CN113416557A

CN113416557A - 一种炭基调理剂及其制备方法和应用

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Publication number: CN113416557A
Application number: CN202110894200.6A
Authority: CN
Inventors: 石维; 程东娟; 王利书; 郭海刚; 武海霞
Original assignee: Hebei University of Engineering
Current assignee: Hebei University of Engineering
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2021-09-21

Abstract

本发明公开了一种炭基调理剂及其制备方法和应用，炭基调理剂按重量份计包括以下组分原材料：20‑35份玉米炭，40‑50份PAM，5‑10份海泡石，15‑25份膨润土，1‑3份羧甲基纤维素钠，1‑2份壳聚糖，余量为木醋液与水的混合液。本发明的炭基调理剂是一种绿色、环境友好的炭基调理剂，所有原料获取简单、成本低廉，通过圆盘造粒的生产工艺简单，有利于推广和应用；生物质炭‑矿物‑聚丙烯酰胺相互作用制备的炭基改良剂，起到了对盐分洗脱的协同效果，有效优化了生物质炭和PAM对盐分的洗脱，尤其增加了对钠离子的洗脱，同时有助于土壤保水性和土壤质量改善。

Description

一种炭基调理剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及炭基调理剂领域，特别是一种炭基调理剂及其制备方法和应用。

背景技术

盐碱土是我国重要土地资源的一部分，尤其是在北方地区，荒地资源中盐碱土占比大，且中、低产地的改造，几乎都涉及盐碱土的改良。根据农业部组织的第二次全国土壤普查资料统计，我国盐碱土面积为5.2 亿亩(不包括滨海滩涂)。其中盐土2.4亿亩，碱土1299.91 万亩，各类盐化、碱化土壤为 2.7 亿亩。盐碱土中含有大量可溶性的盐类，对作物构成严重威胁，盐分可使作物体内的矿物质失调，作物体内正常离子平衡遭到破坏，从而使某些元素在作物体内过多或过少，造成营养失调，影响作物的发芽以及正常生长发育。其次为盐碱土壤质地粘重，透水性能差，盐碱土所处地势较低，土壤长期受地上水及地下水的浸润，土壤粘粒不断沉积，使土壤逐渐变粘，导致结构性差。盐碱土的有机质含量较少，土壤肥力低，理化性状差，对作物有害的离子多，作物不易发芽生长。盐碱危害造成农业综合生产能力下降，影响了农业生产。因此，改良盐碱土对盐碱化土地有序利用、促进农牧业产业健康发展、遏制部分地区土壤盐渍化的加重与扩展等问题具有重要意义。

聚丙烯酰胺(PAM)是一种高分子量的合成有机聚合物，按离子型可分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型4种，具有絮凝、增黏、吸附等多种性能，因而在土壤结构改良、侵蚀防治和农业生产等领域得到了广泛的应用。聚丙烯酰胺可以有效地提高团聚体的稳定性，增加渗透，减少径流和防止地表密封的侵蚀，提高灌溉效率，并对作物生长和产量有间接的积极影响。

生物质炭是生物质在无氧或厌氧环境中经高温裂解生成富含碳的黑色固态物质。生物质炭是一种孔隙丰富、结构稳定、表面官能团丰富的炭质材料，是理想的吸附载体。由于生物质炭的特性，可将其应用于新能源、新材料、农业和环境保护等方面。生物质炭作为土壤调理剂可以有效改善土壤容重、持水性、pH值、CEC等理化性质。将生物质炭作为土壤调理剂应用于农业生产，可显著改善土壤理化性质，提高农作物产量，增加土壤固碳改善土壤质量。

因此，通过生物质炭、粘土矿物和聚丙烯酰胺掺混造粒制备炭基调理剂来提高脱盐效果，促进土壤保水性和增加土壤固碳，降低盐碱地治理成本是非常有意义的研究方向，可以完善相关的研究成果，以及为盐碱地的治理提供参考。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种炭基调理剂及其制备方法和应用，该方法简单，生产成本低，可促进盐碱地盐分洗脱及增加土壤碳库。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种炭基调理剂，按重量份计，包括以下组分原材料：20-35份玉米炭，40-50份PAM，5-10份海泡石，15-25份膨润土，1-3份羧甲基纤维素钠，1-2份壳聚糖，余量为木醋液与水的混合液。

优选地，所述玉米炭为玉米秸秆在热裂解温度500℃限氧条件下的固体产物，玉米炭经粉碎后过20目筛。

优选地，所述海泡石的粒径为0.15mm。

优选地，所述羧甲基纤维素钠粘度为2000-3100 mPa.s。

优选地，所述壳聚糖的粘度为>400 mPa.s。

优选地，所述炭基调理剂颗粒大小为1-3mm。

优选地，所述混合液按木醋液与水=1:200的比例制成，木醋液pH值3.9。

本发明还提供了一种炭基调理剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）按比例取各原材料；

（2）将玉米炭与PAM放于圆盘造粒机中充分混合均匀，得到第一混合物；

（3）将膨润土与羧甲基纤维素钠充分混匀，然后与第一混合物充分混合，得到第二混合物；

（4）用喷雾器将木醋液与水混合制成的混合液喷洒在第二混合物上，在圆盘造粒机下成型为颗粒；

（5）将海泡石均匀的撒在成型的颗粒上，得到第三混合物；

（6）将壳聚糖均匀撒在第三混合物上，并继续造粒30-40 min；

（7）将造好的炭基调理剂颗粒于50℃-60℃下烘2h-3h。

本发明还提供了炭基调理剂在盐碱地盐分洗脱上的应用。

优选地，所述炭基调理剂按30-50kg/亩施入盐碱地。

本发明的有益效果：

1、本发明的炭基调理剂是一种绿色、环境友好的炭基调理剂，生物质炭源于天然的玉米秸秆，粘土矿物和有机粘合剂均没有任何毒害，所有原料获取简单、成本低廉，圆盘造粒的生产工艺简单，有利于推广和应用；

2、本发明炭基调理剂显著提高了盐碱地盐分洗脱效率，尤其增加了对钠离子的洗脱，同时改善土壤持水特性；

3、本发明源于生物质炭-矿物-聚丙烯酰胺相互作用制备的用于盐碱地的炭基改良剂，起到了对盐分洗脱的协同效果，有效优化了生物质炭和PAM对盐分的洗脱，同时有助于土壤保水性和土壤质量改善。

附图说明

图1是不同调理剂处理土壤盐分淋溶总量图；

图2是不同调理剂处理下Na+淋溶总量图；

图3是不同调理剂处理下Cl-淋溶总量图；

图4是土柱淋溶后不同处理土壤残留全盐量图；

图5是不同调理剂施用对土壤水分特征曲线的影响图

图6是试验设计改良区和对比区土壤全盐含量和作物产量增幅对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

炭基调理剂的制备

按重量份计，取20份玉米炭，45份PAM，4份海泡石，23份膨润土，2份羧甲基纤维素钠，1份壳聚糖，4份木醋液与水的混合液。

（5）将海泡石均匀的撒在成型的颗粒上，得到第三混合物；

（6）将壳聚糖均匀撒在第三混合物上，并继续造粒30 min；

（7）将造好的炭基调理剂颗粒于60℃下烘2h。

混合液按木醋液与水=1:200的比例制成，木醋液pH值3.9。

炭基调理剂按30kg/亩施入盐碱地。

实施例2

炭基调理剂的制备

按重量份计，取28份玉米炭，47份PAM，5份海泡石，15份膨润土，1份羧甲基纤维素钠，2份壳聚糖，2份木醋液与水的混合液。

（5）将海泡石均匀的撒在成型的颗粒上，得到第三混合物；

（6）将壳聚糖均匀撒在第三混合物上，并继续造粒40 min；

（7）将造好的炭基调理剂颗粒于50℃下烘3h。

混合液按木醋液与水=1:200的比例制成，木醋液pH值3.9。

炭基调理剂按40kg/亩施入盐碱地

实施例3

炭基调理剂的制备

按重量份计，取21份玉米炭，41份PAM，10份海泡石，20份膨润土，3份羧甲基纤维素钠，2份壳聚糖，3份木醋液与水的混合液。

（5）将海泡石均匀的撒在成型的颗粒上，得到第三混合物；

（6）将壳聚糖均匀撒在第三混合物上，并继续造粒35 min；

（7）将造好的炭基调理剂颗粒于55℃下烘2.5h。

混合液按木醋液与水=1:200的比例制成，木醋液pH值3.9。

炭基调理剂按50kg/亩施入盐碱地。

土柱实验

土柱实验用以比较不同调理剂对于盐碱土中的盐分洗脱效果，各调理剂分别为生物质炭(BC)、聚丙烯酰胺(PAM)、炭基聚丙烯酰胺(PAM-BC)、硫酸钙(CaSO4)、矿物质膨润土-海泡石(M)，同时设置不添加调理剂对照处理(CK)，每个处理3次重复；

于2020年9月-2020年12月在实验室内进行土柱淋溶实验。淋溶实验土柱材料为长30cm、内径5cm的透明PVC管，管下端设有打细孔底盖，淋溶液经尼龙滤布引流至容量瓶中收集。PVC管底部采用一层100目的尼龙滤布，滤布上平铺20g酸洗过的石英砂。

土柱淋溶试验处理：根据土柱体积和田间的土壤容重称量，每个土柱中装有300g盐碱土与0.6g调理剂充分混匀的压实土壤，最后再铺上经酸洗的石英砂，石英砂约20g。土壤压实过程中需注意边缘土壤压实，以降低管壁效应。盐碱土pH8.7，电导率4.13ms/cm，全盐量1.91%，容重1.43g/cm3。

每个调理剂重复处理3次，取平均值。淋溶开始加一定的RO水(去离子水)，使土壤达到水分饱和状态，淋溶试验分7次进行，每次灌水量为100 ml，每次淋溶间隔1天。每次灌水后等淋溶液完全渗漏下去为一个完整水样，淋溶液收集于250 ml容量瓶中。采集到的渗滤液经过0.45 μm滤膜过滤后冷藏保存。6次淋溶后分层取土样，样品取出后冷冻保存，并及时测定。分别测定渗滤液的pH、电导率、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、F-、SO42-、NH4+、NO3-的离子浓度。

土柱试验结果表明相比于CK处理，PAM、BC和PAM-BC、CaSO4处理均显著增加了盐分淋溶量，其中PAM-BC处理下增幅最高，达到12.3%，且显著高于其他处理（如图1所示）。同时，添加PAM-BC主要增加了Cl-和Na+的洗脱效果，Cl-增幅为19.4%-40.6%，Na+增幅为8.5%-20.5%（如图2和图3所示）。土柱淋溶结束后，经PAM-BC输入处理后的盐碱土全盐量从1.91%降低至0.66%，相比于其他处理增幅降幅达到了6.0%-16.7%（如图4所示）。此外，由土壤水分特征曲线的结果可知，PAM-BC对盐碱土的保水具有促进作用（如图5所示）。

综上分析，可以看出，由生物质炭和PAM造粒制备的PAM-BC起到了对盐分洗脱以及降低盐分有效性的的协同效果，有效优化了生物质炭和PAM对盐分的洗脱，同时有助于土壤保水性，从而提高作物产量。

试验设计

选择盐碱土壤进行改良试验，该盐碱土壤的pH值为8.8，全盐含量为0.46%。将盐碱土壤划分为3个改良区和3个对比区，通过实施例1-3提供的炭基调理剂，分别施入3个改良区对土壤进行改良，1个对比区施入PAM改良剂，1个对比区施入BC改良剂，1个对比区不施入改良剂，然后在改良区和对比区按相同条件均种植玉米，各区域玉米种植以及田间管理条件相同。

玉米成熟后，对土壤理化性质进行检测，如图6所示，3个改良区的土壤的理化性质均得到了改善，且使得作物的产量得到了提高。不施入改良剂的对比区土壤的理化性质和作物产量没有明显变化。

相较于不施入改良剂的对比区，3个改良区的土壤中全盐含量降低至0.38%以下，可以降低12%以上，玉米产量提高20%左右；只施入PAM改良剂的对比区土壤中全盐含量降低至0.41%，可以降低10%以上，玉米产量提高12%左右；而只施入BC改良剂的对比区，土壤中全盐含量没有显著降低，但玉米产量提高10%左右。这说明PAM可以通过降低土壤中全盐含量提高作物产量，而BC可能是通过降低土壤中全盐的有效性提高了作物的产量。

因此，本发明源于生物质炭-矿物-聚丙烯酰胺相互作用制备的用于盐碱地的炭基改良剂，起到了对盐分洗脱的协同效果，有效优化了生物质炭和PAM对盐分的洗脱，同时有助于土壤保水性和土壤质量改善。炭基改良剂的制备方法较简单，是一种绿色、环境友好的化学肥料替代物。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种炭基调理剂，其特征在于，按重量份计，包括以下组分原材料：20-35份玉米炭，40-50份PAM，5-10份海泡石，15-25份膨润土，1-3份羧甲基纤维素钠，1-2份壳聚糖，余量为木醋液与水的混合液。

2.根据权利要求1所述的炭基调理剂，其特征在于，所述玉米炭为玉米秸秆在热裂解温度500℃限氧条件下的固体产物，玉米炭经粉碎后过20目筛。

3.根据权利要求1所述的炭基调理剂，其特征在于，所述海泡石的粒径为0.15mm。

4.根据权利要求1所述的炭基调理剂，其特征在于，所述羧甲基纤维素钠粘度为2000-3100 mPa.s。

5.根据权利要求1所述的炭基调理剂，其特征在于，所述壳聚糖的粘度为>400 mPa.s。

6.根据权利要求1所述的炭基调理剂，其特征在于，所述炭基调理剂颗粒大小为1-3mm。

7.根据权利要求2所述的炭基调理剂的制备方法，其特征在于，所述混合液按木醋液与水=1:200的比例制成，木醋液pH值3.9。

8.一种根据权利要求1所述的炭基调理剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按比例取各原材料；

将玉米炭与PAM放于圆盘造粒机中充分混合均匀，得到第一混合物；

将膨润土与羧甲基纤维素钠充分混匀，然后与第一混合物充分混合，得到第二混合物；

用喷雾器将木醋液与水混合制成的混合液喷洒在第二混合物上，在圆盘造粒机下成型为颗粒；

将海泡石均匀的撒在成型的颗粒上，得到第三混合物；

将壳聚糖均匀撒在第三混合物上，并继续造粒30-40 min；

将造好的炭基调理剂颗粒于50℃-60℃下烘2h-3h。

9.根据权利要求1所述的炭基调理剂在盐碱地盐分洗脱上的应用。

10.根据权利要求9所述的炭基调理剂在盐碱地盐分洗脱上的应用，其特征在于，所述炭基调理剂按30-50kg/亩施入盐碱地。