CN105925270B - 一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂及其应用，属于土壤改良剂领域。所述土壤改良剂是采用如下方法制备的：活性污泥先干燥，再粉碎，最后过筛得到活性污泥粉体；玉米芯先后依次经过清洗、干燥、粉碎、过筛，得到玉米芯粉体；将活性污泥粉体与玉米芯粉体混合后，再在300～500℃的氮气气氛下热解1.5～4h，冷却，得到所述土壤改良剂。本发明所述的土壤改良剂的制备方法简单，而且以农作物废弃物玉米芯和从污水处理系统的二次沉淀池中排出的活性污泥为原料，成本低，且实现废弃资源的循环利用；所述的土壤改良剂能有效提高盐碱地的土壤肥力，提高盐碱土壤的营养指标，增加土壤固氮能力，降低土壤pH。

Description

一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂及其应用

技术领域

本发明涉及一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂及其应用，属于土壤改良剂领域。

背景技术

根据农业部组织的第二次全国土壤普查资料统计，我国盐渍土面积为5.2亿亩。其中盐土2.4亿亩，碱土1299.91万亩，各类盐化、碱化土壤为2.7亿亩。我国盐渍土面积之大，分布之广是世界罕见。从太平洋沿岸的东海之滨至西陲的塔里木、准格尔盆地，从南部的海南岛到最北的内蒙古呼伦贝尔高原，到处都有盐渍土的分布。然而，内蒙古干旱的气候条件使得盐碱地面积日益增加，目前内蒙古盐碱地土地面积近5000万亩，且耕地次生盐碱地面积每年以15万亩～20万亩的速度递增。盐碱地已经成为制约内蒙古地区农业发展的主要障碍，为了提高内蒙古地区粮食产量、增加农民收入、促进农业的可持续发展，治理改良盐碱地势在必行。

目前，改良盐碱地的方法有：专利CN1015123256(一种滨海盐碱地高固碳及高产种植油葵的方法)通过选择生育期短、耐盐碱的油葵品种，采用犁耕与旋耕结合的秸秆还田方式，并结合一年两熟的油葵种植模式以及适宜的田间管理措施，从而达到快速提升盐碱地土壤固碳能力和提高油葵产量的目的，实现固碳效益—生态效益—经济效益的多赢；专利CN201510646530.8(一种制备盐碱地改良基质的方法)公开了一种利用糠醛废渣制备盐碱地改良基质的方法，该方法可以实现变废为宝、实现资源综合利用，制备的改良基质不但可以降低盐碱地土壤pH和盐分，而且可以增加有机质含量、改善土壤理化性状；专利CN201510618512.9(一种砂性盐碱地新型改良肥及其制备、施用方法)公开了一种由有机肥、泥炭、腐殖酸、珍珠岩、蛭石、脱硫石膏、浮石粉、复合肥、氨基酸、保水剂、烟酸、对氨基苯甲酸、肌醇以及丝氨酸制备的改良肥，该改良肥能增加砂性盐碱地土壤中有机质含量，加速改善土壤的团粒结构，增加土壤的通透性、保水性及保肥性，有效调节土壤酸碱度，增加土壤的氮磷钾及微量元素等有效成分；专利CN105016893A(一种增产增收的小麦秸秆生物炭肥及其制备方法)中制备的生物炭肥是在秸秆炭粉的基础上添加了大量生物质、速效养分和微生物等成分，其中速效养分和生物质为作物提供长期的营养供给，生物炭的表面可以作为复合微生物的栖息地，有利于降低附近二氧化碳的浓度，从而促进作物的光合作用。

我国是一个农业大国，农作物资源极其丰富，玉米是一种重要的粮食作物之一。玉米作为优质饲料和发酵工业的重要原料越来越受到人们的青睐，产量逐年上涨，年产量已经超过2亿吨，我国的玉米产量居世界第二。目前，大量的玉米芯除了部分用作栽培食用菇，制备糠醛，生产木糖醇等产品的原料外，很大一部分被直接燃烧处理，造成资源浪费和环境污染。研究发现，以农业废物玉米芯为材料制备的生物炭能够显著提高土壤肥力，以玉米秸秆为原料制备的复合生物炭可以吸附土壤中重金属，从而降低重金属对土壤的危害。

另外，随着世界工业生产的发展，城市人口的增加，工业废水与生活污水的排放量日益增多，污泥的产出量迅速增加，年污泥产量达2000万吨以上。大部分污泥被二次利用，用作建筑材料的制作，污泥制砖、污泥制陶粒、污泥制水泥以及污泥堆肥技术等。这些处置方法虽然充分利用了资源，变废为宝，但是活性污泥本身含有重金属，污泥堆肥技术会给土壤及农作物造成了二次污染并且成本过高。因此，妥善科学地处理处置资源型废物，防止二次污染已是一个亟待解决的环境问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂及其应用，所述改良剂以农业废弃物玉米芯和从污水处理系统的沉淀池中排出的活性污泥为原料，实现废弃资源的循环利用，成本低；该改良剂能有效提高盐碱地的土壤肥力，降低土壤pH，提高产量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂，所述土壤改良剂是采用如下方法制备的：

步骤1.活性污泥先干燥，再粉碎，最后过筛得到粒径≤150μm的活性污泥粉体；

步骤2.玉米芯先后依次经过清洗、干燥、粉碎、过筛，得到粒径为≤2000μm的玉米芯粉体；

步骤3.活性污泥粉体与玉米芯粉体混合后，再在300～500℃的氮气气氛下热解1.5～4h，冷却，得到所述土壤改良剂。

所述活性污泥是从污水处理系统的沉淀池中排出的好氧活性污泥，活性污泥由微生物群体以及微生物群体所依附的有机物质和无机物质组成；其中，活性污泥的pH为5.85～6.75，含水率为83.4～85.67％，挥发分含量为63.91～74.47％，Cd含量为100～235.35mg/kg，Cu含量为47.98～355.92mg/kg，Zn含量为380.02～978.87mg/kg，Pb含量为96.91～726.19mg/kg。

优选的，活性污泥粉体与玉米芯粉体按照1～3:5的质量比进行混合。

一种本发明所述的改善盐碱地肥力的土壤改良剂的应用，所述土壤改良剂施加到土壤中的施用量为10～25g/kg。

有益效果：

本发明所述的制备方法工艺简单，而且以农作物废弃物玉米芯和从污水处理系统的沉淀池中排出的活性污泥为原料，成本低，且实现废弃资源的循环利用；本发明所制备的土壤改良剂能有效提高盐碱地的土壤肥力，提高土壤的营养指标，增加土壤固氮能力，降低土壤pH。本发明所制备的土壤改良剂中的玉米芯以及活性污泥热解后产生较多的孔隙结构，土壤改良剂中不同孔径的孔隙结构能够有效地保持较高的含水率和肥力，增强土壤养分的综合利用，可以有效改善土壤结构，促进土壤肥力的增强，而且热解后的玉米芯能够吸附重金属从而减少了活性污泥中重金属对土壤的二次污染，实现废弃物的综合利用。

附图说明

图1为热解前玉米芯粉体的扫描电子显微镜(SEM)图。

图2为450℃下热解3h后的玉米芯粉体的扫描电子显微镜图。

图3为热解前活性污泥粉体的扫描电子显微镜图。

图4为450℃下热解3h后的活性污泥粉体的扫描电子显微镜图。

图5为实施例1中450℃热解下的土壤改良剂的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

以下实施例中：

活性污泥为包头市南郊污水处理厂中A-A-O污水处理系统的沉淀池排出的好氧活性污泥，活性污泥的指标参数如下：pH＝6.75，含水率为85.67％，挥发分含量为70.69％，Cd含量为235.35mg/kg，Cu含量为355.92mg/kg，Zn含量为978.87mg/kg，Pb含量为726.19mg/kg；

盐碱土壤：取自内蒙古沿黄盐碱地，土壤中全氮含量为0.64g/kg，全磷含量为0.23g/kg，有机质含量为5.8g/kg，阳离子交换总量为0.8cmol/kg，pH为8.36。

密封式制样粉碎机：GJ-3，上海康路仪器设备有限公司；

高速万能粉碎机：QE300，浙江屹立工贸有限公司；

管式电炉：GWL-1700GA，洛阳炬星窑炉有限公司；

表面扫描电子显微镜：日立扫描电子显微镜S-3400；

土壤改良剂中的元素分析采用德国Elementar元素分析仪进行测试：varioMACRO，卡斯普(北京)科技有限公司；

比表面积测试采用的仪器为贝士德/3H-2000PS2全自动比表面积及孔径分析仪，贝士德仪器科技(北京)有限公司。

土壤改良剂中的灰分测试参照木炭和木炭试验(GB/T17664-1999)进行；

土壤改良剂的产率＝热解后得到的土壤改良剂的质量/热解前活性污泥粉体和玉米芯粉体的质量之和×100％；

土壤基本理化性质测定参考《土壤农化分析》(鲍士旦，2000，第3版，中国农业出版社)；其中，总氮含量采用凯式定氮法测试，总磷含量采用碱熔-钼锑抗分光光度法测试，有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测试，阳离子交换总量采用乙酸钠-火焰光度计法测试，pH值采用电位法测试(pH值测试的样品中，水的质量与土壤的质量比为1:2.5)。

实施例1

一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂，所述土壤改良剂是采用如下方法制备的：

步骤1.活性污泥先自然风干，再经密封式制样粉碎机粉碎，最后过100目筛并收集筛下的活性污泥粉体；

步骤2.玉米芯先用去离子水清洗，再自然风干，然后再经高速万能粉碎机粉碎，最后过10目筛并收集筛下的玉米芯粉体；

步骤3.将2.86g活性污泥粉体与7.14g玉米芯粉体混合均匀后，放入通氮气的管式电炉中，设定氮气速率为300mL/min，升温速率为15℃/min，在325℃的热解温度下热解3h，冷却，得到所述土壤改良剂。

本实施步骤3中的热解温度为325℃，将热解温度调整为450℃或500℃，其他条件不变，得到450℃热解下的土壤改良剂或500℃热解下的土壤改良剂。不同热解温度下制备的土壤改良剂的物理化学性质详见表1。

按照20g/kg的施用量，将1g土壤改良剂与50g盐碱土壤混合均匀后放入2000mL培养瓶中，再加入200mL去离子水，然后放入振荡机中，室温下振荡72h；将振荡后的混合物倒在蒸发皿上，在105℃下干燥10h得到固体物质；将干燥后的固体物质经过研磨并过100目筛，取筛下的添加土壤改良剂的土壤进行分析检测，数据见表2。

表1

从表1中可以得知，所制备的土壤改良剂具有植物生长所必需的一些营养元素和矿物质元素；随着热解温度的升高，土壤改良剂中C含量不断增加，但是O、H、N的含量却逐渐减少，说明热解温度越高，土壤改良剂的碳化程度越高。从图1和图2玉米芯粉体热解前后的SEM图中可知，热解前的玉米芯维管束组织结构健全，热解后的玉米芯中生成的碳化木质素形成了多孔碳架结构。从图3和图4活性污泥粉体热解前后的SEM图中可知，热解前的活性污泥为大小不一的颗粒状结构，热解后的活性污泥发生碳化形成孔径大小不同的孔隙，热解后的活性污泥表面粗糙度加大，比表面积随之增加。从图5土壤改良剂的SEM图中可知，热解后所得到的土壤改良剂的比表面积大，孔隙结构丰富，土壤改良剂中不同孔径的孔隙，能够有效地保持较高的含水率和肥力，增加土壤养分的综合利用。随着热解温度的升高，土壤改良剂的比表面积越大，这是因为高的热解温度有利于玉米芯和活性污泥中孔隙结构的形成；但是随着热解温度的升高，土壤改良剂的产率逐渐降低，灰分含量逐渐升高，这是因为各种矿质元素以氧化物、硫酸盐、硅酸盐等形式存在于灰分中。

表2

从表2中可知得知，与未添加土壤改良剂的土壤相比，添加土壤改良剂的土壤的养分明显增加；同一施用量下，随着热解温度的升高，土壤改良剂对土壤中全氮含量的提高幅度呈下降趋势，但仍大大提高了土壤中全氮含量，325℃热解下的土壤改良剂中全氮含量比未添加土壤改良剂的盐碱土壤中的全氮含量增加了0.14g/kg；土壤中全磷、有机质含量的提高幅度由高到低为500℃热解下的土壤改良剂＞450℃热解下的土壤改良剂＞325℃热解下的土壤改良剂；随着土壤改良剂制备过程中热解温度的升高，土壤改良剂对土壤pH降低幅度减少；土壤中阳离子交换总量受土壤改良剂热解温度影响较小，但是土壤改良剂的加入明显提高了盐碱土壤中阳离子交换总量。总体来说，土壤改良剂的加入显著提高了盐碱地土壤的养分含量，能够有效吸附盐碱地中的养分，降低盐碱地淋溶损失。

实施例2

一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂，所述土壤改良剂是采用如下方法制备的：

步骤1.活性污泥先自然风干，再经密封式制样粉碎机粉碎，最后过100目筛并收集筛下的活性污泥粉体；

步骤2.玉米芯先用去离子水清洗，再自然风干，然后再经高速万能粉碎机粉碎，最后过10目筛并收集筛下的玉米芯粉体；

步骤3.将2.86g活性污泥粉体与7.14g玉米芯粉体混合均匀后，放入通氮气的管式电炉中，设定氮气速率为300mL/min，升温速率为15℃/min，在325℃的热解温度下热解0.5h，冷却，得到所述土壤改良剂。

本实施步骤3中的热解时间为0.5h，将热解时间调整为1.5h或3h，其他条件不变，得到热解1.5h的土壤改良剂或热解3h的土壤改良剂。

按照20g/kg的施用量，将1g土壤改良剂与50g盐碱土壤混合均匀后放入2000mL培养瓶中，再加入200mL去离子水，然后放入振荡机中，室温下振荡72h；将振荡后的混合物倒在蒸发皿上，在105℃下干燥10h得到固体物质；将干燥后的固体物质经过研磨并过100目筛，取筛下的添加土壤改良剂的土壤进行分析检测，数据见表3。

表3

从表3中的数据可知，与未添加土壤改良剂的土壤相比，随着添加的土壤改良剂制备过程中热解时间的增加，土壤中全氮、全磷、有机质、阳离子交换总量的含量提高幅度越大；同时，由于制备时间增加，土壤改良剂中的碱性基团的含量呈增加趋势，所以土壤改良剂本身的pH值也增加，从而对土壤中pH值降低效果有所减弱。总体来说，热解时间对pH值的影响不大，但是随着热解时间的增加，土壤改良剂对提高土壤中营养含量的贡献越大，更有利于土壤中养分的吸收利用。

实施例3

一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂，所述土壤改良剂是采用如下方法制备的：

步骤1.活性污泥先自然风干，再经密封式制样粉碎机粉碎，最后过100目筛并收集筛下的活性污泥粉体；

步骤2.玉米芯先用去离子水清洗，再自然风干，然后再经高速万能粉碎机粉碎，最后过10目筛并收集筛下的玉米芯粉体；

步骤3.将1.67g活性污泥粉体与8.33g玉米芯粉体混合均匀后，放入通氮气的管式电炉中，设定氮气速率为300mL/min，升温速率为15℃/min，在450℃的热解温度下热解3h，冷却，得到所述土壤改良剂。

本实施步骤3中活性污泥粉体与玉米芯粉体的质量比为1:5，将活性污泥粉体与玉米芯粉体的质量比调整为2:5或3:5，其他条件不变，得到2:5的土壤改良剂或3:5的土壤改良剂。

按照20g/kg的施用量，将1g土壤改良剂与50g盐碱土壤混合均匀后放入2000mL培养瓶中，再加入200mL去离子水，然后放入振荡机中，室温下振荡72h；将振荡后的混合物倒在蒸发皿上，在105℃下干燥10h得到固体物质；将干燥后的固体物质经过研磨并过100目筛，取筛下的添加土壤改良剂的土壤进行分析检测，数据见表4。

表4

从表4中的数据可知，随着制备土壤改良剂的原料中活性污泥粉体含量的增加，添加土壤改良剂的土壤比未添加土壤改良剂的土壤中的全氮、全磷含量明显增加；但是随着制备土壤改良剂的原料中活性污泥粉体含量的增加，有机质含量提高的幅度却降低，而且对土壤pH值的降低幅度也减少，这是因为土壤改良剂大的比表面积和大的孔隙度可为土壤中的微生物提供栖息环境，同时提供微生物生长代谢所需的营养物质，而且微生物的存在能大量分解有机质。因此，土壤改良剂制备过程中要选择适当的活性污泥与玉米芯的质量比，从而制备综合性能良好的土壤改良剂。

实施例4

一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂，所述土壤改良剂是采用如下方法制备的：

步骤1.活性污泥先自然风干，再经密封式制样粉碎机粉碎，最后过100目筛并收集筛下的活性污泥粉体；

步骤2.玉米芯先用去离子水清洗，再自然风干，然后再经高速万能粉碎机粉碎，最后过10目筛并收集筛下的玉米芯粉体；

步骤3.将1.67g活性污泥粉体与8.33g玉米芯粉体混合均匀后，放入通氮气的管式电炉中，设定氮气速率为300mL/min，升温速率为15℃/min，在450℃的热解温度下热解3h，冷却，得到所述土壤改良剂。

分别按照10g/kg、20g/kg或25g/kg的施用量，将土壤改良剂与50g盐碱土壤混合均匀后放入2000mL培养瓶中，再加入200mL去离子水，然后放入振荡机中，室温下振荡72h；将振荡后的混合物倒在蒸发皿上，在105℃下干燥10h得到固体物质；将干燥后的固体物质经过研磨并过100目筛，取筛下的添加土壤改良剂的土壤进行分析检测，数据见表5。

表5

从表5中的数据可知，随着土壤添加剂施用量的增加，土壤中养分含量也增加；其中，有机质含量提高幅度最大，这和土壤改良剂本身含碳量高有关；加入土壤改良剂后大幅度提高了盐碱土壤中阳离子交换能力，而且施用量越大土壤中阳离子交换能力越强，对于促进作物生长具有积极意义；随着土壤改良剂施用量的增加，土壤pH呈现先降低后上升趋势，这和土壤改良就本身碱性有关。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂，其特征在于：所述土壤改良剂是采用如下方法制备的：

步骤1.活性污泥先干燥，再粉碎，最后过筛得到粒径≤150μm的活性污泥粉体；

步骤2.玉米芯先后依次经过清洗、干燥、粉碎、过筛，得到粒径为≤2000μm的玉米芯粉体；

步骤3.活性污泥粉体与玉米芯粉体混合后，再在300～500℃的氮气气氛下热解1.5～4h，冷却，得到所述土壤改良剂；

步骤1中活性污泥的pH为5.85～6.75；步骤3中活性污泥粉体与玉米芯粉体按照1～3:5的质量比进行混合。

2.根据权利要求1所述的一种改善盐碱地肥力的土壤改良剂，其特征在于：所述活性污泥是从污水处理系统的沉淀池中排出的好氧活性污泥；其中，活性污泥的pH为5.85～6.75，含水率为83.4～85.67％，挥发分含量为63.91～74.47％，Cd含量为100～235.35mg/kg，Cu含量为47.98～355.92mg/kg，Zn含量为380.02～978.87mg/kg，Pb含量为96.91～726.19mg/kg。

3.一种如权利要求1至2任一项所述的改善盐碱地肥力的土壤改良剂的应用，其特征在于：所述土壤改良剂施加到土壤中的施用量为10～25g/kg。