CN108727108A

CN108727108A - 一种改良滨海盐碱土的生物炭基改良剂及其制备方法

Info

Publication number: CN108727108A
Application number: CN201810795544.XA
Authority: CN
Inventors: 郑浩; 张宇婵; 罗先香; 李锋民
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2018-11-02

Abstract

本发明提供一种改良滨海盐碱土的生物炭基改良剂及其制备方法，涉及土壤环境治理领域，本发明制备方法包括如下步骤：1)将生物质原料干燥，粉碎；2)炭化热解制得生物炭，回收木醋液；3)将木醋液避光静置稀释；4)将辅料混匀；5)将生物炭、木醋稀释液、辅料、保水剂混合加水搅匀，好氧堆制得堆肥料；6)将堆肥料风干破碎过筛，即得生物炭基改良剂；能够改善盐碱土的理化性质、增加作物产量，同时可实现农业废弃物的源化利用，具有经济、环保、快速高效等特点。

Description

一种改良滨海盐碱土的生物炭基改良剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及土壤环境治理领域，具体涉及一种改良滨海盐碱土的生物炭基改良剂及其制备方法。

背景技术

中国滨海盐碱土地，面积大，分布广，是重要的耕地后备资源。但滨海盐碱土壤有机质含量低，盐基离子含量高，土壤贫瘠，致使大多数植物生长受到不同程度的抑制，甚至无法成活，较难进行农业生产。近几十年来，由于各种自然变化和人类活动的影响，滨海土壤盐碱化程度日益加重，造成了巨大的经济损失，因此，采取有效措施对滨海盐碱土进行生态恢复与重建，对地方经济稳定及环境修复具有重大的现实意义。

目前用于盐碱土改良的措施和技术，主要可以归纳为三类：物理方法、化学方法和生物方法。①物理法主要包括客土和水利措施等。通过合理的铺沙对土壤起到脱盐和压碱的作用，或通过灌溉将表层土中的盐碱自上而下的淋洗出去。尽管这些物理措施对改良盐碱地具有一定的效果，但存在工程量大、成本高、资源浪费等缺点。②化学法主要是对土壤施用无机改良剂，以中和土壤中的碱性离子，改善土壤结构。该方法较物理法见效快、效果突出。但化学改良剂的添加极易引起土壤的二次污染。尤其容易引入新的酸根离子而与金属成盐，使土壤板结加重。③生物法是通过耐盐植物的种植来提高植被覆盖量，减少地表水分蒸发和盐分积累。但耐盐植物的筛选、培育和应用见效慢，周期长。因此，亟需建立一套集经济、环境和生态效益于一体的滨海盐碱土壤改良技术，在进行生态修复、改善当地生境的同时能促成盐碱地的可持续发展，为滨海盐碱地土壤的可持续利用开阔更广的应用前景。

生物炭是生物质通过厌氧热解产生的富碳材料。由于生物炭具有富含微孔、比表面积大等特性，可以提高保水能力并保存养料，提高土壤肥力。从而将其用作土壤改良剂以改善土壤理化性质，提高作物产量。普通的生物炭施用至盐碱土中时，虽然可以一定程度改善土壤质地，促进作物生长。然而，常规生物炭一般呈碱性，pH值8-11，且含有大量的盐基离子，如Na⁺、K⁺、Ca²⁺等。将其施加至土壤中易引起土壤pH值和盐度的增加，极大的限制了现有生物炭在盐碱土修复中的应用。

发明内容

针对现有修复技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种改良盐碱土的生物炭改良剂的制备方法，本发明进一步提供了一种上述制备方法制得的生物炭调理剂及其应用。该方法所得改良剂能够改善盐碱土的理化性质、增加作物产量，同时可实现农业废弃物的源化利用，具有经济、环保、快速高效等特点。

提供一种改良滨海盐碱土的生物炭基改良剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将生物质原料干燥，粉碎至粒径为(1-5)cm；

2)将所述生物质原料通过炭化炉炭化热解；热解过程中，采用水冷循环法回收干馏液体产物；热解制得固体产物为生物炭，回收得到的液体产物为木醋液；

3)将木醋液避光静置(1-8)个月，过滤，稀释(100-1000)倍；

4)将(1-5)重量份花生壳、(2-8)重量份家畜粪便、(0.5-2)重量份蚯蚓粪、(0.01-0.5)重量份堆肥复合微生物菌剂和(0.1-0.5)重量份尿素按重量比混匀得辅料；

5)将步骤2)所得的生物炭、步骤3)所得的木醋稀释液、步骤4)所得的辅料、以及(100-5000)mg/L保水剂按(20-70):(20-50):(5-10):(5-10)重量份混合，加水，至其含水量达到60wt％，搅拌均匀，装入容器中好氧堆制(50-100)天，得堆肥料；

6)将步骤5)所得的堆肥料风干，破碎过筛，即得生物炭改良剂。

进一步，所述生物质原料为富含植物纤维的废弃生物质材料，优选包括锯末、花生壳、畜粪、棉花秸秆、稻壳、玉米秸秆、玉米芯和园林废弃物中的至少一种，更优选为至少包括上述原料中的任选三种的混合物，重量比例为1:1:1。

进一步，所述保水剂为高分子聚合物水凝胶，重量份配比以干重计；所述保水剂优选为丙烯酸类聚合物水凝胶，更优选为聚丙烯酰胺、聚(N-异丙基丙烯酰胺)或聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯。

优选的，在步骤1)中，干燥至含水量低于20wt％，切碎至粒径(1-5)cm。

优选地，在步骤2)中，所述废弃生物质原料化热解的控温过程为：以(1-20)℃min^-1的加热速率升温至(300-400)℃，保持(1-2)h，然后以(1-20)℃min^-1升温至(400-600)℃，保持(2-4)h，再升温至(600-800)℃，以(100-500)mL/min通入CO₂，保持(1-3)h。

本发明所述堆肥复合微生物菌剂可选用常规商用农业腐熟用菌剂。优选含有米曲霉、绿色木霉、酿酒酵母、假丝酵母和枯草芽孢菌剂中的至少一种。

本发明还提供一种上述改良滨海盐碱土的生物炭基改良剂的制备方法制得的土壤改良剂。

本发明所带来的综合效果包括：

1、以园林废弃物等作为生物质原材料制备生物炭，一方面避免了废弃生物质堆积出现的土壤利用不当、产生有害物质等情况，大大拓展了生物质资源化利用的途径；另一方面该生物炭可以产生“固碳”作用，即将大气中的CO₂长期封存在土壤中，起到缓解温室效应的作用。

2、本发明所述生物炭与辅料共同堆制获得的生物炭改良剂一方面通过辅料的添加来弥补生物炭养分较低的缺陷，另一方面生物炭通过吸附作用将肥料中的木醋液养分持留于生物炭中，增强了改良剂的缓释特性；同时通过保水剂的钻孔效应，形成生物炭复合凝胶，将金属离子螯合并锁入凝胶孔隙，从而达到有效降低土壤pH、吸附土壤污染物质、改善土壤理化性质、提高土壤肥力和保水性能等效果，提高滨海盐碱地土壤的植被覆盖量和土壤生产力，并进一步通过植物自身的作用促进滨海盐碱地区的生态系统的自然修复。

3、本发明是一种集经济、环境和生态效益于一体的滨海盐碱土改良技术，兼具生物质资源化利用、经济、持久等特点于一体，通过生物菌堆制发酵，降低保水剂分子链长度，促进与生物炭结合效率，提高滨海盐碱土的植被覆盖量，在进行生态修复、改善滨海盐碱生境的同时能促成盐碱地的可持续发展，更能为滨海盐碱地土壤的可持续利用开阔广泛的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步解释说明，但应理解，本发明的范围不限于此。

本发明通过巧妙借助木醋液作为植物生长促进剂，调节与其同源的碱性富离子生物炭，并通过调节高分子保水剂的电离程度，促进生物炭的孔吸附和孔填充作用，使发酵后的保水剂凝胶分子链易于进入生物炭孔隙中，并与其孔壁内部的金属离子结合，形成炭-有机复合凝胶。该复合凝胶能够吸附并锁住含盐水分，降低土壤渗透压，并通过孔内凝胶的缓释作用，持续维持土壤酸碱平衡，从而改善植物盐碱胁迫效应。且进一步通过持续释放的木醋液及生物发酵养分，提高植物抗逆性。

实施例1

1)将10kg锯末、10kg花生壳、10kg猪粪、10kg棉花秸秆和10kg稻壳混合制得废弃生物质原料，粉碎至粒径为3cm；

2)将上述原料放入炭化炉，以10℃min^-1的加热速率升温至400℃，并在最高温度保持2h。然后以1℃升温至500℃，保持2h，再升温至600℃，以100mL/min通入CO₂，保持1h。热解过程中，采用水冷循环法回收木醋液。热解制得为固体为生物炭，回收得到的液体产物为木醋液；

3)将木醋液避光静置6个月，过滤，稀释500倍；

4)将4kg花生壳、6kg家畜粪便、2kg蚯蚓粪、0.4kg商用的堆肥复合微生物菌剂和0.4kg尿素混匀得辅料；

5)将步骤2)所得的生物炭、步骤4)所得的辅料、步骤3)所得的木醋液以及1000mg/L保水剂按50kg：30kg：7kg：7kg重量配比混合，加水，至其含水量达到60wt％，得混肥料，搅拌混匀，装入容器中好氧堆制80天，得堆肥料；

6)对步骤5)所得的堆肥料风干，破碎过2mm筛，即得生物炭改良剂。

所述生物炭炭化炉具体采用青岛贝尔卡环境生物工程有限公司所属的规模化生物炭炭化炉。

在步骤2)中，所述保水剂为高分子聚合物水凝胶，重量配比以干重计，具体为聚(N-异丙基丙烯酰胺)。

在步骤5)中，在好氧堆肥发酵中，堆肥初始含水量为60wt％；在好氧堆肥过程中，始终保持通风；升温后堆肥过程中维持温度50℃以上，堆肥结束后温度自然降至外界环境温度；堆肥期间翻堆两次。

在步骤6)中，生物炭土壤调理剂风干过程中避免日晒，风干至其含水量低于5wt％，过10目筛，将筛块粉碎并二次过筛，即可获得本实施例生物炭土壤调理剂，应用于秋葵栽培土壤改良。

实施例2

本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述改良剂，不同之处在于：

在所述生物炭改良剂的制备过程中，每100kg生物炭改良剂的原料添加量如下：60kg生物炭、20kg木醋液(100倍稀释)、10kg辅料以及6kg聚(N-异丙基丙烯酰胺)，所述辅料的原料包括：3kg花生壳、6kg家畜粪便、0.5kg商用堆肥复合微生物菌剂、0.5kg尿素。

采用上述制备方法制得本实施例生物炭改良剂。将该生物炭改良剂应用于秋葵栽培土壤改良。

实施例3

在所述生物炭改良剂的制备过程中，每100kg生物炭改良剂的原料添加量如下：70kg生物炭、10kg木醋液和14kg辅料，所述辅料的原料包括：5kg花生壳、8kg家畜粪便、0.5kg商用堆肥复合微生物菌剂、0.5kg尿素；好氧堆制90天制备堆肥料。

采用上述制备方法制得本实施例生物炭改良剂。将该生物炭改良剂应用于油菜栽培土壤改良。

实施例4

在所述生物炭改良剂的制备过程中，每100kg生物炭改良剂的原料添加量如下：70kg生物炭、10kg木醋液和14kg辅料，所述辅料的原料包括：5.4kg花生壳、8kg家畜粪便、0.1kg商用堆肥复合微生物菌剂、0.5kg尿素；好氧堆制60天制备堆肥料。

实施例5

本实施例分别采用实施例1和2所述制备方法，制备所述生物炭土壤调理剂，并将所得生物炭土壤调理剂应用于秋葵培育，并设置未进行土壤调理的空白对照组：

采集山东东营滨海盐碱土壤，pH值为7.9，盐度6‰，土壤有机质9.75gkg^-1，总氮0.45gkg^-1。先将两组堆肥生物炭改良剂以180tha^-1的添加量与土壤充分混合，空白对照组不混合，调节土壤的湿度为最大田间持水量的65％。植物秋葵的播种方式采用点播。每个花盆随机放入5颗秋葵种子。待秋葵苗叶片长至3～4片时开始间苗，每个花盆留下2棵秋葵。植物培养期间，每隔3天浇水，以保证土壤的含水率为60％的最大田间持水量。

植物生长35天后，与空白对照组相比：实施例1组平均株高增加了8.64％，冠幅增加了5.53％，鲜重增加了65.56％。实施例2组平均株高增加了12.32％，冠幅增加了3.78％，鲜重增加了76.71％。

实施例6

本实施例采用实施例3和4所述制备方法，制备所述生物炭土壤调理剂，并将所得生物炭土壤调理剂应用于油菜培育，并设置未进行土壤调理的空白对照组：

本实施例生物炭改良剂的应用包括：

采集山东东营滨海盐碱土壤，pH值为8.0，盐度6‰，土壤有机质9.75gkg^-1，总氮0.45gkg^-1。先将实施例3和4所得生物炭改良剂以180tha^-1的添加量与土壤充分混合，空白对照组不混合，调节土壤的湿度为最大田间持水量的60％。植物油菜播种方式选择点播，即每个花盆放入随机放入5颗油菜种子。待油菜苗叶片长至3～4片时开始间苗，每个花盆留下2棵油菜。植物培养期间，每隔3天浇水，以保证土壤的含水率为70％的最大田间持水量。35天后进行收获，称其鲜重，同时测量植株的株高、冠幅(即纵幅同横幅的平均值)和叶绿素含量。

植物生长35天后，油菜株高增加了23.12％，冠幅增加了7.01％，叶绿素含量增加了6.20％，油菜鲜重增加了79.03％。

结果表明，与空白对照组相比：实施例3组平均株高增加了23.12％，冠幅增加了7.01％，叶绿素含量增加了6.20％，鲜重增加了79.03％。实施例4组平均株高增加了12.32％，冠幅增加了3.78％，叶绿素含量增加了7.41％，鲜重增加了76.71％。

综合以上结果表明，高添加量的木醋液以及长时间的堆制发酵，能够促进保水剂分子量的降低，并进一步促进前述生物炭的孔吸附以及孔填充效应，使植物根系渗透压差导致的盐碱胁迫缓解，提高叶绿素含量，保证了植物养分的吸收和转化。虽然部分导致了植物的窜高，但整体植物量均有显著提高。

虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims

1.一种改良滨海盐碱土的生物炭基改良剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将生物质原料干燥，粉碎至粒径为(1-5)cm；

3)将木醋液避光静置(1-8)个月，过滤，稀释(100-1000)倍；

6)将步骤5)所得的堆肥料风干，破碎过筛，即得生物炭基改良剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述生物质原料为富含植物纤维的废弃生物质材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，废弃生物质原料包括锯末、花生壳、畜粪、棉花秸秆、稻壳、玉米秸秆、玉米芯和园林废弃物中的至少一种，优选为至少包括上述原料中的任选三种的混合物，且重量比例为1:1:1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保水剂为高分子聚合物水凝胶，重量份配比以干重计。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述保水剂为丙烯酸类聚合物水凝胶。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述保水剂为聚丙烯酰胺、聚(N-异丙基丙烯酰胺)或聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，干燥至含水量低于20wt％，切碎至粒径(1-5)cm。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述废弃生物质原料化热解的控温过程为：以(1-20)℃min^-1的加热速率升温至(300-400)℃，保持(1-2)h，然后以(1-20)℃min^-1升温至(400-600)℃，保持(2-4)h，再升温至(600-800)℃，以(100-500)mL/min通入CO₂，保持(1-3)h。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述堆肥复合微生物菌剂含有米曲霉、绿色木霉、酿酒酵母、假丝酵母和枯草芽孢菌剂中的至少一种。

10.一种如权利要求1-5中任一项所述制备方法制得的生物炭基改良剂，其特征在于，所用原料包括生物炭、木醋液、辅料以及丙烯酸类聚合物水凝胶保水剂，且重量配比为(20-70):(20-50):(5-10):(5-10)重量份。