CN109650974A - 利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法，该方法包括以下步骤：将铁氧化物纳米材料与堆肥原料混合，对所得混合物进行堆肥。本发明利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法，既能够有效降低堆肥过程中的氮素损失，又能够提高堆肥产品的肥效，具有工艺简单、操作方便、处理效率高、处理效果好等优点，适合于大规模制备堆肥产品，对于提高堆肥产品的应用价值和应用范围具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明堆肥过程氮素损失及堆肥产品肥效控制方法，具体涉及一种利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法。
背景技术
目前，堆肥化技术已经被广泛推荐为一种环保经济实用的农业废物循环利用方式。在堆肥过程中，农业废物被生物分解为稳定的腐殖质类物质，同时病原微生物也得以消除，从而可以将其作为土壤改良剂肥料和修复剂来循环利用。堆肥过程中氮的转化由一系列微生物完成，主要包括硝化微生物和反硝化微生物。堆肥过程中氮素转运特征已经被广泛研究，许多研究关注堆肥过程中NH3、N2O等含氮气体的释放，以及总氮损失等。目前，科研人员采取许多方法来减少堆肥过程中氮素损失，增加堆肥成品中氮的含量，如添加生物碳、沸石等，或是通过控制堆肥环境的温度、含水率、pH、通风状况等来减少氮素的损失，这些方法没有直接对氮素循环功能微生物造成抑制或促进，而氮素循环是由相关功能微生物完成的活动。因此，获得一种在堆肥过程中降低氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法具有重要意义。
纳米材料独特的性质使其产量不断增加并应用于越来越多的领域，如：商业、工业、医疗产品以及农业等方面，但是，目前很少有研究关注纳米材料特别是铁氧化物纳米材料对堆肥过程中氮素转化的影响。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、操作方便、处理效率高、处理效果好的利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法，包括以下步骤：将铁氧化物纳米材料与堆肥原料混合，对所得混合物进行堆肥。
上述的方法，进一步改进的，所述铁氧化物纳米材料为α-Fe2O3纳米材料或Fe3O4纳米材料。
上述的方法，进一步改进的，所述α-Fe2O3纳米材料的制备方法，包括以下步骤：将Fe3+溶液滴加到沸腾的超纯水中，搅拌，待滴加完成后冷却，纯化，得到α-Fe2O3纳米材料。
上述的方法，进一步改进的，所述α-Fe2O3纳米材料的制备方法中，所述Fe3+溶液与超纯水的体积比为2∶25～4∶25；所述Fe3+溶液为Fe(NO3)3·9H2O溶液；所述Fe3+溶液的浓度为1M～2M；所述搅拌在转速为1000r/min～2000r/min下进行；所述冷却的时间为12h～24h；所述纯化采用的是纤维素透析袋。
上述的方法，进一步改进的，所述Fe3O4纳米材料的制备方法，包括以下步骤：将FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O的混合溶液加热至85℃～95℃，加入氢氧化铵溶液，搅拌，清洗搅拌所得固体物质，得到Fe3O4纳米材料。
上述的方法，进一步改进的，所述Fe3O4纳米材料的制备方法中，FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O的混合溶液与氢氧化铵溶液的体积比为20∶3～10∶1；所述FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O的混合溶液中FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O的质量比为12.3∶8.5～27∶13.9；所述氢氧化铵溶液的质量浓度为25％～28％；所述搅拌在转速为1000r/min～2000r/min下进行；所述搅拌的时间为0.5h～1h。
上述的方法，进一步改进的，所述铁氧化物纳米材料与堆肥原料的比例为0.1mg∶1kg～10mg∶1kg；所述堆肥原料包括稻草秸秆、土壤、蔬菜叶、麸皮；所述稻草秸秆、土壤、蔬菜叶、麸皮的质量比为15∶12∶5∶12～30∶27∶8∶5。
上述的方法，进一步改进的，所述稻草秸秆的长度为10mm～20mm；所述稻草秸秆为风干稻草秸秆；所述土壤为过60目～100筛的土壤；所述蔬菜的长度为10mm～20mm；所述蔬菜为风干蔬菜；所述麸皮为风干麸皮。
上述的方法，进一步改进的，所述堆肥过程中混合物的初始含水率为55％～65％，初始碳氮比为25∶1～30∶1。
上述的方法，进一步改进的，所述堆肥在外层包裹有保温装置的堆肥容器中进行；所述堆肥容器的盖子上设有5个通孔；所述堆肥过程中，前两个星期内每天翻堆一次，之后每个星期翻堆一次；所述堆肥过程的持续时间为2～3个月。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法，通过将铁氧化物纳米材料与堆肥原料混合，对所得混合物进行堆肥，即可实现降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效。本发明中，通过添加铁氧化物纳米材料，降低氨氧化细菌和古菌功能基因丰度，其中添加氧化铁纳米材料之后，氨氧化细菌数量从空白对照组平均值为4.14×109拷贝数/kg堆肥干样降低到2.30×108拷贝数/kg堆肥干样，氨氧化古菌从2.15×108拷贝数/kg堆肥干样降低到9.32×107拷贝数/kg堆肥干样；添加四氧化三铁之后，氨氧化细菌降低到5.61×108拷贝数/kg堆肥干样，氨氧化古菌降低到1.68×108拷贝数/kg堆肥干样，从而使得氨氧化过程受阻，因此在堆肥过程中可以保留更多的NH4 +-N(堆肥结束时，对照组、氧化铁纳米材料组以及四氧化三铁纳米材料组中NH4 +-N含量分别为662.79mg/kg堆肥干样、846.42mg/kg堆肥干样、682.09mg/kg堆肥干样)及更多的矿物质氮(堆肥结束时，对照组、氧化铁纳米材料组以及四氧化三铁纳米材料组中矿物质氮含量分别为782.67mg/kg堆肥干样、916.16mg/kg堆肥干样、778.09mg/kg堆肥干样)，从而提高堆肥产品肥效；同时通过添加铁氧化物纳米材料，使硝化作用受阻，此时堆体中NO3 --N含量降低(其中对照组、氧化铁纳米材料组以及四氧化三铁纳米材料组中平均NO3 --N含量分别为150.32mg/kg堆肥干样、128.00mg/kg堆肥干样、106.49mg/kg堆肥干样)，这不利于反硝化作用，从而可以降低因反硝化作用带来的氮素损失(堆肥结束时，对照组、氧化铁纳米材料组以及四氧化三铁纳米材料组中氮素损失分别为40.2％、26.7％、32.1％)。本发明利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法，既能够有效降低堆肥过程中的氮素损失，又能够提高堆肥产品的肥效，具有工艺简单、操作方便、处理效率高、处理效果好等优点，适合于大规模制备堆肥产品，对于提高堆肥产品的应用价值和应用范围具有十分重要的意义。
(2)本发明方法中，所用铁氧化物纳米材料的制备方法具有工艺简单、制作迅速等优点，适合于大规模制备，便于工业化利用。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中制得的α-Fe2O3纳米材料的透射电镜图。
图2为本发明实施例1中制得的Fe3O4纳米材料的透射电镜图。
图3为本发明实施例1的堆肥过程中总氮损失的变化趋势图。
图4为本发明实施例1的堆肥过程中NH4 +-N含量的变化趋势图。
图5为本发明实施例1的堆肥过程中NO3 --N含量的变化趋势图。
图6为本发明实施例1的堆肥过程中矿物质氮含量的变化趋势图。
图7为本发明实施例1的堆肥过程中氨氧化细菌及氨氧化古菌功能基因的平均丰度图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售，原料为分析纯。以下实施例中，若无特别说明，所得数据均是三次以上重复试验的平均值。
实施例1
一种利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法，包括以下步骤：
(1)堆肥原料的准备：
(1.1)对于堆肥原料进行预处理：
稻草秸秆：购于河南省一个农场，风干之后，剪成长度为10mm～20mm。
土壤：取自于湖南省长沙市岳麓山，风干，磨碎，过60目筛。
蔬菜叶：购于湖南省长沙市湖南大学附近菜市场，风干，剪成长度为10mm～20mm。
麸皮：风干。
对前述堆肥原料的理化参数进行测定，结果参见表1。
表1：堆肥原料理化参数
| 原料 | 含水率(％) | 总有机碳(％) | 总氮(g/kg) | 碳氮比 |
| 稻草秸秆 | 7.27 | 46.96 | 10.01 | 46.9 |
| 土壤 | 2.80 | 5.47 | 3.70 | 14.8 |
| 蔬菜叶 | 81.66 | 49.42 | 21.80 | 22.7 |
| 麸皮 | 9.73 | 52.88 | 29.22 | 18.1 |
(1.2)按质量比为30∶27∶8∶5，将步骤(1.2)中预处理后得到的稻草秸秆、土壤、蔬菜叶和麸皮混合均匀，得到堆肥原料，置于三个堆肥容器中。
(2)按照铁氧化物纳米材料与堆肥原料的比例为10mg∶1kg，取α-Fe2O3纳米材料和Fe3O4纳米材料，分别添加至其中两个堆肥容器中(堆肥容器外层包裹有保温装置)，使铁氧化物纳米材料与堆肥原料混合均匀，得到混合物。同时另一个堆肥容器为空白对照。
(3)控制步骤(2)中得到的混合物的初始含水率为55％，初始碳氮比为30∶1，对混合物进行堆肥，其中堆肥所用堆肥容器的盖子上设置5个通孔，以使外界空气能够进去，同时堆肥容器内产生的气体也能排除。堆肥过程中，为保证足够的供氧量，堆肥前两个星期每天翻堆一次，之后每个星期翻堆一次。堆肥过程的持续时间为2个月。
本实施例中，所用α-Fe2O3纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
(a1)配制60mL、浓度为1M的Fe(NO3)3·9H2O溶液。
(a2)将750mL超纯水加热至沸腾。
(a3)将步骤(a1)中配制的Fe(NO3)3·9H2O溶液逐滴加入到步骤(a2)中沸腾的超纯水中，整个过程都伴随着剧烈搅拌(转速为1500r/min)。
(a4)待Fe(NO3)3·9H2O溶液滴加完成之后，将所得混合溶液在室温条件下冷却24h。
(a5)将步骤(a4)中冷却后的混合溶液用纤维素透析袋进行纯化，得到α-Fe2O3纳米材料，编号为α-Fe2O3NPs。
本实施例中，所用Fe3O4纳米材料制备方法，包括以下步骤：
(b1)将12.3g FeCl3·6H2O和8.5g FeSO4·7H2O溶于水中，配制成200mL FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O的混合溶液。
(b2)将步骤(b1)中得到的FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O的混合溶液置入500mL装有回流冷凝管的圆底烧瓶中，在不断搅拌(转速为1500r/min)下加热至90℃。
(b3)将30mL、质量浓度为25％的氢氧化铵溶液迅速加入到上述圆底烧瓶中的混合溶液中。
(b4)加入氢氧化铵溶液后，继续在90℃下搅拌(转速为1500r/min)1h。
(b5)用超纯水冲洗所得固体产品，备用，得到Fe3O4纳米材料，编号为Fe3O4NPs。
将制得的铁氧化物纳米材料(α-Fe2O3纳米材料和Fe3O4纳米材料)进行透射电镜扫描分析，结果参见图1和图2。
图1为本发明实施例1中制得的α-Fe2O3纳米材料的透射电镜图。从图1中可以看出：α-Fe2O3纳米材料为纳米颗粒，且纳米颗粒均匀分布，平均粒径为8.7nm。
图2为本发明实施例1中制得的Fe3O4纳米材料的透射电镜图。从图2中可以看出：Fe3O4纳米材料为纳米颗粒，且纳米颗粒均匀分布，平均粒径为15.6nm。
分别考察添加不同铁氧化物纳米材料、空白对照组的堆体在堆肥过程中总氮损失、NH4 +-N、NO3 --N、矿物质氮以及氨氧化细菌和古菌功能基因的平均丰度的变化情况。
图3为本发明实施例1的堆肥过程中总氮损失的变化趋势图。从图3可知，添加α-Fe2O3纳米材料的堆体中总氮损失最低，其次是Fe3O4纳米材料。
图4为本发明实施例1的堆肥过程中NH4 +-N含量的变化趋势图。从图4可知，堆肥结束时，添加α-Fe2O3纳米材料的堆体中NH4 +-N含量最高，添加Fe3O4纳米材料的堆体略高于空白对照，两堆体之间并无显著差异，这说明α-Fe2O3纳米材料在堆肥过程中对保留更多NH4 +-N方面较Fe3O4纳米材料的效果更为明显。
图5为本发明实施例1的堆肥过程中NO3 --N含量的变化趋势图。从图5可知，堆肥结束时，添加α-Fe2O3纳米材料的堆体中NO3 --N含量最低，其次是添加Fe3O4纳米材料的堆体，说明铁氧化物纳米材料特别是α-Fe2O3纳米材料的添加有利于抑制硝化作用，从而保留更多的NH4 +-N，并降低总氮损失。
图6为本发明实施例1的堆肥过程中矿物质氮含量的变化趋势图。从图6可知，堆肥结束时，堆肥结束时，添加α-Fe2O3纳米材料的堆体中矿物质氮含量最高，添加Fe3O4纳米材料的堆体略高于空白对照，两堆体之间并无显著差异，这说明α-Fe2O3纳米材料在堆肥过程中对保留更多矿物质氮方面较Fe3O4纳米材料的效果更为明显。
图7为本发明实施例1的堆肥过程中氨氧化细菌及氨氧化古菌功能基因的平均丰度图。从图7可知，铁氧化物纳米材料特别是α-Fe2O3纳米材料的添加使得氨氧化细菌及古菌功能基因的平均丰度均有所降低。
由上可见，本发明实施例1中，通过添加铁氧化物纳米材料(α-Fe2O3纳米材料或Fe3O4纳米材料)，降低氨氧化细菌和古菌功能基因丰度，从而使得氨氧化过程受阻，因此在堆肥过程中可以保留更多的NH4 +-N及矿物质氮，从而提高堆肥产品肥效；同时通过添加铁氧化物纳米材料，使硝化作用受阻，此时堆体中NO3 --N含量降低，这不利于反硝化作用，从而可以降低因反硝化作用带来的氮素损失。本发明利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法，既能够有效降低堆肥过程中的氮素损失，又能够提高堆肥产品的肥效，具有工艺简单、操作方便、处理效率高、处理效果好等优点，适合于大规模制备堆肥产品，对于提高堆肥产品的应用价值和应用范围具有十分重要的意义。
以上仅是本发明以较佳实施例揭示，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做任何的简单修改，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种利用铁氧化物纳米材料降低堆肥过程中氮素损失并提高堆肥产品肥效的方法，其特征在于，包括以下步骤：将铁氧化物纳米材料与堆肥原料混合，对所得混合物进行堆肥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁氧化物纳米材料为α-Fe2O3纳米材料或Fe3O4纳米材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述α-Fe2O3纳米材料的制备方法，包括以下步骤：将Fe3+溶液滴加到沸腾的超纯水中，搅拌，待滴加完成后冷却，纯化，得到α-Fe2O3纳米材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述α-Fe2O3纳米材料的制备方法中，所述Fe3+溶液与超纯水的体积比为2∶25～4∶25；所述Fe3+溶液为Fe(NO3)3·9H2O溶液；所述Fe3+溶液的浓度为1M～2M；所述搅拌在转速为1000r/min～2000r/min下进行；所述冷却的时间为12h～24h；所述纯化采用的是纤维素透析袋。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Fe3O4纳米材料的制备方法，包括以下步骤：将FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O的混合溶液加热至85℃～95℃，加入氢氧化铵溶液，搅拌，清洗搅拌所得固体物质，得到Fe3O4纳米材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述Fe3O4纳米材料的制备方法中，FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O的混合溶液与氢氧化铵溶液的体积比为20∶3～10∶1；所述FeCl3·6H2O和FeSO4·7H2O的混合溶液中FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O的质量比为12.3∶8.5～27∶13.9；所述氢氧化铵溶液的质量浓度为25％～28％；所述搅拌在转速为1000r/min～2000r/min下进行；所述搅拌的时间为0.5h～1h。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述铁氧化物纳米材料与堆肥原料的比例为0.1mg∶1kg～10mg∶1kg；所述堆肥原料包括稻草秸秆、土壤、蔬菜叶、麸皮；所述稻草秸秆、土壤、蔬菜叶、麸皮的质量比为15∶12∶5∶12～30∶27∶8∶5。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述稻草秸秆的长度为10mm～20mm；所述稻草秸秆为风干稻草秸秆；所述土壤为过60目～100筛的土壤；所述蔬菜的长度为10mm～20mm；所述蔬菜为风干蔬菜；所述麸皮为风干麸皮。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述堆肥过程中混合物的初始含水率为55％～65％，初始碳氮比为25∶1～30∶1。
10.根据权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述堆肥在外层包裹有保温装置的堆肥容器中进行；所述堆肥容器的盖子上设有5个通孔；所述堆肥过程中，前两个星期内每天翻堆一次，之后每个星期翻堆一次；所述堆肥过程的持续时间为2～3个月。
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