3% KMnO₄，5% KMnO₄ 处理组，干重部分与对照组产生显著差异的是5% H₂SO₄ 和添加不同质量比的HNO₃改性纳米碳和KMnO₄改性纳米碳的处理组。从表2.3中我们可以看出，不同改性处理中，添加5%H₂SO₄ ，5%HNO₃，5%KMnO₄改性纳米碳效果最好，其中鲜重均比对照组高17.39%，50.72%，24.64%；干重均比对照组高15.45%，21.82%，20.91%。并且，5%HNO₃ 改性纳米碳组最好。

表 3 添加改性纳米碳对高羊茅地上生物量的影响（g/PVC）

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促进堆肥基质高羊茅的生长。这一技术为城市生活垃圾堆肥替代土壤基质的高效无土草皮的生产提供技术支撑。

 

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                                     

一种改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法：

（1）材料的处理：

实验前对垃圾堆肥进行预处理，去除其中的塑料薄膜、砖瓦、石块和玻璃大块杂物，风干后，过2 mm筛，备用；垃圾堆肥理化性质为：pH 7.62，有机质含量221.25 g·kg^-1，全氮13.48 g·kg^-1，有效磷0.078 g·kg^-1，C/N是8.37，饱和含水量0.76 mL·g^-1，容重0.85 g·mL^-1；重金属（Cr、Cu、Pb、Zn）含量分别为67.00、238.73、172.11和496.38 mg·kg^-1；

植物选用高羊茅（Festuca arundinacea L.）；

纳米碳粒径20nm，比表面积为1.2×10⁵ m² ·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：

在直径3 cm高25 cm 的PVC管，下端封以一层棉布和尼龙网，将垃圾堆肥与各改性纳米碳按比例混合均匀，每根管中装入混合材料150g；钝化7 d后，每根管播种0.2 g高羊茅种子，实验期间温度为19℃，相对湿度为60%，每天给堆肥补充水分，使堆肥水分达到田间持水量70%，在实验室平衡30d，进行测定；其中所述的各改性纳米碳的加入量为垃圾堆肥重量的1%（w/w）。

实施例2

一种改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法：

（1）材料的处理：

实验前对垃圾堆肥进行预处理，去除其中的塑料薄膜、砖瓦、石块和玻璃大块杂物，风干后，过2 mm筛，备用；垃圾堆肥理化性质为：pH 7.62，有机质含量221.25 g·kg^-1，全氮13.48 g·kg^-1，有效磷0.078 g·kg^-1，C/N是8.37，饱和含水量0.76 mL·g^-1，容重0.85 g·mL^-1；重金属（Cr、Cu、Pb、Zn）含量分别为67.00、238.73、172.11和496.38 mg·kg^-1；

植物选用高羊茅（Festuca arundinacea L.）；

纳米碳粒径50 nm，比表面积为1.2×10⁵ m² ·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：

在直径3 cm高25 cm 的PVC管，下端封以一层棉布和尼龙网，将垃圾堆肥与各改性纳米碳按比例混合均匀，每根管中装入混合材料150g；钝化7 d后，每根管播种0.2 g高羊茅种子，实验期间温度为27 ℃，相对湿度为72%，每天给堆肥补充水分，使堆肥水分达到田间持水量70%，在实验室平衡30d，进行测定；其中所述的各改性纳米碳的加入量为垃圾堆肥重量的5%（w/w）。

实施例3

一种改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法：

（1）材料的处理：

实验前对垃圾堆肥进行预处理，去除其中的塑料薄膜、砖瓦、石块和玻璃大块杂物，风干后，过2 mm筛，备用；垃圾堆肥理化性质为：pH 7.62，有机质含量221.25 g·kg^-1，全氮13.48 g·kg^-1，有效磷0.078 g·kg^-1，C/N是8.37，饱和含水量0.76 mL·g^-1，容重0.85 g·mL^-1；重金属（Cr、Cu、Pb、Zn）含量分别为67.00、238.73、172.11和496.38 mg·kg^-1；

植物选用高羊茅（Festuca arundinacea L.）；

纳米碳粒径70 nm，比表面积为1.2×10⁵ m² ·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：

在直径3 cm高25 cm 的PVC管，下端封以一层棉布和尼龙网，将垃圾堆肥与各改性纳米碳按比例混合均匀，每根管中装入混合材料150g；钝化7 d后，每根管播种0.2 g高羊茅种子，实验期间温度为25 ℃，相对湿度为65%，每天给堆肥补充水分，使堆肥水分达到田间持水量70%，在实验室平衡30d，进行测定；其中所述的各改性纳米碳的加入量为垃圾堆肥重量的3%（w/w）。

Claims (4)

1.一种改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）材料的处理：

实验前对垃圾堆肥进行预处理，去除杂物，风干后，过2 mm筛，备用；植物选用高羊茅（Festuca arundinacea L.）；

纳米碳粒径20-70 nm，比表面积为1.2×10⁵ m² ·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：

在直径3 cm高25 cm 的PVC管，下端封以一层棉布和尼龙网，将垃圾堆肥与各改性纳米碳按比例混合均匀，每根管中装入混合材料150g；钝化7 d后，每根管播种0.2 g高羊茅种子，实验期间温度为19-27 ℃，相对湿度为60%-72%，每天给堆肥补充水分，使堆肥水分达到田间持水量70%，在实验室平衡30d，进行测定；其中所述的各改性纳米碳的加入量为垃圾堆肥重量的1-5%（w/w）。

2.权利要求1所述的制备方法，其中垃圾堆肥中分别加入改性的纳米碳的重量百分数为：1%，3%或5%（w/w）。

3.权利要求1所述的制备方法，其中垃圾堆肥中分别加入1%，3%，5%的H₂SO₄改性纳米碳；垃圾堆肥中分别加入1%，3%，5%的HNO₃改性纳米碳；垃圾堆肥中分别加入1%，3%，5%的KMnO₄改性纳米碳。

4.权利要求1所述改性纳米碳对堆肥基质草坪高羊茅生长的调控方法在促进堆肥基质高羊茅生长方面的应用; 所述的改性纳米碳为5%H₂SO₄ ，5%HNO₃，5%KMnO₄。