CN109772875A - 一种土壤改良的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改良土壤的方法；先将生物质炭在氙弧灯的照射下氧化，氧化期间每6‑9h喷撒一次双氧水；冬季时在土地中开沟，形成纵横交错的沟壑；将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1:0.5‑1的比例混合，在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；在夯实后的沟壑上覆盖农作物秸秆，自夯实之日起每10‑20日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便直至来年春季。本发明通过对生物质炭进行改性，不仅提高生物质炭的环境修复能力，而且以低成本的方式提高了土壤改良的效果。
Description
技术领域
本发明涉及土壤保护领域，特别涉及一种土壤改良的方法。
背景技术
目前,我国森林植被面临着砍伐情况不断加剧的问题,导致土壤退化、水土流失等不良效应也日渐严重。生物质炭一般是指作物秸秆等有机物质在限制供氧的条件下受热而成的一种含炭量极丰富的、性质稳定的产物，属于黑炭的一种，常见的主要包括木炭、竹炭、稻秆炭、稻壳炭等，主要用于林业、农业中，因其具有高度的稳定性和较强的吸附性，现被众多学者推荐为土壤改良剂。其功能作用主要体现在：改善土壤，提高作物产量和质量；减少化肥使用量，促进肥料增效和环境保护；增加土壤炭汇，减温室气体排放；提高土壤对污染因子(重金属、有机化合物)的修复能力，保护农业生产生态环境。目前，我国已有使用生物质炭进行对土壤的修复工作，但其修复方法只是单纯的将生物质炭施洒在土地中或埋在土地中，缺乏合理的方式进行对生物质炭的应用，从而使得生物质炭无法尽可能的应用其土壤改良的功能，造成生物质炭的低效使用和土壤改良效果不好的问题。因此，如何高效的利用生物质炭对土壤进行改良或修复是本领域技术人员亟待解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种土壤改良的方法。本发明通过对生物质炭进行改性，不仅提高生物质炭的环境修复能力，而且以低成本的方式提高了土壤改良的效果。
本发明的技术方案：一种改良土壤的方法，按下述步骤进行：
a、将生物质炭在氙弧灯的照射下氧化380-420h，氧化期间每6-9h喷撒一次浓度为10-30％的双氧水，单次喷洒时间维持15-25s；
b、冬季时在土地中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为5-15cm，宽度为15-25cm，相邻沟壑之间间隔40-50cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1:0.5-1的比例混合，按每亩600-800kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖3-6cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每10-20日在农作物秸秆均匀施洒动物粪便直至来年春季，单次施洒量为每亩300kg-400kg。
上述的改良土壤的方法，按下述步骤进行：
a、将生物质炭在氙弧灯的照射下氧化400h，氧化期间每8h喷撒一次浓度为20％的双氧水，单次喷洒时间维持20s；
b、冬季时在土地中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为8cm，宽度为20cm，相邻沟壑之间间隔45cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1:0.8的比例混合，按每亩700kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖5cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每15日在农作物秸秆均匀施洒动物粪便直至来年春季，单次施洒量为每亩350kg。
前述的改良土壤的方法，所述的生物质炭以稻壳、秸秆和竹木中的一种或多种为原料，在300-700℃下热解形成的直径1-10mm的颗粒形生物质炭。
前述的改良土壤的方法，所述的生物质炭为稻壳和秸秆以1:2的比例混合，在500℃下热解形成的直径为8mm的颗粒形生物质炭。
前述的改良土壤的方法，所述的氙弧灯的辐照强度为0.35w/m2at340nm。
前述的改良土壤的方法，所述的喷洒双氧水的方法是通过雾化喷嘴按每秒0.03L/m2的速率将雾化的双氧水均匀喷洒在生物质炭上，并不断搅拌生物质炭。
前述的改良土壤的方法，所述的动物粪便包括猪粪和牛粪以1:1的比例混合形成。
前述的改良土壤的方法，所述步骤c中，在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物之前，还先向沟壑中铺设污泥，污泥铺设在沟壑的底部和两侧壁，底部和两侧壁的厚度均为2cm。
与现有技术比较，本发明通过使用氙弧灯照射对生物质炭的表面进行氧化反应，从而使得生物质炭表面的羟基、羧酸、醛基等含氧官能团的增加，增加了生物质炭的负表面电荷，因此提高了阳离子的交换强度(CEC)并增加了生物质炭孔隙数量，提高生物质炭的比表面积，从而提高吸附能力；在氙弧灯照射氧化的期间内，还向生物质炭喷洒双氧水，利用双氧水中过氧化氢的强氧化性，加快了生物质炭表面的氧化反应和氧化程度，一部分过氧化氢在氙弧灯照射下分解成氧气和水而被生物质炭所吸附，后续作用于土壤，改善土壤含水量和土壤空气含量，另一部分过氧化氢可以进入生物质炭内被吸附，作为消毒剂可以进行杀菌消毒，从而优化生物质炭的改性程度，并最终提高生物质炭的土壤修复能力；将改性后的生物质炭与开沟后的原土进行混合，施加在沟壑中，施土掩埋夯实后覆盖农作物秸秆，并在农作物秸秆上施加动物粪便，一方面通过农作物秸秆的覆盖，可以使得土壤保温保湿，另一方面通过动物粪便提升土壤肥力，且动物粪便中的微生物可以加快农作物秸秆的腐烂速度，作为腐殖质的有机物施加在土壤中，并通过土壤中的生物质炭进行对有机物的吸附，进一步地提高土壤的肥力，从而进一步地对土壤进行改良。此外，本发明还优选了生物质炭的制备原料、制备条件和生物质炭形态，由此选择较为合适的生物质炭进行改性，从而进一步的提高生物质炭的土壤修复能力；本发明还在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物之前，先向沟壑中铺设污泥，污泥不仅本身可以作为土壤的肥料从而提高土壤的肥力，而且污泥中会还含有微量的金属元素，可以作为过氧化氢分解的催化剂，使生物质炭内吸附的过氧化氢进行分解，再次为土壤提供必要的水和氧气，提升土壤的性能。
附图说明：
图1：本发明生物质炭氧化的傅里叶红外分析图谱；
图2：本发明实施例1中氧化后生物质炭的表面电镜成像图；
图3：本发明实施例2中氧化后生物质炭的表面电镜成像图；
图4：本发明实施例3中氧化后生物质炭的表面电镜成像图；
图5：本发明实施例4中氧化后生物质炭的表面电镜成像图；
图6：本发明对照例1中生物质炭的表面电镜成像图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：一种改良土壤的方法，按下述步骤进行：
a、以1:1:1的比例将稻壳、秸秆和竹木的混合物在300℃下热解形成直径为3mm的颗粒性生物质炭，将生物质炭在氙弧灯(0.35w/m2at 340nm)的照射下氧化380h，氧化期间每6h经雾化喷嘴喷撒一次浓度为10％的双氧水，速率为每秒0.03L/m2，喷洒时间维持15s，喷洒期间不断搅拌生物质炭；
b、2017年冬季12月时在土地(浙江省衢州市柯城区航埠镇沿衢江的左岸林地A地，东经118.80，北纬28.92，该地属于典型的亚热带季风气候区，年平均温度16.3℃)中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为5cm，宽度为15cm，相邻沟壑之间间隔40cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1:0.5的比例混合，按每亩600kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖3cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每10日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便(猪粪和牛粪以1:1混合)直至2018年春季3月，单次施洒量为每亩300kg。
实施例2：一种改良土壤的方法，按下述步骤进行：
a、以1:2的比例将稻壳和竹木的混合物在500℃下热解形成直径为5mm的颗粒性生物质炭，将生物质炭在氙弧灯(0.35w/m2at 340nm)的照射下氧化390h，氧化期间每7h经雾化喷嘴喷撒一次浓度为15％的双氧水，速率为每秒0.03L/m2，喷洒时间维持18s，喷洒期间不断搅拌生物质炭；
b、2017年冬季12月时在土地(浙江省衢州市柯城区航埠镇沿衢江的左岸林地B地，东经118.80，北纬28.92，该地属于典型的亚热带季风气候区，年平均温度16.3℃)中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为10cm，宽度为25cm，相邻沟壑之间间隔48cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1:0.7的比例混合，按每亩650kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖4cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每12日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便(猪粪和牛粪以1:1混合)直至2018年春季3月，单次施洒量为每亩350kg。
实施例3：一种改良土壤的方法，按下述步骤进行：
a、以1:2的比例将稻壳和秸秆的混合物在500℃下热解形成直径为8mm的颗粒性生物质炭，将生物质炭在氙弧灯(0.35w/m2at 340nm)的照射下氧化400h，氧化期间每8h经雾化喷嘴喷撒一次浓度为20％的双氧水，速率为每秒0.03L/m2，单次喷洒时间维持20s，喷洒期间不断搅拌生物质炭；
b、2017年冬季12月时在土地(浙江省衢州市柯城区航埠镇沿衢江的左岸林地C地，东经118.80，北纬28.92，该地属于典型的亚热带季风气候区，年平均温度16.3℃)中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为8cm，宽度为20cm，相邻沟壑之间间隔45cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1:0.8的比例混合，按每亩700kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖5cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每15日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便(猪粪和牛粪以1:1混合)直至2018年春季3月，单次施洒量为每亩350kg。
实施例4：一种改良土壤的方法，按下述步骤进行：
a、将秸秆在700℃下热解形成直径为10mm的颗粒性生物质炭，将生物质炭在氙弧灯(0.35w/m2at 340nm)的照射下氧化420h，氧化期间每9h经雾化喷嘴喷撒一次浓度为30％的双氧水，速率为每秒0.03L/m2，单次喷洒时间维持25s，喷洒期间不断搅拌生物质炭；
b、2018年冬季12月时在土地(浙江省衢州市柯城区航埠镇沿衢江的左岸林地D地，东经118.80，北纬28.92，该地属于典型的亚热带季风气候区，年平均温度16.3℃)中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为15cm，宽度为25cm，相邻沟壑之间间隔50cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1:1的比例混合，按每亩800kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖6cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每20日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便(猪粪和牛粪以1:1混合)直至2018年春季3月，单次施洒量为每亩400kg。
实施例5：一种改良土壤的方法，按下述步骤进行：
a、以1:2的比例将稻壳和秸秆的混合物在500℃下热解形成直径为8mm的颗粒性生物质炭，将生物质炭在氙弧灯(0.35w/m2at 340nm)的照射下氧化400h，氧化期间每8h经雾化喷嘴喷撒一次浓度为20％的双氧水，速率为每秒0.03L/m2，单次喷洒时间维持20s，喷洒期间不断搅拌生物质炭；
b、2017年冬季12月时在土地(浙江省衢州市柯城区航埠镇沿衢江的左岸林地E地，东经118.80，北纬28.92，该地属于典型的亚热带季风气候区，年平均温度16.3℃)中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为8cm，宽度为20cm，相邻沟壑之间间隔45cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1:0.8的比例混合，然后在沟壑中铺设污泥，污泥铺设在沟壑的底部和两侧壁，底部和两侧壁的厚度均为2cm，并按每亩700kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖5cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每15日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便(猪粪和牛粪以1:1混合)直至2018年春季3月，单次施洒量为每亩350kg。
对比例1：土壤改良方法，按下述步骤进行：
a、2017年冬季12月时在土地(浙江省衢州市柯城区航埠镇沿衢江的左岸林地F地，东经118.80，北纬28.92，该地属于典型的亚热带季风气候区，年平均温度16.3℃)中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为8cm，宽度为20cm，相邻沟壑之间间隔45cm；
b、将开沟出的原土与生物质炭(以1:2的比例将稻壳和秸秆的混合物在500℃下热解形成直径为8mm的颗粒性生物质炭)按1:0.8的比例混合，按每亩700kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
c、在夯实后的沟壑上覆盖5cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每15日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便(猪粪和牛粪以1:1混合)直至2018年春季3月，单次施洒量为每亩350kg。
对比例2：未经改良的原土地(浙江省衢州市柯城区航埠镇沿衢江的左岸林地G地，东经118.80，北纬28.92，该地属于典型的亚热带季风气候区，年平均温度16.3℃)
2018年春季3月16日-18日期间内对实施例1-实施例5和对照例1-2中的A、B、C、D、E、F和G地利用土壤检测仪器对土壤进行检测，其检测数据如表1所示，
表1
从表1中可以看出，本发明可以对土壤进行有效的改良和修复，土壤的pH由弱酸性向弱碱性转变，土壤容重降低，土壤含水量提高，土壤空气中的氧气含量占比提升，土壤有机质含量提高，土壤阳离子的交换强度(CEC)提升。实施例1-4中采用氧化后的生物质炭对土壤进行改良，其效果明显好于未经改性的生物质炭，能够大幅度的提高土壤改良的效果，实施例3中其对土壤改良的效果明显好于实施例1、实施例2和实施例4。因此，本发明通过对生物质炭进行改性，通过使用氙弧灯照射对生物质炭的表面进行氧化反应，在氙弧灯照射氧化的期间内，还向生物质炭喷洒双氧水，利用双氧水中过氧化氢的强氧化性，加快了生物质炭表面的氧化反应和氧化程度，一部分过氧化氢在氙弧灯照射下分解成氧气和水而被生物质炭所吸附，后续作用于土壤，改善土壤含水量和土壤空气含量，另一部分过氧化氢可以进入生物质炭内被吸附，作为消毒剂可以进行杀菌消毒，从而优化生物质炭的改性程度，并最终提高生物质炭的土壤修复能力。将改性后的生物质炭与开沟后的原土进行混合，施加在沟壑中，施土掩埋夯实后覆盖农作物秸秆，并在农作物秸秆上施加动物粪便，一方面通过农作物秸秆的覆盖，可以使得土壤保温保湿，另一方面通过动物粪便提升土壤肥力，且动物粪便中的微生物可以加快农作物秸秆的腐烂速度，作为腐殖质的有机物施加在土壤中，并通过土壤中的生物质炭进行对有机物的吸附，最终提高土壤的肥力，从而进一步地对土壤进行改良。对比实施例3和实施例5，实施例5中土壤改良的效果相对于实施例5也有了提升，这是因为在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物之前，还先向沟壑中铺设污泥，污泥本身可以作为土壤的肥料从而提高土壤的肥力，而且污泥中会还含有微量的金属元素，可以作为过氧化氢分解的催化剂，使生物质炭内吸附的过氧化氢进行分解，再次为土壤提供必要的水和氧气，提升土壤的性能。
进行土壤改良的的过程中，对实施例1氧化后的生物质炭和对照例1中未被氧化的生物质炭进行前后化学构造变化研究，通过研究生物质炭氧化前后的FTIR(傅里叶红外分析图谱)进行分析氧化后生物质炭的化学构造变化，其FTIR如附图1所示；由于波数为1598处的吸收峰代表着芳香核(苯环)，其键能相对较大，光氧化过程中不易降解，用其作为参照峰可以研究其他峰变化情况(见表2)。如表2所示，氧化后生物质炭在1696处吸收峰发生明显升高，说明C＝O含量明显增加，其表明了生物质炭在氙弧灯照射过程中发生了明显的光氧化反应。生物质炭氧化前后898处吸收峰(纤维素特征峰)消失不见，说明纤维素在热解过程中基本降解。1511、1451、823处吸收峰强度氧化后发生明显的降低，说明生物质炭中残留的木质素发生了明显的降解。傅里叶红外分析主要从羰基的角度证明了生物质炭的表面在氙弧灯的照射会产生氧化反应，从而使得生物质炭表面的羟基、羧酸、醛基等含氧官能团的增加，增加了生物质炭的负表面电荷，因此提高了生物质炭的阳离子的交换强度(CEC)。
表2
除对生物质炭进行表面氧化分析后，还对实施例1-实施例4的氧化后的生物质炭和对照例1中未被氧化的生物质炭在电镜下进行扫描成像，其成像图如附图2-6所示，图2为实施例1的成像图，图3是实施例2的成像图，图4是实施例3的成像图，图5是实施例4的成像图，图6是对照例1的成像图。从图6上可以看出，对照例1中生物质炭表面未被氧化之前，其生物质炭的孔隙较少，孔隙较少使得生物质炭的比表面积小，从而造成吸附能力较差；从图2-图5可以明显的看出，经氧化后的生物质炭，其表面的孔隙增多，因此生物质炭的比表面积增大，且实施例3中的孔隙小而且密集排列，从而使得生物质炭的比表面最大化，其吸附能力也是最强；实施例4中，由于氧化程度过高，而导致生物质炭的孔隙之间联通形成大的孔隙而造成表面坍塌,反而使得生物质炭的吸附性能减弱。
综上所述，本发明通过使用氙弧灯照射对生物质炭的表面进行光氧化反应，从而使得生物质炭表面的羟基、羧酸、醛基等含氧官能团的增加，增加了生物质炭的负表面电荷，因此提高了阳离子的交换强度(CEC)并增加了生物质炭的孔隙数量，从而提高生物质炭的比表面积；在氙弧灯照射氧化的期间内，还向生物质炭喷洒双氧水，利用双氧水中过氧化氢的强氧化性，加快了生物质炭表面的氧化反应和氧化程度，一部分过氧化氢在氙弧灯照射下分解成氧气和水而被生物质炭所吸附，后续作用于土壤，改善土壤含水量和土壤空气含量，另一部分过氧化氢可以进入生物质炭内被吸附，作为消毒剂可以进行杀菌消毒，从而优化生物质炭的改性程度，并最终提高生物质炭的土壤修复能力；将改性后的生物质炭与开沟后的原土进行混合，施加在沟壑中，施土掩埋夯实后覆盖农作物秸秆，并在农作物秸秆上施加动物粪便，一方面通过农作物秸秆的覆盖，可以使得土壤保温保湿，另一方面通过动物粪便提升土壤肥力，且动物粪便中的微生物可以加快农作物秸秆的腐烂速度，作为腐殖质的有机物施加在土壤中，并通过土壤中的生物质炭进行对有机物的吸附，最终提高土壤的肥力，从而进一步地对土壤进行改良。
Claims (8)
1.一种改良土壤的方法，其特征在于：按下述步骤进行：
a、将生物质炭在氙弧灯的照射下氧化380-420h，氧化期间每6-9h喷撒一次浓度为10-30％的双氧水，单次喷洒时间维持15-25s；
b、冬季时在土地中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为5-15cm，宽度为15-25cm，相邻沟壑之间间隔40-50cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1∶0.5-1的比例混合，按每亩600-800kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖3-6cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每10-20日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便直至来年春季，单次施洒量为每亩300kg-400kg。
2.根据权利要求1所述的改良土壤的方法，其特征在于：按下述步骤进行：
a、将生物质炭在氙弧灯的照射下氧化400h，氧化期间每8h喷撒一次浓度为20％的双氧水，单次喷洒时间维持20s；
b、冬季时在土地中开沟，形成纵横交错的沟壑，沟壑的深度为8cm，宽度为20cm，相邻沟壑之间间隔45cm；
c、将开沟出的原土与氧化后的生物质炭按1∶0.8的比例混合，按每亩700kg在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物，并施土掩埋夯实；
d、在夯实后的沟壑上覆盖5cm厚的农作物秸秆，自夯实之日起每15日在农作物秸秆上均匀施洒动物粪便直至来年春季，单次施洒量为每亩350kg。
3.根据权利要求1或2所述的改良土壤的方法，其特征在于：所述的生物质炭以稻壳、秸秆和竹木中的一种或多种为原料，在300-700℃下热解形成的直径为1-10mm的颗粒形生物质炭。
4.根据权利要求3所述的改良土壤的方法，其特征在于：所述的生物质炭为稻壳和秸秆以1∶2的比例混合，在500℃下热解形成的直径为8mm的颗粒形生物质炭。
5.根据权利要求1或2所述的改良土壤的方法，其特征在于：所述的氙弧灯的辐照强度为0.35w/m2 at 340nm。
6.根据权利要求1或2所述的改良土壤的方法，其特征在于：所述的喷洒双氧水的方法是通过雾化喷嘴按每秒0.03L/m2的速率将雾化的双氧水均匀喷洒在生物质炭上，并不断搅拌生物质炭。
7.根据权利要求1或2所述的改良土壤的方法，其特征在于：所述的动物粪便包括猪粪和牛粪以1∶1的比例混合形成。
8.根据权利要求1或2所述的改良土壤的方法，其特征在于：所述步骤c中，在沟壑中施加生物质炭与原土的混合物之前，还先向沟壑中铺设污泥，污泥铺设在沟壑的底部和两侧壁，底部和两侧壁的厚度均为2cm。
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