CN115004982B - 一种基于辐射制冷的低碳环保高效的盐碱地修复方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于辐射制冷的低碳环保高效的盐碱地修复方法，它涉及农业领域，本发明解决目前农业大棚盐碱地修复效果不佳，不能实现低碳修复的问题，修复方法为：在农业大棚内的盐碱地土壤层内铺设收集高盐水的暗管，农业大棚内设置有集水沟；所述的暗管的出水口与集水沟的进水口连通；农业大棚的背阴侧的大棚膜覆一层智能控温膜，所述的智能控温膜按照质量百分含量是由5％～10％的亲水纳米活性颗粒、5％～10％的非球形二氧化硅、50％～80％的丙烯酸乳液和1％～5％的分散剂制成。本发明利用大棚结构实现盐碱地土壤修复，系统建成后，可以实现大棚内部水循环，效果显著，整体运行依靠太阳照晒蒸发作用，能耗低。本发明应用于农业领域。

Description

一种基于辐射制冷的低碳环保高效的盐碱地修复方法
技术领域
本发明涉及农业领域，具体涉及一种基于辐射制冷的低碳环保高效的盐碱地修复方法。
背景技术
盐碱地是盐类集积的一个种类，是指土壤里面所含的盐分影响到作物的正常生长，根据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，全世界盐碱地的面积为9.5438亿公顷，其中我国为9913万公顷。我国碱土和碱化土壤的形成，大部分与土壤中碳酸盐的累计有关，因而碱化度普遍较高，严重的盐碱土壤地区植物几乎不能生存，造成严重的土壤资源浪费。
近年来，高效盐碱地修复技术备受关注。目前，现有盐碱地修复技术主要依靠灌溉、施肥、加入土壤改良剂等方式。灌溉、施肥方式改良土壤，成本低，但是效果差，往往需要多年精心耕种，且存在施肥过程不当造成盐碱地二次盐化可能。土壤改良剂一般由一些高分子材料添加适当添加剂构成，土壤改良剂可以有效置换土壤中重金属离子、起到缓释肥料作用，往往具有见效快特点，但是处理成本高，难以规模化应用。
农业大棚盐碱地产生的原因：1、很多种植户施入人畜粪尿时，由于大棚内的温度高，人畜粪尿迅速挥发分解后，大量的氨被挥发掉，使得一些盐类物质残留在耕作层中，造成土壤板结。2、大棚栽培时浇水次数过于频繁，使得土壤结构遭受破坏，形成板结，土壤通透性较差，盐分不能及时渗透到表层中，水分蒸发后使得盐分积累下来，造成盐碱化。3、棚室环境相对封闭，土地利用率高，肥料施用量大，长期没有雨水淋湿，使得肥料不能溶解入土壤中，而残留在耕作层，加上棚室的温度过高，水分蒸发量大，土壤深处的盐分上升到表层。4、化肥施用过多，使得土壤含盐量增加，尤其是硝酸铵等化肥施用过多，更易造成大棚内土壤盐碱化、板结，使得土壤通透性下降。
目前，大棚土壤盐碱化的防治措施：1、增施有机肥：减少化肥的使用，尤其是碱性肥料的使用，和水生作物轮作，合理灌溉，能使盐分降低。2、改良土壤：改善土壤的通透性，降低地下水位，增加土壤中有机质的含量，采取深翻的方法，将富含盐分的表层下翻到下层，将相对盐分较少的下层翻至上层。同时结合整地，改善土壤结构，增强通透性，提高地温。使用“深渡”有机肥进行土壤调理。3、土壤改良剂：采用土壤改良剂去除土壤中的重金属。
但是，上述农业大棚盐碱地的防治措施，要么效果不佳，要么对于作物生长有一定的影响，成本高。最主要的上述方法并不能够实现低碳修复方式，资源化利用。
发明内容
本发明要解决目前农业大棚盐碱地修复效果不佳，不能实现低碳修复的问题，而提供一种基于辐射制冷的低碳环保高效的盐碱地修复方法。
本发明的一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，它是按照以下步骤进行的：
在农业大棚内的盐碱地土壤层内铺设收集高盐水的暗管，农业大棚内设置有集水沟；所述的暗管的出水口与集水沟的进水口连通；农业大棚的背阴侧的大棚膜覆一层智能控温膜，所述的智能控温膜按照质量百分含量是由5％～10％的亲水纳米活性颗粒、5％～10％的非球形二氧化硅、50％～80％的丙烯酸乳液和1％～5％的分散剂制成。
进一步地，所述的智能控温膜按照质量百分含量是由6％～8％的亲水纳米活性颗粒、6％～8％的非球形二氧化硅、50％～70％的丙烯酸乳液和1％～3％的分散剂制成。
进一步地，所述的亲水纳米活性颗粒为纳米Al2O3、纳米膨润土、纳米硅藻土中的一种；所述的纳米活性颗粒的粒径为5～100nm，表面呈亲水性，亲水纳米活性颗粒接触角15～40°。
进一步地，所述的非球形二氧化硅粒径100～2000nm，颗粒呈现典型疏水性，接触角为120～150°。
进一步地，非球形二氧化硅制备方法如下：
将无水乙醇与水混合后，得乙醇混合液；然后将形貌控制剂和氨水加入到乙醇混合液中，搅拌均匀后，加入正硅酸乙酯，在常温、搅拌速度为150～200r/min的速度下搅拌反应2～4h，然后升温至30～40℃，在搅拌速度为50～80r/min的条件下搅拌反应3～6h，然后离心，固相物采用乙醇和水反复洗涤三次，真空干燥后，即得非球形二氧化硅；
所述的硅酸乙酯与水、无水乙醇、形貌控制剂、氨水的质量体积比1g：(5～6)mL:(10～14)mL：(2～3)mL：(2～4)mL；
所述的形貌控制剂是由十八烷基三甲基溴化铵与四乙基溴化铵按照摩尔比为1～3：1的比例组成。
进一步地，所述的分散剂为聚乙二醇、CTAB、十六烷基磺酸钠中的一种或几种。
进一步地，所述的智能控温膜的制备方法为：
向丙烯酸乳液加入分散剂，搅拌15～30min后，加入非球形二氧化硅和亲水纳米活性颗粒，继续搅拌15～30min后，制得乳液，将所得的乳液均匀涂覆至大棚上，即得所述的智能控温膜；所述的乳液中亲水纳米活性颗粒的质量百分含量为5％～10％，非球形二氧化硅的质量百分含量为5％～10％，丙烯酸乳液的质量百分含量为50％～80％，分散剂的质量百分含量为1％～5％。
进一步地，所述的智能控温膜厚度为1～10μm。
进一步地，所述的暗管埋深为1～1.2米，间距5～10米。
进一步地，所述的集水沟采用向阳斜坡式排布。
本发明包含以下有益效果：
本发明利用大棚结构实现盐碱地土壤修复，系统建成后，可以实现大棚内部水循环，盐碱地中高盐度水分经过集水沟收集，经过太阳光照射蒸发后在背阴侧发生冷凝，背阴侧采用智能控温膜，可降低温度10℃～20℃，本发明的智能控温膜通过亲水纳米活性颗粒、非球形二氧化硅分散于丙烯酸乳液中，通过对非球形二氧化硅工艺的改进，亲水纳米活性颗粒与非球形二氧化硅的性能优化处理，二者结合所制成的膜，有效反射太阳光，降低了大棚内的温度。本发明所蒸发的水分在低温区发生冷凝，经过大棚收集作用，实现自动灌溉优质土层作用。冷凝水中无盐分，下渗后进一步实现溶解盐碱地中多余盐分/碱分，起到压盐作用，盐分/碱分溶解后经过暗管排放至集水沟，实现水循环。经过一年时间修复后，盐碱地土壤可实现高效修复，土壤电导率下降35％，总磷浓度提升10％，总钾浓度提升10％，大麦种植试验表明，经处理后出苗率提升15％，亩产量提升20％，效果显著，整体运行依靠太阳照晒蒸发作用，能耗低。
附图说明
图1为本发明的非球形二氧化硅电镜图；
图2为本发明的大棚结构示意图；图中，1为暗管，2为大棚土层，3为集水沟，4为向阳面大棚膜，5为向阴面大棚膜，6为智能控温膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
采用下述试验验证本发明效果：
实施例1：
一种基于辐射制冷的低碳环保高效的盐碱地修复方法：
一、盐水排放系统：由暗管1组成，分布在大棚的盐碱地层内部，起到收集高盐水；
二、普通土层：用于种植蔬菜、水果能农作物；
三、盐碱地土层：由盐碱地构成，主要为被修复对象；
四、集水沟3：用于收集盐碱地中的高盐水；
五、大棚向阳侧农用大棚薄膜4，起到热收集，蒸发高盐水作用；
六、大棚背阴侧农用大棚薄膜5，农用大棚薄膜外覆一层智能控温膜6，可以通过辐射太阳光实现自动降温。
所述的暗管1排布，埋深一般为1米、间距5米。
所述的集水沟3采用向阳斜坡式排布，底部采用水泥硬化。
所述的智能控温膜的制备方法如下：
向丙烯酸乳液加入聚乙二醇，搅拌30min后，加入非球形二氧化硅和亲水纳米Al2O3颗粒，继续搅拌30min后，制得乳液，将所得的乳液均匀涂覆至大棚上，即得所述的智能控温膜；薄膜厚度为：2μm；所述的乳液中亲水纳米Al2O3颗粒的质量百分含量为8％，非球形二氧化硅的质量百分含量为8％，丙烯酸乳液的质量百分含量为80％，聚乙二醇的质量百分含量为5％。
所述的亲水纳米Al2O3颗粒的粒径为5～100nm，呈现亲水性，接触角15～40°。
非球形二氧化硅粒径100～2000nm，呈现疏水性，接触角为120～150°。
所述的非球形二氧化硅制备方法如下：
将无水乙醇与水混合后，得乙醇混合液；然后将形貌控制剂和氨水加入到乙醇混合液中，搅拌均匀后，加入正硅酸乙酯，在常温、搅拌速度为200r/min的速度下搅拌反应2h，然后升温至32℃，在搅拌速度为80r/min的条件下搅拌反应6h，然后离心，固相物采用乙醇和水反复洗涤三次，真空干燥后，即得非球形二氧化硅；
所述的硅酸乙酯与水、无水乙醇、形貌控制剂、氨水的质量体积比1g：5mL:12mL：2mL：3mL；
所述的形貌控制剂是由十八烷基三甲基溴化铵与四乙基溴化铵按照摩尔比为2：1的比例组成；所述的形貌控制剂加入过程中，先加入四乙基溴化铵搅拌均匀10～20min后，再加入十八烷基三甲基溴化铵搅拌均匀。
采用本实施例的修复方法背阴侧温度较大棚内部温度可降低15℃，经过一年时间修复后，盐碱地土壤可实现高效修复，土壤电导率下降36.7％，总磷浓度提升12％，总钾浓度提升13％，大麦种植试验表明，经处理后出苗率提升18.9％，亩产量提升24％，效果显著，整体运行依靠太阳照晒蒸发作用，能耗低。
针对本实施例的智能控温膜中非球形二氧化硅制备工艺进行考察：
1)非球形二氧化硅各物质添加量对智能控温膜的性能影响
Figure BDA0003759321650000051
由上表可知，本实施例的智能控温膜中不同的非球形二氧化硅制备工艺对于控温膜的降温效果有不同的影响，未加入形貌控制剂(组别四)，导致所制备的二氧化硅形貌不可控，不能完全形成非球形，不规则性状，导致其与亲水纳米颗粒结合后，制备的控温膜，控温效果差，所测的控温效果为，仅是大棚内的温度降低6±0.5℃。而未采用十八烷基三甲基溴化铵制备非球形二氧化硅也对制备的智能控温膜控温效果影响较大(组别二)，未加入四乙基溴化铵也对控温效果有一定的影响(组别三)。说明，十八烷基三甲基溴化铵与四乙基溴化铵相互协同配合制备的非球形二氧化硅对于制成的智能控温膜控温效果有着重要的作用，而提高硅酸乙酯的含量制成的智能控温膜控温效果影响并不显著(组别五)。
2)非球形二氧化硅搅拌条件对智能控温膜的性能影响
Figure BDA0003759321650000052
由上表可知，在不同搅拌速度下，常温下低速搅拌，32℃下在高速搅拌(组别二、组别三)，对于制备的非球形二氧化硅性能有着较大的影响，因此，可以确定，先高速搅拌，在低速搅拌反应，有利于制成理想的非球形二氧化硅性，从而实现智能控温膜的理想控温。
实施例2：
一种基于辐射制冷的低碳环保高效的盐碱地修复方法：
一、盐水排放系统：由暗管1组成，分布在大棚的盐碱地层内部，起到收集高盐水；
二、普通土层：用于种植蔬菜、水果能农作物；
三、盐碱地土层：由盐碱地构成，主要为被修复对象；
四、集水沟3：用于收集盐碱地中的高盐水；
五、大棚向阳侧农用大棚薄膜4，起到热收集，蒸发高盐水作用；
六、大棚背阴侧农用大棚薄膜5，农用大棚薄膜外覆一层智能控温膜6，可以通过辐射太阳光实现自动降温。
所述的暗管1排布，埋深一般为1.2米、间距5米。
所述的集水沟3采用向阳斜坡式排布，底部采用水泥硬化。
所述的智能控温膜的制备方法如下：
向丙烯酸乳液加入十六烷基磺酸钠，搅拌30min后，加入非球形二氧化硅和亲水纳米膨润土颗粒，继续搅拌30min后，制得乳液，将所得的乳液均匀涂覆至大棚上，即得所述的智能控温膜；薄膜厚度为：4μm；所述的乳液中亲水纳米膨润土颗粒的质量百分含量为10％，非球形二氧化硅的质量百分含量为10％，丙烯酸乳液的质量百分含量为80％，十六烷基磺酸钠的质量百分含量为5％。
所述的亲水纳米膨润土颗粒的粒径为5～100nm，呈现亲水性，接触角15～40°。
非球形二氧化硅粒径100～2000nm，呈现疏水性，接触角为120～150°。
所述的非球形二氧化硅制备方法如下：
将无水乙醇与水混合后，得乙醇混合液；然后将形貌控制剂和氨水加入到乙醇混合液中，搅拌均匀后，加入正硅酸乙酯，在常温、搅拌速度为200r/min的速度下搅拌反应2h，然后升温至32℃，在搅拌速度为80r/min的条件下搅拌反应6h，然后离心，固相物采用乙醇和水反复洗涤三次，真空干燥后，即得非球形二氧化硅；
所述的硅酸乙酯与水、无水乙醇、形貌控制剂、氨水的质量体积比1g：5mL:12mL：2mL：3mL；
所述的形貌控制剂是由十八烷基三甲基溴化铵与四乙基溴化铵按照摩尔比为2：1的比例组成；所述的形貌控制剂加入过程中，先加入四乙基溴化铵搅拌均匀10～20min后，再加入十八烷基三甲基溴化铵搅拌均匀。
采用本实施例的修复方法背阴侧温度较大棚内部温度可降低18℃，经过一年时间修复后，盐碱地土壤可实现高效修复，土壤电导率下降38.4％，总磷浓度提升14％，总钾浓度提升15％，大麦种植试验表明，经处理后出苗率提升22.7％，亩产量提升28％，效果显著，整体运行依靠太阳照晒蒸发作用，能耗低。
对比例1：对比例1与实施例1不同之处在于：未采用智能控温膜，其他与实施例1相同。
该对比例经过一年后，大棚内部温度未有降低，土壤电导率较原来下降11％，总磷浓度提升2％，总钾浓度提升3％，出苗率提升5％，亩产量提升6.7％。
对比例2：对比例2与实施例1不同之处在于未采用智能控温膜技术，碱土层内未铺设暗管，其他与实施例1相同。
该对比例经过一年后，大棚内部温度未有降低，土壤电导率与原来保持同样水平，总磷下降1.5％，总钾浓度下降2.6％，出苗率保持原来水平，亩产量提升2.7％。

Claims (8)

1.一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
在农业大棚内的盐碱地土壤层内铺设收集高盐水的暗管，农业大棚内设置有集水沟；所述的暗管的出水口与集水沟的进水口连通；农业大棚的背阴侧的大棚膜覆一层智能控温膜，所述的智能控温膜按照质量百分含量是由5%~10%的亲水纳米活性颗粒、5%~10%的非球形二氧化硅、50%~80%的丙烯酸乳液和1%~5%的分散剂制成；
所述的非球形二氧化硅粒径100~2000nm，呈现疏水性，接触角为120~150o；
非球形二氧化硅制备方法如下：
将无水乙醇与水混合后，得乙醇混合液；然后将形貌控制剂和氨水加入到乙醇混合液中，搅拌均匀后，加入正硅酸乙酯，在常温、搅拌速度为150~200r/min的速度下搅拌反应2~4h，然后升温至30~40℃，在搅拌速度为50~80r/min的条件下搅拌反应3~6h，然后离心，固相物采用乙醇和水反复洗涤三次，真空干燥后，即得非球形二氧化硅；
所述的硅酸乙酯与水、无水乙醇、形貌控制剂、氨水的质量体积比1g：（5~6）mL: （10~14）mL：（2~3）mL：（2~4）mL；
所述的形貌控制剂是由十八烷基三甲基溴化铵与四乙基溴化铵按照摩尔比为1~3：1的比例组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，其特征在于所述的智能控温膜按照质量百分含量是由6%~8%的亲水纳米活性颗粒、6%~8%的非球形二氧化硅、50%~70%的丙烯酸乳液和1%~3%的分散剂制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，其特征在于所述的亲水纳米活性颗粒为纳米Al2O3、纳米膨润土、纳米硅藻土中的一种；所述的纳米活性颗粒的粒径为5~100 nm，表面呈亲水性，亲水纳米活性颗粒接触角15~40o。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，其特征在于所述的分散剂为聚乙二醇、CTAB、十六烷基磺酸钠中的一种或几种。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，其特征在于所述的智能控温膜的制备方法为：
向丙烯酸乳液加入分散剂，搅拌15~30min后，加入非球形二氧化硅和亲水纳米活性颗粒，继续搅拌15~30min后，制得乳液，将所得的乳液均匀涂覆至大棚上，即得所述的智能控温膜；所述的乳液中亲水纳米活性颗粒的质量百分含量为5%~10%，非球形二氧化硅的质量百分含量为5%~10%，丙烯酸乳液的质量百分含量为50%~80%，分散剂的质量百分含量为1%~5%。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，其特征在于所述的智能控温膜厚度为1~10 μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，其特征在于所述的暗管埋深为1～1.2米，间距5~10米。
8.根据权利要求1所述的一种基于辐射制冷的低碳环保高效的农业大棚盐碱地修复方法，其特征在于所述的集水沟采用向阳斜坡式排布。
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