CN108863651A - 一种抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备及施加方法 - Google Patents

一种抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备及施加方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备及施加方法。所述方法制备过程为：风干猪粪生物质，磨碎过2mm筛，热解2h；冷却，玛瑙研钵研磨过筛，取出过80‑100目的猪粪生物炭。它的施用方法是：将猪粪生物炭按1.5g猪粪生物炭：100g土壤混合使用，浅层施加到土壤中进行施用即可。增施猪粪生物炭增加了土壤中微生物群落的复杂程度，增加了土壤中好氧细菌和真菌的PLFAs含量以及革兰氏阴性菌的含量。此外，增施猪粪生物炭可以降低水稻植株中Pb、As、Cu等重金属的积累量。

Description

一种抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备及施加方法
技术领域
本发明涉及一种生物炭的制备和施用方法，具体涉及一种调控土壤微生物群落和抑制水稻植株重金属吸收的猪粪生物炭的制备与施用方法。
背景技术
我国是水稻大国，水稻种植面积广，我国常年水稻种植面积为3100万公顷，约占世界种植面积的20％。目前，我国农田土壤环境与农作物受重金属污染情况十分严重，粮食安全问题突出。据相关研究表明，自2009年至2014年，我国发生几十余起重金属危害人们生命财产安全的特大事件。我国约1/5的耕地面积遭受重金属污染，面积已达到2000多万公顷。
生物炭具有比表面积大、稳定性强的特点，施入土壤后能够起到提供养分供给、增加土壤碳汇、减少温室气体排放等多重作用。生物炭输入土壤后，在提高土壤肥力的同时，能够增加土壤微生物活性，改变微生物种群结构。生物炭多孔、比表面积大的形貌特点为微生物栖息、繁衍提供了有利的场所。当前，制备生物炭的原材料多数来自于农林生产的废弃物，植物源生物炭输入土壤，对土壤养分循环、大气碳固定有很大的作用。事实上，畜禽养殖过程中会产生大量的畜禽粪便。资料显示，2003年我国畜禽养殖业共产生31.90亿吨粪便，是当年工业产生固体废物的3.2倍。畜禽粪便通常经过堆肥、腐熟处理用作有机肥还田。面对产生量如此巨大的畜禽粪便，若不及时消纳处置，直接在养殖场周围弃置可能会严重影响养殖场周围水体、土壤和大气环境，加速富营养化的风险。如何对畜禽养殖产生的粪便无害化处理并有效利用，成为当今环境科学领域的研究热点。
近年来，有学者首次将450℃热解的禽粪生物炭以10t/ha的剂量添加到贫瘠土壤中，增加了土壤氮素的可利用性并显著提高了萝卜的干物质量；也有学者尝试将奶牛粪便在缺氧、低温条件下(200℃和350℃)热解制备成粪源生物炭，发现其具有良好的吸附土壤重金属和有机污染物阿特拉津的作用。250℃～300℃制备的禽粪生物炭可以作为农田土壤中一种提供P和K元素的良好肥料，以1％的添加量施入土壤后可以提高生菜和玉米的产量，减少生菜中富集的重金属Zn、Cu和Mn的富集量。Anders等(2013)利用PLFAs技术研究了4种不同的生物炭对3种温带土壤微生物种群结构的影响。其研究结果指出，增施生物炭并不会一致性地显著增加或减少土壤微生物的总生物量；但通过PCA分析发现，增施生物炭土壤微生物群落结构的变化，这可能与土壤养分状态不同有密切的关系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调控土壤微生物群落与抑制水稻植株重金属吸收的猪粪生物炭制备方法，该方法以猪粪为主要原料，经热裂解得到猪粪生物炭，一方面可以增加畜禽粪便的消纳途径，实现粪便的无害化、资源化处理，另一方面可以调控稻田土壤的微生物种群，抑制水稻植株的重金属吸收。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种调控土壤微生物群落与抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备方法，该方法包括以下制备过程：将经过风干堆肥处理的猪粪生物质，进行除杂后磨碎过筛；然后将猪粪生物质放置在瓷坩埚中，压实填满，排除猪粪生物质间隙的空气，盖上坩埚盖，将坩埚置于可控温的真空管式炉中，在氮气保护下进行热解；热解结束后，冷却至室温取出，研磨过筛，得到粪源炭。
作为优选，猪粪生物质进行除杂后磨碎过2mm筛。
作为优选，猪粪生物质在真空管式炉中的热解过程为：预通氮气10min后，以8℃/min速度升温至400℃，热解2h。
作为优选，热解后的猪粪生物质研磨后过筛目数为80-100目。
本发明的另一目的在于提供一种如上述任一方案所述方法制备得到的粪源炭。
本发明的另一目的在于提供一种调控土壤微生物群落与抑制重金属植株吸收的猪粪生物炭的施加方法，其具体为：将上述粪源炭与土壤混合，浅层施加到种植土壤中进行施用。
本发明的另一目的在于提供所述的粪源炭与土壤的混合质量比为1.5:100。
本发明的有益效果：
猪粪生物炭输入会改变沙壤型土壤的理化性质及其中微生物的群落结构。对比不施肥处理的土壤，增施生物炭输入不仅显著增加了土壤碳氮比，还增加了细菌、真菌、放线菌等微生物的磷脂脂肪酸含量，增加了土壤微生物单饱和磷脂脂肪酸和总磷脂脂肪酸的含量，同时提高了细菌、放线菌和革兰氏阴性菌所占的比例。因此，施加粪源生物炭对于增加稻田土壤的微生物种群，抑制重金属的植株吸收有很好的调控作用。
附图说明
图1为增施猪粪生物炭对两种水稻土壤微生物PLFAs的影响；
图2为增施猪粪生物炭对水稻重金属积累量的影响。其中A为实施例1水稻谷粒中重金属积累量；B为实施例1水稻秸秆中重金属积累量；C为实施例2 水稻谷粒中重金属积累量；D为实施例2水稻秸秆中重金属积累量。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
所用土壤为原施用有机肥的水稻土壤，土壤类型为粘壤土(Clay loam soil)，土壤基本理化性质如下：pH：7.2(1:5土水比)；总碳：25.2g kg-1；总氮：2.74g kg-1；土壤有机碳：19.21g kg-1；土壤阳离子交换量：8.1cmol kg-1；土壤容重1.52 g cm-3。
猪粪生物炭制备过程为：在猪场经过风干堆肥处理的猪粪生物质，取出其中明显的石块、秸秆等杂质，磨碎后过2mm筛。将猪粪放置在瓷坩埚中，尽量压实填满，排除粪肥间隙的空气，盖上坩埚盖，将坩埚置于可控温的真空管式炉中。预通氮气10min后以8℃/min速度升温至400℃，热解2h；充分冷却至室温后取出，用玛瑙研钵研磨过筛，取出过80-100目的猪粪生物炭即可。
将猪粪生物炭分别不同比例加入供试土壤中，设置三组试验，粪源炭：土壤的质量比分别为0、0.5％和1.5％，分别记为CK、0.5％MB和1.5％MB。分别利用三组试验的供试土壤，进行室内水稻培养实验，98天后取出水稻土。通过供试土壤室内模拟实验得到：在粘壤土中，增施猪粪生物炭增加了细菌和真菌的磷脂脂肪酸的含量，且1.5％MB处理组与其他两组处理间存在显著性差异(p< 0.05)(见表1)。
表1
处理 NES* ESC AEC H
粘壤土
CK 41±2.1a 0.989±0.002a 44.5±0.64a 2.86±0.05a
0.5％MB 47±2.4b 0.991±0.001a 51.2±1.23b 2.93±0.06a
1.5％MB 48±1.5b 0.988±0.003a 56.6±3.28c 3.17±0.01b
注：NES-物种数量；ESC-样本覆盖率；AEC-丰度覆盖率；H-多样性指数
增施猪粪生物炭增加了土壤中革兰氏阴性菌的含量，对革兰氏阳性菌含量的影响不明显；土壤中的G-/G+比值都有随着生物炭施用量增加而增加的趋势。与对照组相比，增施猪粪生物炭的土壤中好氧细菌的含量都显著提高，但是对厌氧细菌的影响不明显。同时，土壤的Ae/An比值处于波动中：先是随猪粪生物炭施用量增加逐渐增加，在0.5％MB处理组达到峰值；然后随猪粪生物炭施用量增加逐渐降低(见附图1)。此外，水稻谷粒和秸秆中，随猪粪生物炭用量增加而增加的重金属元素是Cd、Zn，随猪粪生物炭用量增加而减少的重金属元素为 Pb、As、Cu(见附图2中的A和B)。
实施例2
所用土壤为原施用无机复混肥的水稻土壤，土壤类型为粉砂壤土(Silt loamsoil)，土壤基本理化性质如下：pH：5.25(1:5土水比)；总碳：19.2g kg-1；总氮： 1.74g kg-1；土壤有机碳：12.7g kg-1；土壤阳离子交换量：5.7cmol kg-1；土壤容重1.43g cm-3。
猪粪生物炭制备过程为：在猪场经过风干堆肥处理的猪粪生物质，取出其中明显的石块、秸秆等杂质，磨碎后过2mm筛。将猪粪放置在瓷坩埚中，尽量压实填满，排除粪肥间隙的空气，盖上坩埚盖，将坩埚置于可控温的真空管式炉中。预通氮气10min后以8℃/min速度升温至400℃，热解2h；充分冷却至室温后取出，用玛瑙研钵研磨过筛，取出过80-100目的猪粪生物炭即可。
设置三组试验，将猪粪生物炭以0、0.5％和1.5％的比例加入供试土壤中，分别记为CK、0.5％MB和1.5％MB。分别利用三组试验的供试土壤，进行室内培养实验，98天后取出水稻土。通过供试土壤室内模拟实验得到：在粉砂壤土中，增施猪粪生物炭增加了细菌和真菌的磷脂脂肪酸的含量，且1.5％MB处理组与其他两组处理间存在显著性差异(p<0.05)(见表2)。
表2
处理 NES* ESC AEC H
粉砂壤土
CK 42±1.2a 0.992±0.001a 46.4±2.76a 2.97±0.03a
0.5％MB 44±0.9b 0.988±0.002a 50.2±1.87b 3.03±0.07a
1.5％MB 47±1.3c 0.985±0.006a 53.8±3.87c 3.31±0.05b
注：NES-物种数量；ESC-样本覆盖率；AEC-丰度覆盖率；H-多样性指数
增施猪粪生物炭增加了土壤中革兰氏阴性菌的含量，对革兰氏阳性菌含量的影响不明显；土壤中的G-/G+比值都有随着生物炭施用量增加而增加的趋势。与对照组相比，增施猪粪生物炭的土壤中好氧细菌的含量都显著提高，但是对厌氧细菌的影响不明显。同时，土壤的Ae/An比值处于波动中：先是随猪粪生物炭施用量增加逐渐增加，在0.5％MB处理组达到峰值；然后随猪粪生物炭施用量增加逐渐降低(见附图1)。此外，水稻谷粒和秸秆中，随猪粪生物炭用量增加而增加的重金属元素是Cd、Zn，随猪粪生物炭用量增加而减少的重金属元素为 Pb、As、Cu(见附图2中C和D)。
上述猪粪生物炭在实际使用时，可以将其作为土壤改良剂与土壤进行混合使用，撒施在土壤浅层表面，然后正常进行淹水耕作。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备方法，其特征在于，所述方法包括以下制备过程：将经过风干堆肥处理的猪粪生物质，进行除杂后磨碎过筛；然后将猪粪生物质放置在瓷坩埚中，压实填满，排除猪粪生物质间隙的空气，盖上坩埚盖，将坩埚置于可控温的真空管式炉中，在氮气保护下进行热解；热解结束后，冷却至室温取出，研磨过筛，得到粪源炭。
2.如权利要求1所述的抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备方法，其特征在于，猪粪生物质进行除杂后磨碎过2mm筛。
3.如权利要求1所述的抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备方法，其特征在于，猪粪生物质在真空管式炉中的热解过程为：预通氮气10min后，以8℃/min速度升温至400℃，热解2h。
4.如权利要求1所述的抑制水稻植株重金属吸收的粪源炭制备方法，其特征在于，热解后的猪粪生物质研磨后过筛目数为80-100目。
5.一种如权利要求1～4任一所述方法制备得到的粪源炭。
6.一种调控土壤微生物群落与抑制重金属植株吸收的猪粪生物炭的施加方法，其特征在于，将权利要求5所述的粪源炭与土壤混合，浅层施加到种植土壤中进行施用。
7.如权利要求6所述的施加方法，其特征在于，所述的粪源炭与土壤的混合质量比为1.5:100。
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