一种土壤控污增产双向调控材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及农田土壤污染控制技术领域，具体涉及一种土壤控污增产双向调控材料制备及其制备方法。


背景技术：

2.镉(cd)被认为是最突出的污染物之一，并被国际癌症研究机构(international agency forcancer research on cancer)确定为致癌物。cd污染会影响土壤生态系统，抑制植物生长，降低作物产量和质量，并通过食物链对人类健康构成威胁。与此同时，由于化肥对土壤微生物区系和土壤质量的不利影响，以及作为镉污染的重要来源之一，化肥的广泛使用也已成为全球范围内一个新出现的问题。因此，开发一种生态友好的复合肥势在必行。
3.现有技术中，生物炭是有机生物质在有限的氧气环境下热解产生的一种富碳产品，通过促进有效金属的固定，在提高土壤肥力、作物生产力和减少作物对重金属的吸收方面发挥着重要作用。由于缺乏物质覆盖和高度挥发性，纯生物炭的热解过程导致显著的碳损失，而且普通生物炭中营养元素的含量极低，这限制了生物炭作为化肥的替代品。在改性生物炭方法中，负载粘土被认为是一种有效的方法。凹凸棒土为一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物，具有独特的层链状结构特征，在其结构中存在晶格置换，晶体中含有不定量的na

、ca
2
、fe
3
、al
3
，晶体呈针状，纤维状或纤维集合状。由于凹凸棒土具有阳离子可交换性、吸水性、吸附脱色性，大的比表面积以及胶质价和膨胀容等理想特性，目前已被用于净化饮用水、处理工业废水，以及修复和改善受重金属污染的土壤。磷或氮肥修饰的生物炭可以作为一种有效的缓释肥料发挥作用，减少氮的流失，提高作物产量，以及通过形成低可溶性金属磷酸盐沉淀或增加吸附容量来加强对有效cd的固定。因此，利用现有技术对生物炭进行改性是十分必要的。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种土壤控污增产双向调控材料及其制备方法，本技术的控污增产双向调控材料具有更大的固定有效cd的能力和改善土壤肥力的潜力，从而在低施用量下作为一种替代材料提高作物产量的同时有效抑制cd。本发明的技术方案如下：
5.一种土壤控污增产双向调控材料，由以下重量份的原料组成：
6.荔枝木生物炭材料40
‑
65份、微囊菌剂20
‑
32份、尿素10
‑
25份；
7.其中，所述荔枝木生物炭材料由以下原料复合而成：
8.质量比为3～15：2：1的荔枝枝叶、过磷酸钙和凹凸棒土。
9.进一步地，所述荔枝木生物炭材料由以下原料复合而成：质量比为4：2：1的荔枝枝叶、过磷酸钙和凹凸棒土。
10.进一步地，所述荔枝木生物炭材料由以下原料复合而成：质量比为8：2：1的荔枝枝
叶、过磷酸钙和凹凸棒土。
11.进一步地，所述微囊菌剂的制备方法包括如下步骤：
12.1)菌液的培养：按5％接种量将嗜麦芽寡养单胞菌的菌种接种到5l发酵罐中，在转速 180r/min，ph 7.5，通气量5l/min的条件下培养24h，而后收集菌液；
13.2)微囊菌剂制备：将0.2g/l的聚阳离子水溶液加入到所述菌液中，使其自动沉积在菌体的表面，而后加入等体积的0.2g/l的聚阴离子水溶液，使其在聚阳离子的表面进一步沉积；如此重复2
‑
3次，即可将上述菌液封装于微囊中，最终成功制得微囊菌剂。
14.另一方面，本技术还请求保护根据前述任一项所述的一种土壤控污增产双向调控材料的制备方法，包括以下步骤：
15.1)热解制备荔枝木生物炭材料
16.将荔枝枝叶与过磷酸钙和凹凸棒土混合，然后将罐置于一定温度的管式炉中，在氮气气氛下放置1
‑
4h，再将生物炭冷却至室温下；
17.2)控污增产双向调控材料的制备
18.将负载好的生物炭材料与微囊菌剂和尿素按比例混合，然后用蒸馏水润湿并搅拌至混合物完全混合稳定；然后在40℃
‑
80℃烘焙24h后，将干燥产品通过100目筛子，过筛物储存在自封袋中，即得土壤控污增产双向调控材料。
19.进一步地，所述管式炉中的温度为300℃
‑
600℃。
20.进一步地，所述氮气气氛下的加热时间为2h。
21.进一步地，所述烘干温度为50℃。
22.本发明的有益效果：本发明的材料根据农作物的养分需求来进行合理的搭配，不仅使植物更好的吸收利用材料，提高材料利用率，还可以降低土壤容重，增加土壤的透气、透水性能，促进作物根系的快速生长，同时可以有效减少有机肥施用而提升土壤重金属cd污染问题，达到资源减量防污。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本技术的一种土壤控污增产双向调控材料，由以下原料重量份的原料组成：荔枝木生物炭材料40
‑
65份、微囊菌剂20
‑
32份、尿素10
‑
25份；所述荔枝木生物炭材料由以下原料复合而成：质量比为3～15：2：1的荔枝枝叶、过磷酸钙和凹凸棒土。
25.本技术的一种微囊菌剂制备方法，包括如下步骤：
26.1)微生物菌剂的培养：将嗜麦芽寡养单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)分别划线接种于牛肉汁蛋白胨培养基上，28
‑
30℃培养48h，然后分别接入500ml三角瓶，在30℃， 150r/min下，培养12h；然后按5％接种量接入到5l种子罐中，在180r/min，ph 7.5，通气量5l/min下，培养24h；
27.2)微囊菌剂制备：将0.2g/l的聚阳离子加入到菌液中，使其沉积在细菌体表面，再加入等体积等浓度的聚阴离子溶液，使其在聚阳离子的表面进一步沉积；如此重复2
‑
3次，
即可将上述菌液包埋于微囊中，从而制备得到微囊菌剂。
28.本技术的一种土壤控污增产双向调控材料的制备方法，包括以下步骤：
29.1)热解制备荔枝木生物炭材料
30.将荔枝枝叶与过磷酸钙和凹凸棒土混合，然后将罐置于一定温度的管式炉中，在氮气气氛下放置1
‑
4h，再将生物炭冷却至室温下；
31.2)控污增产双向调控材料的制备
32.将负载好的生物炭材料与微囊菌剂和尿素按比例混合，然后用蒸馏水润湿并搅拌至混合物完全混合稳定；然后在40℃
‑
80℃烘焙24h后，将干燥产品通过100目筛子，过筛物储存在自封袋中，即得土壤控污增产双向调控材料。
33.本技术通过在荔枝枝叶上负载凹凸棒土、过磷酸钙和微囊菌剂、尿素、蒸馏水，合成一种新型土壤控污增产双向调控材料，所述控污增产双向调控材料在较低施用量的情况下就具有较优的肥效并能有效固定污染土壤中的cd。
34.下面结合实施例详细介绍本技术的技术方案：
35.实施例1
36.一种土壤控污增产双向调控材料是由以下重量份的原料组成的：荔枝木生物炭材料58份、微囊菌剂20份、尿素22份；
37.荔枝木生物炭材料由以下原料复合而成：质量比为4：2：1的荔枝枝叶、过磷酸钙和凹凸棒土。
38.微生物菌剂的培养方法：将嗜麦芽寡养单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)划线接种于牛肉汁蛋白胨培养基上，28
‑
30℃培养48h，然后分别接入500ml三角瓶，在30℃，150r/min 下，培养12h。然后按5％接种量接入到5l种子罐中，在180r/min，ph 7.5，通气量5l/min 下，培养24h。所述嗜麦芽寡养单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)可选择市售产品。
39.营养肉汁培养基，成分及用量(g/l)：牛肉膏3，蛋白胨10，nacl 5，琼脂20，调整 ph 7.0
‑
7.2。
40.具体步骤如下：1)将嗜麦芽寡养单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)在细菌培养液中培养好菌液；2)将0.2g/l的聚阳离子(壳聚糖)20ml加入到菌液中，使其沉积在细菌体表面，再将等体积等浓度的的聚阴离子(海藻酸钠)溶液加入其中，使其在壳聚糖的表面进一步沉积。如此重复2
‑
3次，即可将上述菌液包埋于微囊中。从而制备出细菌固定化的微囊。无菌装袋封口，4度冰箱中保藏。
41.控污增产双向调控材料是由以下方法制备得到的：
42.1)热解制备荔枝木生物炭材料
43.将荔枝枝叶与过磷酸钙和凹凸棒土混合，然后将罐置于450℃的管式炉中，在氮气气氛下放置2h，再将生物炭冷却至室温下；
44.2)控污增产双向调控材料的制备
45.将负载好的生物炭材料与微囊菌剂和尿素按比例混合，然后用蒸馏水润湿并搅拌至混合物完全混合稳定；然后使用造粒机造粒，冷却，过筛，使其粒径为2.5
‑
3.5mm即得控污增产双向调控材料。
46.实施例2
47.一种土壤控污增产双向调控材料是由以下重量份的原料组成的：荔枝木生物炭材料58份、微囊菌剂22份、尿素9份、蒸馏水11份；
48.荔枝木生物炭材料由以下原料复合而成：质量比为8：2：1的荔枝枝叶、过磷酸钙和凹凸棒土。
49.微生物菌剂的制备方法：将嗜麦芽寡养单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)划线接种于牛肉汁蛋白胨培养基上，28
‑
30℃培养48h，然后分别接入500ml三角瓶，在30℃，150r/min 下，培养12h。然后按5％接种量接入到5l种子罐中，在180r/min，ph 7.5，通气量5l/min 下，培养24h。
50.营养肉汁培养基，成分及用量(g/l)：牛肉膏3，蛋白胨10，nacl5，琼脂20，调整ph 7.0
‑
7.2。
51.具体步骤如下：1)将嗜麦芽寡养单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)在细菌培养液中培养好菌液；2)将0.2g/l的聚阳离子(壳聚糖)20ml加入到菌液中，使其沉积在细菌体表面，再将等体积等浓度的的聚阴离子(海藻酸钠)溶液加入其中，使其在壳聚糖的表面进一步沉积。如此重复2
‑
3次，即可将上述菌液包埋于微囊中。从而制备出细菌固定化的微囊。无菌装袋封口，4度冰箱中保藏。
52.土壤控污增产双向调控材料是由以下方法制备得到的：
53.1)热解制备荔枝木生物炭材料
54.将荔枝枝叶与过磷酸钙和凹凸棒土混合，然后将罐置于700℃的管式炉中，在氮气气氛下放置1h，再将生物炭冷却至室温下；
55.2)控污增产双向调控材料的制备
56.将负载好的生物炭材料与微囊菌剂和尿素按比例混合，然后用蒸馏水润湿并搅拌至混合物完全混合稳定；然后在40℃
‑
80℃烘焙24h后，将干燥产品通过100目筛子，过筛物储存在自封袋中，即得土壤控污增产双向调控材料。
57.应用实施例1
58.实验例∶实施例1
‑
2制得的土壤控污增产双向调控材料。
59.供试品种∶丰田优553
60.供试作物∶水稻
61.实验地点∶广东省茂名市
62.处理方式∶对比例每亩使用30kg普通复合肥作基肥，移栽后两周每周每亩追加施肥15kg，共60公斤/亩，每个试验小区30m2；每个实例施用量一致，施用方法一致，按照60kg/亩施入。对结果按照统计学要求进行相关的水稻品质和产量统计，并统计实际亩产量，具体结果如下
63.表1大田试验结果
64.材料生育期/天产量产量比较实验例1120592.4kg/亩14.05％实验例2120602.3kg/亩15.96％普通复合肥125519.4kg/亩
‑
65.检测施用材料前后土质中的有效态重金属cd含量以及丰收稻谷中重金属含量cd含量，结果显示施用控污增产双向调控材料后土壤中有效重金属cd含量减少48％以上，从
6.04 mg/kg，降低至2.89mg/kg；丰收后的稻谷中重金属cd含量为0.02mg/kg，结果表明控污增产双向调控材料后可以有效阻控重金属cd的向水稻籽粒的转移；由上述结果可见，新型土壤控污增产双向调控材料中的各组成分持续释放肥力，提高水稻免疫力，实现边生产边修复，可以有效减少有机肥施用而提升土壤重金属cd污染问题，达到资源减量防污的利用。
66.应用实施例2
67.实验例∶实施例1
‑
2制得的土壤控污增产双向调控材料。
68.供试作物∶水东芥菜
69.实验地点∶广东省茂名市
70.土壤培养实验在广东石油化工学院土壤污染过程与控制实验室进行。研究土壤采自茂名市郊区cd污染农田0～20cm土层。土壤平均ph值为7.59，cd含量为4.46mg/kg。土壤经风干和筛分后，分别用实验例1和2的控污增产双向调控材料在室温(25℃)下处理60天。生物炭复合肥料与土壤充分混合，填入带有一个小孔的密闭容器中，用去离子水灌溉容器，并将其保持在最大土壤含水量的70％。试验一式三份，同时设立一个没有加的调控材料对照组。 60天后三组试验分别移栽水东芥菜至土壤样品，测定14天后测定水东芥菜中cd含量。
71.表1实验结果
72.材料60天后土壤中cd含量14天后水东芥菜中cd含量实验例12.12mg/kg0.029mg/kg实验例21.83mg/kg0.021mg/kg对照组4.02mg/kg0.230mg/kg
73.结果表明经控污增产双向调控材料处理后的土壤移栽水东芥菜后，水东芥菜中重金属cd 含量明显减少，实验例的水东芥菜符合食品安全国家标准gb 2762
‑
2017中限量要求。结果表明施用新型土壤控污增产双向调控材料后可以有效阻控重金属cd的向农作物的迁移，提高水东芥菜免疫力，实现边生产边修复，可以有提升土壤重金属cd污染问题，达到资源减量防污的利用。
74.这些研究结果表明，本技术的土壤控污增产双向调控材料的低施用量为土壤中有效cd 的固定、促进作物生长、降低cd在农业中的风险提供了一种有前途的、可行的、生态友好的策略。
75.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精神和范围。