CN115710509A - 基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂，按照重量份包括以下物料成分：罗望子粉8～25份，魔芋粉6～20份，海藻酸钠20～60份，无水氯化钙1.5～3.5份；所述罗望子粉为罗望子种子研磨得到的粉末。由于罗望子粉可促进土壤团聚体的形成，海藻酸钠具有高保水性，再加入了魔芋粉并进行交联，使得多种物料组分产生协同作用，最后制得的土壤改良剂呈现出优异的保水性能，并可促进土壤团聚，从而提高土壤结构的物理稳定性。

Description

基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂及其制备与应用

技术领域

本发明属于农业土壤改良技术领域，具体涉及一种基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂及其制备与其在改良土壤中的应用。

背景技术

我国红壤地区处于亚热带，是主要的农业生产区。由于自然原因和不合理的开发利用，水土流失、土壤酸化、肥力下降现象严重，土壤结构破环，稳定性降低，土壤保水能力差，季节性干旱频发。改良红壤的结构和提高保水性是消减土壤障碍提高作物产量的主要途径。

罗望子仁粉来自植物罗望子。罗望子是一种热带、亚热带常绿乔木。罗望子籽粒中含有丰富的淀粉和胶，可以被加工粉末形式。罗望子粉按照重量百分比含有下述成分，木葡聚糖61.5％～72.2％，蛋白质15.0％～20.9％，水分11.4％～22.7％，油脂3.0％～7.5％，粗纤维2.5％～8.2％，灰分2.4％～4.2％等。

海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，其分子由β-D-甘露糖醛酸(β-D-mannuronic，M)和α-L-古洛糖醛酸(α-L-guluronic，G)按(1→4)键连接而成，是一种天然多糖，具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性。因其高保水性而在农业中用作节水材料和土壤改良剂。

魔芋主要成分为魔芋葡甘聚糖(KGM)，其具有良好的持水性、流变性、增稠性、胶凝性和成膜性。

目前，针对改良红壤物理结构的土壤改良剂的专利较少。公开号为CN106748513A的专利中公开了一种南方坡地酸性土壤改良剂的制备方法，利用脱硫灰、钾长石和石灰石煅烧生成酸溶性的微量元素氧化物，并中和酸性土壤，再以磷酸和甘蔗渣中纤维素表面的羟基发生酯化反应，形成有机磷酸酯赋予改良剂缓慢释放磷肥的潜力，而红壤本身具有固体酸的特性，可以和裂解产物发生化学结合，吸附和滞留酚类物质形成具有高阳离子交换量的有机无机复合体，增强改良剂的保肥性能，同时增强土壤的缓冲性能，最后荔枝多糖分子链上的羟基和土壤表面的氧原子间形成氢键，将分散的土粒胶结在一起形成亲水性土壤团聚体，使土壤保水性增强，同时甘蔗渣裂解物可以起到疏松土壤的作用。虽然上述土壤改良剂能有效促进土壤团聚改善土壤的结构稳定性，但上述土壤改良剂的制备成本较高，制作工序相对复杂。

另外，目前的土壤改良剂多为高分子聚合物，成本较高，不容易被生物降解，对环境存在潜在的生态风险，且对于多功能土壤改良剂的制备比较缺乏，尤其是针对红壤改良剂的制备有很大的空白。

发明内容

针对目前本领域存在的瓶颈问题，即现有技术中缺乏同时能改良红壤保水性能与红壤结构稳定性的多功能土壤改良剂，本发明提供了一种基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂，一方面可提高土壤的保水能力，另一方面可促进土壤团聚体的形成、改良土壤的结构稳定性。

本发明的技术方案为：

一种基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂，按照重量份包括以下物料成分：罗望子粉8～25份，魔芋粉6～20份，海藻酸钠20～60份，无水氯化钙1.5～3.5份；所述罗望子粉为罗望子种子研磨得到的粉末。

本发明提供的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂的物料成分包括罗望子粉、魔芋粉、海藻酸钠和无水氯化钙。由于罗望子粉(尤其是其中含有大量的木葡聚糖)可促进土壤团聚体的形成，海藻酸钠具有高保水性，本发明再加入了魔芋粉并进行交联，使得多种物料组分产生协同作用，最后制得的土壤改良剂呈现出优异的保水性能，并可促进土壤团聚，从而提高土壤结构的物理稳定性。

优选地，所述罗望子粉的目数为80目～40目。

优选地，所述魔芋粉中，目数为120目～40目的魔芋粉的数量占比为90％以上。

优选地，所述海藻酸钠的目数为120目～40目。

优选地，所述魔芋粉为魔芋干经物理干法处理后或为鲜魔芋经粉碎、快速脱水后，再经酒精湿法加工提纯得到纯化魔芋粉。进一步优选有，所述纯化魔芋粉中魔芋葡甘聚糖的重量占比为98％以上。

本发明还提供了一种所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂的制备方法，该制备方法能够使土壤改良剂的原料充分交联，最大化产生协同作用。

一种所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将罗望子粉8～25份溶解在去离子水中，搅拌均匀；

(2)加入海藻酸钠20～60份、魔芋粉6～20份，搅拌3～5h；

(3)加入引发剂无水氯化钙1.5～3.5份，搅拌至交联完全；

(4)冷冻干燥步骤(3)所得的混合物，粉碎，得到所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂。

本发明提供的土壤改良剂通过上述物料在液相中的化学交联制备得。所述魔芋粉在搅拌过程中充分被水润胀从而形成大量接枝共聚的活性位置，而后在引发剂的作用下，合成了通过魔芋粉连接的罗望子-海藻酸钠的土壤改良剂。

在所述制备方法中，步骤(2)为魔芋粉的糊化过程，糊化时间越长交联越完全，但是交联时间过长则不满足实际应用的需求。当糊化时间低于3h，糊化不够完全，组分无法完全接触；当糊化时间高于5h，则会导致不必要的糊化。

在所述制备方法中，步骤(3)为交联的过程，其中无水氯化钙作为引发剂，需要添加到一定的用量比例才能够对组分保证完全交联。当所述土壤改良剂中所述无水氯化钙的重量份较低时，所述土壤改良剂的交联程度较低，持水效果和重复使用性较为一般。

优选地，所述制备方法中，使用磁力搅拌器进行所述搅拌，所述搅拌速度为400～600rpm。

优选地，所述制备方法中，步骤(4)中，所述粉碎得到粒径为1～5mm的颗粒。

本发明还提供了所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂在改良土壤中的应用，将所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂应用于改良红壤中，被改良红壤可更好抵抗外力破坏、分散等，能有效缓解水土流失及土壤养分流失问题。

本发明所提供的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂尤其适用于改良红壤。优选地，所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂应用于在改良红壤。

本发明还提供了一种改良土壤的方法，该方法非常实用，简单有效，适用范围广。

一种改良土壤的方法，所述改良土壤的方法具体包括：将所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂均匀撒播在待改良土壤表面，翻耕，混合均匀，完成土壤的改良。

优选地，所述土壤改良剂按施用量100～300kg/亩均匀撒播在待改良土壤表面。

优选地，所述翻耕深度为20cm～30cm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优势：

1、本发明提供的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂为一种多功能土壤改良剂，一方面可提高土壤的保水能力，另一方面可促进土壤团聚体的形成、改良土壤的结构稳定性。

2、本发明提供的土壤改良剂由于罗望子粉(尤其是其中含有大量的木葡聚糖)可促进土壤团聚体的形成，海藻酸钠具有高保水性，合成了通过魔芋粉连接的罗望子-海藻酸钠的土壤改良剂，在各种物料相互协同下，得到了保水性能优异并可改良土壤结构的土壤改良剂。本发明提供的土壤改良剂尤其适用于红壤的改良。

3、本发明提供的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂在水分循环过程中的膨胀与收缩，所形成的水凝胶一方面可吸收大量的水分，另一方面还可以堵塞土壤孔隙，减少水分入渗过程中水分的流失并有效改善土壤孔隙结构。

4、本发明提供的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂以罗望子粉作为原料，实现了罗望子的资源化再利用，且所述土壤改良剂易被生物降解，满足了绿色环保的需求。

5、本发明提供的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂的制备方法其制作工序简单、操作简便、制备成本较低。

6、本发明提供的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂的重复使用性良好。

附图说明

图1为实施例1-9制得的土壤改良剂在蒸馏水中的吸水性能与可重复使用性数据图；

图2为实施例1-9制得的土壤改良剂在0.9％ NaCl溶液中的吸水性能与可重复使用性数据图；

图3为罗望子粉、魔芋粉、海藻酸钠与实施例6制得的土壤改良剂的FTIR光谱图；

图4为未经改良红壤与经实施例6制得的土壤改良剂改良红壤的饱和持水能力数据图；

图5为未经改良红壤与经实施例6制得的土壤改良剂改良红壤的土壤水分特征曲线图；

图6为未经改良红壤与经实施例6制得的土壤改良剂改良红壤的团聚体水稳性结果图；

图7为未经改良红壤与经实施例6制得的土壤改良剂改良红壤的损失率图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1-9

以下实施例中均有：

罗望子粉为罗望子种子研磨得到的粉末；所述罗望子粉的目数为80目～40目；所述罗望子粉中，按重量百分比包括以下成分，木葡聚糖61.5％～72.2％，蛋白质15.0％～20.9％，水分11.4％～22.7％，油脂3.0％～7.5％，粗纤维2.5％～8.2％，灰分2.4％～4.2％。

魔芋粉为魔芋干(包括片、条、角)经物理干法处理后或为鲜魔芋经粉碎、快速脱水后，再经酒精湿法加工提纯得到纯化魔芋粉；所述纯化魔芋粉中魔芋葡甘聚糖的重量占比为98％以上；所述纯化魔芋粉中，目数为120目～40目的纯化魔芋粉的数量占比为90％以上。

海藻酸钠为购买得的商业海藻酸钠；所述商业海藻酸钠中海藻酸钠的纯度(重量占比)为95％以上；所述商业海藻酸钠的目数为120目～40目。

实施例1-9的物料配比如下表1中所示。

表1-实施例1-9的物料配比

按照上述物料配比，制备相应的土壤改良剂。上述9个实施例的制备过程相同，所述制备过程包括以下步骤：

(1)将罗望子粉溶解在去离子水中，搅拌10分钟至均匀；

(2)加入海藻酸钠及纯化魔芋粉，恒温(25℃，500rpm)再搅拌4h；

(3)加入无水氯化钙，搅拌30min至交联完全；

(4)冷冻干燥步骤(3)所得的混合物，干燥至恒重，粉碎，得到颗粒粒径为1～5mm的土壤改良剂。

应用性能测试：

一、实施例1-9制备得的土壤改良剂在蒸馏水和0.9％ NaCl溶液中的吸水性能实验与可重复使用性实验。

土壤改良剂在蒸馏水中的吸水性能实验与可重复使用性实验。实验方法：将实施例1制备得的1g干燥样品(W0)装入尼龙网袋中，在100mL蒸馏水中浸泡24h。然后将其从溶液中取出并垂直悬挂30分钟以释放额外的水。最后，测定尼龙网袋中水凝胶的重量(W1)。分别计算不同物料配比的土壤改良剂的吸水率。土壤改良剂的吸水率(q)由以下方程式计算：

q＝(W1-W0)/W0

在吸水性能实验中，每间隔一天进行吸附和解吸实验，共进行10轮。每一轮均设多组平行实验组，并求平均值得到相应的实验数据。进一步进行了土壤吸附剂的可重复使用性实验。

上述实验的实验结果如图1所示。

土壤改良剂在0.9％ NaCl溶液中的吸水性能实验与可重复使用性实验。与上述在蒸馏水中的吸水性能实验与可重复使用性实验的区别仅在于，将所述样品浸泡于不同的溶液中，即浸泡于0.9％ NaCl溶液中。

上述实验的实验结果如图2所示。

根据图1、图2得到：

实施例1、5、9的吸水性能和可重复使用性一般，这是因为水氯化钙作为引发剂，需要添加到一定的用量比例才能够对组分保证完全交联，当所述土壤改良剂中所述无水氯化钙的重量份低于1.5份时，土壤改良剂的交联程度较低，持水效果一般，重复使用性一般。

本实验中土壤改良剂的吸水量在使用前期保持增长趋势，并在第三天到第五天的增加量最高。这是因为经过吸附-解吸过程后，土壤改良剂的三维结构得到了充分的延展，分子的层间孔隙变大，允许更大的持水量。同时，经过多轮的测试任呈现良好的吸水性，表明了本发明提供土壤改良剂是一种可以重复使用性能良好的材料。

二、罗望子粉、魔芋粉、海藻酸钠与土壤改良剂的FTIR光谱图的测定。

罗望子粉为罗望子种子研磨得到的粉末；所述罗望子粉的目数为80目～40目；所述罗望子粉中，按重量百分比包括以下成分，木葡聚糖61.5％～72.2％，蛋白质15.0％～20.9％，水分11.4％～22.7％，油脂3.0％～7.5％，粗纤维2.5％～8.2％，灰分2.4％～4.2％。

魔芋粉为魔芋干(包括片、条、角)经物理干法处理后或为鲜魔芋经粉碎、快速脱水后，再经酒精湿法加工提纯得到纯化魔芋粉；所述纯化魔芋粉中魔芋葡甘聚糖的重量占比为98％以上；所述纯化魔芋粉中，目数为120目～40目的纯化魔芋粉的数量占比为90％以上。

海藻酸钠为购买得的商业海藻酸钠；所述商业海藻酸钠中海藻酸钠的纯度(重量占比)为95％以上；所述商业海藻酸钠的目数为120目～40目。

本测试采用实施例6制备得的土壤改良剂。

分别测定上述四种物质的红外光谱，测得的红外光谱如图3所示。

通过比较四种物质(罗望子粉、海藻酸钠、魔芋粉、土壤改良剂)的FTIR光谱，光谱表示在2922cm^-1处可以观察到C-H振动，在1610cm^-1处观察到C-C骨架振动，894cm^-1处可以看到有木葡聚糖(罗望子粉中促进土壤团聚的结构)振动，1420.52处可以看到海藻酸钠结构振动，并出现在合成改良剂结构中。可以证实魔芋粉(MYF)成功地将罗望子粉(LWZ)和海藻酸钠(HZSN)进行连接合成了土壤改良剂(GLJ)，成功合成了通过魔芋粉连接的罗望子-海藻酸钠土壤改良剂。

三、不同土壤样品的饱和持水能力的测定。

实验组：CK为没有添加改良剂的红壤样品，作为对照组；M1为添加了0.3％(在土壤中的重量占比)土壤改良剂的红壤样品；M2为添加了0.6％土壤改良剂的红壤样品；M3为添加了0.9％土壤改良剂的红壤样品。M1～M3中所述的土壤改良剂均为实施例6制备得的土壤改良剂。所述土壤改良剂的添加方法具体为：将所述的土壤改良剂均匀撒播在待改良土壤表面，翻耕，混合均匀，完成土壤改良剂的添加，所述翻耕深度为25cm。

实验方法：把装有未遭破坏土样的环刀称重后，使其有孔底一端(内垫滤纸)朝下，放在盛水的平底磁盘中或充满水的砂层上，使盘内水面与环刀上缘保持一样高，切勿使水面淹没环刀，以免影响空气自土壤孔隙排出，使水不能充满孔隙。经过一定时间后12小时后迅速取出，用盒盖托住称重。然后再放入盘中，继续使水充满孔隙，直至前后两次重量无显著差异为止，得到土样吸水饱和后的重量。土壤的饱和持水能力通过下式进行计算：

饱和持水能力＝土样吸水饱和后的重量/干土重×100％

测得的土壤的饱和持水能力实验结果如图4所示。土壤饱和持水能力是一项重要的水力指标，对于土壤水分和溶质输送有着重要的作用。本发明提供的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂在水分循环过程中形成水凝胶进行膨胀与收缩。所形成的水凝胶一方面可吸收大量的水分，另一方面还可以堵塞土壤孔隙，减少水分入渗过程中水分的流失。改良剂的添加可以有效提高土壤的饱和持水能力，随着添加量的增加，土壤饱和持水能力从48.32％增加到127.46％。

四、不同土壤样品的土壤水分特征曲线的测定。

实验组：CK为没有添加改良剂的红壤样品，作为对照组；M1为添加了0.3％(在土壤中的重量占比)土壤改良剂的红壤样品；M2为添加了0.6％土壤改良剂的红壤样品；M3为添加了0.9％土壤改良剂的红壤样品。M1～M3中所述的土壤改良剂均为实施例6制备得的土壤改良剂。所述土壤改良剂的添加方法具体为：将所述的土壤改良剂均匀撒播在待改良土壤表面，翻耕，混合均匀，完成土壤改良剂的添加，所述翻耕深度为25cm。

实验方法：采用压力膜法测定土壤水分特征曲线(SWCC)。将采集的环刀土样在去离子水中浸泡24h，使样品完全饱和。在-0.002、-0.01、-0.033、-0.1、-0.2、-0.5、-1和-1.5MPa的基质吸力下分别平衡后称重以测定含水量。

得到的土壤水分特征曲线实验结果如图5所示。

土壤水分特征曲线显示了土壤水势(或吸水)与土壤含水量之间的关系。土壤水分特征图反映了土壤持水能力的强弱，即曲线越高，持水能力越强。反之，曲线越低，持水能力越弱。本次实验中随着添加土壤改良剂的比例的上升，土壤水分特征曲线规律升高，其中M3的土壤水分特征曲线最高，并且有土壤的田间持水能力随着改良剂添加量的增加从CK的30.26％增加到M3的52.36％。

五、不同土壤样品的团聚体水稳性的测定。

实验组：CK为没有添加改良剂的红壤样品，作为对照组；M1为添加了0.3％(在土壤中的重量占比)土壤改良剂的红壤样品；M2为添加了0.6％土壤改良剂的红壤样品；M3为添加了0.9％土壤改良剂的红壤样品。M1～M3中所述的土壤改良剂均为实施例6制备得的土壤改良剂。所述土壤改良剂的添加方法具体为：将所述的土壤改良剂均匀撒播在待改良土壤表面，翻耕，混合均匀，完成土壤改良剂的添加，所述翻耕深度为25cm。

实验方法：将装有50g风干土壤样品的套筛(筛孔半径分别为2000μm，250μm，53μm)放入水中，采用DM200-II团粒分析仪测定，以30次每分钟的频率上下震动30min，然后将各级湿筛上的残留团聚体用去离子水洗入铝盒中，置于烘箱内烘干称重。得到不同粒径土壤分布占比，结果如图6所示，即为土壤水稳性结果图。损失率为50g样品中溶解在水中的样品数量，属于不稳定性成分，公式为：

损失率＝(50g-烘干后各级别样品的总和)/50g×100％

在水稳性实验中的测得的损失率如图7所示。

土壤水稳性代表了土壤的土壤团粒的稳定性。在施加土壤改良剂之前，土壤团粒的水稳性比较差，在水中容易崩解，在一定程度上影响着土壤肥力。施加了土壤改良剂后，土壤的稳定性显著增强，尤其是>2000μm的大团聚体的占比。相应的，53-250μm含量随着改良剂的添加有一定程度的减少。水稳性实验中的损失率开始随着改良剂的添加降低，但是到了一定的程度便不再减少。说明通过所述土壤改良剂进行土壤的改良，添加量在0.6％～0.9％时，土壤团聚体已被有效团聚并已满足改良需求。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂，其特征在于，所述土壤改良剂，按照重量份包括以下物料成分：罗望子粉8～25份，魔芋粉6～20份，海藻酸钠20～60份，无水氯化钙1.5～3.5份；所述罗望子粉为罗望子种子研磨得到的粉末。

2.根据权利要求1所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂，其特征在于，所述罗望子粉的目数为80目～40目；所述魔芋粉中，目数为120目～40目的魔芋粉的数量占比为90％以上；所述海藻酸钠的目数为120目～40目。

3.根据权利要求1或2所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂，其特征在于，所述魔芋粉为魔芋干经物理干法处理后或为鲜魔芋经粉碎、快速脱水后，再经酒精湿法加工提纯得到纯化魔芋粉；

所述纯化魔芋粉中魔芋葡甘聚糖的重量占比为98％以上。

4.根据权利要求1所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将罗望子粉8～25份溶解在去离子水中，搅拌均匀；

(2)加入海藻酸钠20～60份、魔芋粉6～20份，搅拌3～5h后充分润胀；

(3)加入引发剂无水氯化钙1.5～3.5份，搅拌至交联完全；

(4)冷冻干燥步骤(3)所得的混合物，粉碎，得到所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂。

5.根据权利要求4所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂的制备方法，其特征在于，使用磁力搅拌器进行所述搅拌，所述搅拌速度为400～600rpm。

6.根据权利要求4所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述粉碎得到粒径为1～5mm的颗粒。

7.根据权利要求1～3任一项权利要求所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂在改良土壤中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述土壤为红壤。

9.一种改良土壤的方法，其特征在于，所述改良土壤的方法具体包括：将权利要求1～3任一项权利要求所述的基于罗望子粉及海藻酸钠的土壤改良剂均匀撒播在待改良土壤表面，翻耕，混合均匀，完成土壤的改良。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述土壤改良剂按施用量100～300kg/亩均匀撒播在待改良土壤表面；

所述翻耕深度为20cm～30cm。

Images