CN115820262A - Cmc结合sap的复合型土壤改良剂与生态基材及制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，由CMC和SAP组成，CMC和SAP的重量比为3:1；复合型土壤改良剂可提升贫瘠边坡土壤的持水性能、促进贫瘠边坡土壤的养分释放。还提供了一种包含复合型土壤改良剂的生态基材，包括以下重量份的组分：土壤100份、复合型土壤改良剂0.2份、植物种子0.06份和水6份；复合型土壤改良剂为CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，CMC和SAP的重量比为3:1；生态基材可提高贫瘠边坡的植物存活率。本发明可以解决现有技术中各种改良配方，不能同时改善贫瘠边坡的土壤持水性能和土壤的养分贫瘠状态，会极大影响植物生存率的技术问题。

Description

CMC结合SAP的复合型土壤改良剂与生态基材及制备方法和 用途

技术领域

本发明涉及贫瘠边坡的生态修复治理技术领域，具体涉及一种CMC结合SAP的复合型土壤改良剂与生态基材及制备方法和用途。

背景技术

贫瘠边坡土壤指缺少土、水、肥等植物生存的基本条件的土壤，植被在此环境下难以存活。目前，修复和治理贫瘠边坡生态成为环保治理发展的大趋势，因此，各种生态护坡技术得到了大力发展。

生态护坡技术的两个核心内容是植物配置与生态基材组成。其中，生态基材是植物生存、生长的重要基础，由土壤、生态添加剂、有机质、复合肥组成。目前，针对生态添加剂影响土壤性能的研究是国内外相关工作者的关注热点，并取得了一定的研究成果。常用的生态添加剂分为高分子类和无机材料类。对于高分子类的生态添加剂，目前研究较多的主要是多聚糖类、腐殖酸类、纤维素类以及木质素类的高分子化合物。作为传统天然改良剂的一种，天然高分子物质对于环境的危害性小，同时对土壤物理性质的改良效果较无机矿物类改良剂更为全面和有效。高分子聚合物同样具有改善土体结构、提高土体力学机械性能、增强土体抗冲刷特性等优点，目前已在土体改良中得到广泛应用。而对于无机材料类的生态添加剂，目前研究较多的是水泥、磷石膏等。水泥、石膏的加入可降低基材收缩率，提高基材强度和抗雨水冲刷性能。

目前，分析生态添加剂对土壤力学性质的影响方面的研究较多，而研究生态添加剂对植物生长抗逆性的较少；鉴于各个研究者对象土体的理化性质差异大，因此在现有技术中，对于生态护坡所采用的土壤改良配方不尽相同，现有的各种改良配方都不能同时改善贫瘠边坡的土壤持水性能和土壤的养分贫瘠状态，会极大的影响植物的生存率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种CMC结合SAP的复合型土壤改良剂与生态基材及制备方法和用途，以解决现有技术中各种改良配方，不能同时改善贫瘠边坡的土壤持水性能和土壤的养分贫瘠状态，会极大影响植物生存率的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，提供了一种CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，复合型土壤改良剂由CMC和SAP组成，CMC和SAP的重量比为3:1。

进一步的，SAP的粒径为60-100目，吸水率为自身重量100倍。

进一步的，CMC的粘度为300-800mPa·s。

第二方面，提供了CMC结合SAP的复合型土壤改良剂之用途，为提升贫瘠边坡土壤的长效保水性能。

提供了CMC结合SAP的复合型土壤改良剂之用途，为促进贫瘠边坡土壤的养分释放。

第三方面，提供了一种CMC结合SAP的复合型土壤改良剂的制备方法，包括以下步骤：取重量比为3:1的CMC和SAP，通过搅拌方式均匀混合。

第四方面，提供了一种包含复合型土壤改良剂的生态基材，生态基材包括以下重量份的组分：土壤100份、复合型土壤改良剂0.2份、植物种子0.06份和水6份；

复合型土壤改良剂为CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，CMC和SAP的重量比为3:1。

第五方面，提供了包含复合型土壤改良剂的生态基材之用途，为提高贫瘠边坡的植物存活率。

第六方面，提供了一种包含复合型土壤改良剂的生态基材的制备方法，其包括以下步骤：

将重量份为100份的土壤与0.2份的复合型土壤改良剂充分混合，得到混合料；复合型土壤改良剂为CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，所述CMC和SAP的重量比为3:1

将混合料分为两部分，混合料的五分之一作为上层混合料，混合料的五分之四作为下层混合料；

将上层混合料与重量份为0.06份的植物种子混合，得到生态基材的种子层；

在下层混合料之上铺设种子层，然后对种子层喷洒重量份为6份的水，得到浸润的生态基材。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

1.CMC结合SAP的复合型土壤改良剂能够改良土壤结构，使土壤容重保持较小，提高土壤孔隙度，使土壤拥有较好的长效保水性能。

2.CMC结合SAP的复合型土壤改良剂能够促进土壤养分释放和生物化学转化速度，提高氮、磷、钾的速效成分，改善土壤中的养分贫瘠状态。

3.基于CMC结合SAP的复合型土壤改良剂制备的生态基材，可以提高贫瘠边坡的植物生存率。

4.制备方法简单，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1(a)～图1(f)为本发明一实施例中高羊茅15、45天长势情况；

图2为本发明一实施例中高羊茅60天根系发育对照情况；

图3为本发明一实施例中生态基材制备方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例

本申请的发明人通过研究发现，对于贫瘠边坡土壤的生态护坡技术，要使植物的生存率高，其关键是要提高植物种子发芽率，以及在植物发芽后贫瘠边坡土壤能够提高氮、磷、钾等养分的速效成分供植物生长。为此，本申请的发明人进行了验证植物种子发芽率的以下试验：

首先，制备包含不同生态添加剂的生态基材，步骤如下：

S11、将工程弃方土与生态添加剂充分混合得到混合料；

在本试验中，工程弃方土为经干燥粉碎过筛而成，土壤中砂砾含量不超过5％，土壤粒径小于8mm。混合料中工程弃方土的重量份为100份。

为进行对比试验，生态添加剂分别选用水泥、SAP(高分子吸水树脂)、玉米淀粉、CMC(羧甲基纤维素钠)、木质素。具体的，水泥为早强型普通硅酸盐水泥(P.O 42.5R)，SAP、CMC、木质素为工业级，玉米淀粉为分析纯。混合料中，各生态添加剂的重量份分别为：

水泥，1份、2份、3份；

SAP，0.05份、0.1份、0.15份；

玉米淀粉，0.05份、0.1份、0.15份；

CMC，0.05份、0.1份、0.15份；

木质素，0.05份、0.1份、0.15份。

S12、取步骤S11制备得到的混合料的五分之一与植物种子混合，得到生态基材的种子层；

在本试验中，植物种子选用高羊茅种子，高羊茅种子的重量份为0.06份。混合料的五分之一为重量份。

S13、取步骤S11制备得到的混合料的五分之四装入试验盆的下层，在其上装入生态基材的种子层，然后对种子层喷洒水得到浸润的生态基材。

在本试验中，喷洒水时，水的重量份为6份。

按上述方法制备得到浸润的生态基材后，将浸润的生态基材统一放置在室外。未发芽时，根据天气情况定期浇水养护，当发芽数稳定后，除遇极端高温干旱天气时，不再额外人为浇水。记录生态基材的植生情况，各生态基材的15天发芽情况如表1：

表1不同生态添加剂处理下高羊茅播种15天的发芽率

上表中的样品编号一列，从上至下，J-0为空白对照组，J-SN、J-SAP、J-DF、J-CMC、J-M，表示生态基材中所加的生态添加剂分别为水泥、高分子吸水树脂、玉米淀粉、羧甲基纤维素钠、木质素。同种生态添加剂同列不同小写字母，表示处理间差异显著(P<0.05)，后续的表格均沿用此处的说明。

15、45天的高羊茅长势如图1(a)～图1(f)所示，图1(a)～图1(f)依次分别对应J-0、J-SN、J-SAP、J-DF、J-CMC、J-M；图1(a)～图1(f)中，左图为15d，展示是的高羊茅在发芽后15天的长势情况；右图为45d，展示是的高羊茅在发芽后45天的长势情况。

从表1、图1中可以看出，当生态基材中含同种生态添加剂时，其生态添加剂重量分别是：水泥为1份、SAP为0.05份、玉米淀粉为0.15份、CMC为0.15份、木质素为0.05份时，对应的同组生态基材的植生情况效果最佳，即：在生态基材中添加一定重量份数的水泥、SAP、玉米淀粉、CMC或木质素，均能有效提高的植物种子发芽率。同时还可以看出，含0.05份CMC的生态基材中高羊茅15天发芽率最高，含0.15份CMC的生态基材高羊茅后期生长效果最佳。

在上述验证植物种子发芽率试验的基础上，本申请的发明人还进行了验证植物生长存活情况的以下试验：

对于水泥、SAP、玉米淀粉、CMC和木质素这5种组分，分别以水泥、SAP中的一种作为基础组分，以玉米淀粉、CMC、木质素中的一种作为额外添加组分，将一种基础组分与一种额外添加组分进行两两混合；混合时各组分的重量，按照植物种子发芽率试验得出的最佳效果来配置，得到多种复合型土壤改良剂。在验证多种复合型土壤改良剂的效果时，首先制备包含不同复合型土壤改良剂的生态基材，步骤如下：

S21、将工程弃方土与复合型土壤改良剂充分混合得到混合料；

在本试验中，工程弃方土为经干燥粉碎过筛而成，土壤中砂砾含量不超过5％，土壤粒径小于8mm。混合料中工程弃方土的重量份为100份。

为进行对比试验，复合型土壤改良剂包括以下多种，成分分别为：水泥和SAP(样品编号用SNSAP表示)、水泥和玉米淀粉(样品编号用SNDF表示)、水泥和CMC(样品编号用SNCMC表示)；水泥和木质素(样品编号用SNM表示)；以及SAP和玉米淀粉(样品编号用SAPDF表示)、SAP和CMC(样品编号用SAPCMC表示)、SAP和木质素(样品编号用SAPM表示)。上述各种复合型土壤改良剂中，水泥的重量份数均为1份，SAP的重量份数均为0.05份，玉米淀粉的重量份数均为0.15份，CMC的重量份数均为0.15份，木质素的重量份数均为0.05份，这些重量份数的选择，基于前文验证植物种子发芽率试验的试验结果数据。

S22、取步骤S21制备得到的混合料的五分之一与植物种子混合，得到生态基材的种子层；

在本试验中，植物种子选用高羊茅种子，高羊茅种子的重量份为0.06份。混合料的五分之一为重量份。

S23、取步骤S21制备得到的混合料的五分之四装入试验盆的下层，在其上装入生态基材的种子层，然后对种子层喷洒水得到浸润的生态基材。

在本试验中，喷洒水时，水的重量份为6份。

按上述方法制备得到浸润的生态基材后，将浸润的生态基材统一放置在室外。未发芽时，根据天气情况定期浇水养护，当发芽数稳定后，除遇极端高温干旱天气时，不再额外人为浇水。

为了说明含不同复合型土壤改良剂的生态基材之性能，以及对植生效果造成的影响，本申请的发明人进行了以下试验并记录结果，包括：

高羊茅15天发芽率、60天成苗率以及60天平均地上生物量对照情况见表2；

表2含复合型土壤改良剂的生态基材的植生情况

从表2可以看出，根据高羊茅的成苗率、单株生物量指标，J-SAPCMC、J-SNSAP的试验结果最佳。

高羊茅60天根系发育对照情况见图2，从图2中可以看出：J-SAPCMC、J-SAPM的试验结果最佳。

生态基材的氮、磷、钾养分含量对照情况见表3、4、5；

表3含复合型土壤改良剂的生态基材有效氮含量

表4含复合型土壤改良剂的生态基材有效磷含量

表5含复合型土壤改良剂的生态基材有效钾含量

生态基材的pH值对照情况见表6；

表6含复合型土壤改良剂的生态基材pH值

生态基材的性质，包括土壤容重、土壤总孔隙度、田间持水量、土壤饱和含水率，其对照情况见表7：

表7含复合型土壤改良剂的生态基材性质

结合表3-表7的试验数据，根据各生态添加剂复掺试验结果，综合考虑基材的养分含量、pH、土壤容重、土壤总孔隙度以及持水特性等指标可得出，编号为J-SAPCMC的生态基材性能最佳，即：含有由SAP重量份为0.05份与CMC重量份为0.15份的复合型土壤改良剂的生态基材，其高羊茅成苗率最高，达到了95％；其植株生长最粗壮，拥有发达的根系网络；且生态基材的土壤容重小、土壤总孔隙度高，持水性能较好，且其养分N、P、K有效含量得到了提高。

根据上述试验结果，本实施例提供一种CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，由CMC(羧甲基纤维素钠)和SAP(高分子吸水树脂)组成，CMC和SAP的重量比为3:1。

在一些实施例中，CMC结合SAP的复合型土壤改良剂中，SAP的粒径为60-100目，吸水率为自身重量100倍；CMC的粘度为300-800mPa·s。

在一些实施例中，CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，其制备方法包括：取重量比为3:1的CMC和SAP，通过机械搅拌的方式均匀混合。因CMC、SAP的粒径、表面光泽度不同，所以可以根据其颗粒分布判断是否达到物理意义上的均匀混合。

以下对CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，其改良机理进行阐述。

SAP的分子结构单元如下：

SAP是一种新型功能高分子材料，具有吸水、储水、释水的特性。SAP吸水—释水作用机理为：SAP链上的-OH，-COOH等亲水性基团首先与水分子发生水合作用形成氢键，随后开始电离形成带电基团，这些带电基团一方面形成静电斥力促使SAP的三维网络发生扩张，另一方面形成聚合物网络内外的离子渗透压促进水分子的渗入，同时，水分子又会被SAP特殊结构所束缚，因而SAP具有一定的保水性能；而当SAP周围的环境湿度下降时，聚合物网络结构包覆的水分子在渗透压的作用下会被释放出来，延缓环境湿度的降低。

CMC的分子结构单元如下：

CMC是由天然纤维素经过化学改性得到的一种水溶性纤维素醚类产品，具有吸湿性强，易溶于水和光、热稳定性好等优点，在复合型土壤改良剂中可承担粘结剂的作用。利用CMC的粘合性功能进行土壤水分与养分吸附，实现水分养分保持，能够改善新造耕地的土壤质量。对比基材的养分含量可知，向基材中添加CMC可以提高土壤电导率以及土壤养分含量，土壤电导率越高代表土壤中可供植物直接利用的电解质元素越多；CMC具有的粘结力可以促进土壤团聚体的形成，改变土壤孔隙结构来提高土壤持水能力并抑制土壤蒸发，还可以提高土壤侵蚀的抵抗力。

同时，因为SAP和CMC的分子结构相似，其聚合物链上都含有丰富的亲水基团，都会与水分子发生水合作用形成氢键，当SAP和CMC链上的某个亲水基团同时与同一个水分子发生水合作用时，那么此时的聚合物网络空间网络会更大，保水性会更强，且具有粘合力，因此SAP与CMC复配对土壤的改良效果会更好；只需要将CMC与SAP相结合，不需要再添加其他组分，即可得到很好的土壤改良效果：对于贫瘠边坡可同时提升土壤的持水性能，以及促进土壤的养分释放。

本实施例还提供一种包含复合型土壤改良剂的生态基材，生态基材包括以下重量份的原料：土壤100份、复合型土壤改良剂0.2份、植物种子0.06份和水6份。其中，复合型土壤改良剂为CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，CMC和SAP的重量比为3:1；SAP的粒径为60-100目，吸水率为自身重量100倍；CMC的粘度为300-800mPa·s。

上述包含复合型土壤改良剂的生态基材，其制备方法包括以下步骤：

S1、将重量份为100份的土壤与0.2份的复合型土壤改良剂充分混合均匀，得到混合料；

S2、将混合料分为两部分，将混合料的五分之一作为上层混合料，将混合料的五分之四作为下层混合料；分离后，上层混合料、下层混合料的形状不作限定，在一些实施例中，为条形块状。

S3、取上层混合料与重量份为0.06份的植物种子混合，得到生态基材的种子层；种子层的形状不作限定，在一些实施例中，为条形块状。

S4、在下层混合料之上铺设生态基材的种子层，然后对种子层喷洒重量份为6份的水，得到浸润的生态基材。铺设种子层的方法不作限定，以现有技术中任一可实现方式实施。

本实施例提供的包含复合型土壤改良剂的生态基材，可以保持基材土壤的pH值呈中性，适合植物生长；能够改良重塑土壤团粒结构，提高大团聚体比例，避免重塑土板结，促进土壤养分释放和生物化学转化速度；还可以长效保水，给植物生长提供足够的水分；提高贫瘠边坡的植物存活率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，其特征在于，包括：所述复合型土壤改良剂由CMC和SAP组成，所述CMC和SAP的重量比为3:1。

2.根据权利要求1所述的复合型土壤改良剂，其特征在于，所述SAP的粒径为60-100目，吸水率为自身重量100倍。

3.根据权利要求1所述的复合型土壤改良剂，其特征在于，所述CMC的粘度为300-800mPa·s。

4.如权利要求1所述CMC结合SAP的复合型土壤改良剂之用途，其特征在于，提升贫瘠边坡土壤的长效保水性能。

5.如权利要求1所述CMC结合SAP的复合型土壤改良剂之用途，其特征在于，促进贫瘠边坡土壤的养分释放。

6.一种CMC结合SAP的复合型土壤改良剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：取重量比为3:1的CMC和SAP，通过搅拌方式均匀混合。

7.一种包含复合型土壤改良剂的生态基材，其特征在于，所述生态基材包括以下重量份的组分：土壤100份、复合型土壤改良剂0.2份、植物种子0.06份和水6份；

所述复合型土壤改良剂为CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，所述CMC和SAP的重量比为3:1。

8.如权利要求7所述包含复合型土壤改良剂的生态基材之用途，其特征在于，提高贫瘠边坡的植物存活率。

9.一种包含复合型土壤改良剂的生态基材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将重量份为100份的土壤与0.2份的复合型土壤改良剂充分混合，得到混合料；所述复合型土壤改良剂为CMC结合SAP的复合型土壤改良剂，所述CMC和SAP的重量比为3:1；

将混合料分为两部分，混合料的五分之一作为上层混合料，混合料的五分之四作为下层混合料；

将上层混合料与重量份为0.06份的植物种子混合，得到生态基材的种子层；

在下层混合料之上铺设所述种子层，然后对所述种子层喷洒重量份为6份的水，得到浸润的生态基材。

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