CN117987145B - 一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂。该复合型调控剂是由质量百分比富硒生物炭45%‑60%，硫改性煤矸石25%‑35%，硅矿粉15%‑25%，硫酸锌0.1%‑1%组成，能够降低土壤pH值和盐渍化、提升土壤质量、促进农作物生长、增加农作物产量、改善农产品品质，实现土壤“降盐碱”、农作物“增产量、提品质”的改良目的，同时复合型调控剂中大量的有机无机营养成分可提高土壤肥力，促进耕地质量提高和盐碱地资源的开发利用。
Description
技术领域
本发明涉及盐碱地改良领域，具体涉及一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂。
背景技术
土壤盐渍化是一个世界性的资源问题和生态问题。耕地土壤盐碱化已成为限制农业发展和作物生产的重要因素之一。在农业生产中，土壤盐渍化降低土壤养分利用率、有机质含量和土壤肥力，抑制作物正常的生长和繁殖，最终影响农作物的产量和品质。目前，如何有效改良土壤盐碱化，提高农作物产量和品质是关键难题。
盐碱地改良技术包括农艺改良、生物改良、物理改良和化学改良。农艺改良措施虽然易接受、易推广，但其时效性短，改良效果因自然条件不同而异。生物改良虽然具有较好的调控效果，但往往需要花费大量的时间和成本筛选耐盐碱作物和微生物，改良实际应用具有较大难度。物理改良也存在改良效果不理想，盐碱易反复的弊端。化学改良措施因施用改良剂而不影响正常的土壤利用，同时可根据土壤特点灵活调整配方，具有快速、高效、针对性强的优势。然而，目前应用的改良剂性能仍需提高。有效改良盐碱地并同时提升土壤质量，增加农作物产量和品质的调控剂是急需的，加强盐碱地改良调控剂的研究对挖掘盐碱地开发利用潜力、改善生态环境、缓减粮食危机和发展区域经济具有重要意义。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明提出一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂，可有效降低土壤pH值和土壤盐分离子，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，实现土壤“降盐碱”、农作物“增产量、提品质”的改良目的。
一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂，所述复合型调控剂是由富硒生物炭、硫改性煤矸石、硅矿粉和硫酸锌组成，组成比例按照质量百分比：富硒生物炭45%-60%，硫改性煤矸石25%-35%，硅矿粉15%-25%，硫酸锌0.1%-1%。将上述四种组分按照比例充分搅拌至均匀，获得盐碱地降盐改碱的复合型调控剂。
在上述技术方案中，所述的富硒生物炭的制备方法为：
（1）将农业废弃物粉碎置于马弗炉中，在氮气保护下，控制升温速率为10℃/min-20℃/min，热解温度为300℃-400℃，热解时间为1-2 h，制备成生物炭。
（2）将制备成的生物炭加入到硒代氨基酸混合溶液中，所述混合溶液中硒代氨基酸与生物炭的质量比为0.01：1-0.04：1；将生物炭与混合溶液搅拌均匀，置于玛瑙罐中，加入玛瑙球磨珠，密封，再置于球磨仪中，球磨速率为400-600 r/min，球磨时间为10-12 h，结束后过滤混合溶液，烘干，获得富硒生物炭。
在上述技术方案中，所述的硫改性煤矸石的制备方法为：
（1）将煤矸石研磨至粒径小于0.25 mm的粉末状，置于马弗炉中，在氮气保护下，控制升温速率为10℃/min-20℃/min，热解温度为500℃-800℃，热解时间为2-3 h，获得去除杂质后的煤矸石。
（2）将3-巯丙基三甲氧基硅烷和上述去除杂质后的煤矸石按照0.1：1-0.6：1质量比添加到去离子水中混合，搅拌至均匀，置于玛瑙罐中，加入玛瑙球磨珠，密封，再置于球磨仪中，球磨速率为400-600 r/min，球磨时间为5-7 h，结束后过滤混合溶液，烘干，获得硫改性煤矸石。
在上述技术方案中，所述的硫酸锌为七水合硫酸锌。
优选的，所述的富硒生物炭中硒代氨基酸与生物炭的质量比为0.03：1。
优选的，所述的硫改性煤矸石中3-巯丙基三甲氧基硅烷与煤矸石的质量比为0.4：1。
优选的，所述的复合型调控剂按照质量百分比由55%富硒生物炭、24%硫改性煤矸石、20.5%硅矿粉、0.5%硫酸锌组成。
在上述复合型调控剂中，富硒生物炭是低温煅烧结合液相球磨制备而成，其含有数量和种类丰富的酸性基团，pH值为4.5-5.5，加入土壤后，富硒生物炭直接释放氢离子，或氢离子与钠离子交换，有效降低土壤碱度。富硒生物炭具有较大的比表面积和孔隙体积，能有效吸附盐分离子，缓减土壤盐渍化；富硒生物炭施加到土壤后，增加土壤有效硒，提高植物有效硒利用率，从而提升农产品品质。
在上述复合型调控剂中，硫改性煤矸石含有丰富的酸性官能团，通过释放氢离子降低土壤pH值；硫改性煤矸石上负载的巯基（-SH）直接吸附土壤中的钠离子，降低土壤可溶性盐离子含量；煤矸石含有的大量Fe、P等化学元素与土壤中的盐分离子交换，使盐碱土壤得到有效改善；煤矸石能改善土壤结构，增加土壤孔隙，降低土壤容重，提高土壤渗透性，从而改善土壤质量。
在上述复合型调控剂中，硅矿粉施加到土壤中，提高土壤有效硅含量，提高作物植株内以及产物中的硅浓度，促进作物根系发育以及对微量营养元素的吸收，增加粮食产量，提高农产品品质。
在上述复合型调控剂中，硫酸锌可为土壤提供锌源，提高土壤锌含量，提高土壤质量。同时，施加硫酸锌为作物提供有效锌，增强作物的抗逆性，促进光合作用，增加农产品产量，提高农产品品质。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂，以农业废弃物为生物炭制备原料，煤矿开采产生的无机固废—煤矸石为组分，具有材料来源广泛，价格低廉、绿色环保的优势，同时实现了废弃物的资源化利用，有效缓解了这些废弃物造成的生态环境压力。
2.一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂，由适当比例的负载微量元素的有机和无机成分组成，有效降低土壤pH值和盐分离子、改善土壤质量，从而使农作物产量和品质得到明显的提高。
附图说明
图1为富硒生物炭对土壤总盐度降低率图。
图2为硫改性煤矸石对土壤总盐度降低率图。
图3为生物炭扫描电镜图。
图4为富硒生物炭扫描电镜图。
图5为煤矸石扫描电镜图一。
图6为煤矸石扫描电镜图二。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本发明的一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂，组分及组成比例（按照质量百分比）为：富硒生物炭45%、硫改性煤矸石30%，硅矿粉24.9%，硫酸锌0.1%。将上述四种组分按照比例充分搅拌至均匀，获得盐碱地降盐改碱的复合型调控剂。
所述的富硒生物炭的制备方法为：
（1）将农业废弃物粉碎置于马弗炉中，在氮气保护下，控制升温速率为10℃/min，热解温度为300℃，热解时间为2 h，制备成生物炭。
（2）将制备成的生物炭加入到硒代氨基酸混合溶液中，所述混合溶液中硒代氨基酸与生物炭的质量比为0.03：1；将生物炭与混合溶液搅拌均匀，置于玛瑙罐中，加入玛瑙球磨珠，密封，再置于球磨仪中，球磨速率为500 r/min，球磨时间为12 h，结束后过滤混合溶液，烘干，获得富硒生物炭。
所述的硫改性煤矸石的制备方法为：
（3）将煤矸石研磨至粒径小于0.25 mm的粉末状，置于马弗炉中，在氮气保护下，控制升温速率为15℃/min，热解温度为700℃，热解时间为2 h，获得去除杂质后的煤矸石。
（4）将3-巯丙基三甲氧基硅烷和上述去除杂质后的煤矸石按照0.4：1质量比添加到去离子水中混合，搅拌至均匀，置于玛瑙罐中，加入玛瑙球磨珠，密封，再置于球磨仪中，球磨速率为500 r/min，球磨时间为6 h，结束后过滤混合溶液，烘干，获得硫改性煤矸石。
所述的硫酸锌为七水合硫酸锌。
实施例2
与实施例1不同的是：一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂的组分和组成比例（按照质量百分比）为：富硒生物炭50%、硫改性煤矸石30%，硅矿粉19.7%，硫酸锌0.3%。
实施例3
与实施例1不同的是：一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂的组分和组成比例（按照质量百分比）为：富硒生物炭55%、硫改性煤矸石24%，硅矿粉20.5%，硫酸锌0.5%。
实施例4
与实施例1不同的是：一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂的组分和组成比例（按照质量百分比）为：富硒生物炭49.4%、硫改性煤矸石25%、硅矿粉25%、硫酸锌0.6%。
对比例1
与实施例1不同的是：一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂的组分和组成比例（按照质量百分比）为：富硒生物炭50%、硫改性煤矸石50%。
对比例2
与实施例1不同的是：一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂的组分和组成比例（按照质量百分比）为：硫改性煤矸石50%、硅矿粉50%。
对比例3
与实施例1不同的是：一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂的组分和组成比例（按照质量百分比）为：富硒生物炭50%、硅矿粉50%。
在天津市滨海新区农田采集土壤作为供试土壤，分别按照实施例1-4和对比例1-3配比将复合型调控剂加入到5 kg土壤中，进行小麦盆栽试验。复合型调控剂的投加量为土壤质量的0.5%，施入后充分混合均匀。试验设置空白对照处理，每个处理设置3个平行。小麦盆栽期间按照正常的农艺管理进行浇水、施肥在小麦抽穗期选择生长均一的五个植株，测定旗叶叶绿素含量。种植的春小麦品种为津春6号，于2023年3月播种，2023年6月成熟收获。收获后采集土壤样品和小麦样品，进行土壤、小麦及其籽粒的相关检测。
表2为不同配比的复合型调控剂处理组中，盐碱土壤pH值和总盐度的降低率，以及有效硒、有效硅、有机质含量的增加率。可见，施用本发明的复合型调控剂可有效降低土壤pH值和总盐度含量，增加土壤有效硒、有效硅和有机质含量。其中，实施例1，2，3和4的复合型调控剂配比对土壤pH和总盐度降低效果，以及有效硒、有效硅和有机质增加效果最为显著。
表3为不同配比的复合型调控剂处理对小麦旗叶叶绿素含量、根系干质量、植株高度、籽粒千粒重、籽粒硒含量、籽粒铁含量和籽粒锌含量的影响。可见，施用本发明的复合型调控剂可有效增加旗叶叶绿素含量，提高了根系干质量、植株高度和籽粒千粒重，有效提升了籽粒硒、铁和籽锌含量。其中，实施例1，2，3和4的复合型调控剂配比对土壤pH和总盐度降低效果，以及有效硒、有效硅和有机质增加效果最为显著。
为了更好的验证本发明的复合型调控剂对盐碱土壤改良以及农作物产量和品质的效果，选择小麦盆栽实验中的实施例3、实施例4、对比例1、对比例3进行水稻大田试验。试验设置在天津宁河区，试验田块规格为4 m×10 m，按照处理设置将试验田划分为5个4 m×2 m的小区，分别做四种配比复合型调控剂处理和空白对照处理。每个处理设置3个平行。按照300 kg/亩剂量均匀施撒复合型调控剂，采用农机旋耕表层土壤，将复合型调控剂和土壤混合均匀。所有田块按照正常的农业生产进行施肥、浇水等田间管理。种植的水稻品种为津原U89，于2023年6月下旬播种，2023年10月中旬收获。
与空白对照以及对比例1和3相比，实施例3和实施例4处理组中，土壤pH值、总盐度有效降低，土壤有机质、水稻植株高度、稻米千粒重、稻米硒、铁和锌含量显著提高增加，稻米整精米率、胶稠度、直链淀粉和蛋白质品质指标得到有效改善。
在天津市滨海新区农田采集土壤作为供试土壤，将表5中不同改性试剂量比例制备而成的富硒生物炭和硫改性煤矸石分别施加到2.5 kg土壤中，富硒生物炭和硫改性煤矸石投加比例为0.5%，进行为期60天的土壤培养实验。每个处理设置3个平行。土壤培养过程中定期添加去离子水，使土壤持水率保持在50%。培养结束后，采集土壤样品，检测土壤总盐度含量的变化，研究改性试剂配比对对盐碱土壤的改良效果。
不同硒代氨基酸剂量制备的富硒生物炭（Se-BC）以及不同3-巯丙基三甲氧基硅烷剂量制备的硫改性煤矸石（S-CG）对盐碱土壤总盐度的降低效果如图1和图2所示。生物炭对土壤中总盐度的降低率为4.27%，硒改性后生物炭对总盐度的降低率显著提高（图1）。当硒代氨基酸：生物炭剂量比由0.01：1增加至0.03：1时，富硒生物炭对总盐度降低效果逐渐提高，当剂量比为0.03：1时，富硒生物炭对总盐度的降低效果最佳，降低率高达20.50%。可见，硒代氨基酸：生物炭剂量比为0.03：1制备出的富硒生物炭性能最佳。煤矸石对土壤中总盐度的降低率为3.42%，硫改性后煤矸石对总盐度的降低率显著提高（图2）。当3-巯丙基三甲氧基硅烷：煤矸石剂量比为0.4：1时，硫改性煤矸石对总盐度的降低效果最佳，降低率达24.81%。可见，3-巯丙基三甲氧基硅烷：煤矸石剂量比为0.4：1制备出的硫改性煤矸石性能最佳。
以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本申请欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本申请中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。按以下附带的权利要求的范围，可以进行一些基本特征的应用。
Claims (5)
1.一种适用于盐碱地改良的复合型调控剂，其特征在于：由富硒生物炭、硫改性煤矸石、硅矿粉和硫酸锌组成，组成比例为按照质量百分比：富硒生物炭45%-60%，硫改性煤矸石25%-35%，硅矿粉15%-25%，硫酸锌0.1%-1%；将上述四种组分按照比例充分搅拌至均匀，获得盐碱地降盐改碱的复合型调控剂；
所述的富硒生物炭的制备方法为：
（1）将农业废弃物粉碎置于马弗炉中，在氮气保护下，控制升温速率为10℃/min-20℃/min，热解温度为300℃-400℃，热解时间为1-2 h，制备成生物炭；
（2）将制备成的生物炭加入到硒代氨基酸混合溶液中，所述混合溶液中硒代氨基酸与生物炭的质量比为0.01：1-0.04：1；将生物炭与混合溶液搅拌均匀，置于玛瑙罐中，加入玛瑙球磨珠，密封，再置于球磨仪中，球磨速率为400-600 r/min，球磨时间为10-12 h，结束后过滤混合溶液，烘干，获得富硒生物炭；
所述的硫改性煤矸石的制备方法为：
（1）将煤矸石研磨至粒径小于0.25 mm的粉末状，置于马弗炉中，在氮气保护下，控制升温速率为10℃/min-20℃/min，热解温度为500℃-800℃，热解时间为2-3 h，获得去除杂质后的煤矸石；
（2）将上述去除杂质后的煤矸石和3-巯丙基三甲氧基硅烷按照0.1：1-0.6：1质量比添加到去离子水中混合，搅拌至均匀，置于玛瑙罐中，加入玛瑙球磨珠，密封，再置于球磨仪中，球磨速率为400-600 r/min，球磨时间为5-7 h，结束后过滤混合溶液，烘干，获得硫改性煤矸石。
2.根据权利要求1所述的复合型调控剂，其特征在于：所述的富硒生物炭中硒代氨基酸与生物炭的质量比为0.03：1。
3.根据权利要求1所述的复合型调控剂，其特征在于：所述的硫改性煤矸石中3-巯丙基三甲氧基硅烷与煤矸石的质量比为0.4：1。
4.根据权利要求1所述的复合型调控剂，其特征在于：复合型调控剂由质量比为55%富硒生物炭、24%硫改性煤矸石、20.5%硅矿粉、0.5%硫酸锌组成。
5.根据权利要求1所述的复合型调控剂，其特征在于：所述的硫酸锌为七水合硫酸锌。
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