CN106190141A - 一种竹炭土壤调理剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竹炭土壤调理剂及其制备方法，该土壤调理剂由以下含有以下重量百分比的成分组成：竹炭粉：40‑60%；有机酸：10‑30%；生石灰粉：10‑20%；硅藻土：5‑10%；尿素：5‑10%；EDTA铁：0.5‑2%。本发明的土壤调理剂富含稳定态有机碳，可有效增加土壤有机质，降低温室气体N₂O的排放，吸附和钝化土壤重金属及农药残留，改良土壤结构，提高土壤微生物量和多样性；调节土壤酸碱度，提高土壤透气性、保水性，活化土壤中的磷钾元素，另外本发明土壤调理剂用量少，使用方便，生产成本低，绿色环保。

Description

一种竹炭土壤调理剂及其制备方法

技术领域

本发明属于农业化工领域，特别涉及一种竹炭土壤调理剂及其制备方法。

背景技术

近年来，随着工业化进程的不断加快，矿产资源的不合理开采及其冶炼排放、长期对土壤进行污水灌溉和污泥施用，人为活动引起的大气沉降、化肥和农药的施用等原因，造成了土壤严重污染。

2015年的土壤污染调查显示，我国严重土壤污染区就达320个，约548万公顷。此外，我国至少还有近3000万公顷的污染土地，包括接近2000万公顷耕地受重金属污染，500万公顷土地受石油污染，200万公顷土地受矿区污染，5万公顷土地受固体废弃堆放污染。日益退化的土壤问题，不但损害土壤自身的理化性质，而且影响作物的产量与品质，并通过食物链进入人体，危害人类健康。如何解决土壤污染已迫在眉睫。

为了解决土壤板结、酸化、盐碱化、提高土壤透气性、增强土壤肥水渗透力，具有改良土壤，治理荒漠，保水抗早，恢复农作物原生态等功能的土壤调理剂备受关注，使用土壤调理剂改善土壤状况日渐被人们接受。但是我国，土壤调理剂的发展尚处于起步阶段，市面上已登记的土壤调理剂共有40家，远远未能满足市场需求。另外，已有的土壤调理剂的质量也是参差不齐。主要存在以下问题：1）功能单一：登记的土壤调理剂中有75%是解决酸性土壤，余下是解决盐渍土壤和保护地障碍土壤，没有一个是解决重金属污染的土壤调理剂。2）改良效果不明显。单一的土壤改良剂存在改良效果不佳或不全面的问题，人工合成的高分子化合物土壤调理剂具有成本高和潜在的二次环境污染风险，而天然原材料改良效果有限，并存在持续时间短、用量大的问题。

因无改良重金属污染土壤的商品土壤调理剂，常规的解决土壤重金属的方法有两种：一是客土和深耕翻土；另一种是植物修复技术。前者修复成本巨大且容易造成污染转移；后者修复时间慢长、且影响土地生产。

针对以上问题，我们研发了一款既能改良酸性土壤、又能吸附钝化重金属的多功能新型竹炭土壤调理剂。

发明内容

本发明的目的在于针对市面上的土壤调理剂改良效果不佳或不全面、持续时间短、用量大的问题，开发一种富含稳定态有机碳，有效增加土壤有机质，降低温室气体排放，吸附和钝化土壤重金属，改良土壤结构，增加有益微生物数量提供土壤微生物量和多样性；调节土壤酸度，提高土壤透气性、保水性，活化土壤中的磷钾元素的高效、安全、生态的土壤调理剂，同时本发明还提供一种该土壤调理剂的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种竹炭土壤调理剂及其制备方法，其特征在于，由以下含有以下重量百分比的成分组成：

竹炭粉：40-60%；

有机酸：10-30%；

生石灰粉：10-20%；

硅藻土：5-10%；

尿素：5-10%；

EDTA铁：0.5-2%。

优选地，其含有以下重量百分比的成分：

竹炭粉：45-50%；

有机酸：15-20%；

生石灰粉：10-15%；

硅藻土：5-8%；

尿素：5-8%；

EDTA铁：1-2%。

所述有机酸为腐植酸、黄腐酸、脱氧核糖核酸、核糖核酸、赖氨酸、精氨酸中的至少一种。

此外，本发明另一方案中还含有重量百分比为3-6%的粘结剂；所述粘结剂包括粘土或膨润土中的至少一种。

上述竹炭土壤调理剂的生产方法，包括以下步骤：

（1）将高山毛竹或毛竹加工废料破碎切断，自然或人工干燥备用；

（2）将步骤（1）所得的物料经中温无氧热解炭化，冷却后再经粉碎机粉碎过筛，干燥；

（3）将有机酸过筛，干燥；

（4）将生石灰粉碎，过筛，干燥；

（5）硅藻土过筛，干燥；

（6）尿素粉碎、过筛，干燥；

（7）EDTA铁过筛，干燥；

（8）将上述竹炭粉、生石灰粉、硅藻土、有机酸、尿素、EDTA铁按生产配比进行计量，采用搅拌机充分混合后，制备得到粉状土壤调理剂；或者将上述竹炭粉、生石灰粉、有机酸、硅藻土、尿素、EDTA铁和粘结剂按照生产配比进行计量，采用搅拌机充分混合后，经造粒机造粒，得到颗粒状土壤调理剂。

优选地，步骤（1）所述高山毛竹为三年生。

优选地，步骤（2）所述热解炭化采用无氧中温热解，温度保持在450℃，时间保持为2小时。

优选地，步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）所述过筛为过粉碎的细度为80-100目筛，所述干燥后的粉状各原材料物质含水量小于等于8wt%。

本发明的土壤调理剂能有效改良土壤酸度，促进有益微生物生长、钝化重金属、提高土壤透气性和保水性、提高植物营养的有效性。

本发明的作用机理为：竹炭具有由洋葱状富勒烯(C60)和展开的碳纳米管组成的特殊孔隙以及大量的表面含氧基团等特征，这一特殊结构使其具有良好的吸附性能。竹炭的表面积是木炭的2.5-3倍，吸附能力是木炭的10倍以上。

竹炭大多呈碱性，因其灰分中含有很多的盐基离子，比如钙、镁、钾等，这些盐基离子可以降低土壤中氢离子及交换性铝离子的含量，提高酸性土壤pH值。

竹炭具有多孔结构、比表面积大等特性，可改善土壤持水能力。竹炭具有的吸附性、表面富含碱性基团，可以改变土壤中重金属（镉、砷、铬等）的形态，使离子形态的重金属形成难溶的盐类。因此具有钝化重金属的功能。

竹炭的孔隙结构及贮存水分和养分的作用，使其成为土壤微生物的良好栖息环境，为土壤有益微生物提供保护，特别是菌根真菌，促进有益微生物繁殖及活性。竹炭可作为微生物肥料接种菌的载体，增加接种菌在土壤中存活率。

本发明制备的竹炭土壤调理剂具有以下优点：

1）安全、环保

该土壤调理剂的原料取自三年生长的高山竹，经中温热解炭化工艺生产，该产品无重金属，安全环保；

2）效果明显

本发明的土壤调理剂可以调节酸性土壤、吸附重金属、增加土壤中有益微生物数量，提高土壤透气性、保水性，增加土壤有机质和提高土壤中磷和钾的有效性；

3）使用方便

产品可制成粉剂，每亩地用量为300kg，种植前全范围内喷撒即可，使用方法简单。

附图说明

图1 为本发明中所使用的竹炭的微观结构图，在2000倍电子显微镜下观察其中a为竹炭横剖面微观结构图；b为竹炭纵剖面微观结构图。

具体实施方式

以下实施例所涉及的生产设备包括：自热式全自动炭化炉、粉碎机、搅拌机、筛子、造粒机；所涉及的原料及来源：竹子（浙江安吉三年生高山毛竹）；有机酸（矿源腐植酸，辽宁阜新鼎旺腐植酸科技有限公司；黄腐酸（山东青州东阳化工有限公司）；生石灰粉（ 安徽省青阳县金元钙业有限责任公司）； 硅藻土（吉林远通矿业有限公司）；农用尿素（山东鲁西化工有限公司）；EDTA铁（苏州连胜化学有限公司）。

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

实施例1

本实施例的配方：

竹炭粉：50%

腐植酸：15%

生石灰粉：20%

硅藻土：5%

尿素：8%

EDTA铁：2%

工艺过程：

（1）将500kg高山毛竹或竹废料破碎切断，自然或人工干燥备用。

（2）将步骤（1）所得碎料在无氧条件下450℃热解炭化2小时，冷却后再经粉碎机粉碎过100目筛，干燥，所得竹炭粉的微观结构如图1所示，可以看出，竹炭具有由洋葱状富勒烯(C60)和展开的碳纳米管组成的特殊孔隙；

（3）将腐植酸过100目筛，干燥；

（4）将生石灰粉碎，过100目筛，干燥；

（5）硅藻土过100目筛，干燥；

（6）尿素粉碎、过100目筛，干燥；

（7）EDTA铁过100目筛，干燥；

（8）将上述竹炭粉、生石灰粉、腐植酸、尿素按生产配比进行计量，采用搅拌机充分混合后，制备得到粉状土壤调理剂。

实施例2

竹炭粉：45%

黄腐酸：16%

生石灰粉：17%

硅藻土：8%

尿素：7%

粘土：5.5%

EDTA铁：1.5%

工艺过程：

（1）将500kg高山毛竹或竹废料破碎切断，自然或人工干燥备用；

（2）将步骤（1）所得碎料在无氧条件下450℃热解炭化2小时，冷却后再经粉碎机粉碎过80目筛，干燥；

（3）将黄腐酸过80目筛，干燥；

（4）将生石灰粉碎，过80目筛，干燥；

（5）硅藻土过80目筛，干燥；

（6）尿素粉碎、过80目筛，干燥；

（7）EDTA铁过80目筛，干燥；

（8）将上述竹炭粉、生石灰粉、硅藻土、黄腐酸、尿素、EDTA铁和粘结剂按照生产配比进行计量，采用搅拌机充分混合后，经造粒机造粒，得到颗粒状土壤调理剂。

实施例3：

将实施例1研发的样品在福建省龙岩市连城县庙前镇吕坊村做了大田示范试验。结果见下：

1.试验地点

福建省龙岩市连城县庙前镇吕坊村（N25°21.392′、E116°42.469′）

2.试验时间： 2015年4月~2015年10月

3.供试土壤：

供试水稻田Cd含量为4.0mg/kg，Pb含量为625mg/kg，土壤pH为6.32

4.供试作物：中稻（丰优559）

5.试验处理：

对照：常规施肥

处理：竹炭土壤调理剂300kg/亩

6.试验过程：

将竹炭土壤调理剂在灌水前撒施于土壤表层，旋耕15cm耙地混匀。然后进行插秧，施碳酸氢铵45千克/亩，尿素8.9千克/亩，过磷酸钙15千克/亩，氯化钾15千克/亩。水稻种植期间田间管理与当地生产相同。水稻在成熟期收获，测产量，同时随机采集代表性作物样本，带回实验室洗净、烘干、脱壳、粉碎、消煮、测定重金属含量。水稻收获后，每个小区使用不锈钢采样器随机采集多个表土（0-15cm）,混匀组成一个样品，风干磨碎后过筛，测定土壤重金属有效态含量。2015年4月上旬施竹炭土壤调理剂，4月下旬插秧，期间按常规田间管理；2015年9月由上旬收获，采样；2015年9月中下旬~2015年10月中旬完成室内分析。分析仪器为石墨炉原子吸收（SpectrAA 220Z，美国瓦里安）。

7.试验结果：

（1）竹炭土壤调理剂对水稻Cd吸收的抑制效果

施用竹炭土壤调理剂显著降低稻米对镉、铅的富集。由表1可以看出，施用竹炭土壤调理剂可以极显著地降低水稻籽粒中Cd、Pb的含量，与对照相比，施竹炭土壤调理剂300kg/亩，水稻籽粒中Cd含量降低了92.2%，籽粒中Cd的含量降低到国家食品污染物限量标准（0.2mg/kg）。

表1施用竹炭土壤调理剂对水稻籽粒重金属含量的影响

注：不同大写字母表示用LSD法单因素方差分析差异极显著（P<0.01），下同。

（2）施加竹炭土壤调理剂对从污染稻田水稻产量的影响

由表2可知，施加竹炭土壤调理剂300kg/亩处理水稻产量与对照相比无显著差异，可见施加竹炭土壤调理剂可以在保持水稻产量的前提下改良重金属污染土壤。

表2 施加竹炭土壤调理剂对水稻产量的影响

注：不同大写字母表示用LSD法单因素方差分析差异极显著（P<0.05），下同。

（3）竹炭土壤调理剂对水稻土镉和铅的钝化效果

从表3可以看出施加竹炭土壤调理剂极显著地降低了土壤中有效态Cd、Pb的浓度，施加300kg/亩竹炭土壤调理剂，土壤中有效态Cd含量从1.87 mg/kg降低到1.53mg/kg，降低了18.1%；Pb含量由 243.0mg/kg降低到221.4mg/kg，降低了8.9%。

表3施加秸秆炭有机肥对土壤DTPA浸提态Cd、Pb含量的影响

注：0.005mol/L DTPA浸提剂，液土比2:1

实施例4：

将实施例2研发的产品在上海市嘉定工业区竹桥村安排了小区试验，试验结果如下：

1.试验地点

上海市嘉定工业区竹桥村（上海嘉定维高蔬果专业合作社）。

2.试验时间：

2015年2月2日~ 2015年12月10日

3.供试土壤：

供试土壤类型为潮土，其理化性状见表4。

表4供试土壤理化性状

4 供试材料：

供试土壤调理剂为时科生物科技（上海）有限公司研发。使用说明：土壤调理剂的使用方法为撒施、穴施或沟施。施用量为300kg/亩。

5 试验设计和方法：

本试验设两个处理，即

处理1：常规施肥；

处理2：常规施肥+施用土壤调理剂。试验采用随机区组排列。小区面积28m²。

6 试验结果与分析

不同处理对土壤理化性状的影响见表5。试验结果表明，常规施肥加施土壤调理剂均能够不同程度的改善土壤理化性状。与处理1喷施清水相比，该土壤调理剂处理的有机质增加3.5g/kg，全氮含量增加1.39g/kg,有效磷含量增加3.5mg/kg,速效钾含量增加10mg/kg,pH值升高0.3，趋于中性，EC₂₅降低2.23ms/cm，土壤全盐量下降0.99g/kg，脱盐率提高43.8%，微生物总量增加16.58E+07，细菌总量增加6.32E+07。2012年6月试验：与处理1相比，该土壤调理剂处理的有机质增加2g/kg，全氮含量增加1.28g/kg,有效磷含量增加5.7mg/kg,速效钾含量增加15mg/kg,pH值升高0.3，趋于中性，EC₂₅降低2.2ms/cm，土壤全盐量下降1.0g/kg，脱盐率提高47.8%，微生物总量增加17.5E+07，细菌总量增加6.22E+07。可见，喷施该土壤调理剂后，较常规对照可有效的改良土壤理化性状。

表5 不同处理对土壤理化性状的影响

7 结论

常规施肥加喷施竹炭土壤调理剂都能够降低土壤全盐量，缓冲pH值，脱盐率高达45%以上，同时可迅速增加土壤中微生物总量，特别是细菌总量，该土壤调理剂改良酸性土壤效果明显。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种竹炭土壤调理剂，其特征在于，含有以下重量百分比的成分：

竹炭粉：40-60%；

有机酸：10-30%；

生石灰粉：10-20%；

硅藻土：5-10%；

尿素：5-10%；

EDTA铁：0.5-2%。

2.根据权利要求1所述的竹炭土壤调理剂，其特征在于，含有以下重量百分比的成分：

竹炭粉：45-50%；

有机酸：15-20%；

生石灰粉：10-20%；

硅藻土：5-8%；

尿素：5-8%；

EDTA铁：1-2%。

3.根据权利要求1或2所述的竹炭土壤调理剂，其特征在于，所述有机酸为腐植酸、黄腐酸、脱氧核糖核酸、核糖核酸、赖氨酸、精氨酸中的至少一种。

4.根据权利要求1、2或3所述的竹炭土壤调理剂，其特征在于，还含有重量百分比为3-6%的粘结剂。

5.根据权利要求4所述的竹炭土壤调理剂，其特征在于，所述粘结剂包括粘土或膨润土中的至少一种。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的竹炭土壤调理剂的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将高山毛竹或毛竹破碎切断，干燥备用；

（2）将步骤（1）所得的物料经无氧热解炭化，冷却后粉碎过筛，干燥；

（3）将有机酸过筛，干燥；

（4）将生石灰粉碎，过筛，干燥；

（5）硅藻土过筛，干燥；

（6）尿素粉碎、过筛，干燥；

（7）EDTA铁过筛，干燥；

（8）将竹炭粉、生石灰粉、硅藻土、有机酸、尿素、EDTA铁按配比进行计量，充分混合，得到粉状土壤调理剂；或者将竹炭粉、生石灰粉、硅藻土、有机酸、尿素、EDTA铁和粘结剂按照配比进行计量，充分混合，造粒，得到颗粒状土壤调理剂。

7.根据权利要求6所述的竹炭土壤调理剂的生产方法，其特征在于，步骤（1）所述高山毛竹为三年生。

8.根据权利要求6所述的竹炭土壤调理剂的生产方法，其特征在于，步骤（2）所述热解炭化温度保持在450℃，时间保持2小时。

9.根据权利要求6所述的竹炭土壤调理剂的生产方法，其特征在于，步骤（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）所述过筛为过80-100目筛，干燥后的各原材料含水量小于等于8wt%。