CN111040768A - 一种膨润土改性水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用 - Google Patents

一种膨润土改性水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种膨润土改性水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用，包括如下步骤：1）固体水热炭的制备；2）膨润土热改性水热炭材料的制备：将干燥的固体水热炭碾成粉末状水热炭；使粉末状水热炭与粘土按照3.5‑4.5：1的质量比混合均匀，并在280‑350°C的条件下热处理1‑2h得到膨润土改性水热炭材料，自然冷却至室温，过分级筛。膨润土嵌入杨树锯末制备的水热炭BTHC成功的提高了氮素利用率和水稻产量，与此同时，该处理抑制了氨挥发排放并减少了田面水NH4 +的损失。本发明首次展示了BTHC是一种增加水稻产量和减轻稻田氨挥发的优良材料。

Description

一种膨润土改性水热炭材料的制备及其在面源污染减排的 应用
技术领域
本发明涉及一种膨润土改性水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用。
背景技术
面源污染是指污染源广泛分布在环境中并不能准确定位的污染。农田氨(NH3)挥发是一种主要的面源污染，因为NH3挥发广泛分散到大气环境并导致大气污染，如PM2.5颗粒物的形成。农田NH3挥发占农田氮肥总投入的10％-60％。尿素是一种常见的氮肥，它可以转化为一种不稳定的中间化合物，称为氨基甲酸盐，这种化合物是不稳定的，可能在某些土壤条件下释放NH3，如碱性土。因此，过量施用氮肥导致稻田氮素流失严重，据估计，每年农业土壤NH3挥发出的氮素量为3.2×1010kg，诱发严重的大气雾霾和地表水富营养化。
生物炭是由生物质在氧气缺乏环境下热解(以下简称为热解炭)或水热反应炭化(以下简称为水热炭)而生成的一种炭材料，它已经广泛应用在了减轻农田NH3挥发。与热解相比，水热碳化(hydrothermal carbonization，HTC)是一种在高压和较低温度下进行的更为节能的炭化过程(180–300℃)。低温和使用液体作为反应介质有助于形成介孔和微孔，这有利于NH4 +-N吸附。
在之前的研究中，杨树锯末制备热解炭减少了田面水的N损失但是却增加了水稻土的氨挥发。在目前的研究中，期望可以通过改进生产方法来减少土壤NH3挥发。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种膨润土改性水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用，可实现减少水稻土NH3挥发并提高水稻产量的目标。
本发明以杨树锯末制备的水热炭为原料，采用膨润土、蒙脱土和高岭土三种不同类型的粘土制成不同的水热炭复合材料(CHC)。我们的目标是筛选出最合适的CHC来最大效率减少水稻土NH3挥发，并进一步提高植株氮素利用率。我们将为CHC在稻田土壤中的应用提供数据支持，并为CHC在田间的规模化使用提供理论基础。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种膨润土改性水热炭材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)固体水热炭的制备：将木屑与水混合，在5-10MPa压力和210-230℃的温度下反应1-2h得到固体水热炭，木屑与水的比例为1:7-13w/v；通过离心收集固体水热炭并干燥，得到干燥的固体水热炭；
2)膨润土热改性水热炭的制备：将干燥的固体水热炭碾成粉末状水热炭；使粉末状水热炭与钠基膨润土按照3.5-4.5：1的质量比混合均匀，并在280-350℃的条件下热处理1-2h得到膨润土改性水热炭材料，自然冷却至室温，过分级筛。
膨润土便宜，对环境无风险，具有较好的吸附性能，但是偏碱性，可能不利于稻田氨挥发减排。水热炭作为一种基于废弃物的碳基材料，可实现固碳减排的作用，但是偏酸性，大量施加不利于作物生长，对土壤可能也有酸化风险。将二者制备成复合材料可以实现优势互补，取长补短。制备得到的改性水热炭材料，同时可实现氨挥发减排，且酸碱适中，可用于土壤改良；还实现了废弃物的资源化和固碳减排。
粉末状水热炭与钠基膨润土采用物理混匀方式混匀，比如搅拌方法。
优选的，所述的木屑为杨树木屑，杨树木屑的粒径为0.1-0.3cm。
具体地，步骤1)中，将木屑与水混合，在8MPa压力和220℃的温度下反应1h得到固体水热炭，木屑与水的比例为1:10w/v；通过离心收集固体水热炭并在65-70℃条件下干燥至恒重，得到干燥的固体水热炭。
具体地，步骤2)中，将干燥的固体水热炭碾成粒径为1-2mm的粉末状水热炭，使粉末状水热炭与钠基膨润土按照4：1的质量比混合均匀，放入坩埚，将坩埚置于300℃的马弗炉中烧制1小时，自然冷却至室温；过2毫米分级筛，得到膨润土改性水热炭材料(即粒径为2mm以下的膨润土改性水热炭材料用于水稻土壤改良)。
本发明还提供前述的制备方法所制备的膨润土改性水热炭材料。
本发明的又一个目的是提供膨润土改性水热炭材料的施用方法，包括如下步骤：
在每季水稻移栽前3-7d施用膨润土改性水热炭材料于稻田土壤表面形成膨润土改性水热炭覆盖层(该覆盖层由膨润土改性水热炭材料构成)，对表面为膨润土改性水热炭覆盖层的稻田土壤进行浅层翻耕(使表层稻田土壤与膨润土改性水热炭充分混合)，通过灌溉(比如水，在翻耕后立刻进行灌溉)形成稳定的土壤-水热炭缓冲层；膨润土改性水热炭材料与浅层翻耕的稻田土壤的质量比为0.4％-1.5％w/w(即两者质量比为0.4-1.5:100)，此处浅层翻耕的稻田土壤为翻耕的那部分稻田土壤(在计算其质量时，不包括膨润土改性水热炭材料的质量)。膨润土改性水热炭材料相对稻田土壤的质量比不宜过低，过低则无法对稻田土壤进行有效改良；质量比也不宜过高，否则会影响作物生长。
优选的，浅层翻耕的翻耕深度为10-25cm。不翻耕会导致炭材料的流失，影响外部水体环境；通过浅层翻耕可以使炭材料与土壤充分接触，改善土壤结构和养分条件，利于土壤微生物和水稻根系发育；还可以实现土壤铵根的固持，进而降低氨挥发排放。
膨润土改性水热炭材料、基肥的施加时间相互错开。一般施加基肥的时间是在每季水稻移栽前1d，膨润土改性水热炭材料、基肥的施加时间相互错开，可以保证在基肥施加前，膨润土改性水热炭材料对土壤的改良已经完成，防止基肥影响到水热炭改性材料对土壤的改良。
本发明还提供前述的膨润土改性水热炭材料在改良水稻土壤、提高水稻产量中的应用，以及前述的膨润土改性水热炭材料在稻田面源污染减排、减少稻田田面水氨挥发中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果：膨润土嵌入杨树木屑制备的水热炭BTHC成功的提高了N素利用率和水稻产量，与此同时，该处理抑制了氨挥发排放并减少了田面水的NH4 +损失。本发明首次展示了BTHC是一种增加水稻产量和减轻氨挥发面源污染的优良材料。
附图说明
图1SEM成像法分析杨树木屑制备的水热炭和三种粘土水热炭复合材料的微观结构；
图2施基肥(BF)，分蘖肥(SF1)，穗肥(SF2)之后第7天，对照、三种CHC处理的土壤NH4 +-N浓度；
图3施基肥(BF)，分蘖肥(SF1)，穗肥(SF2)之后7天内，对照、三种CHC处理的田面水NH4 +-N浓度的日变化；
图4施穗肥(SF2)之后第7天，对照、三种CHC处理的AOA、AOB基因拷贝数；
图5施基肥(BF)，分蘖肥(SF1)，穗肥(SF2)之后7天内，对照、三种CHC处理的稻田土壤NH3挥发累积排放量及单位产量NH3挥发累积排放量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式作更进一步的说明。
一种膨润土改性水热炭材料的制备方法，包括如下步骤：
1)固体水热炭的制备：将木屑与水混合，在5-10MPa压力和210-230℃的温度下反应1-2h得到固体水热炭，木屑与水的比例为1:7-13w/v；通过离心收集固体水热炭并干燥，得到干燥的固体水热炭；
2)膨润土热改性水热炭的制备：将干燥的固体水热炭碾成粉末状水热炭；使粉末状水热炭与钠基膨润土按照3.5-4.5：1的质量比混合均匀，并在280-350℃的条件下热处理1-2h得到膨润土改性水热炭材料，自然冷却至室温，过分级筛。
优选的，所述的木屑为杨树木屑，杨树木屑的粒径为0.1-0.3cm。
具体地，步骤1)中，将木屑与水混合，在8MPa压力和220℃的温度下反应1h得到固体水热炭，木屑与水的比例为1:10w/v；通过离心收集固体水热炭并在65-70℃条件下干燥至恒重，得到干燥的固体水热炭。
具体地，步骤2)中，将干燥的固体水热炭碾成粒径为1-2mm的粉末状水热炭，使粉末状水热炭与钠基膨润土按照4：1的质量比混合均匀，放入坩埚，将坩埚置于300℃的马弗炉中烧制1小时，自然冷却至室温；过2毫米分级筛，得到膨润土改性水热炭材料(即粒径为2mm以下的膨润土改性水热炭材料用于水稻土壤改良)。
膨润土改性水热炭材料的施用方法，包括如下步骤：
在每季水稻移栽前3-7d施用膨润土改性水热炭材料于稻田土壤表面形成膨润土改性水热炭覆盖层(该覆盖层由膨润土改性水热炭材料构成)，对表面为膨润土改性水热炭覆盖层的稻田土壤进行浅层翻耕(使稻田土壤与膨润土改性水热炭充分混合)，通过灌溉(比如水，在翻耕后立刻进行灌溉)形成稳定的土壤-水热炭缓冲层；膨润土改性水热炭材料与浅层翻耕的稻田土壤的质量比为0.4％-1.5％w/w(即两者质量比为0.4-1.5:100)，此处浅层翻耕的稻田土壤为翻耕的那部分稻田土壤(在计算其质量时，不包括膨润土改性水热炭材料的质量)。
优选的，浅层翻耕的翻耕深度为10-25cm。
膨润土改性水热炭材料、基肥的施加时间相互错开。
实施例1膨润土改性水热炭(CHC)的制备
以杨树木屑(即杨树锯末)为原料进行水热炭生产，杨树木屑与反应介质溶剂(即水)混合。水热炭制备：在高压(8Mpa)、温度为220℃停留一小时(即反应1小时)，固液比1:10(w/v，g/mL)。通过HTC(水热炭化)生产的固体水热炭通过离心收集，并在70℃干燥，直到未检测质量进一步减轻。然后，将固体水热炭碾成粒径为1-2mm的粉末，分别以4：1的比例(质量比)与膨润土、蒙脱土或高岭土混合。混合均匀，放入坩埚，并密封封盖，之后，将坩埚置于300℃的马弗炉中烧制1小时，自然冷却至室温。将CHCs(即粘土改性水热炭材料)过2毫米分级筛，粘土是从上海阿拉丁生化科技公司购买，本研究中使用的膨润土是钠基膨润土。
实施例2土柱实验设置
土壤柱实验中使用的水稻土是从江苏省南京市农科院实验场的稻田0～20厘米的表土中采集的。土壤特征如下：壤土含量为57％，砂土含量为21％，沙含量为21％，pH为7.01(固液比1：2.5，g/mL)，总氮含量0.87g kg-1，有机质含量9.0g kg-1，总磷含量0.76g kg-1，总钾含量3.62g kg-1。每个土柱装35kg的水稻土。水稻土自然风干且过2毫米筛，与水热炭复合材料混合均匀后，装入土柱中(直径30厘米，高度50厘米PVC材料的土柱)。具体地，在水稻移栽前3d，稻田土壤分别与膨润土-水热炭复合材料(BTHC)，蒙脱土水热炭复合材料(MTHC)，和高岭土水热炭复合物(KTHC)充分混合作为三种CHC处理，其中每种粘土水热炭复合材料与稻田土的质量比为0.8:100，装入土柱中，通过灌溉水使得粘土水热炭复合材料与稻田土稳定结合。对照组的稻田土壤中不加入CHC复合材料。每组处理三个重复。在水稻移栽前1d，所有土柱施加96kg N ha-1，90kg P2O5 ha-1和120kg K2O ha-1，即以尿素、超磷酸钙和氯化钾作为基肥肥料(BF)。在栽培阶段施加96kg ha-1氮(移植后14天)作为第一个补充肥料(SF1)，稻穗出现后施加48kg ha-1氮(移植后51天)作为第二次补充肥料(SF2)。水稻于2019年6月10日移植(即移栽)，2019年10月10日收获。所有样品田面水高度在3～5厘米；7月12日至20日季中排水。
膨润土改性水热炭(CHC)的表征
用固液比1:2.5(w/v)测定水热炭样品的pH值。用X-ray photoelectronspectroscopy(XPS)测定表面元素浓度和表面官能团的C1光谱，应用AXIS UltraDLD型X射线光电子光谱仪(Kratos，UK)，AlKa射线(1468.6eV)激发。X射线源电压设置为15kV，电流设置为10mA，背景真空小于5×10-9Torr.广谱扫描能量设置为80eV，步长为0.5eV，细频谱扫描能量设置为20eV，步长为0.1eV。.使用扫描电子显微镜放大5000倍对水热炭的表面形态进行了扫描。比表面积，孔径，孔体积使用NOVA1200分析仪测量吸附，使用Brunauer–Emmett–Teller(BET)比表面积分析仪计算参数。
表1报告了水热炭和CHC样品的物理化学特性。HTC反应温度(210-230℃)比热解温度(500–700℃)低很多。生物炭的pH随反应温度降低而降低。因此，杨树锯屑制备的水热炭表现出强烈的酸度(pH＝3.39)。HTC期间有机物质水解产生的大量溶解有机酸是一个重要因素。此外，与原始水热炭相比，将粘土与水热炭烧制后的复合材料的pH增加了1.42～2.15单位，这避免了潜在的土壤酸化影响。
三个CHC的多孔直径都小于或等于5纳米，这表明材料在表面形成的是微孔，意味着聚合在生物炭上的粘土不会抑制微孔的形成。HTC的低温有利于微孔的形成，使水热炭的孔径一般低于热解炭的孔径。粘土矿物浸渍到热解炭中会导致孔径和孔隙体积的减小。然而，与原始的水热炭相比，三个CHC的孔隙体积增加了2.25～10.75倍。进一步研究表明，三种CHC比表面积增加了1.95-9.0倍。检测到BTHC有最高的孔隙体积和比表面积，这有利于土壤NH4 +-N吸收。表1水热炭和CHC样品的物理化学特性
Figure BDA0002353102690000071
注：水热炭为本发明中未经粘土改性的水热炭。
孔隙体积和SSA的增加可归因于原水热炭结构的断裂，以及水热炭和粘土矿物之间新的孔隙的建立。因此，我们使用SEM成像法分析了杨树锯末制备的水热炭和三种粘土水热炭复合材料的微观结构(图1)。与原始水热炭微观结构相比(图1A)，粘土的介入破坏了水热炭结构，粘土聚合物被嵌入到水热炭中(图1B，C，和D).BTHC和MTHC处理中可见(图1B和C)，粘土聚合物彼此松散链接，水热炭和粘土之间的孔隙清晰可见。然而，在KTHC中几乎看不到内部孔隙，因为嵌入的粘土聚合物相互挤压，几乎覆了原始水热炭的表面(图1D)。KTHC内部孔隙的减少可能会阻碍粘土和水热炭相互作用，并进一步影响吸附能力。
表1展示了表面原子含量和含碳官能团的丰富度。使用XPS测定原始杨树锯末制备的水热炭，BTHC，MTHC和KTHC的C1s光谱。与原始水炭相比，浸渍膨润土和高岭土水热炭明显降低了表面C浓度，但O浓度却增加了。与原始水热炭相比，在MTHC中检测到对比明显的趋势。此外，MTHC和KTHC的表面硅浓度分别增加了6.51倍和22.34倍。此外，酸性官能团丰富度变高(如羧基和羰基)，提供更多的吸附点，有利于NH4 +固持，在抑制氨方面起到关键作用。在这项研究中，用蒙脱土浸渍水热炭，羧基和羰基的丰富度比原始水热炭减少了7.19倍，显著改变了水热炭表面官能团的组成。与原始水热炭相比，在BTHC和KTHC上检测到的羧基和羰基丰富度相对较低，分别降低1.78倍和1.70倍。
土壤NH3挥发的动态变化
土壤NH3挥发测定与田面水采样同时进行。氨挥发通量通过密闭式连续气流封闭测定。简而言之，挥发的NH3是在内径15厘米、高度20厘米的树脂罐中采集的，使用80mL 2％硼酸，甲基红，溴甲酚和乙醇指示剂的混合物作为NH3吸收剂。用0.01M H2SO4滴定含有NH3的溶液。累计挥发NH3计算为监测期间每日NH3挥发量之和(即，分别在BF，SF1，和SF2施肥后的前七天的NH3挥发量之和)。单位产量NH3挥发使用上述累计NH3挥发损失除以相应处理的稻谷产量计算得来。
各处理稻田土NH3挥发通量变化趋势基本一致(图5、表2)。BF之后，峰值出现在第2天或第3天，之后急剧下降。SF1和SF2之后，KTHC处理作用于氨挥发峰值时期且使氨挥发最大值增大。相反，与对照、MTHC和KTHC处理比较，随着BTHC的改良剂添加，NH3挥发在整个水稻生长季中显著减少。如SF2后1天，NH3挥发达到的最大峰值。这一天，对照组的氨挥发损失最高(15.66kg ha-1)，接下来是KTHC(8.52kg ha-1)，MTHC(7.31kg ha-1)，和BTHC(5.46kgha-1)。不同CHC处理对NH3挥发的影响与对田面水中NH4 +-N损失的影响相似。与对照相比，只有BTHC显著减少了土壤NH3挥发量(累积氨挥发减少了41.8％、单位产量氨挥发减少了53.3％)。在对照组、MTHC和KTHC处理之间总氨挥发量和单位产量氨挥发量没有显著性差异。值得注意的是，大约三分之一施用的氮肥由于NH3挥发而损失；然而，BTHC处理中，NH3挥发损失的N量只占N肥总投入的17.4％，这表明BTHC处理在抑制氨挥发方面效果极为显著。
表2基肥(BF)，分蘖肥(SF1)，穗肥(SF2)之后一周，对照、三种CHC处理的稻田土壤NH3挥发累积排放量及单位产量NH3挥发累积排放量
Figure BDA0002353102690000081
BTHC处理对NH3挥发的抑制作用是因为对土壤NH4 +-N的固持，从而减少了田面水NH4 +-N的损失。另外，部分原因是添加BTHC对土壤的轻微酸化作用造成的。
田面水和表层土分析
使用注射器收集田面水样本(即每次施肥后，连续测定7天)。用滤纸过滤水样，然后立即在-20℃的100mL塑料瓶中冷冻，直到进一步分析。表层土取样三次：BF，SF，SF2分期施肥后第七天，之后分析土壤pH值和土壤NH4 +-N和NO3 —N浓度，土壤pH使用上述方法测定(通过土水比为1：2.5(w/v)测定)。田面水和土壤的NH4 +-N and NO3 --N浓度使用San++Continuous Flow Analyzer测定(分析误差±3.9％，检测限值0.2mg N L-1)，此外还测定田面水的pH值。
表3展示了不同CHC处理对稻田土和田面水pH的影响。基肥施加后，在处理中，未发现稻田土壤或田面水的pH值有显著性差异。这一结果表明，当土壤与CHC混合时，土壤或田面水的pH值没有立即改变。SF1和SF2之后，三种CHC处理的土壤pH值均显著降低了0.20～0.48个单位。由于HTC有利于形成丰富的有机酸，使白杨锯末制备的水热炭具有强酸性特性。虽然将不同的粘土嵌入水热炭导致pH值增加个1.1～1.83单位，但CHC的酸性特性仍降低了土壤的pH值。此外，土壤pH值在三种CHC处理后相似，表明将膨润土、蒙脱土和高岭土嵌入水热炭对土壤pH的影响具有类似的效果。此外，与土壤pH值不同，在三个CHC中，只有BTHC处理显著影响田面水的pH(表3)。SF1和SF2之后，与对照组相比BTHC处理的田面水pH值减小了0.12-0.84个单位。
表3不同CHC处理对稻田土和田面水pH的影响
Figure BDA0002353102690000091
BF和SF2之后，三种CHC处理之中，与对照相比，只有BTHC处理显著的增加了土壤NH4 +-N浓度(分别增加了47.5％和24.1％)(图2)，这表明了在土壤中添加MTHC和KTHC可能不能有效的固持NH4 +-N。SF1之后，与对照组相比，BTHC，MTHC和KTHC处理的土壤NH4 +-N浓度都分别显著增加了67.3％，38.5％和24.5％。在三个肥期期间，BTHC对土壤NH4 +-N保留都有显著影响。
图3分别表示BF，SF1和SF2后一周，田面水NH4 +-N浓度的动态变化情况。BF之后的前三天，对照组和BTHC处理的田面水NH4 +-N浓度相差无几；然而，MTHC和KTHC处理的田面水NH4 +-N浓度分别增加了1.13–5.73和25.83–47.10mg L-1。SF1和SF2之后，观察到田面水NH4 +-N浓度的峰值具有相似的结果。但蒙脱土和高岭土浸渍的水热炭反而增加了田面水的NH4 +-N损失。三种CHC处理中，只有BTHC处理增加了土壤对NH4 +-N吸附，减少了田面水的NH4 +-N损失。
水稻生长指数测定和谷物N含量和产量的计算
在水稻在生理成熟时将植株样品从每个盆中手工收获，以确定谷物N含量和产量。谷物N含量用Kjeldahl方法测定。无N肥施用的对照中地上生物量的N含量为1.24g pot-1。
本发明中，BTHC：膨润土改性的水热炭，克服了前人研究的不足，通过抑制NH3挥发，降低NH4 +-N在田表水中的损失，从而提高了氮素利用效率和水稻产量(表4)。BTHC降低了NH3挥发和NH4 +-N在田面水中的损失，使N保留在土壤中，供水稻利用。与对照组相比，三组CHC处理中，只有BTHC显著提高N利用率(增加了37.4％)和水稻产量(增加了18.8％)。
表4.水稻产量，水稻N含量，水稻的氮素利用率
Figure BDA0002353102690000101
从田面水NH4 +-N损失和土壤NH4 +-N固持的结果来看，只有BTHC处理成功的提供土壤NH4 +-N的植物有效性。
DNA提取与定量聚合酶链反应(qPCR)
在NH3挥发高峰期从土壤样本中分离出总DNA(约0.5克)(NH3挥发高峰期指施穗肥SF2后第七天)，根据说明书说明使用mericon DNABacteria Kit and mericon BacteriaPlus Kit(Qiagen，Germany)。通过对氨氧化微生物基因进行PCR扩增(AOA和AOB)。这些基因的丰度使用qPCR方法量化，使用AB17500热循环器(Applied Biosytems Inc.，USA)加热，结果表示为每克干土的基因拷贝数。
氨氧化微生物的活性(AOA和AOB)与土壤NH3保留紧密相关，因为两者在NH4 +-N硝化作用转换的开始和最高速率起着关键作用。AOA以NH3为原料，通过自养生长参与土壤硝化；在厌氧土壤环境中，比如淹水稻田土壤，AOB利于NH4 +-N转换。AOA和AOB基因拷贝数在SF2后第7天观察到NH3最大挥发量时进行分析(图4)。结果表明，在MTHC，KTHC和对照中，AOA和AOB的丰度具有相似的结果。BTHC处理显著降低了AOA基因拷贝数，与对照相比，BTHC处理AOB基因拷贝数没有显著性差异。通过BTHC降低AOA利用NH3作为基质的硝化作用来抑制氨氧化古菌的活性，进而促进土壤对NH4 +-N保留，导致硝化作用的抑制和土壤NH4 +-N的保留。
统计学分析
所有统计学分析使用SPSS 18.0(SPSS Inc.Chicago，IL，USA)。使用单因素方差分析(ANOVA)计算，P<0.05作为概率级别评估结果。Duncan多范围测试只有在ANOVAF测试显示显著度水平有显著的处理中才使用(P<0.05)。
本发明表明，三种CHC处理之中，膨润土嵌入杨树锯末制备的水热炭BTHC成功的提高了N利用率和水稻产量，与此同时，该处理抑制了氨挥发作用并减少了田表水的NH4 +损失。这项研究首次展示了BTHC是一种增加水稻产量和减轻氨挥发面源污染的优良材料。BTHC的酸性特性、较大的孔隙容积和比表面积有利于土壤NH4 +-N保留，进而减小N损失。这项研究表明，与原始水热炭相比，筛选合适的粘土在农业环境中的应用更为关键。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用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 (10)

1.一种膨润土改性水热炭材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）固体水热炭的制备：将木屑与水混合，在5-10 MPa压力和210-230℃的温度下反应1-2h得到固体水热炭，木屑与水的比例为1:7-13 w/v；通过离心收集固体水热炭并干燥，得到干燥的固体水热炭；
2）膨润土热改性水热炭的制备：将干燥的固体水热炭碾成粉末状水热炭；使粉末状水热炭与钠基膨润土按照3.5-4.5：1的质量比混合均匀，并在280-350°C的条件下热处理1-2h得到膨润土改性水热炭材料，自然冷却至室温，过分级筛。
2.根据权利要求1所述的一种膨润土改性水热炭材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述的木屑为杨树木屑，杨树木屑的粒径为0.1-0.3cm。
3.根据权利要求1所述的一种膨润土改性水热炭材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，将木屑与水混合，在8 MPa压力和220℃的温度下反应1h得到固体水热炭，木屑与水的比例为1:10 w/v；通过离心收集固体水热炭并在65-70°C条件下干燥至恒重，得到干燥的固体水热炭。
4.根据权利要求1所述的一种膨润土改性水热炭材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中，将干燥的固体水热炭碾成粒径为1-2mm的粉末状水热炭，使粉末状水热炭与钠基膨润土按照4：1的质量比混合均匀，放入坩埚，将坩埚置于300°C的马弗炉中烧制1小时，自然冷却至室温；过2毫米分级筛，得到膨润土改性水热炭材料。
5.权利要求1-4任意一项所述的制备方法所制备的膨润土改性水热炭材料。
6.权利要求5所述的膨润土改性水热炭材料的施用方法，其特征在于，包括如下步骤：
在每季水稻移栽前3-7d施用膨润土改性水热炭材料于稻田土壤表面形成膨润土改性水热炭覆盖层，对表面为膨润土改性水热炭覆盖层的稻田土壤进行浅层翻耕，通过灌溉形成稳定的土壤-水热炭缓冲层；膨润土改性水热炭材料与浅层翻耕的稻田土壤的质量比为0.4%-1.5%w/w。
7.根据权利要求6所述的施用方法，其特征在于，浅层翻耕的翻耕深度为10-25cm。
8.根据权利要求6所述的施用方法，其特征在于，膨润土改性水热炭材料、基肥的施用时间相互错开。
9.权利要求5所述的膨润土改性水热炭材料在改良水稻土壤、提高水稻产量中的应用。
10.权利要求5所述的膨润土改性水热炭材料在稻田面源污染减排、减少稻田田面水氨挥发中的应用。
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