CN112358357B - 一种基于王草的地表覆盖材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于王草的地表覆盖材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于王草的地表覆盖材料及其制备方法，属于地表覆盖材料制备技术领域，所述制备方法包括以下步骤：(1)将王草干燥，粉碎为长度2～3cm的片状物，进行预处理；(2)在预处理后的王草中加入畜禽粪便进行发酵，得到发酵浆料；(3)发酵完成后，在所述发酵浆料中加入天然抗菌剂，得到混合浆料，然后所述混合浆料放入液体喷播机中，液体喷播机喷出混合浆料至地表，干燥后形成所述基于王草的地表覆盖材料。本发明一方面可减少聚乙烯等化工原料的使用，降低化学原料对农田的污染，另一方面为废弃王草的利用提供新的有效利用途径。

Description

一种基于王草的地表覆盖材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及地表覆盖材料制备技术领域，特别是涉及一种基于王草的地表覆盖材料及其制备方法。
背景技术
地表覆盖材料具有显著提高地温、增强光照和保水抗旱等多种功能，能使作物充分有效地利用光热资源和水分，达到早熟高产优质的效果。20世纪80年代我国开始推广地表覆盖材料技术，促进了农业生产方式的转变。但是地表覆盖材料大量使用在取得良好的经济效益的同时，也造成严重的白色污染，残留在土壤中的地表覆盖材料对土壤环境和作物生长发育都造成了严重的危害。近年来，通过研制和开发可降解地表覆盖材料成为解决白色污染最为有效的途径和方法。
王草，多年生丛生性高杆禾草。根系发达。茎杆形似甘蔗。叶呈长条形。圆锥花序密生呈穗状。颖果纺锤形，浅黄色，有光泽。喜温暖湿润的气候条件，不耐严寒，耐干旱，耐火烧。但在长期渍水及高温干旱条件下生长不良。对土壤的适应性广泛，在酸性红壤或轻度盐碱土上生长良好，尤其在土层深厚，有机质丰富的壤土至粘土上生长最盛。国内海南、广东、广西广泛栽培，江苏、福建、云南、湖南引种栽培。王草是一种优质的热带多年生禾本科牧草，具有产量高、适口性好等特点，是热带地区反刍家畜重要粗饲料来源。南方的王草生物量大，利用其作为原料制备地表覆盖材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于王草的地表覆盖材料及其制备方法，一方面可减少聚乙烯等化工原料的使用，降低化学原料对农田的污染，另一方面为废弃王草的利用提供新的有效利用途径。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将王草干燥，粉碎为长度2～3cm的片状物，进行预处理；
(2)在预处理后的王草中加入畜禽粪便进行发酵，得到发酵浆料；
(3)发酵完成后，在所述发酵浆料中加入天然抗菌剂，得到混合浆料，然后所述混合浆料放入液体喷播机中，液体喷播机喷出混合浆料至地表，干燥后形成所述基于王草的地表覆盖材料。
作为本发明的进一步改进，步骤(1)所述预处理过程为首先使用碱液(优选低浓度碱液)对王草进行预处理，然后采用漆酶进行酶解。
在低浓度的碱预处理的过程中，王草中的木质素大分子中酚型结构如：α～芳基醚键、α～烷基醚键断裂，形成亚甲基醌中间物，非酚型结构如α～碳原子上连有～OH的β～芳基醚键也可以断裂，形成环氧化合物的中间物以及苯环上芳基甲基醚键的断裂，上述4种醚键的断裂，都导出新酚羟基。由于酚羟基具有弱酸性，对氢氧化钠具有亲和力，故增加了木质素的亲液基团，并能使反应继续下去。在上述4种醚键断裂过程中同时还伴随着脱芳基、脱烷基、脱甲醛等反应，使木质素分子逐渐降解而溶出，其中以非酚型结构的β～芳基醚键断裂的脱芳基反应为引起木质素降解的主要反应。本发明采用氢氧化钠和硫化钠共混的方法对王草进行处理，硫化钠在解离过程中产生氢氧根离子、硫氢离子和硫离子，除了氢氧根离子的作用外，由于还有硫氢离子和硫离子的存在，这些离子比氢氧根有更强的亲核作用，因此木质素单元结构聚合体与亲核性较强的硫氢离子和硫离子的反应优先于氢氧根离子反应，所以加强了对木质素的降解效果。使用低浓度的碱不能充分作用所有的木质素和多糖物质，会使未水解的木质素及多糖仍然连着纤维细胞，从而使纤维长度达到厘米级单位。若直接利用漆酶对王草进行预处理的话，脱胶效果很差，因此，本发明先用低浓度的碱对王草进行预处理，使王草膨胀，分散开来，为下一步的酶解做准备。低浓度的碱处理和酶解的协同处理得到的纤维平均长度为15.7mm，纤维宽度为39.7μm，纤维素含量为89.3％。
作为本发明的进一步改进，所述碱液包括质量浓度为2％～5％的氢氧化钠溶液和质量浓度为1％～3％的硫化钠溶液。
作为本发明的进一步改进，所述碱液的添加量占王草质量的5～10wt％，所述漆酶的添加量占王草质量的1～3wt％。
作为本发明的进一步改进，步骤(2)中所述发酵过程，具体包括以下步骤：
a、将预处理后的王草与禽畜粪便混合，调节pH为6～8，加入复合菌剂，得到混合物；
b、将混合物装入发酵罐中进行发酵，混合物占发酵罐体积的1/2～2/3，进行发酵，发酵时在混合物的温度＞40℃时，发酵罐内进行自动翻堆，通风降温，发酵达到5～8h，进行厌氧发酵8～10h，厌氧发酵后，进行二次正常发酵5～10h。
作为本发明的进一步改进，所述王草与禽畜粪便的混合质量比为(2～3)：1。
作为本发明的进一步改进，所述复合菌剂包括地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和嗜酸乳酸杆菌，三者的质量比依次为(1～2)：(0.1～0.4)：(1～2.6)。
作为本发明的进一步改进，所述复合菌剂的加入量为王草与禽畜粪便的混合物的质量的0.1wt％～0.3wt％。
作为本发明的进一步改进，在步骤(2)中还包括加入海产品加工废弃物进行发酵。海产品加工废弃物的加入量为王草质量的1/5～1/3。
本发明还提供一种利用所述的基于王草的地表覆盖材料的制备方法制备得到的基于王草的地表覆盖材料。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的基于王草的地表覆盖材料属于一种纤维素、菌种、海产品加工废弃物的混合物，可起到类似于传统塑料地表覆盖材料的作用，除此之外，不仅具有传统地表覆盖材料的优点，更增加了透气效果，其中的成分还可起到对农田的增肥作用。
本发明所用的王草生物量大，年产量可达25-30吨，属于可再生资源。虾壳属于海产品加工过程中产生的废弃物，直接扔掉不仅污染环境，还造成巨大的资源浪费。本发明以发酵的方式对王草进行处理，由于对王草进行了预处理，不仅大大缩短了发酵时间，且提高了由此制备的地表覆盖材料的性能，所述地表覆盖材料不仅能够替代现在的地表覆盖材料，而且能够实现控草、增肥、保湿、杀虫的功效。基于王草的地表覆盖材料的浆料喷涂覆盖在土壤表面，在土壤表面形成地表覆盖材料的同时，原料中的微生物开始繁殖形成生物结皮，生物结皮具有较好的保水效果，生物结皮的形成也延长了地表覆盖材料的保水效果作用时间。地表覆盖材料前期主要依赖王草原料的物理和化学作用形成浆膜来抑制水分散失，后期主要依赖地表覆盖材料中微生物繁殖作用形成的生物结皮来抑制水分散失，达到土壤保水保墒的效果。可有效抑制杂草生长，防草率95％以上，防虫率92％以上，保水保墒率90％以上。
本发明制备的基于王草的地表覆盖材料的主要成分是王草和禽畜粪便，腐解后可增加土壤肥力，地表覆盖材料材料的总成本为300元/hm2，远远低于塑料地表覆盖材料3000元/hm2的材料成本，使用寿命为50～70天。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例所述的菌种均通过商业途径购买得到。本发明所述天然抗菌剂购自北京海博利兹科技有限公司。
实施例1
本发明提供一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将王草干燥，粉碎为长度2cm的片状物，进行预处理，所述预处理过程为首先使用2％的氢氧化钠溶液和3％的硫化钠溶液对王草进行预处理15min，然后采用漆酶进行酶解30min，所述氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的添加量占王草总质量的5wt％，氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的体积比为1：1，所述漆酶的添加量占王草质量的1wt％；
(2)在预处理后的王草中加入畜禽粪便进行发酵，王草与禽畜粪便的混合质量比为2：1，调节pH为6，加入复合菌剂，得到混合物，将混合物装入发酵罐中进行发酵，混合物占发酵罐体积的1/2，进行正常发酵，正常发酵时在混合物的温度＞40℃时，发酵罐内进行自动翻堆，通风降温，正常发酵达到8h，进行厌氧发酵8h，厌氧发酵后，进行二次正常发酵5h，得到发酵浆料；
(3)发酵完成后，在所述发酵浆料中加入天然抗菌剂，天然抗菌剂的加入量为王草总质量的0.1wt％，得到混合浆料，然后所述混合浆料放入液体喷播机中，液体喷播机喷出混合浆料至地表，干燥后形成所述基于王草的地表覆盖材料。
本实施例所述复合菌剂为地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和嗜酸乳酸杆菌，三者的质量比依次为1：0.4：2.6。
实施例2
本发明提供一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将王草干燥，粉碎为长度3cm的片状物，进行预处理，所述预处理过程为首先使用5％的氢氧化钠溶液和3％的硫化钠溶液对王草进行预处理10min，然后采用漆酶进行酶解25min，所述氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的添加量占王草总质量的3wt％，氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的体积比为1：1，所述漆酶的添加量占王草质量的2wt％；
(2)在预处理后的王草中加入畜禽粪便进行发酵，王草与禽畜粪便的混合质量比为3：1，调节pH为6，加入复合菌剂，得到混合物，将混合物装入发酵罐中进行发酵，混合物占发酵罐体积的1/2，进行正常发酵，正常发酵时在混合物的温度＞40℃时，发酵罐内进行自动翻堆，通风降温，正常发酵达到5h，进行厌氧发酵10h，厌氧发酵后，进行二次正常发酵10h，得到发酵浆料；
(3)发酵完成后，在所述发酵浆料中加入天然抗菌剂，天然抗菌剂的加入量为王草总质量的0.3wt％，得到混合浆料，然后所述混合浆料放入液体喷播机中，液体喷播机喷出混合浆料至地表，干燥后形成所述基于王草的地表覆盖材料。
本实施例所述复合菌剂为地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和嗜酸乳酸杆菌，三者的质量比依次为2：0.1：1。
实施例3
本发明提供一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将王草干燥，粉碎为长度3cm的片状物，进行预处理，所述预处理过程为首先使用2％的氢氧化钠溶液和3％的硫化钠溶液对王草进行预处理15min，然后采用漆酶进行酶解15min，所述氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的添加量占王草总质量的10wt％，氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的体积比为1：1，所述漆酶的添加量占王草质量的2wt％；
(2)在预处理后的王草中加入畜禽粪便进行发酵，王草与禽畜粪便的混合质量比为3：1，调节pH为8，加入复合菌剂，得到混合物，将混合物装入发酵罐中进行发酵，混合物占发酵罐体积的2/3，进行正常发酵，正常发酵时在混合物的温度＞40℃时，发酵罐内进行自动翻堆，通风降温，正常发酵达到5h，进行厌氧发酵8h，厌氧发酵后，进行二次正常发酵8h，得到发酵浆料；
(3)发酵完成后，在所述发酵浆料中加入天然抗菌剂，天然抗菌剂的加入量为王草总质量的0.3wt％，得到混合浆料，然后所述混合浆料放入液体喷播机中，液体喷播机喷出混合浆料至地表，干燥后形成所述基于王草的地表覆盖材料。
本实施例所述复合菌剂为地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和嗜酸乳酸杆菌，三者的质量比依次为2：0.4：1.5。
实施例4
本发明提供一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将王草干燥，粉碎为长度3cm的片状物，进行预处理，所述预处理过程为首先使用4％的氢氧化钠溶液和1％的硫化钠溶液对王草进行预处理20min，然后采用漆酶进行酶解25min，所述氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的添加量占王草总质量的8wt％，氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的体积比为1：1，所述漆酶的添加量占王草质量的1wt％；
(2)在预处理后的王草中加入畜禽粪便和海产品加工废弃物小龙虾壳进行发酵，小龙虾壳经过粉碎，过100目筛，王草与禽畜粪便的混合质量比为2：1，小龙虾壳的加入量为王草质量的1/5，调节pH为8，加入复合菌剂，得到混合物，将混合物装入发酵罐中进行发酵，混合物占发酵罐体积的2/3，进行正常发酵，正常发酵时在混合物的温度＞40℃时，发酵罐内进行自动翻堆，通风降温，正常发酵达到7h，进行厌氧发酵10h，厌氧发酵后，进行二次正常发酵6h，得到发酵浆料；
(3)发酵完成后，在所述发酵浆料中加入天然抗菌剂，天然抗菌剂的加入量为王草总质量的0.2wt％，得到混合浆料，然后所述混合浆料放入液体喷播机中，液体喷播机喷出混合浆料至地表，干燥后形成所述基于王草的地表覆盖材料。
本实施例所述复合菌剂为地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和嗜酸乳酸杆菌，三者的质量比依次为1：0.4：2.6。
实施例5
本发明提供一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将王草干燥，粉碎为长度3cm的片状物，进行预处理，所述预处理过程为首先使用5％的氢氧化钠溶液和1％的硫化钠溶液对王草进行预处理10min，然后采用漆酶进行酶解20min，所述氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的添加量占王草总质量的5wt％，氢氧化钠溶液和硫化钠溶液的体积比为1：1，所述漆酶的添加量占王草质量的1wt％；
(2)在预处理后的王草中加入畜禽粪便进行发酵，王草与禽畜粪便的混合质量比为3：1，调节pH为8，加入复合菌剂，得到混合物，将混合物装入发酵罐中进行发酵，混合物占发酵罐体积的2/3，进行正常发酵，正常发酵时在混合物的温度＞40℃时，发酵罐内进行自动翻堆，通风降温，正常发酵达到5h，进行厌氧发酵8h，厌氧发酵后，进行二次正常发酵8h，得到发酵浆料；
(3)发酵完成后，在所述发酵浆料中加入天然抗菌剂，天然抗菌剂的加入量为王草总质量的0.1wt％，得到混合浆料，然后所述混合浆料放入液体喷播机中，液体喷播机喷出混合浆料至地表，干燥后形成所述基于王草的地表覆盖材料。
本实施例所述复合菌剂为地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和嗜酸乳酸杆菌，三者的质量比依次为1：0.3：1.8。
对比例1
同实施例2，不同之处仅在于未对王草进行碱处理，直接采用漆酶处理。
对比例2
同实施例2，不同之处仅在于在发酵过程中调节初始pH为5。
对比例3
同实施例2，不同之处仅在于对王草进行碱处理后，未采用漆酶处理。
选取一公顷，土壤情况相同的地8块，分别铺设实施例1-5及对比例1-3制备的地表覆盖材料，一个月后取样观察，结果见表1。
表1
防草率/％ 保水保墒率/％ 防病率/％ 防虫率/％
实施例1 95 90 90 92
实施例2 95 92 91 95
实施例3 97 95 92 97
实施例4 96 95 89 92
实施例5 95 94 91 94
对比例1 85 45 17 23
对比例2 70 35 19 20
对比例3 75 40 15 24
实施例1-5制备的地表覆盖材料的拉伸强度和断裂伸长率随着铺设时间的延长逐渐下降，1-20天下降相对较快，21-70天下降相对较慢，铺设50-70d后基本无法完成地表覆盖材料力学性能测试，分子量降低到2.5×104，已满足微生物吞噬降解的要求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将王草干燥，粉碎为长度2～3cm的片状物，进行预处理；所述预处理过程为首先使用碱液对王草进行预处理，然后采用漆酶进行酶解；所述碱液包括质量浓度为2%～5%的氢氧化钠溶液和质量浓度为1%～3%的硫化钠溶液；所述碱液的添加量占王草质量的5～10wt%，所述漆酶的添加量占王草质量的1～3wt%；
（2）在预处理后的王草中加入畜禽粪便进行发酵，得到发酵浆料；
（3）发酵完成后，在所述发酵浆料中加入天然抗菌剂，得到混合浆料，然后所述混合浆料放入液体喷播机中，液体喷播机喷出混合浆料至地表，干燥后形成所述基于王草的地表覆盖材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述发酵过程，具体包括以下步骤：
a、将预处理后的王草与禽畜粪便混合，调节pH为6～8，加入复合菌剂，得到混合物；
b、将混合物装入发酵罐中进行发酵，混合物占发酵罐体积的1/2～2/3，进行正常发酵，发酵时在混合物的温度＞40℃时，发酵罐内进行自动翻堆，通风降温，发酵达到5～8h，进行厌氧发酵8～10h，厌氧发酵后，进行二次正常发酵5～10h。
3.根据权利要求2所述的一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，其特征在于，所述王草与禽畜粪便的混合质量比为（2～3）：1。
4.根据权利要求2所述的一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，其特征在于，所述复合菌剂包括地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和嗜酸乳酸杆菌，三者的质量比依次为（1～2）：（0.1～0.4）：（1～2.6）。
5.根据权利要求4所述的一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，其特征在于，所述复合菌剂的加入量为王草与禽畜粪便的混合物的质量的0.1wt%～0.3wt%。
6.根据权利要求1所述的一种基于王草的地表覆盖材料的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中还包括加入海产品加工废弃物进行发酵。
7.一种基于王草的地表覆盖材料，其特征在于，由权利要求1～6任一项所述的基于王草的地表覆盖材料的制备方法制备得到。
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