CN115806825B - 一种针对黄芪增产提质的土壤改良剂，制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤改良技术领域，尤其涉及一种针对黄芪增产提质的土壤改良剂，制备方法及应用。土壤改良剂为负载有腐殖质微粉的生物炭颗粒，所述生物炭颗粒采用黄芪的茎和/或叶为原材料制备而成。土壤改良剂中还通过材料改性添加氮元素和磷元素。本发明的土壤改良剂，可显著提高土壤保水保肥能力，显著降低作物病虫害，降低土壤中有害因子的不良影响并激活，提高土壤有益土壤酶与微生物的活性，抑制不利菌群和不益酶活性，增加和固定肥分并明显改善土壤沙化贫瘠化现状，从而清除和大大降低土壤中有毒有害成分对黄芪的负面作用，对黄芪产物并起到提质增产的效果。

Description

一种针对黄芪增产提质的土壤改良剂，制备方法及应用

技术领域

本发明涉及土壤改良技术领域，尤其涉及一种针对黄芪增产提质的土壤改良剂，制备方法及应用。

背景技术

当前，我国干旱和半干旱地区，土壤普遍存在有机质不足、金属离子过剩、肥力低下、保肥保水透气性能差等特点，再加上季节性干旱频发，由于栽培强度高、轮作不合理、化肥农药使用过量、环境污染等种植等天然和人为问题，使得土壤生态环境的破坏日益加剧，土壤土质恶化并出现严重的次生盐渍化、酸化、板结化等不利作物产量和质量提高的种植问题以及土传病害频繁发生和连作障碍日益严重等引起作物质量下降的同时大幅减产甚至绝产。

而在具有“千年药乡”之称的甘肃陇西县，上述问题也是日益严重并引起了广泛关注，作为三大黄芪之一甘肃黄芪的主栽区，其土壤特点总体表现为“一高、一中、三低”，即高含量的钙镁离子，中等含量的速效钾，低含量的有机质、低含量的全氮与速效磷以及低供氮能力。这已经严重影响了黄芪种植的产量和质量，因此迫切需要通过一定技术方法对土壤进行改良以提高黄芪的产量和质量，达到增产提质的功效。

与此同时，现有的针对中药种植土壤改良方式一般包括调节土壤酸碱度、增加有机肥，增加有益菌种等，但现有土壤改良剂普遍存在针对性不足和效果单一的缺陷，导致改良效果单一，不尽如人意。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种针对黄芪增产提质的多效能土壤改良剂，制备方法及应用。

本发明提供了一种针对黄芪增产提质的土壤改良剂，土壤改良剂为负载有腐殖质微粉的改性生物炭颗粒，生物炭颗粒采用黄芪的茎和/或叶为原材料制备而成；改性生物炭颗粒表面负载有氮元素和磷元素。优选的，改性生物炭表面负载N元素的质量百分比含量为0.2% ~ 0.5%，负载P元素的质量百分比含量为0.2% ~ 0.5%。

可选的，腐殖质微粉的粒径为0.5 ~ 10 µm；

可选的，生物炭颗粒的粒径为2 ~ 5 mm，比表面积为700~ 800 m²/g，总孔容积为0.5 ~ 0.6 cm³/g；

可选的，土壤改良剂的粒径为3.5 ~ 5.0 mm。

可选的，腐殖质微粉与生物炭颗粒的质量比为1 ~ 9：1 ~ 9，优选为1 ~ 3：7 ~ 9或7 ~ 9：1 ~ 3。

本发明提供了上述土壤改良剂的制备方法，至少包括以下步骤：

S1、采用一步负载法制备负载有氮元素和磷元素的改性生物炭颗粒；

S2、制备腐殖质微粉；

S3、将生物炭颗粒与腐殖质微粉按照质量比进行负载，得到土壤改良剂。

可选的，在S1中包括：

S11、粉碎黄芪的茎和/或叶，得到原料粉；

S12、将原料粉与改性剂混合，浸渍8 ~ 24小时，离心、干燥得固体物；改性剂为磷酸和硝酸钠混合溶液；

S13、将固体物晾干后置于N₂氛围管式炉内中，升温至800℃~840℃热解1.5 ~ 3小时；

S14、清洗至中性，干燥，即为生物炭颗粒。

可选的，S11中，原料粉的粒径为5 ~ 8 mm；

可选的，S12中，改性剂中磷酸和硝酸钠的摩尔比为1 ~ 2：8 ~ 9，水溶液的浓度为5 ~ 20 mol/L；

可选的，S12中，原料粉与改性剂的质量比为3 ~ 8：1 ~ 5；

可选的，S12中，烘干的温度为70 ~ 80℃，时间12 ~ 24小时。

可选的，S13中，惰性气体N₂的流速为20 ~ 30mL/min，升温的速率为3 ~ 6℃/min；

S13中，升温至830℃~ 838℃热解2小时；

S14中，清洗的条件为采用超纯水和0.1~ 1 mol/L盐酸反复抽滤冲洗；

S14中，干燥的条件为：100~ 105℃下烘干12 ~ 24小时。

可选的，S2包括：

S21、首先将腐殖质原料干燥、粉碎成1~ 10 mm的小颗粒；腐殖质矿物质原料包括褐煤、泥炭、矿石表层中的至少一种，或由将褐煤、泥炭、矿石表层中的至少一种混合有机物；或腐殖质矿物质原料采用土壤好氧培养法制备；

S22、将小颗粒装入变轨研磨机进行研磨，将研磨档位调至研磨出的粒径不大于200 μm颗粒，同时将压力为150 KPa的空气流、从上下磨盘中心注入至上下磨盘空隙、并向四周扩散，利用气流使颗粒通过四周的网筛，获得粒径不大于75 μm的微粒；

S23、将微粒送入多级变轨球磨机，调节球磨档位，通过多级变轨后，球磨出粒径为0.5 ~ 50 μm的颗粒，同时将压力为120KPa的空气流、从球磨机正上方旋转吸出，获得0.5 ~10 μm的微粉。

本发明提供了上述土壤改良剂或上述制备方法制备得到的土壤改良剂在用于改良黄芪种植用地土壤中的应用，在酸性土壤中，所施用的土壤改良剂中生物炭颗粒与腐殖质微粉的重量比7 ~ 9：1~ 3；在碱性土壤中，所施用的土壤改良剂中生物炭颗粒与腐殖质微粉的重量比为1 ~ 3：7~ 9；在沙化土壤中，所施用的土壤改良剂的粒径为2.5 ~ 3.5 mm。

可选的，土壤改良剂施加在土壤中的质量百分比为0.1％ ~ 0.5％。

本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本发明提出一种生物炭颗粒负载腐殖质微粉的多效能土壤改良剂，与土壤按比例混合施入在显著提高土壤保水保肥透气能力同时可有效激活和提高土壤中有益菌群和土壤酶的活性并抑制不利菌群和不益酶活性，增加和固定肥分并明显改善土壤沙化贫瘠化与板结化现状并能清除和大大降低土壤中有毒有害成分对黄芪的负面作用（如固化重金属离子），使得作物根茎叶生长环境全面提升从而大大提高黄芪产量、品质并减少病虫害与土传病害。

本发明提出的生物炭颗粒负载腐殖质微粉土壤改良剂，应用于干旱和半干旱土地的黄芪种植土壤，可同时进行生态修复与地力等级提升与优化，一并提高黄芪的产量与品质。

附图说明

图1为本发明实施例中腐殖质研磨设备的结构示意图；

图2为本发明实施例的土壤改良剂的扫描电镜（SEM）照片；

图3为本发明实施例的土壤改良剂使用 EDS进行元素分析的结果；

其中，在图1中：

1-进料器；

11-进料仓；

12-送气口；

2-研磨机上磨盘；

3-研磨机下磨盘；

4-筛网；

5-收集装置；

6-研磨机变轨调整器；

7-研磨机出气和出料口；

8-传送装置；

101-外壳；

102-球磨机上磨盘；

103-球磨机下磨盘；

104-球磨机变轨调整器；

105-旋吸装置；

106-出料口；

107-球磨机出气和出料口。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明实施例提出一种针对黄芪增产提质多效能的土壤改良剂，该土壤改良剂为负载有腐殖质微粉的改性生物炭颗粒，为更好地促进相容性，生物炭原材料选用当地黄芪茎叶来制备。本发明实施例的土壤改良剂兼具土壤改良修复和降灾减害作物提质的综合技术效果，主体为当地黄芪茎叶废弃物为原料、经高温裂解所得的黄芪生物炭，主要组成元素为碳、氢、氧、氮、硫和少量灰分，微量元素有钾、钙、磷、镁等，其碳元素含量高达70% ~ 80%，具有高度芳香结构，主要由高度扭曲、堆积紧密的芳香环片叠积组成，这种结构特点决定了生物炭稳定性更高，抵御微生物分解的能力更强；具有多孔结构的生物碳，可有效改善土壤pH、增加土壤透气性、提高微域微生物活性等优点。用农林废弃物制备生物炭，不仅减少了资源的浪费，还存在大大减少CO₂、CH₄、NO₂等温室气体排放的环保效应。

在黄芪加工过程中产生大量的黄芪的茎和/或叶为主的废料，因此，如何有效利用这些生物废料也是黄芪种植的一大难题。因此以其为原料，可有效处理生物废料，并使得该类型生物炭来源丰富且低成本。

所负载的腐殖质是有机物经微生物分解转化形成的胶体物质，一般为黑色或暗棕色，腐殖质是土壤有机质的主要组成部分，其50%～65%在微生物作用下形成的复杂而较稳定的大分子有机化合物。其主要由碳、氢、氧、氮、硫、磷等营养元素组成，主要种类有胡敏酸和富里酸，其中胡敏酸是一类能溶于碱溶液而被酸溶液所沉淀的腐殖质物质，其分子量比富里酸大，分子组成中各元素的百分含量分别是：C：50% ~ 60%，H：2.8% ~ 6.6%，O：31% ~40%，N：2.6% ~ 6.0%。胡敏酸比富里酸的酸度小，呈微酸性，吸收容量较高，它的一价盐类溶于水，二价和三价盐类不溶于水，这对土壤养分的保持及土壤结构的改善都具有重要意义。富里酸是一类既溶于碱溶液又溶于酸溶液的腐殖质物质，其分子量比胡敏酸小，分子组成中各元素的百分含量分别是：C：40% ~ 52%，H：4% ~ 6%，O：40% ~ 48%，N：2% ~ 6%。富里酸呈强酸性，移动性大，吸收性比胡敏酸低，它的一价、二价、三价盐类均溶于水，因此富里酸对促进矿物的分解和养分的释放具有重要作用。同时，腐殖质还具有适度的黏结性，能够使黏土疏松，砂土黏结，是形成土壤团粒结构的良好胶结剂，同时改善根系的生长环境，从而提高作物生长和产量。并且，腐殖质具有稳定性，在土壤中会缓慢地分解，释放出以氮和磷为主的养分来供给植物吸收，同时放出二氧化碳加强作物的光合作用。因腐殖质是一种有机胶体，吸水保肥能力很强，一般粘粒的吸水率为50% ~ 60%，而腐殖质的吸水率高达400% ~600%，保肥能力是粘粒的6 ~ 10倍。因此，腐殖质的添加可同时增强土壤的保水、保肥能力。水相溶浇灌种植黄芪的土壤，可显著提高土壤保水保肥能力，激活和提高土壤有益土壤酶与微生物的活性并抑制不利菌群和不益酶活性，增加和固定肥分并明显改善土壤沙化贫瘠化现状，同时清除和大大降低土壤中有毒有害成分对黄芪的负面作用，提高黄芪品质并减少病虫害。

通过将腐殖质微粉负载于黄芪生物炭颗粒上，既解决了直接混合施用容易营养流失、分散和不均匀性，又克服了腐殖质过速释放造成局部浓度过高的缺点，使其更有利于综合效能的高效、均匀、长时间地释放，从而改善土壤生态环境，促进种植物增产提质。

根据黄芪种植土壤的营养调查报告显示，该土壤营养特点是：腐殖质贫乏、全氮与速效磷含量低、且供氮能力低，故本发明实施例针对土壤营养特性有目的选用联合改性剂，使生物炭自身携带一定量的N元素、P元素再与腐殖质以合理配比负载后，施入土壤从而实现对该土壤的全面修复和整体改良。因此，本发明实施例的改性生物炭颗粒还添加有磷元素和氮元素，具体的，可以通过在制备过程中选用含磷、氮元素的联合改性剂改性并负载，进而提高生物炭颗粒中目标元素的含量。

本发明实施例的土壤改良剂中，腐殖质微粉的粒径可为0.1 µm ~ 50 µm，优选为0.5 µm ~ 10 µm，腐殖质是具有弱酸性、含氮磷量较高的胶体状高分子有机化合物，负载于比表面积巨大，带有大量表面缺陷的改性黄芪生物炭颗粒上，仍可以保持低电价位，具有极强的生物活性，保持原有有机质中的多种高分子官能团并和呈弱碱性的生物炭进行一定的中和作用。

作为本发明实施例优选的技术方案，黄芪生物炭颗粒的粒径为2 ~ 5mm，比表面积为300 ~ 800m²/g，总孔容积为0.5 ~ 0.6cm³/g。黄芪生物炭颗粒疏松多孔，含有大量碳素和含氧官能团，容重小，吸附能力强，具有发达和贯通的孔道结构，其表面明显可见负载腐殖质微粉以及微量元素，可为土壤微生物活动提供丰富的庇护场所以及养分和能量，同时还可有效调节土壤酸碱性能，促进土壤养分的转化，同时，弱碱性生物炭的施入会缓慢提高土壤pH值进而改善当地土壤酸碱环境来固化金属离子并保证营养成分的有效吸收。本发明实施例中，腐殖质微粉与生物炭颗粒的质量比为1 ~ 9：1~ 9，腐殖质微粉与生物炭颗粒的质量比可根据所施用的土壤的实际情况（土质，营养特点pH等）进行调整，并进一步优选为1~ 3：7~ 9或7 ~ 9：1 ~ 3。

作为本发明实施例的一种改进，生物炭颗粒首先以磷酸和硝酸钠为改性剂进行浸渍，然后采用一步改性负载法煅烧制备，改性剂兼具有改造碳体结构和针对性附着添加氮、磷营养元素的多重功效，该方法不仅便捷、效率高，并且制备得到的生物炭性质稳定，元素附着性能好，目的性负载物质附着力合理，附着量理想，对生物炭结构成型更合理的同时进而提高制备改性和对土壤改良效果。一步混合负载改性法制备改性生物炭，相较于其他生物炭制备方法，其更加直接、方便和快捷，目标性更强同时使改性物质更加均匀的附着在原材料表面，改性效果与改性产物更优。

优选改性剂中磷酸和硝酸钠的摩尔比为1 ~ 2：8 ~ 9，最优选为2：8。该比例条件下，在生物炭表面的N元素、P元素含量可达0.2% ~ 0.5%，可以有效调整土壤的N、P营养均衡。经过磷酸和硝酸钠配比的改性剂改性后的生物炭对于土壤中金属离子（含重金属）污染物的固化有了质的提升，可用于消除植物体从土壤中吸收的有害成分，改善土壤的性质与黄芪根系发育土壤环境，进而可增强土壤中微生物的活性并促进黄芪作物的健康生长与品质提升。

作为本发明实施例的一种改进，改性剂水溶液中磷酸和硝酸钠的总浓度为5~ 20mol/L；其中以10 mol/L最优。在改性剂浸渍过程中，磷酸和硝酸钠首先会对黄芪原材料表面结构造成一定程度的侵蚀，并且会与原料中的物质例如纤维素和木质素等进行反应，随着磷酸和硝酸钠浓度的升高，有更多的磷酸、硝酸钠可以与原料深层的杂质进行反应进入生物炭深部附着并更彻底地去除杂质和进一步提高目标元素N、P的含量、元素填充进入炭体内部，即使有余可以在炭化过程中与杂质进行反应并将其去除，并嵌入炭骨架表面进行蚀刻，从而成为碳体附属的N元素、P元素成分，浓度升高，蚀刻的程度越高，造孔效果越好，则N元素、P元素在生物炭中比例越高。但是，若磷酸、硝酸钠浓度继续升高，会对生物炭骨架造成过度的刻蚀，破坏其物理结构，甚至会导致其孔道结构坍塌，降低比表面积，反而不利于吸附效果的提高，因此，磷酸和硝酸钠摩尔比为2：8的改性剂、且磷酸和硝酸钠的总浓度为10 mol/L比较合适，既不会改性不足，也不会过度破坏。此时在生物炭表面的N元素、P元素含量甚至可以高达0.2 % ~ 0.5 %，有效调整目标土壤的N元素、P元素营养均衡。

作为本发明实施例的一种改进，生物炭颗粒采用以下方法制备：

S11、粉碎黄芪的茎叶，得到原料粉；

S12、将原料粉与改性剂混合，浸渍8 ~ 24小时，离心、干燥得固体物；改性剂为磷酸和硝酸钠混合溶液；

S13、将固体物置于惰性气体中，升温至800℃~840℃热解1.5 ~ 3小时；

S14、清洗至中性，干燥，即为生物炭颗粒。

其中，S11中，原料粉的粒径为5 ~ 8 mm；S12中，原料粉与改性剂的质量比为3 ~8：1 ~ 5，优选为5：2，烘干的温度为70 ~ 80℃。

其中，S13中，惰性气体N₂的流速为20 ~ 30mL/min，优选为25 mL/min，升温的速率为3~ 6℃/min，优选为5℃/min；生物炭颗粒亲水性、疏水性和酸碱性等表面的一些化学性质均受热解条件的影响，粒径分布密度会随着热解温度的升高和加热滞留时间的延长而增加，适宜的制备温度对生物炭的成型产量和杂质的去除意义重大，随着温度的升高，原材料的杂质去除和炭化更为彻底。低温下（低于300℃）较难去除的杂质可以逐渐在磷酸和硝酸钠的作用下被替代去除并填充其腾出空间，而且对炭骨架的蚀刻作用更为显著。但当温度过高时也会导致孔道结构坍塌，反而不利于孔道结构的形成，其比表面积减少下降吸附效果下降。经过深入研究后发现，升温至830℃~ 838℃、优选835℃进行热解黄芪生物炭制备最为理想，此温度下杂质去除效果最彻底且也不会过度破坏结构，是最佳的烧制温度。此时N、P元素的附着量亦达到极致，维持在0.5 %左右。

其中，S14中，清洗的条件为采用超纯水和0.1 ~ 1 mol/L盐酸反复抽滤冲洗，干燥的条件为：100 ~ 110℃下烘干12 ~ 24小时。

作为本发明实施例的一种改进，腐殖质微粉采用超微细物理研磨加工与气流分级多维调节相结合技术进行制备，具体包括以下步骤：

S21、将腐殖质原料干燥、粉碎成1 ~ 10 mm的小颗粒；腐殖质原料包括褐煤、泥炭、矿石表层中的至少一种，由将褐煤、泥炭、矿石表层中的至少一种混合有机物，有机物包括腐坏的植物原料、菜籽搅拌粉碎物等；或腐殖质原料采用土壤好氧培养法制备得到；

S22、将小颗粒装入变轨研磨机进行研磨，将研磨档位调至研磨出的粒径不大于200 μm颗粒，同时将压力为150 KPa左右的空气流、从上下磨盘中心注入至上下磨盘空隙、并向四周扩散，利用气流使颗粒通过四周的网筛，获得粒径不大于75 μm的微粒；

S23、将微粒送入多级变轨球磨机，调节球磨档位，通过多级变轨后，球磨出粒径为0.5 ~ 50 μm的颗粒，同时将压力为120 KPa的空气流、从球磨机正上方旋转吸出，获得0.5~ 10 μm的微粉。

优选的，设备的结构示意图如图1所示。由图1可知，设备包括研磨机和球磨机，研磨机和球磨机通过传送装置连接。其中，变轨研磨机包括依次连接的进料器1、研磨机上磨盘2、研磨机下磨盘3、筛网4和收集装置5；进料器1包括进料仓11，进料仓11上设置送气口12，研磨机上磨盘2上设置有研磨机变轨调整器6，研磨机上磨盘2、研磨机下磨盘3之间设置有研磨机出气和出料口7，收集装置5与传送装置8的入口连接；球磨机包括外壳101和设置于外壳内部的球磨机上磨盘102、球磨机下磨盘103，球磨机上磨盘103与传送装置8的出口连接，球磨机上磨盘103上设置有球磨机变轨调整器104，外壳顶部设置有旋吸装置105，旋吸装置与出料口106连接，球磨机上磨盘102、球磨机下磨盘103之间设置有球磨机出气和出料口107。

腐殖质可通过土壤好氧培养法，利用土壤中微生物残体制作腐殖质，将鲜微生物菌体溶于无菌水中，利用超声波细胞破碎仪冰浴破碎细胞45次，然后加入到陇西地区的土壤样品中，与土壤混拌均匀，调节含水量至最大持水量的70%，再与无菌水一同放置密闭培养，培养温度为25℃。

作为本发明实施例的一种改进，腐殖质还可以采用生物发酵的方式进行生产，包括：第一阶段产生构成腐殖质主要成分的原始材料，即由各种形态和状态的有机物质组成的混合物，在微生物作用下分解为各种简单的化合物；第二阶段为合成阶段，即由微生物为主导的生化过程。将原始材料合成腐殖质的单体分子，进而再通过聚合作用形成不同分子量的复杂环状化合物。本发明实施例还涉及土壤改良剂的制备方法，至少包括以下步骤：

将上述制备得到的黄芪生物炭颗粒与腐殖质微粉按照质量比进行负载，得到土壤改良剂；具体的，负载可以采用现有技术中的方法进行，具体的，可使用真空分散机进行制备。负载后制备得到的土壤改良剂的粒径为3.5 ~ 5.0 mm。通过结构表征图图谱可以观察到黄芪生物炭颗粒表面负载有丰富的腐殖质微粉。

本发明实施例还涉及上述土壤改良剂或如上述制备方法制备得到的土壤改良剂在用于改良黄芪种植用地土壤中的应用，土壤改良剂的应用不仅可显著提高土壤保水保肥能力，激活和提高土壤有益土壤酶与微生物的活性并抑制不利菌群和不益酶活性，并且增加和固定肥分并明显改善土壤沙化贫瘠化现状，同时清除和大大降低土壤中有毒有害成分对黄芪的负面作用，提高黄芪品质并减少病虫害。

具体的，在酸性土壤中，所施用的土壤改良剂中生物炭颗粒与腐殖质微粉的重量比7 ~ 9：1 ~ 3；在碱性土壤中，所施用的土壤改良剂中生物炭颗粒与腐殖质微粉的重量比为1 ~ 3：7 ~ 9；在沙化土壤中，要求施用的改良剂的粒径要大于正常土质的施用要求，所施用的土壤改良剂的粒径为2.5 ~ 3.5 mm。

具体的，本发明实施例的土壤改良剂施加在土壤中的质量百分比为0.1% ~ 0.5%。土壤改良剂可有效激活土壤中的多种有益酶类，抑制不利酶类，使得多种酶活性显著提高。在土壤改良剂的施加量为0.3%时活性达到最强，包括土壤脲酶、蛋白酶、芳香氨基酶、几丁质酶等。

施加本发明实施例的土壤改良剂后，土壤中的有机质、全氮、速效磷和等显著增加。有机质含量随着土壤改良剂微粉的浓度增大而显著提高，氮含量在土壤改良剂施加在土壤中的质量百分比为0.3%时达到最大值，施加在土壤中的质量百分比为在0.2%~0.5%时有效磷含量达到最大。

施加本发明实施例的土壤改良剂后，对土壤磷酸酶活性有重要影响。在土壤改良剂施加在土壤中的质量百分比为低于0.5%时，对土壤中的中性、碱性磷酸酶具有激活作用，且激活作用随着施加量的增加而先增大后减弱。可以加速水解磷酸单酯将底物分子上的磷酸基团除去，并生成植物易吸收利用的磷酸根离子和自由羟基。且在土壤改良剂施加在土壤中的质量百分比为0.3%时活性达到最强。而对酸性土壤中的磷酸酶激活作用一般，可适当提高施加量到0.7%。本发明实施例的土壤改良剂对土壤过氧化氢酶也具有一定激活和促进的作用，可以增强植物呼吸作用。对土壤脲酶有较好的抑制作用，从而减缓尿素等化肥转化为氨的挥发流失过程。

施加本发明实施例的土壤改良剂后，使土壤中重金属等有害离子向残渣态转变效果更好，更易固化进而降低其在土壤中残留时间迁移能力与风险程度。可使得土壤中的铬、镉、镍、铜、汞等有害金属离子固化率分别达到62%、65%、73%、80%和85%以上，效果理想，大大减少了重金属在土壤中的迁移和向植物体内的转化能力，本发明实施例的土壤改良剂使土壤pH略微升高，对酸化土壤综合修复的同时可使土壤中速效钾的含量进一步优化有效维持在60 ~ 100 mg/kg的理想水平，同时略微升高有效氮含量。

实施例1

本实施例用于说明一步混合法制备黄芪生物炭制备：

1、制备原料粉；

2、取适量原料粉于烧杯中，加入磷酸和硝酸钠摩尔比为2：8、浓度为10 mol/L的改性剂溶液于磁力搅拌器上浸渍搅拌12小时，原料粉与改性剂的质量比为4：1；让磷酸、硝酸钠充分均匀地附着于原料上，然后装入离心管中离心30分钟，倒去上层液体，固体在80℃下烘干备用。

3、将烘干的固体置于刚玉舟中在流速为25 mL/min的N₂氛围下，以5℃/min升温速率升温至835℃热解2小时，待温度降至室温，取出用超纯水和1 mol/L稀盐酸反复抽滤冲洗至pH为中性，在105℃下烘干24小时备用。

实施例2

本实施例用于说明腐殖质微粉的制备，其所用设备的结构示意图如图1所示。具体的步骤为：

1、将褐煤、泥炭、矿石表层中的一种或几种混合物，在常温常压下进行干燥预处理后粉碎成1 ~ 10 mm的小颗粒；

2、将粉碎后的小颗粒装入变轨研磨机中的进料器1中，再将研磨机变轨调整器6的研磨档位调至适当档位（此档时研磨出的颗粒约为0 ~ 200 μm左右），同时将送气口12的空气流（调整送气口处送气压力约为150KPa左右）从上磨盘2的中心注入至下磨盘3的空隙、并向四围360度扩散；研磨后颗粒A从上磨盘2与下磨盘3间的诸多出气及出料孔7处混合喷射出、并冲向约200目的网筛4，利用气流使颗粒选择性的通过四周约200目的网筛，通过网筛的成为粗加工料，其最大径粒约为75 μm左右。

3、将上述粗加工料通过传送装置8（调整传送装置的管内压力约为110KPa左右）、注入变轨球磨机中的上磨盘102的中心进料口，再将球磨机变轨调整器104的球磨档位调至适当档位（此档时球磨出的颗粒约为0 ~ 50 μm左右）。球磨后颗粒从球磨机上磨盘102与球磨机下磨盘103间的诸多球磨机出气及出料孔107处混合喷出，其中较大颗粒部分（球磨后颗粒B）在重力作用下掉落至容器底部，而微细颗粒（径粒约为0.5 ~ 10 μm的微粉）漂浮在容器上部。

4、通过旋吸装置105将容器中直径约为0.5 ~10 μm的微粉粒漂浮物，吸至出料口106，其中旋吸装置105内的压力调至约120 KPa左右。

利用超微细物理研磨加工技术，将褐煤、泥炭、矿石表层等原料在常温常压下，通过气流分级多维调节，进而控制出粉颗粒细度，最终获得直径为5 ~ 10 μm的腐殖质微粉。

与传统研磨和/或球磨方法相比，本方法具有以下优点：

（1）送气口12的空气流提高了研磨机装料、出料速度、及研磨后颗粒A过网筛4的通过率，使研磨后的粗加工效率显著提高；

（2）在出料口106处、取消了传统的微细网筛，采用旋吸装置105，利用其所产生的旋吸力小于球磨后颗粒B（较大颗粒部分）所受重力的关系，选择性的将球磨后直径小于10μm的小颗粒微粉、高速送至出料口106，进而在保证出粉颗粒小尺寸精度的前提下，有效提高了精加工效率，使腐殖质微粉的量产、性价比等显著提高，为改良剂的大力推广奠定坚实基础。

实施例3

本实施例用于说明土壤改良剂的制备：

利用真空分散机进行负载（东莞市鑫洪佳通用机械设备有限公司，XHJT-ZK100，100 cm×30 cm ×55 cm），采用实施例2制备的粒径为0.5 ~ 10 μm的腐殖质微与实施例1制备的黄芪茎叶制备的改性生物炭颗粒（2 ~ 5 mm）在25℃真空条件下以35 ~ 45rs/min缓慢搅拌混合2 ~ 3小时，使得两者在化学键、氢键、π-键范德华力、官能团吸引以及空隙填充和颗粒悬挂作用下结合在一起完成负载，制成土壤改良剂。

负载后的土壤改良剂的结构表征图图谱如图2和图3所示。

图2为土壤改良剂的扫描电子显微照片，可以观察到黄芪生物炭颗粒表面负载有丰富的腐殖质微粉，生物碳多孔结构明显、骨架清晰、比表面积巨大；负载大量腐殖质微粉后，表面润滑、填充均匀饱满。

图3为土壤改良剂的元素分析图，由图3可知，改性生物炭表面负载腐殖质微粉后N元素的质量百分比含量为2.36%，负载P元素的质量百分比含量为2.02%。

实施例4

按照实施例1的方法制备黄芪生物炭，区别在于，改变以下4个条件，其余条件均与实施例1相同：

表1

获得的黄芪生物炭的参数如表2所示：

其中，参数的测定方法参考如下方法：

使用BET方程计算，获得材料的比表面积、孔径分布；

使用SEM获取生物炭外观形状、大小、表面形貌等信息；

元素负载量采用分光光度法分析材料元素组成，验证N，P负载情况。

表2

以下实验例以实施例3制备的土壤改良剂为材料，开展土壤改良剂对陇西地区贫瘠黄土土壤的土壤结构和透水透气性能以及保水保肥能力与作物产量和品质提高等影响的研究，为黄芪种植土壤土质提升与结构改良、及保水、保肥、透气性能的增强，提供了理论依据。

实验例1

本实验例用到的测定方法为：

1、土壤中金属Pb、Cd、Hg、Sn、Cu含量测定方法参考原子荧光光谱法；

2、土壤中有机质、全氮和速效磷的含量测定方法分别参考分光光度法、和半微量开氏法(GB7173-1987)；

3、黄芪成熟时期根茎的有效浸出物，测定方法参考浸出化学分析法；

在甘肃陇西县碧岩镇、双泉镇、德兴镇、柯寨镇张家湾等地方、各选取一块代表性的试验区，并把试验区平均分为面积相同的4个区域块。分别为改性生物炭区（实施例1制备）、空白对照区、土壤改良剂区（实施例3制备）、腐殖光度比色法质微粉区（实施例2制备）。

为研究土壤生物炭与黄芪生长的相关性，以两个月为一个周期在各区内施加各肥料，施加方式具体如下：

1、空白对照区不施加；

2、在改性生物炭区内使用事先将改性生物炭（实施例1中制备的）与土壤按照质量比2：1混合，再施加在此种植区，总用量达到15 t/hm²。

3、在土壤改良剂区内使用土壤改良剂，以两个月为一个周期单独施加腐殖质微粉。使用时同样与土壤进行2：1的混合，再施加在种植区，总用量达到15 t/hm²。

4、土壤腐殖质微粉区以两个月为一个周期单独施加腐殖质微粉。使用时同样与土壤进行2：1的混合，再施加在种植区，总用量达到15 t/hm²。

一、在黄芪幼苗生长时期，检测各区块土地表层20 ~ 30 cm内土壤中任意3个样本点处金属Pb、Cd、Hg、Sn、Cu等的平均含量，具体如表3所示；

表3

由表3可知，由于生物炭的吸附作用，改性生物炭区的重金属含量相较于空白对照区降低了约20%~50%，但仍高于土壤改良剂区。

说明施加改性生物炭和土壤改良剂均能显著降低重金属含量，土壤改良剂的效果更优。

二、在开花时期，检测各区块相同土层中任意3个样本点处土壤内有机质、全氮和速效磷的平均含量，具体如表4所示：

表4

由表4可知，单独施加改性活性炭对土壤肥力提升有限，但施加土壤改良剂后土壤肥力显著提升。说明施加土壤改良剂各腐殖质微粉均能提高土壤有机质含量和肥力。

三、黄芪幼苗生长情况，测量各块试验区中任意10株样本的主根直径、长度和单株重量，各平均值具体如表5所示：

表5

由表5可知，施加改性生物炭后，幼苗时期黄芪的主根直径、主根长度、单株重都较于对照组虽有增长，但明显低于土壤改良剂区。单独施加腐殖质粉时，黄芪生长情况虽优于单独改性生物炭区，但仍低于土壤改良剂区。这是因为腐殖质在土壤中降解需要大量碳源，而土壤中本身碳源就缺乏，故土壤改良剂的负载施加刚好填补了这一空缺进而形成了一加一大于二的叠加功效。

四、黄芪成熟时期根茎的有效浸出物，测定各块试验区中任意10株样本中的黄芪多糖和黄芪皂苷、毛蕊异黄酮和葡萄糖苷含量，各平均值具体如表6所示。

表6

根据表6可知，土壤改良剂区的黄芪成熟时期根茎的有效浸出物总量（黄芪多糖和黄芪皂苷）显著高于改性生物炭区和腐殖质微粉区。

五、对土壤pH影响：

单独添加腐殖质微粉后，土壤的pH有显著的变化。在相同土壤条件下，黄芪现蕾期时土壤的pH值达到7.9，高于施加土壤改良剂土壤的pH值（pH=7.1）。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种针对黄芪增产提质的土壤改良剂，其特征在于，所述土壤改良剂为负载有腐殖质微粉的改性生物炭颗粒，所述生物炭颗粒采用黄芪的茎和/或叶为原材料制备而成；

所述改性生物炭颗粒表面负载有氮元素和磷元素，所述改性生物炭表面负载N元素的质量百分比含量为0.2% ~ 0.5%，负载P元素的质量百分比含量为0.2%~ 0.5%；所述腐殖质微粉的粒径为0.5 ~ 10 µm，所述腐殖质微粉采用超微细物理研磨加工与气流分级多维调节相结合技术制备得到；所述生物炭颗粒的粒径为2 ~ 5 mm。

2.根据权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于，

所述生物炭颗粒的比表面积为700 ~ 800 m²/g，总孔容积为0.5 ~ 0.6 cm³/g；和/或，

所述土壤改良剂的粒径为3.5 ~ 5.0 mm。

3.根据权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于，所述腐殖质微粉与所述生物炭颗粒的质量比为1 ~ 9：1 ~ 9。

4.如权利要求1~3任一项所述土壤改良剂的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

S1、采用一步负载法制备负载有氮元素和磷元素的改性生物炭颗粒；

S2、制备腐殖质微粉；

S3、将所述生物炭颗粒与所述腐殖质微粉按照质量比进行负载，得到所述土壤改良剂。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在S1中包括：

S11、粉碎黄芪的茎和/或叶，得到原料粉；

S12、将所述原料粉与改性剂混合，浸渍8 ~ 24小时，离心、干燥得固体物；所述改性剂为磷酸和硝酸钠混合溶液；

S13、将所述固体物晾干后置于N₂氛围管式炉内中，升温至800℃~ 840℃热解1.5 ~ 3小时；

S14、清洗至中性，干燥，即为所述生物炭颗粒。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

S11中，所述原料粉的粒径为5 ~ 8 mm；和/或，

S12中，所述改性剂中磷酸和硝酸钠的摩尔比为1 ~ 2：8 ~ 9，溶液的浓度为5 ~ 20mol/L；和/或，

S12中，所述原料粉与所述改性剂的质量比为3 ~ 8：1 ~ 5；和/或，

S12中，所述干燥的温度为70 ~ 80℃，时间12 ~ 24小时。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

S13中，惰性气体N₂的流速为20 ~ 30 mL/min，升温的速率为3 ~ 6℃/min；和/或，

S13中，升温至830℃~ 838℃热解2小时；和/或，

S14中，所述清洗的条件为采用超纯水和0.1 ~ 1 mol/L盐酸反复抽滤冲洗；和/或，

S14中，所述干燥的条件为：100 ~ 105℃下烘干12 ~ 24小时。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S2包括：

S21、首先将腐殖质原料干燥、粉碎成1 ~ 10 mm的小颗粒；所述腐殖质原料包括褐煤、泥炭、矿石表层中的至少一种；或所述腐殖质原料采用土壤好氧培养法制备；

S22、将所述小颗粒装入变轨研磨机进行研磨，将研磨档位调至研磨出的粒径不大于200 μm颗粒，同时将压力为150 KPa的空气流、从上下磨盘中心注入至上下磨盘空隙、并向四周扩散，利用气流使颗粒通过四周的网筛，获得粒径不大于75 μm的微粒；

S23、将所述微粒送入多级变轨球磨机，调节球磨档位，通过多级变轨后，球磨出粒径为0.5 ~ 50 μm的颗粒，同时将压力为120 KPa的空气流、从球磨机正上方旋转吸出，获得0.5~ 10 μm的微粉。

9.如权利要求1 ~ 3任一项所述的土壤改良剂或如权利要求4 ~ 8任一项所述的制备方法制备得到的土壤改良剂在用于改良黄芪种植用地土壤中的应用，其特征在于，在酸性土壤中，所施用的土壤改良剂中生物炭颗粒与腐殖质微粉的重量比7 ~ 9：1 ~ 3；

在碱性土壤中，所施用的土壤改良剂中生物炭颗粒与腐殖质微粉的重量比为1 ~ 3：7~ 9；

在沙化土壤中，所施用的土壤改良剂的粒径为2.5 ~ 3.5 mm。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述土壤改良剂施加在土壤中的质量百分比为0.1％ ~ 0.5％。

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