CN105027866B

CN105027866B - 一种采用碳强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法

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Publication number: CN105027866B
Application number: CN201510186469.3A
Authority: CN
Inventors: 赵树兰; 多立安; 刘春湘
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2017-11-28
Anticipated expiration: 2035-04-20
Also published as: CN105027866A

Abstract

本发明公开了一种采用碳强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法。它是将垃圾堆肥加工成不同粒径，并按重量比添加0.3%的纳米碳，制成纳米强化垃圾堆肥应用于草坪植物，应用于草坪草生长的生长调控，以提高堆肥的利用效率，达到少量高效的目的。实验结果表明：加入质量比为0.3%的纳米碳制成相应的强化垃圾堆肥，地上鲜重和地上干重分别比对照高出74.63%和74.51%。将垃圾堆肥加工成纳米粒径施用于草坪基质，有助于提高堆肥的利用效率，加速养分的吸收利用，促进草坪植物生物量的积累及草坪质量的提高。

Description

一种采用碳强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及一种采用碳强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法。

背景技术

纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期崛起的一项新科技，它主要研究结构尺度在(10^-7-10^-9ｍ)范围内物质的性质及其应用。因为纳米材料具有界面表面界面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应等基本特征,所以,出现了许多传统材料不具备的奇异特性。纳米材料在吸收、催化、磁效应和敏感特性方面都表现出不同于传统材料的特性, 可与多个领域高度交叉，包括物理、化学、电子学、材料科学和生物学，在高科技应用上显示出广大的潜力，所以，纳米材料的应用已经愈来愈受到科学家的关注。我国政府十分重视纳米技术的研究，并将纳米结构和纳米材料视为纳米技术的关键而加以优先支持。2012 年，中国工业和信息化部根据《国家“十二五”战略性新兴产业发展规划》的精神，发布《新材料产业“十二五”发展规划》，将纳米材料列为前沿新材料领域，并明确指出：中国将加大纳米技术研究，积极地推动纳米材料在新能源、环境治理、节能减排和生物医用等领域的研究利用。

国外对于纳米材料的研究主要集中于对纳米材料安全性的研究，主要研究的五大问题是：皮肤对纳米材料的吸收及其对皮肤的伤害；饮用含纳米颗粒水的后果；纳米颗粒对动物肺部的影响；已变成水中沉积物的纳米颗粒对周围环境的影响2005年5月1日至4日，欧共体内部在德国波恩举行“欧洲纳米生物效应会议”。会议讨论了纳米颗粒的形成、释放，在环境中的运动和检测方法，它的急性毒害作用、慢性毒害作用以及细胞水平和分子水平的影响，如对血细胞、肺部细胞、免疫细胞、DNA损伤、基因表达的影响等。国内还发展了纳米材料对植物的影响，纳米肥料由中国农科院土壤肥料研究所张夫道研究员提出，并在国家“863”项目中立项。纳米肥料是纳米生物科技的一个分支，是用纳米材料技术和医药微胶囊技术构建改性而制成的全新肥料，分为纳米材料包膜、胶结缓释控释肥料与纳米结构肥料。众所周知，滥用肥料导致的地下水污染已越来越严重，如何提高肥料利用率成为解决问题的重点，纳米材料表面原子数目占完整粒子原子总数的80%以上，因为表面原子周围缺少相邻的原子，含有许多悬空键，所以具有不饱和性，很容易与其他原子相结合而稳定下来，从而表现出非常高的化学活性。与肥料结合能明显提高肥料的利用率，一方面是由于纳米材料的磁效应，能够促进养分被植物吸收，刺激植物生长发育，并且还能提高植物体内多种酶的活性。另一方面，是因为其表面效应，使纳米肥料表面能和表面结合能增大，帮助其在土壤环境中被植物根系吸收，肥料使用的效果得到提高。有研究表明，添加纳米碳肥料增效剂能有效减缓土壤有效养分的下降，提高水稻产量，增产幅度在1.9％-3.5％之问。纳米碳对水稻产量与氮肥利用率的影响，也证明了施用纳米碳粉可显著提高水稻产量，同时，在适宜施氮量条件下，加施纳米碳粉有助于水稻氮肥利用率的提高。纳米材料胶结包膜型缓/控释肥料对作物产量和品质的影响，结果表明，纳米材料胶结包膜型缓/控释肥料均有助于小麦和玉米子粒产量和蛋白质产量的提高。目前研究的纳米肥料多数为纳米材料增效肥或纳米材料包膜肥，而将肥料本身加工到纳米粒径应用于草坪植物逆境胁迫的研究，尚无文献报道。

草坪建植体系是集生态调控、美化环境和文化娱乐等多种功能为一体的生态工程。作为城市园林绿化的重要组成部分，草坪绿地是衡量经济发展程度的标准之一，也是衡量现代化城市的标准之一，是现代城市社会发展与经济实力的一个有力体现，草坪建植体系的构建对于改善城市投资环境、招商引资、促进旅游等各个方面都起着不可忽略的作用。草坪在带来景观和美化效果的同时，在维系生态系统平衡方面也发挥着重要作用。首先，它能够净化空气、杀菌消毒，草坪通过光合作用吸收CO₂放出O₂保持空气中CO₂和O₂的平衡，草坪还能稀释、分解、吸收和固定大气中的有毒气体、致癌物质和某些重金属气体等有毒物质，通过光合作用变害为利。其次，草坪能够保持水土、维持生态平衡。草坪能致密覆盖地表的草层，并且密集的根系能有效固着表土，防止地表径流的形成，降低表土被带走的可能性。另外，草坪还可以减缓太阳辐射，有效降低地表温度、增加空气湿度。

纳米肥料是一种特殊的高效肥料，其粒子的表面积、表面能及表面结合能都相对较大，有助于其在土壤环境中被植物的根毛或根尖部分吸附，其特有性能有可能解决肥料利用率、作物增产与植物抗性等问题。目前关于纳米肥料的研究多数为纳米材料增效肥或纳米材料包膜肥，而将肥料本身加工到纳米粒径应用于草坪植物的研究，尚无文献报道。

纳米材料可提高肥料的有效性，纳米增效肥料是一种新型的含纳米碳肥料，是充分利用纳米材料的表面效应和小尺寸效应，与植物所需的大量和微量营养元素结合而成。碳，制备成纳米级的粒子，随着物质的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物质材料所不具有的表面效应、小尺寸效应、吸附性等特殊性能。有研究表明，在常规肥料中添加纳米碳能显著提高钾肥的利用率，促进烤烟植株生长发育，有利于烟株的早发和快长。有研究表明，将纳米碳以0.3%比例添加到尿素中后，与普通尿素处理相比氮素流失量显著降低，仅占普通尿素流失量的 70.6%-74.3%，显著提高了水稻氮肥的利用效率。但现有研究多集中于纳米碳材料与无机肥料组合对植物的影响，而将纳米碳添加到垃圾堆肥应用于草坪建植的研究，尚无文献报道。

发明内容

本发明将垃圾堆肥加工成不同粒径，并按重量比添加0.3%的纳米碳，制成纳米强化垃圾堆肥应用于草坪植物，应用于草坪草生长的生长调控，以提高堆肥的利用效率，达到少量高效的目的。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：

一种采用碳强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）将生活垃圾堆肥105℃烘干至恒重，得到堆肥1；采用高速万能粉碎机将堆肥1在24000 r/min下粉碎30min制成堆肥2，平均粒径约为60nm；将垃圾堆肥加工研磨制成纳米堆肥3，平均粒径约为30nm；在堆肥1、堆肥2、堆肥3中分别加入质量比为0.3%的纳米碳制成相应的强化垃圾堆肥，供实验使用；

（2）强化纳米肥基质组配及草皮建植

强化纳米肥组配基质7个处理水平，每个处理4次重复；

1）以100%土壤为对照基质；

剩下处理基质均为土壤和堆肥按59：1的比例混合

2）土壤和堆肥1混合基质；

3）土壤和堆肥2混合基质；

4）土壤和堆肥3混合基质；

5）土壤和强化堆肥1混合基质；

6）土壤和强化堆肥2混合基质；

7）土壤和强化堆肥3混合基质；

实验基质用量为9400 gm^-2，基质厚度为15 mm，高羊茅播种量为160 gm^-2，种子浸泡24小时后均匀播于基质表层，首先黑暗处理一周，充分浇水保证萌发，之后进行光照培养，光照强度为400-650 μmol.m^-2.s^-1，期间早晚定期浇一次水，经常调换培养草皮的位置以保证光照一致，室内的相对湿度为45-55%，温度为18℃-22℃，整个实验周期为47d；

（3）植株萌发后每10d测定一次株高，选取每块草皮中最高的5株高羊茅测量株高，取平均值。生长47d后，将高羊茅齐根剪下，用电子天平测量地上鲜重，置烘箱中80℃烘干至恒重，测定地上部干重；

（4）最后进行洗根，每块草皮中随机抽取10株的根，测量须根数及根长，然后置烘箱中80℃烘干至恒重，测定地下干重。

本发明进一步公开了采用碳强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法在提高草坪植物生物量的积累及草坪质量的提高方面的应用。特别是在提高高羊茅地上生物量方面的应用。

本发明更加详细的描述：

1研制材料与方法

1.1实验材料

选取籽粒饱满、大小均匀的多年生高羊茅(Festuca arundinacea L.) 种子为试验材料。

生活垃圾堆肥来自天津市小淀堆肥厂，基本理化性质为：pH 7.62，饱和含水量0.76 ml/g，容重0.85 g/ml，全氮5.18%，全钾50.83 g/kg，有效磷77.92 mg/kg，有机质12.12%，将垃圾堆肥去除其中的木头、塑料、金属等杂物，风干后备用。

供试纳米碳购于天津市秋实炭黑厂，粒径20-70 nm， pH值为7。

土壤基质取自天津师范大学校院内，剔除杂物，过2mm筛，放置于通风口处2-3天，自然条件下风干，其理化性质为： pH 7.44，饱和含水量0.58mL /g，有机质4.68%，全氮0.21%，有效磷22.03 mg /kg，全钾45.61g /kg。

1.2纳米强化垃圾堆肥的制备

将生活垃圾堆肥105℃烘干至恒重，得到堆肥1。采用高速万能粉碎机将堆肥1在24000 r/min下粉碎30min制成堆肥2，平均粒径约为60nm；由秦皇岛太极环生物技术有限公司，利用改进的高能球磨技术，通过罐体快速的多维摆动式运动，将垃圾堆肥加工研磨制成纳米堆肥3，平均粒径约为30nm。在堆肥1、堆肥2、堆肥3中分别加入质量比为0.3%的纳米碳制成相应的强化垃圾堆肥，供实验使用。

1.3强化纳米肥基质组配及草皮建植

本实验设强化纳米肥组配基质7个处理水平，每个处理4次重复。

（1）以100%土壤为对照基质（CK）；

剩下处理基质均为土壤和堆肥按59：1的比例混合

（2）土壤和堆肥1混合基质（M1）

（3）土壤和堆肥2混合基质（M2）

（4）土壤和堆肥3混合基质（M3）

（5）土壤和强化堆肥1混合基质（M4）

（6）土壤和强化堆肥2混合基质（M5）

（7）土壤和强化堆肥3混合基质（M6）

实验基质用量为9400 gm^-2，基质厚度为15 mm，高羊茅播种量为160 gm^-2，种子浸泡24小时后均匀播于基质表层，首先黑暗处理一周，充分浇水保证萌发，之后进行光照培养，光照强度为400-650 μmol.m^-2.s^-1，期间早晚定期浇一次水，经常调换培养草皮的位置以保证光照一致。室内的相对湿度为45-55%，温度为18℃-22℃，整个实验周期为47d。

1.4指标的测定

1.4.1株高与生物量的测定

植株萌发后每10d测定一次株高，选取每块草皮中最高的5株高羊茅测量株高，取平均值。生长47d后，将高羊茅齐根剪下，用电子天平测量地上鲜重，置烘箱中80℃烘干至恒重，测定地上部干重。

1.4.2根系的测定

最后进行洗根，每块草皮中随机抽取10株的根，测量须根数及根长，然后置烘箱中80℃烘干至恒重，测定地下干重。

1.4.3叶绿素的测定

叶绿素含量的测定：取0.1 g叶片，剪成1-2 mm碎片，浸泡于丙酮:乙醇（V:V=1:1）溶液中24小时，浸泡液为待测液。用分光光度计于波长633 nm和645 nm下测量吸光值，并根据公式计算叶绿素含量。

结果计算：

其中，A₆₆₃、A₆₄₅分别为叶绿素提取液在663nm和645nm处的吸光度

V—叶绿素提取液体积（mL）

W—材料重（g）

1.5数据分析

数据分析采用EXCEL2003和SPSS17.0分析软件进行处理。

2研制结果分析

2.1纳米强化垃圾堆肥对高羊茅株高的影响

由表1可见，不同粒径垃圾堆肥处理均能促进高羊茅的生长，其中堆肥3对高羊茅株高影响最大，生长10d时，高羊茅株高与对照组相比增长了12.08%。添加纳米碳处理组的高羊茅株高高于未添加纳米碳处理组，但两者之间差异不显著。植株生长10d时，M6处理对高羊茅株高影响最大，与不添加纳米碳相比高出0.86%，与对照相比高出15.82%。生长40d时，M6处理的株高达最高，比对照相高出13.09%，差异显著。

表1 不同粒径垃圾堆肥对高羊茅株高的影响(cm)

表中数据以平均值±95%置信区间表示；同列数据中字母相同者表示差异不显著（P>0.05）;

2.2纳米强化垃圾堆肥对高羊茅地上生物量的影响

不同处理均能促进高羊茅地上生物量的增加（表2）。未添加纳米碳处理组中，堆肥3效果最为显著，每平方米地上鲜重和地上干重分别比对照高出74.63%和74.51%。添加纳米碳后植株地上生物量积累更多，M6与M3相比，每平方米地上鲜重和地上干重分别增加了2.56%，2.45%。纳米强化垃圾堆肥对高羊茅单株重的具有明显的促进作用，M6处理组高羊茅单株重与对照相比增加了6.80%（P<0.05），与未添加纳米碳处理组相比有一定程度的提高，但差异不显著。

表2 纳米强化垃圾堆肥对高羊茅生物量的影响

2.3纳米强化垃圾堆肥对高羊茅根系的影响

如表3所示，纳米堆肥3对高羊茅根重、根长和须根数均具有明显的促进作用，与对照相比，分别提高了32.98%、46.23%和31.37%，差异达显著水平。与普通堆肥1相比，纳米堆肥3能更好的促进高羊茅根系的生长，根重、根长和须根数分别比堆肥1增加了29.60%、32.54%和31.37%。纳米强化垃圾堆肥与纳米堆肥相比，根重、根长和须根数均有不同程度的增加，但差异不显著。

表3 纳米强化垃圾堆肥对高羊茅根系的影响

2.4纳米强化垃圾堆肥对高羊茅叶绿素的影响

叶绿素是光合作用的重要物质，叶片光合色素含量是反应植物光合能力的重要参数。如表4所示，除普通堆肥1处理外，其它处理均能显著提高高羊茅叶片叶绿素含量。未添加纳米碳处理组中，堆肥3效果最佳，高羊茅叶片总叶绿素含量为对照的1.6倍，与堆肥1相比增加了54.96%。添加纳米碳后效果更佳，纳米强化垃圾堆肥3叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素分别比对照增加了65.18%、71.43%和65.87%（P<0.05）。

表4纳米强化垃圾堆肥对高羊茅叶绿素的影响（mg.g^-1 FW）

3 研制结论

三种粒径堆肥处理中， M3处理对高羊茅初期生长效果最佳，地上鲜重和地上干重分别比对照高出74.63%和74.51%。纳米强化垃圾堆肥与纳米堆肥相比有一定促进作用，但效果不显著。可见，将垃圾堆肥加工成纳米粒径施用于草坪基质，有助于提高堆肥的利用效率，加速养分的吸收利用，促进草坪植物生物量的积累及草坪质量的提高。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供下述制备方法实施实例。这些实施实例仅仅是解释、而不是限制本发明的范围。需要特别说明是所用原料均由市售。

实施例1

（2）强化纳米肥基质组配及草皮建植

强化纳米肥组配基质7个处理水平，每个处理4次重复；

1）以100%土壤为对照基质；

剩下处理基质均为土壤和堆肥按59：1的比例混合

2）土壤和堆肥1混合基质；

3）土壤和堆肥2混合基质；

4）土壤和堆肥3混合基质；

5）土壤和强化堆肥1混合基质；

6）土壤和强化堆肥2混合基质；

7）土壤和强化堆肥3混合基质；

实验基质用量为9400 gm^-2，基质厚度为15 mm，高羊茅播种量为160 gm^-2，种子浸泡24小时后均匀播于基质表层，首先黑暗处理一周，充分浇水保证萌发，之后进行光照培养，光照强度为400μmol.m^-2.s^-1，期间早晚定期浇一次水，经常调换培养草皮的位置以保证光照一致，室内的相对湿度为45%，温度为18℃，整个实验周期为47d；

实施例2

一种采用强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法：

（2）强化纳米肥基质组配及草皮建植

强化纳米肥组配基质7个处理水平，每个处理4次重复；

1）以100%土壤为对照基质；

剩下处理基质均为土壤和堆肥按59：1的比例混合

2）土壤和堆肥1混合基质；

3）土壤和堆肥2混合基质；

4）土壤和堆肥3混合基质；

5）土壤和强化堆肥1混合基质；

6）土壤和强化堆肥2混合基质；

7）土壤和强化堆肥3混合基质；

实验基质用量为9400 gm^-2，基质厚度为15 mm，高羊茅播种量为160 gm^-2，种子浸泡24小时后均匀播于基质表层，首先黑暗处理一周，充分浇水保证萌发，之后进行光照培养，光照强度为650μmol.m^-2.s^-1，期间早晚定期浇一次水，经常调换培养草皮的位置以保证光照一致，室内的相对湿度为55%，温度为-22℃，整个实验周期为47d；

Claims

1.一种采用碳强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（2）强化纳米肥基质组配及草皮建植

强化纳米肥组配基质7个处理水平，每个处理4次重复；

1）以100%土壤为对照基质；

剩下处理基质均为土壤和堆肥按59：1的比例混合

2）土壤和堆肥1混合基质；

3）土壤和堆肥2混合基质；

4）土壤和堆肥3混合基质；

5）土壤和强化堆肥1混合基质；

6）土壤和强化堆肥2混合基质；

7）土壤和强化堆肥3混合基质；

（3）植株萌发后每10d测定一次株高，选取每块草皮中最高的5株高羊茅测量株高，取平均值；生长47d后，将高羊茅齐根剪下，用电子天平测量地上鲜重，置烘箱中80℃烘干至恒重，测定地上部干重；

2.权利要求1所述采用碳强化纳米垃圾肥促进草坪草生长增效的方法在提高草坪植物高羊茅地上生物量、生物量的积累及草坪质量方面的应用。