CN113512424A - 一种土壤酸化和有效铝调节剂的制备方法及其产品和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤酸化和有效铝调节剂的制备方法及其产品和用途，以油茶为模式植物，基于油茶产业副产品油茶壳加工利用制备生物质炭。油茶为高度铝富集植物，油茶壳中含有丰富的铝元素。油茶壳生物质炭呈碱性，向土壤中施加油茶壳生物质炭后，碱性炭被土壤中的酸中和，缓解土壤酸化。同时，生物质炭中的有效铝被活化，可溶态铝被溶解，进而释放到土壤中，增加了土壤中有效铝的含量，有效提供了油茶科植物生长所需铝元素，实现改良酸性土壤的同时提高土壤有效铝含量的目的。

Description

一种土壤酸化和有效铝调节剂的制备方法及其产品和用途

技术领域

本发明属于改良剂的技术领域，尤其涉及一种土壤酸化和有效铝调节剂的制备方法及其产品和用途。

背景技术

铝是土壤重要元素之一。土壤中的铝主要以生物不可利用的硅酸盐和三氧化二铝的形式存在，这种固定态对植物和环境没有毒害作用，但是在pH<5的酸性土壤中，难溶态铝解离，以可溶性铝离子的形式存在，会对植物产生较大的毒害作用。

目前，世界上酸性土壤面积已高达40％，铝毒已成为酸性土壤中抑制植物生长的主要因素之一。土壤中的铝离子首先会抑制植物根系的伸长，使根毛减少，从而阻碍植物根系分支的形成发展，导致植物利用水和其他物质的能力大大降低，严重危害植物的正常生长发育。在酸性土壤中，由于铝的交换量占土壤阳离子交换总量的20％～80％，导致土壤中阳离子易于淋失，致使钾、钙、镁、硼、钼等营养元素缺乏，因此，作物耐酸性与耐铝毒性具有一致性。

当土壤中铝离子含量过高时，植物将会受其毒害，通常表现为植株矮小，叶片呈现黑绿色，茎和叶脉呈现紫色，叶尖则变黄萎焉枯死。铝对土壤微生物区系特征有较大的影响，这与土壤中铝的含量有关。当土壤中铝的质量分数小于1.1g/kg时，土壤中细菌、放线菌、氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌数量均随着铝质量分数的增加而增加；当土壤中铝的质量分数大于1.1g/kg时，则会随着铝质量分数的升高而减少；当土壤中铝的质量分数较高时，硝化细菌、反硝化细菌几乎不能存活。

现有技术中多采用生物质炭调节酸性土壤pH以改良土壤，由于生物质炭中含有丰富的碳酸盐和有机官能团，它能与酸性土壤中的H⁺发生缔合反应，降低H⁺浓度，提高土壤pH，从而改良土壤酸性，而且生物质炭表面含丰富的含氧官能团且具有多孔结构的特征，因此对金属元素具有较强的吸附能力，能够减少土壤中的铝元素，减轻土壤铝毒的危害。

然而，虽然高浓度铝对大多数植物具有毒害作用，但在自然界中也存在一些植物，比如油茶(山茶科)植物，与大多数植物不同，油茶科植物多喜铝，具有高度铝富集特征。由于其本身高度铝富集特征，其生长土壤逐渐酸化退化。土壤酸化改良将有效提高土壤pH值，但随着酸性土壤改良，土壤中有效铝含量将明显下降。由于土壤铝毒的危害，目前尚无有效提高土壤有效铝的环境友好型调节剂，严重限制了酸性土壤改良以及土壤有效铝调节工作的进展，尤其是山茶科聚铝植物资源的开发和利用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种土壤酸化和有效铝调节剂的制备方法及其产品和用途。以油茶为模式植物，基于油茶产业副产品油茶壳加工利用制备生物质炭，实现改良酸性土壤的同时提高土壤有效铝含量的目的。

为实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案：

一种土壤酸化和有效铝调节剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将油茶壳烘干至恒重，冷却，在400-500℃缺氧条件下进行分段式炭化处理，冷却，粉碎，得到油茶壳生物质炭，即土壤酸化和有效铝调节剂。

优选的，所述烘干温度为60℃

优选的，所述分段式炭化处理是指：升温至200℃，维持20min，排除内部氧气，然后升温到350-550℃，隔绝空气条件下高温裂解30-60min，随后降温至200℃，维持20min。

优选的，所述炭化处理时间为1-2h。

优选的，所述粉碎至过0.25mm筛。

本发明还提供一种利用上述方法制备得到的土壤酸化和有效铝调节剂。

本发明还提供一种土壤酸化和有效铝调节剂在调节土壤有效铝含量中的应用。

油茶属于山茶科山茶属植物，花色鲜艳，树形优美，种子含油率高，是南方重要的木本食用油料树种和观赏树种，也是南方地区有名的经济林树种。在自然界中，大多数植物在高浓度铝离子环境下根系生长受抑制。然而，对油茶而言，一定浓度的活性铝能促进植株对营养元素的吸收，提高光合作用能力和叶绿素含量等。油茶树体具有高度聚铝特性，其体内聚集着大量的铝，部分器官中铝含量是一般植物的几十倍。

油茶壳生物质炭能够提高土壤有效铝含量的原因：

油茶为富铝含植物，油茶壳中含有丰富的铝元素，油茶壳生物质炭呈碱性，向土壤中施加油茶壳生物质炭后，碱性炭被土壤中的酸中和，生物质炭中的有效铝被活化，生物质炭中的固态铝被溶解，进而释放到土壤中，增加了土壤中有效铝的含量，有效提高了油茶生长所需铝元素的含量。

由于植物吸收土壤中的铝已经下降到一定程度，浓度低于生物质炭，添加生物炭可以通过酸性中和释放铝离子，使活性炭释放铝离子的量大于活性炭吸收铝离子的量，从而达到增加土壤中有效铝的含量的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果为:

本发明提供了一种土壤铝补充的绿色生态友好型方法，基于农林废弃物制备，通过将含铝量大的油茶壳经过分段式炭化处理得到油茶壳生物质炭，通过油茶本身富集的铝再利用，提高土壤中有效铝的含量，同时生物质炭本身的性质还能够改良土壤酸性，实现了改良酸性和调节铝含量双重效果的目的。而且本发明基于农林废弃物制备和应用，不会新增土壤污染，环境友好，有较大推广和应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明含有油茶壳生物质炭的土壤与空白组CK土壤随时间推移土壤pH的变化；

图2为本发明含有油茶壳生物质炭的土壤与空白组CK土壤随时间推移土壤有效铝含量的变化；

图3为施入不同生物质炭的土壤中有效铝含量的变化。

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的。本申请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。

实施例1

油茶壳生物质炭的制备过程：

油茶壳为油茶果采籽后废弃的果壳，将油茶壳洗净并控干水分，放置于60℃烘箱中烘至恒重，然后装入密闭容器中，置于预热马弗炉内，升温至200℃，维持20min，排除内部氧气，然后升温到350-550℃，隔绝空气条件下高温裂解30-60min，随后降温至200℃，维持20min。冷却后，粉碎过0.25mm筛，得到油茶壳生物质炭粉末，即土壤酸化和有效铝调节剂。

测定土壤有效铝含量的方法：氟化钾取代EDTA容量法。

制备草酸-草酸铵浸提剂：分别称取草酸(H₂C₂O₄·2H₂O，分析纯)31.52g和草酸铵[(NH₄)₂C₂O₄·HO]62.1g溶于2.5L水中，此液的pH为3.2。

活性铝待测液的制备：称取通过0.25mm筛风干土1.00g于250mL塑料瓶中，加酸性草酸-草酸铵浸提剂50mL，振荡1h，过滤；滤干后将滤纸和样品放回原塑料瓶中，再加浸提剂50mL，再振荡1h，过滤；两次滤液合并混匀，贮于塑料瓶中，即为测定活性铝的待测液。

吸取活性铝待测液20-50mL于100mL高型烧杯中，加入浓硝酸2mL，放在电热板上低温消化蒸干(近干时反应激烈，可适当降低温度，以免溶液溢出)。待干后将烧杯直接移至电炉上灼烧，用硝酸将草酸-草酸铵充分氧化，再加浓硝酸2mL，如上法进行消化，如土壤有机质过多,棕黑色不易除去时，可加浓硫酸0.5mL和高氯酸(P(HCIO₄)＝600g·L^-1)2-3滴进行消化，直至蒸干时呈灰白色为止。

然后加1mol·L^-1HCl溶液溶解残渣(消化完毕后应立即溶解，以免氧化物老化而不易溶解)，加水10mL，将高型烧杯中的溶液倒入三角瓶中。再加0.0150mol·L^-1EDTA标准溶液25mL，加水70mL，加热至80-90℃，再加1g·L^-1对硝基酚指示剂3滴，用NH₄OH(1:1)调至黄色，再用1mol·L^-1HCl溶液调到无色，加pH＝6的缓冲溶液12mL，放入沸水浴中煮10min，冷却，再加二甲酚橙指示剂6滴，用乙酸锌标准溶液滴定到刚变红紫色(此次滴定不必记用量)。

用塑料量筒加入氟化钾溶液10mL，摇匀，再在沸水浴中加热煮5min，取出冷却至室温，补加二甲酚橙指示剂6滴，再用乙酸锌标准溶液滴定至刚变红紫色，记下乙酸锌溶液的用量毫升数(V)。

结果计算：

活性铝(Al₂O₃)含量(mg·kg^-1)＝c×V×ts×50.98×10^-3×10⁶/m

(式1)

活性铝(Al)＝活性铝(Al₂O₃)的含量(mg·kg^-1)×0.5292

(式2)其中，c代表乙酸锌标准溶液浓度，V代表乙酸锌标准溶液滴定用体积，ts代表分取倍数，m代表称取样品质量。

试验例1

将本实施例制备的油茶壳生物质炭施入土壤中，与空白组CK(未施入油茶壳生物质炭的土壤)一起进行试验，分别观察2-32天内土壤pH的变化以及7-42天内土壤中有效铝的变化。利用(式1)、(式2)计算，结果如图1、图2所示。可以看出，土壤pH和土壤有效铝得到了显著提高，与对照组CK相比，区别明显。

试验例2

采用与油茶壳生物质炭相同的制备方法，分别将茶叶、油茶叶和菌菇制成茶叶生物质炭、油茶叶生物质炭和菌菇炭，与本实施例制备的油茶壳生物质炭以及对照组CK(未施入任何生物质炭的土壤)一起进行测定实验，观察使用上述生物质炭后土壤中有效铝成分的变化，利用(式1)、(式2)计算，结果如图3所示。可以看出，含有油茶壳生物质炭的土壤中有效铝含量最多。

对比例1

同实施例1，区别在于，炭化处理温度为固定值400℃，不进行分段处理。

结果发现，与实施例1制备的油茶壳生物质炭相比，改良酸性土壤能力和提高土壤有效铝含量的能力均有所下降。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种土壤酸化和有效铝调节剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将油茶壳烘干至恒重，冷却，在400-500℃缺氧条件下进行分段式炭化处理，冷却，粉碎，得到油茶壳生物质炭，即土壤酸化和有效铝调节剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烘干温度为60℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分段式炭化处理是指：升温至200℃，维持20min，排除内部氧气，然后升温至350-550℃，隔绝空气条件下高温裂解30-60min，随后降温至200℃，维持20min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述炭化处理时间为1-2h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粉碎至过0.25mm筛。

6.一种如权利要求1-5任一项所述制备方法得到的土壤酸化和有效铝调节剂。

7.一种如权利要求6所述的土壤酸化和有效铝调节剂在调节土壤有效铝含量中的应用。

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