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一种EM纳米生物炭基土壤调理剂的制备方法及其应用与流程

来源：花匠小妙招时间：2024-09-16 22:15

本发明涉及土壤改良和土壤环境修护技术领域，具体涉及一种em纳米生物炭基土壤调理剂的制备方法及其应用。

背景技术：

生物炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化固态物体。生物炭高度稳定，具有较强的吸附能力，能保持土壤的水分和养分，是一种良好的土壤改良剂。常见的生物炭包括秸杆炭、竹炭、稻壳炭等。生物炭中秸杆炭原料丰富，价格低廉，生产工艺相对简单，开发利用前景广阔。据统计全世界每年秸秆产量约为29亿t，秸秆生物炭代替木材烧制的木炭，有利于保护森林资源，维护生态平衡，在全球气候变化、碳循环和环境问题中发挥重要的作用。近年来，化肥大量使用所造成的面源污染正在形成土壤、水体、生物到大气的立体污染格局(土壤酸化、重金属污染、水体富营养化、温室效应加剧等)，严重影响农业发展和生态环境平衡。如何提高化肥的利用效率及减缓化肥大量使用所引起的环境污染问题，已成为中国经济、生态和环境可持续协调发展亟需解决的问题。

目前炭基肥如竹炭生物有机肥、竹炭土壤改良剂、竹炭复合微生物肥料、碳能生物菌肥、液态碳肥等产品慢慢在市场上流通，许多农户也开始注重给土壤补充炭(碳)，产品种类也开始慢慢多样化，但最终目的都是补充植物所需的碳元素，改善土壤的团粒结构，提高土壤保水保肥能力和肥料利用率。所以寻求环境友好、成本低廉的的材料别制备调理剂来改良土壤显得尤为重要和迫切，对防控农业面源污染和保护土壤生态环境及食品安全意义重大。

目前应用较多的土壤调理剂为活性炭、竹炭、草(泥)炭、矿渣、粉媒灰等，这些材料虽各有特点，但存在诸如微生物挂膜难、孔隙率低、使用成本高、存在二次污染等缺点。一些研究表明，土壤调理过程中调理剂固定化微生物及吸附污染物效果与所用调理剂的性能密切相关，良好的调理剂不仅吸持污染物容量大，并能大大提高其中的微生物浓度和数量，而且微生物的活性较强。调理剂对微生物及污染物的吸附能力取决于它的比表面积、空隙结构及表面特性等。综上可知，选择适宜的材料和方法在制备土壤调理剂中相当十分重要。本发明以废弃物秸秆制作的生物炭为主要原料，通过改性并固定化复合微生物制备调理剂并将其应用在土壤中，达到改良土壤及吸附土壤中重金属、农药等污染物质，化害为利，综合利用，减轻对环境污染的目的。

技术实现要素：

发明目的：针对化肥、农药大量使用所引起的土壤障碍和环境污染问题，以秸秆生物炭为主要原料，通过改性并固定化复合微生物制备调理剂并将其应用在土壤修护中，达到改良土壤及钝化土壤中重金属、农药等污染物质的目的。本发明得到的产品具有固氮、解磷、解钾、保水、分泌抑菌物质等功能，显著提高了土壤水分和土壤中n、p、k、ca、fe等元素的有效性，可降低作物生理性病害发生。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提供了一种(0纳米生物炭基土壤调理剂的制备方法及其应用，包括如下步骤：#

(1)将em原液、蜂蜜、固体硫酸钙和水(优选蒸馏水)按5～8％：6～10％：4～8％：74～85％的质量百分比混合，并将其移入反应瓶中，在密闭条件下，放入恒温培养箱中发酵5～7天，设置发酵温度为30～35℃，摇床转速为120～150r/min，过滤后制得em活性钙液；em原液含有光合菌、双歧杆菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌等复合微生物，改土效果好，且其复壮液含有促生因子，对作物生长有刺激作用；蜂蜜的作用是在微生物复壮过程中作为能源物质，快速地使em复壮成功；固体硫酸钙在发酵过程中部分转化成可溶性的螯合态钙，可为作物提供必需的钙素和硫素营养；

(2)将干燥的秸秆粉碎，过2mm筛，然后在不锈钢罐中按玉米秸秆粉：高岭土粘结剂：纳米三氧化二铁＝80～88：10～6：10～6的质量百分比配成混合物压实，过盖密闭，然后放入马弗炉中，450～550℃下裂解50～60min；高岭土耐高温，可以在材料成球过程中提供很好的粘结性，使其不易破裂；

(3)将步骤(2)得到的混合物取出放入真空干躁器中，冷却至室温，得到纳米生物质炭，磨细过100目筛，然后将纳米生物质炭、em活性钙液按照质量百分比90～95％：5～10％混合得到em纳米生物炭基土壤调理剂材料。em活性钙液能够提传大量的有益菌群和活性物质，抑制土壤有害微生物的生长，在土壤中通过微生物转化，固氮、解磷、解钾，释放土壤养分。

优选地，步骤(1)中，所述的em原液含有乳酸菌、酵母菌、光合细菌、双歧杆菌等复合微生物，活菌数不少于1亿个/毫升，ph不小于3.8，颜色为黄褐色，半透明液体，气味为较浓醇酸味或酸味。

步骤(1)中，所述的固体硫酸钙为分析纯，过100目筛。

优选地，所述的蜂蜜为超市中购置的蜂蜜产品。

步骤(2)中，所述的粘结剂高岭土，优选地为过100目的化工产品，所述的纳米三氧化二铁粒径为20～40nm。纳米三氧化二铁具有巨大的比表面积和多孔特点，有较好的生物相容性，且吸附量大，可有效提高生物炭的吸附、固定和着生作用。而用em活性钙和纳米三氧化二铁改性后的生物炭孔隙率和比表面积增大，孔性好，对水分、养分和重金属具有更强的吸附能力，微生物更易挂膜。

具体地，步骤(2)中，所述的秸秆为玉米秸秆、水稻秸秆和烟草秸秆中的任意一种。

通过上述的制备方法得到的(0纳米生物炭基土壤调理剂同样在本发明的保护范围内。

本发明进一步提出了上述em纳米生物炭基土壤调理剂在制备用于土壤节水减肥增效或设施障碍土壤吸持重金属、农药残留等中的用途。

在用于土壤调理剂时，将所述的(0纳米生物炭基材料利用成型机制备成颗粒状，然后投放于待作用的障碍土壤中。

优选地，利用智能模式成球机将所述(0纳米生物炭基材料制备成颗粒状，颗粒的直径控制在5～6mm。然而将生物质材料制备成其他形状也在本发明的保护范围内。

在应用时，所述(0纳米生物炭基土壤调理剂的用量为10～15克/m2。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明选用作物秸秆、高岭土混合在高温密闭条件下制备秸杆生物质炭作为微生物载体，利用纳米三氧化二铁(比表面积1000～1500m2/g)对秸杆生物质炭进行化学改性，使得秸杆生物炭的比表面积明显增加，把em活性钙液固定在改性的纳米生物炭基上，可以增加附着的微生物数量及其活性，提升其对环境的适应性；

(2)本发明的制备方法工艺简单，利用资源丰富的植物秸杆生产成本低，具有能够迅速吸持和钝化土壤重金属及农药残留，释放土壤中的缓效态氮、磷、钾等营养成分，提高土壤酶活性和土壤水分有效性等优点；

(3)在生物质炭制作过程中加入纳米三氧化二铁，使生物质炭化学改性，从而具有更好的生物相容性，细胞吸附量可达500～700mg/g；

(4)增加土壤碳汇，快速改造土壤结构，增强土壤通透性，提高作物根系活力，促进光合作用，增强作物抗逆性，减少作物病虫害，有效地消除因长期施用化学肥料给农产品带来的瓜不香、果不甜、菜无味和残留物硝酸盐污染等实质问题，从而实现了农产品的无公害化。

具体实施方式

试剂来源：

本发明使用的纳米三氧化二铁是从北京德科岛金科技有限公司购置，粒径在20～40nm之间。固体硫酸钙是从郑州西德利化工新材料有限公司购置，em原液为爱睦乐环保生物技术(南京)有限公司生产，高岭土粘结剂为郑州润泉化工产品有限公司生产，蜂蜜为超市中购置的蜂蜜产品。下面通过具体的实施例详细说明本发明。

实施例1

将em原液、蜂蜜、固体硫酸钙和蒸馏水按6％：6％：6％：82％的质量百分比混合，并将其移入反应瓶中，在密闭条件下，放入恒温培养箱中发酵6天，设置发酵温度为37℃，摇床转速为150r/min，过滤制得em活性钙液；然后将干燥的玉米秸秆粉碎，过2mm筛，在不锈钢罐中按玉米秸秆粉：高岭土粘结剂：纳米三氧化二铁＝85：7：8的质量百分比均匀混合后压实，过盖密闭，放入马弗炉中，550℃下裂解55min；再将上述混合物取出放入真空干燥器中，冷却至室温，将制得的纳米生物质炭磨细过100目筛，再在智能模式成球机中按纳米生物质炭：em活性钙液＝93％：7％成型，颗粒的直径控制在5mm之间，得到em纳米生物质炭土壤调理剂。盆栽土壤调理实验在塑料大棚中进行，所用盆钵高28cm，直径28cm，容积为0.01m3。供试土壤分别为设施次生盐渍土(ns，取自南京市蔬菜科学研究所连作5年的设施大棚)和滨海盐渍土(s，取自江苏东台条子泥垦区)，土壤的基本理化性质见表1。将上述土壤自然风干并研磨过5mm筛后装盆，每盆装土7.0kg。设3种处理：(1)对照；(2)生物有机肥(有机质30％、全氮5％、全p+全k为1％)，为将爱睦乐环保生物技术(南京)有限公司生产的em玻卡西和南京宁粮生物工程有限公司生产的有机肥进行二次发酵后得到；(3)本发明土壤调理剂；处理(2)和处理(3)的施用量匀为5g/盆。每个处理3次重复，随机排列。生物有机肥和土壤调理剂均先与土壤充分混匀后再装盆。盆中各土壤含水量维持田持30天，5天后再监测相关指标，结果

如表2所示。

表1供试土壤理化性质

表2各处理的保水保肥效果和对酸和盐的缓冲性能

从表2可以看出，本发明的em纳米生物质炭基土壤调理剂固氮、解磷、解钾，释放土壤养分及保水效果显著优于em生物有机肥，且对ph和盐分有较好的缓冲作用，说明该em纳米生物质炭基土壤调理剂对设施障碍土壤和盐碱土壤的调理效果良好。

实施例2

将em原液、蜂蜜、固体流酸钙和蒸馏水按5％：7％：8％：80％的质量百分比混合，并将其移入反应瓶中，在密闭条件下，放入恒温培养箱中发酵7天，设置发酵温度为35℃，摇床转速为150r/min，过滤制得em活性液；然后将干燥的玉米秸秆粉碎，过2mm筛，在不锈钢罐中按玉米秸秆粉：高岭土粘结剂：纳米三氧化二铁＝82：8：10的质量百分比均匀混合后压实，过盖密闭，放入马弗炉中，520℃下裂解60min；再将上述混合物取出放入真空干燥器中，冷却至室温，将制得的纳米生物质炭磨细过100目筛，再在智能模式成球机中按纳米生物质炭：em活性钙液＝92％：8％成型，颗粒的直径控制在5mm之间，得到em纳米生物质炭土壤调理剂。供试重金属污染土壤分别采自江苏徐州和宜兴矿区，将土壤自然风干并研磨过5mm筛后装盆，每盆装土5.0kg。设(1)对照；(2)生物有机肥(有机质30％、全氮5％、全p+全k为1％)，为将爱睦乐环保生物技术(南京)有限公司生产的em玻卡西和南京宁粮生物工程有限公司生产的有机肥进行二次发酵后得到和(3)本发明土壤调理剂3种处理，处理(2)和处理(3)的施用量匀为5g/盆。生物有机肥和土壤调理剂均先与土壤充分混匀后再装盆。盆中各土壤含水量维持田持30天，5天后取土用edta提政监测有效态重金属指标，结果如表3所示。

表3各处理的edta提取的重金属量(mg/kg)

从表3可以看出，本发明的em纳米生物质炭基土壤调理剂对土壤中的重金属钝化效果显著好于生物有机肥。

以上监测数据说明本发明的em纳米生物质炭基土壤调理剂在活化土壤中的营养元素、保持水分、缓冲土壤ph和钝化土壤重金属等方面具有很好的效果。

以上所述仅为本发明的典型实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种EM纳米生物炭基土壤调理剂的制备方法及其应用，首先将秸秆粉、纳米氧化锰及高岭土混合，在高温条件下制成改性的纳米秸秆生物炭载体，然后将活性EM钙液固定化于改性的纳米秸秆生物炭载体上，制作用于土壤调理的EM纳米生物炭球。本发明的EM纳米生物炭基土壤调理剂制作工艺简单，具有固氮、解磷、解钾、保水、分泌抑菌物质等功能，显著提高了土壤水分和土壤中N、P、K、Ca、Fe等元素的有效性，可降低作物病害发生，对重金属、农药残留等有较强吸持能力，能明显改善土壤结构。

技术研发人员：邵孝候;关雯璐;杨立武;杨绪;陈名樑;史佳枫;高士莘;李敏慧
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2017.09.07
技术公布日：2017.12.26