CN113773845A - 一种甘蔗叶降解的土壤调理剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土壤修复与改良技术，具体公开了一种甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，包括：将偏高岭土与氢氧化钾溶液混匀得到浆料，将浆料注入搅拌状态下温度为80~100℃的二甲基硅油中，然后恒温固化得到球形颗粒；将甘蔗叶机械破碎，放入氨水溶液中浸泡进行预处理；将预处理甘蔗叶与球形颗粒混匀，然后加入发酵菌剂，混合均匀进行堆积腐熟，得到甘蔗叶腐熟肥；按照重量份计，将甘蔗叶腐熟肥100~150份与羧甲基聚乙烯醇钠5~8份、壳聚糖10~15份、木质素磺酸钠4~7份混合，得到土壤调理剂。本发明的制备得到的土壤调理剂，具有钝化和固化重金属，降低重金属的生物有效性，修复重金属污染土壤，改善长期土壤质量，提升土壤肥力提高作物产量。

Description

一种甘蔗叶降解的土壤调理剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于土壤修复与改良技术，特别涉及一种甘蔗叶降解的土壤调理剂及其制备方法与应用。
背景技术
甘蔗是广西地区广泛种植，是重要的经济作物。甘蔗茎秆可食用，具有消热、生津、下气、润燥等功效，还是制糖的重要原料，但在生产加工过程中产生的大量甘蔗叶，甘蔗叶含有作物生长所需的氮、磷、钾、有机质等多种营养成分，大量甘蔗叶目前尚得不到充分利用，除少部分用作动物饲料外，大部分都被焚烧和丢弃，造成极大的资源浪费和严重的环境污染。
化肥具有肥力足、肥效快等优点，深受广大农民喜欢，在农作物的种植过程中大量使用化肥，虽然在短期内能够增加农作物产量提高经济效益。但是随着长期使用化肥，土壤出现酸化，破坏土壤团粒结构，引起板结，降低土壤的透气性及微生物活性；增加了土壤中重金属离子的活性，使其更容易被作物吸收，加剧了重金属的危害。此外，随着工业的快速发展，多种有害重金属会通过工业“三废”排放、农用化学品的滥用等途径进入土壤，更是雪上加霜，严重影响土壤环境质量，使得土壤中的重金属含量和农药残存量增加，破坏土壤根际生态，导致作物生长不良，抗病能力差，产量降低，严重阻碍农业可持续发展。
目前，对于土壤调理改良的情况存在以下问题：土壤调理剂主要围绕提高土壤有机质，中和土壤等方面进行土壤调理，而忽略了重金属及残留农药对土壤的危害，这就造成在使用了土壤调理剂后，土壤酸化问题减轻了，但重金属及农药残留问题仍然存在；对重金属修复主要采用植物修复和钝化修复，植物修复是通过种植重金属高富集植物，将土壤中的活性重金属吸收进入植物体内，再将富集植物收割、焚烧，然后将灰渣无害化处理，具有修复时间长、需要连续多年种植没有经济价值的富集植物来完成修复、成本较高等缺点；钝化修复技术主要通过添加生石灰等碱性物质调节土壤pH值、添加硫化物或磷酸盐使重金属沉淀，添加各种吸附矿物材料将重金属吸附钝化，只考虑了对重金属的钝化，而没有考虑土壤的整体健康状况，从而可能导致土壤pH值剧烈变化、土壤板结、肥力下降、作物减产等后果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，以农业废弃物甘蔗叶为主要原料，用于修复土壤重金属污染，改善土壤质量、提高土壤肥力和作物产量。
为实现上述目的，本发明提供了一种甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将偏高岭土加入质量百分比溶度为20～30％氢氧化钾溶液进行高速分散混匀得到浆料，偏高岭土与氢氧化钾溶液的质量比为1:2～3，将浆料注入搅拌状态下温度为80～100℃的二甲基硅油中，然后恒温固化48～60h，抽滤、洗涤、烘干得到球形颗粒；
(2)将甘蔗叶机械破碎成小于1cm的小块，然后放入氨水溶液中浸泡5～10h，取出，洗涤，得到预处理的甘蔗叶；甘蔗叶含有多种矿质元素、蛋白质、纤维素和木质素等多种成，将甘蔗叶进行破碎处理和氨水浸泡处理对甘蔗叶进行软化处理，破坏木质素与纤维素和半纤维素之间的连接键，使甘蔗叶软化膨胀，提高渗透性，使各种酶更容易与之接触，有利于后续甘蔗叶的有效降解；
(3)将预处理甘蔗叶与球形颗粒混匀得混合物料，调节混合料含水量为60～70％，然后加入混合物料重量的0.8～1％发酵菌剂，混合均匀进行堆积腐熟，得到甘蔗叶腐熟肥；
(4)按照重量份计，将甘蔗叶腐熟肥100～150份与羧甲基聚乙烯醇钠5～8份、壳聚糖10～15份、木质素磺酸钠4～7份混合，得到土壤调理剂。
本发明的技术方案技术原理为：偏高岭土浆料滴入搅拌的硅油中会分散成小液滴，小液滴在表面张力的作用下迅速成球，然后在氢氧化钾的活化和一定温度下固化形成比表面积大、孔隙率高、吸附性强的铝硅酸盐网络结构球形颗粒；将球形颗粒加入甘蔗叶中，有利于氧气的传输和分布，为发酵菌的好氧代谢提供良好的环境，有利于发酵菌的生长繁殖，促进有机物的分解代谢，进而促进腐殖质的形成，有效加快甘蔗叶的降解；球形颗粒能够吸附腐殖质形成多孔复合体，具有对重金属强吸附和络合能力，降低其在土壤中的迁移能力和生物有效性；最后甘蔗叶腐熟肥与羧甲基聚乙烯醇钠、壳聚糖、木质素磺酸钠混合得到土壤调理剂，土壤调理剂中具有吸附性强的多孔结构复合体，以及羧甲基、羟基、羧基和磺酸基等多种极性基团，通过吸附、络合、离子交换等一系列作用，使重金属有效态(生物可利用)向稳定态转化，降低其在土壤中的迁移能力和生物有效性；同时土壤调理剂还具体提高土壤肥力、增加土壤有机质、疏松土壤、改善土壤保水保肥等作用。
优先的，上述甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法中，所述步骤(1)中，高速分散的工艺参数为：搅拌转速为1000～1500r/min，搅拌时间为5～10min。
优先的，上述甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法中，所述步骤(2)中，氨水溶液的质量百分比浓度为5～8％。
优先的，上述甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法中，所述步骤(3)中，球形颗粒重量为预处理甘蔗叶重量的30～40％。
优先的，上述甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法中，所述步骤(3)中，发酵菌剂为嗜热菌、产朊假丝酵母、绿色木霉、枯草芽孢杆菌按照重量比5～7:1～3:4～6:2～4进行混合得到，发酵菌剂的添加量为混合物料的0.8～1％。发酵菌剂能在生长繁殖过程中产热，温度达到一定程度嗜热菌开始作用，使物料保持在高温状态，高效杀灭有害病菌、寄生虫卵等，代谢产生包括蛋白酶、纤维素酶等对植物生长有效的成分及分解甘蔗叶中蛋白质、纤维素、及大分子有机物，使甘蔗叶降解，形成小分子有机碳、腐殖质等物质，腐熟后残留的微生物，可以起到抑菌、防虫、改良土壤等作用。
一种甘蔗叶降解的土壤调理剂，由上述甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法制得。
上述甘蔗叶降解的土壤调理剂在修复重金属污染的土壤以及提高作物产量的应用。
优选的，上述应用中，将所述甘蔗叶降解的土壤调理剂可单独或与其他肥料进行混合作为土壤的基肥或追肥使用。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，以甘蔗叶为主要原料，通过微生物发酵得到植物源腐殖质，与偏高岭土形成的高比表面积和高孔隙率的球形颗粒形成复合体，再结合羧甲基聚乙烯醇钠、壳聚糖、木质素磺酸钠得到土壤调理剂，具有钝化和固化重金属，降低重金属的生物有效性，修复重金属污染土壤；土壤调理剂还可以逐步改善长期单一使用无机化肥造成的土壤板结、微生物系统失衡状态，使土壤肥力逐步得到恢复与提高，提高土壤保水保肥能力，作物根系生长环境趋向良好，提升土壤的耕地地力。
2.本发明的甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法中，将具有偏高岭土制备成比表面积大、孔隙率高、吸附性强的球形颗粒，比普通矿质土相比具有优异的吸附性和通透性，能够有效加快甘蔗叶的降解和增强对重金属污染土壤的修复。
3.本发明的甘蔗叶降解的土壤调理剂，富有多种矿质元素、有机质、小分子有机碳、腐殖质等营养物质，能够减少化肥用量，提高土壤肥力，促进作物生长提高作物产量。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
一种甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将偏高岭土加入质量百分比溶度为28％氢氧化钾溶液中1500r/min转速下搅拌5min混匀得到浆料，偏高岭土与氢氧化钾溶液的质量比为1:2.5，将浆料注入搅拌状态下(转速为500r/min)温度为85℃的二甲基硅油中，然后85℃固化48h，抽滤、洗涤、烘干得到球形颗粒；
(2)将甘蔗叶机械破碎成小于1cm的小块，然后放入质量百分比浓度为6％的氨水溶液中浸泡8h，取出，洗涤，得到预处理的甘蔗叶；
(3)将预处理甘蔗叶与预处理甘蔗叶重量的38％球形颗粒混匀得混合物料，调节混合料含水量为65％，然后加入0.9％发酵菌剂，混合均匀进行堆积腐熟，发酵10天进行翻堆，然后再发酵20天，得到甘蔗叶腐熟肥；
(4)按照重量份计，将甘蔗叶腐熟肥130份与羧甲基聚乙烯醇钠6份、壳聚糖13份、木质素磺酸钠5份混合，得到土壤调理剂。
发酵菌剂为嗜热菌、产朊假丝酵母、绿色木霉、枯草芽孢杆菌按照各菌种生长特性进行放大培养，当菌种浓度分别达到1010个/克的浓度后，按照6:2:5.5:3的比例进行混合得到。
本实施例中制备的球形颗粒粒径为100～250μm，BET比表面积为75.8m2/g，孔隙率为59.2％。
实施例2
一种甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将偏高岭土加入质量百分比溶度为25％氢氧化钾溶液中1500r/min转速下搅拌5min混匀得到浆料，偏高岭土与氢氧化钾溶液的质量比为1:3，将浆料注入搅拌状态下(转速为500r/min)温度为90℃的二甲基硅油中，然后90℃固化48h，抽滤、洗涤、烘干得到球形颗粒；
(2)将甘蔗叶机械破碎成小于1cm的小块，然后放入质量百分比浓度为8％的氨水溶液中浸泡6h，取出，洗涤，得到预处理的甘蔗叶；
(3)将预处理甘蔗叶与预处理甘蔗叶重量的35％球形颗粒混匀得混合物料，调节混合料含水量为65％，然后加入0.9％发酵菌剂，混合均匀进行堆积腐熟，发酵10天进行翻堆，然后再发酵20天，得到甘蔗叶腐熟肥；
(4)按照重量份计，将甘蔗叶腐熟肥140份与羧甲基聚乙烯醇钠7份、壳聚糖12份、木质素磺酸钠6.5份混合，得到土壤调理剂。
发酵菌剂为嗜热菌、产朊假丝酵母、绿色木霉、枯草芽孢杆菌按照各菌种生长特性进行放大培养，当菌种浓度分别达到1010个/克的浓度后，按照7:3:4:4的比例进行混合得到。
本实施例中制备的球形颗粒粒径为100～250μm，BET比表面积为69.4m2/g，孔隙率为55.8％。
对比例1
一种甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将甘蔗叶机械破碎成小于1cm的小块，然后放入质量百分比浓度为6％的氨水溶液中浸泡8h，取出，洗涤，得到预处理的甘蔗叶；
(2)将预处理甘蔗叶与预处理甘蔗叶重量的38％偏高岭土混匀得混合物料，调节混合料含水量为65％，然后加入0.9％发酵菌剂，混合均匀进行堆积腐熟，发酵10天进行翻堆，然后再发酵20天，得到甘蔗叶腐熟肥；
(4)按照重量份计，将甘蔗叶腐熟肥120份与羧甲基聚乙烯醇钠6份、壳聚糖13份、木质素磺酸钠5份混合，得到土壤调理剂。
发酵菌剂为嗜热菌、产朊假丝酵母、绿色木霉、枯草芽孢杆菌按照各菌种生长特性进行放大培养，当菌种浓度分别达到1010个/克的浓度后，按照6:2:5.5:3的比例进行混合得到。
对比例2
一种甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将偏高岭土加入质量百分比溶度为28％氢氧化钾溶液中1500r/min转速下搅拌5min混匀得到浆料，偏高岭土与氢氧化钾溶液的质量比为1:2.5，将浆料注入搅拌状态下(转速为500r/min)温度为85℃的二甲基硅油中，然后85℃固化48h，抽滤、洗涤、烘干得到球形颗粒；
(2)将甘蔗叶机械破碎成小于1cm的小块，然后放入质量百分比浓度为6％的氨水溶液中浸泡8h，取出，洗涤，得到预处理的甘蔗叶；
(3)将预处理甘蔗叶与预处理甘蔗叶重量的38％球形颗粒混匀得混合物料，调节混合料含水量为65％，然后加入0.9％发酵菌剂，混合均匀进行堆积腐熟，发酵10天进行翻堆，然后再发酵20天，得到甘蔗叶腐熟肥，即为本对比例的土壤调理剂。
发酵菌剂为嗜热菌、产朊假丝酵母、绿色木霉、枯草芽孢杆菌按照各菌种生长特性进行放大培养，当菌种浓度分别达到1010个/克的浓度后，按照6:2:5.5:3的比例进行混合得到。
大田试验
取重金属污染的农田，进行田间小区试验，试验区内土壤中的Cd有效态含量为0.78mg/kg、As有效态含量为0.72mg/kg、Pb有效态含量为11.6mg/kg，选取桂糖42号作为种植对象。将该试验地划分为15个试验小区，共5个处理，每个处理做3个平行，其中一个处理组为对照组，不施入土壤调理剂，其他4个处理组分别为实施例1～2和对比例1～2组，分别施入土壤调理剂。小区面积3m×5m，随机区组排列，每小区6行，按照双行顶接法种植。试验开始时，试验地先不施任何肥，将地整平并做畦。实施例1～2和对比例1～2组对应的土壤调理剂施加到相应的小区中，土壤调理剂添加量为600kg/亩，对照组施用600kg/亩常规农家肥，其他按常规方法进行田间管理。
甘蔗成熟期取样测试甘蔗汁中重金属含量；收获后调查甘蔗产量，收获后采集土壤样品测试土壤中重金属有效态含量。
表1为种植的甘蔗汁中重金属含量和甘蔗产量，表2为经过处理后土壤中重金属有效态含量和以及各处理组相对对照组的下降率。从表1和表2中可以看出，本发明的甘蔗叶降解的土壤调理剂能够显著降低土壤中Cd、As和Pb有效态含量和甘蔗汁中Cd、As和Pb含量，说明本发明的土壤调理剂能够降低钝化和固化重金属，降低土壤中重金属的生物有效性；甘蔗产量明显提高，表明本发明的土壤调理剂能够提高土壤肥力，促进作物生长提高作物产量。
表1 甘蔗汁中重金属含量
Figure BDA0003289672180000071
Figure BDA0003289672180000081
表2 经过处理后土壤的重金属有效态含量
Figure BDA0003289672180000082
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将偏高岭土加入质量百分比溶度为20~30%氢氧化钾溶液进行高速分散混匀得到浆料，偏高岭土与氢氧化钾溶液的质量比为1:2~3，将浆料注入搅拌状态下温度为80~100℃的二甲基硅油中，然后恒温固化48~60h，抽滤、洗涤、烘干得到球形颗粒；
（2）将甘蔗叶机械破碎成小于1cm的小块，然后放入氨水溶液中浸泡5~10h，取出，洗涤，得到预处理的甘蔗叶；
（3）将预处理甘蔗叶与球形颗粒混匀得混合物料，调节混合料含水量为60~70%，然后加入混合物料重量的0.8~1%发酵菌剂，混合均匀进行堆积腐熟，得到甘蔗叶腐熟肥；
（4）按照重量份计，将甘蔗叶腐熟肥100~150份与羧甲基聚乙烯醇钠5~8份、壳聚糖10~15份、木质素磺酸钠4~7份混合，得到土壤调理剂。
2.根据权利要求1所述的甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，高速分散的工艺参数为：搅拌转速为1000~1500r/min，搅拌时间为5~10min。
3.根据权利要求1所述的甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，氨水溶液的质量百分比浓度为5~8%。
4.根据权利要求1所述的甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，球形颗粒重量为预处理甘蔗叶重量的30~40%。
5.根据权利要求1所述的甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，发酵菌剂为嗜热菌、产朊假丝酵母、绿色木霉、枯草芽孢杆菌按照重量比5~7:1~3:4~6:2~4进行混合得到，发酵菌剂的添加量为混合物料的0.8~1%。
6.一种甘蔗叶降解的土壤调理剂，其特征在于，由权利要求1~5任一项所述的甘蔗叶降解的土壤调理剂的制备方法制得。
7.如权利要求6所述的甘蔗叶降解的土壤调理剂在修复重金属污染土壤以及提高作物产量的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将所述甘蔗叶降解的土壤调理剂单独使用或与其他肥料进行混合作为土壤的基肥或追肥使用。
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