一种利用昆虫与矿物协同处置秸秆的方法

1.本发明属于固废处理固碳减排领域，尤其涉及一种利用昆虫与矿物协同处置秸秆的方法。


背景技术：

2.研究发现秸秆直接还田会影响微生物群落组成及功能，促进土壤呼吸及微生物对土壤本身有机质和秸秆中易矿化有机碳组分的分解矿化，加速土壤温室气体的排放。土壤有机碳库作为全球陆地生态系统中最大的碳库，其微小的变化就会导致大气中co2浓度发生较大波动。因此，土壤固定碳的能力在很大程度上决定着大气中co2的浓度。
3.近年来的研究发现，土壤居住的无脊椎动物，包括蚯蚓和金龟子种，可以有效地将多种有机物(organic matter，om)转化为营养丰富的有机肥和可食用的蛋白质，是一种环境友好型的秸秆废弃物高效利用方法。白星花金龟 (protaetia brevitarsis，pb)是一种常见的鞘翅目土生昆虫。其幼虫(protaetiabrevitarsis larvae，pbl)以om为食，包括腐殖质、碎秸秆和锯末等，单头日取食秸秆量可达0.57g，秸秆到虫粪的转化效率高达86％，虫体可作为药材或饲料，目前已被商业化养殖以生产高质量的有机肥料。秸秆经过pbl的取食后，om被分解为可消化的状态，在pbl肠胃中被碱性消化液溶解，并在中肠中进一步被酶水解，在微生物密集的后肠中进一步发酵，残留物和持久的 om被重新沉淀和排便。因此，大部分可被微生物降解的om在pbl和肠道微生物共同作用下消化和吸收。在秸秆中添加矿物后，pbl摄入的秸秆与矿物在其消化过程中交互作用，转化形成有机-矿物质复合体(矿物结合态有机碳是指矿物以配位交换、阳离子架桥等方式固定的有机碳，具有稳定性强，不易被微生物降解，不易矿化的特点)，从而达到固碳的作用。因此，我们提出了一种基于秸秆(straw)-土壤动物(fauna)-土壤矿物(mineral)体系的固碳减排技术(简称sfm固碳减排技术)，为实现农业碳中和碳达峰甚至碳盈利提供理论依据与技术支撑。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种利用昆虫与矿物协同处置秸秆的方法，旨在解决秸秆直接还田导致的温室气体排放的问题。
5.本发明实施例是这样实现的，一种利用昆虫与矿物协同处置秸秆的方法，包括以下步骤：
6.步骤一：将小麦秸秆洗净烘干并粉碎至长度1mm左右；
7.步骤二：将羟基磷灰石、蒙脱石、四氧化三铁、三氧化二铁和氧化铝五种矿物按照10％和30％的比例与秸秆在烧杯中充分混合，每个处理设置三个平行对照组；
8.步骤三：在步骤二中的秸秆混合物中放入经过饥饿处理的白星花金龟幼虫，记录初始重量，保持秸秆混合物的湿度为40％，用锡纸将烧杯包裹并插孔透气，将烧杯放入黑暗的人工气候箱中进行喂养10天；
9.步骤四：将幼虫挑出，记录重量，将产生的虫粪于40℃下烘干，研磨并过100目筛，
进行检测。
10.进一步的技术方案，步骤二中的每个烧杯里的小麦秸秆的用量为10g。
11.进一步的技术方案，步骤二中的各个矿物的添加量为矿物与小麦秸秆粉末的干重质量比。
12.进一步的技术方案，步骤三中的人工气候箱的温度为25℃，相对湿度为 50％。
13.进一步的技术方案，步骤三中的每个烧杯里放五只白星花金龟幼虫。
14.进一步的技术方案，步骤三中所述的饥饿处理是指将幼虫放到只有虫粪覆盖，没有食物的容器中，置于黑暗的人工气候箱中养殖7天。
15.本发明实施例提供的一种利用昆虫与矿物协同处置秸秆的方法，秸杆与矿物混合物经白星花金龟幼虫的取食转化，得到的虫粪中稳定性有机碳相对含量高于秸秆，能有效缓解秸秆直接还田带来的温室气体排放问题。
16.本发明所使用的白星花金龟幼虫具有较高的秸秆转化效率，单头日取食秸秆量为0.57g，秸秆到虫粪的转化效率高达86％。并且虫体富含高蛋白，可作为药材或饲料。白星花金龟幼虫易于饲养，幼虫期长达125-142天，具有较高的秸秆处理潜力。
17.本发明所制备的虫粪以小麦等农作物秸秆为原料，产量大、成本低，制备工艺简单，开辟了农业废弃物高效利用且固碳减排的新途径。
附图说明
18.图1为本发明实施例提供的一种利用昆虫与矿物协同处置秸秆的方法的不同处理转化下得到的虫粪的nmr图谱；
19.图2为本发明实施例提供的一种利用昆虫与矿物协同处置秸秆的方法中不同处理转化下得到的虫粪的sem与eds图。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
22.实施例1：
23.虫粪的生产及检测
24.将小麦秸秆洗净烘干并粉碎至长度为1mm左右。称取10g小麦秸秆粉末于烧杯中。将羟基磷灰石(hap)，蒙脱石(mmt)，四氧化三铁(fe3o4)，三氧化二铁(fe2o3)，氧化铝(al2o3)五种矿物按10％和30％的重量比与秸秆充分混合，每个处理设3个平行。在秸秆与矿物的混合物中分别放入5只记录初始重量且经过饥饿处理的白星花金龟幼虫。保持秸秆混合物的湿度为 40％。用锡纸将烧杯包裹并插孔透气，放入25℃，相对湿度为50％，黑暗的人工气候箱中进行喂养。经过10天的喂养，将幼虫挑出，记录重量。将各处理产生的虫粪于40℃下烘干，研磨并过100目筛。样品处理明细见表1。
25.对实施例中得到的虫粪做进一步的水溶性有机碳(wsoc)含量，有机碳 (oc)含量测定以及k，p等元素测定：选择适量通过100目筛子的虫粪，使用元素分析仪(hanau，
germany)分析其oc，tn的含量。虫粪中水溶性有机碳(wsoc)的含量通过0.034mol l-1
1k2so4进行提取(1:5w/v)，并用toc进行测定。
26.通过13c cpmas nmr进一步表征不同处理虫粪中的有机碳形态及其相对含量；通过扫描电镜与能谱表征矿物处理后的虫粪粉末的微观结构。上述的测定方法中，13c cpmas nmr检测时，测试参数如下：转子直径为4mm，共振频率为125.8mhz，接触时间为2ms，循环延迟时间为2.5s，扫描次数 6000次，其余参数参照机器自动设定。
27.表1样品处理明细，包括矿物种类与用量
[0028][0029]
对比例1：
[0030]
(1)虫粪的生产及检测
[0031]
将小麦秸秆洗净烘干并粉碎至长度为1mm左右。称10g小麦秸秆粉末置于烧杯中，设3个平行。在秸秆中分别放入5只记录初始重量且经过饥饿处理的白星花金龟幼虫。保持秸秆的湿度为40％。用锡纸将烧杯包裹并插孔透气，放入25℃，相对湿度为50％，黑暗的人工气候箱进行喂养。经过10 天的喂养，将幼虫挑出，记录重量。将各处理产生的虫粪于40℃下烘干，研磨并过100目筛。
[0032]
对对比例中得到的虫粪做进一步的水溶性有机碳(wsoc)含量，oc含量测定以及k，p等元素测定：选择适量通过100目筛子的虫粪，通过0.034moll-1
k2so4进行wsoc的提取(1:5w/v)，并用toc进行测定；使用元素分析仪(hanau，germany)分析其oc，tn的含量；将虫粪用hno3:hclo4＝3:1 的混酸进行消解，用icp-oes(agilent 5000)进行元素测定。并通过13c cpmas nmr进一步表征不同处理虫粪中的有机碳形态及其相对含量；通过扫描电镜与能谱表征矿物处理后的虫粪粉末的微观结构。上述的测定方法中， 13c cpmas nmr检测时，测试参数如下：转子直径为4mm，共振频率为125.8 mhz，接触时间为2ms，循环延迟时间为2.5s，扫描次数6000次，其余参数参照机器自动设定。
[0033]
小麦秸秆和小麦秸秆虫粪中营养元素总p和总k的含量如表2所示。
[0034]
表2小麦秸秆和小麦秸秆虫粪中营养元素p和k的含量
[0035][0036]
由表2数据可知，经过白星花金龟幼虫的取食与转化，得到的虫粪中的总p，总k的含量分别是小麦秸秆的42.06倍和2.47倍。由此可见，与小麦秸秆相比，虫粪具有更高的养分含量，是一种优质的有机肥。
[0037]
不同处理下生产得到的虫粪中的oc，wsoc的值以及wsoc在oc中的比例，结果如表3所示。
[0038]
表3不同处理下虫粪中的oc，wsoc的值以及wsoc在oc中的比例
[0039][0040]
注：羟基磷灰石(hap)，蒙脱石(mmt)，四氧化三铁(fe3o4)，三氧化二铁(fe2o3)，氧化铝 (al2o3)
[0041]
由表3中的数据可知，矿物的添加降低了虫粪中oc和wsoc的含量以及oc中wsoc的百分含量。与对照相比，添加10％矿物的处理中，虫粪中的wsoc分别降低了19.18％，5.95％，33.63％，18.81％和20.25％。添加 30％矿物的处理中，虫粪中的wsoc分别降低了
49.51％，29.56％，35.89％，41.97％和43.55％。与对照相比，添加10％矿物的处理中，虫粪中oc中的 wsoc的百分含量分别降低了2.71％，0.03％，13.57％，4.44％和5.89％。添加30％矿物的处理中，虫粪中oc中的wsoc的百分含量分别降低了5.58％， 2.80％，3.32％，3.86％和4.26％水溶性有机碳被视为由不稳定的有机碳化合物组成，据此确定固碳效果最好的矿物类型和用量为10％添加量的三氧化二铁，可最大程度降低虫粪中wsoc在oc中的百分含量。
[0042]
为了验证本发明方法中添加矿物处理对虫粪中有机碳的化学结构的影响，并用13c cpmas nmr检测这虫粪中有机碳的化学结构的变化。
[0043]
由图1结合表4数据可得知：
[0044]
化学位移区0
–
45ppm，45
–
110ppm，110
–
140ppm，140
–
160ppm和 160
–
220ppm分别为烷基碳、o/n-烷基碳、c取代芳香碳、o取代芳香碳和羧基碳。所有虫粪的nmr主峰和最大信号强度都在o/n-烷基碳区域，其次为烷基碳，c取代芳香碳和羧基碳，o取代芳香碳所占含量最少。烷基碳和芳香族碳等表征难以被利用的木质素、单宁等，即难分解碳。表4结果显示，添加矿物后虫粪中的烷基碳含量明显提高。与对照相比，10％处理中三氧化二铁和四氧化三铁虫粪中烷基碳百分含量分别增加19％和22％。30％处理中蒙脱石和四氧化三铁虫粪中烷基碳百分含量分别增加22％和29.7％。此外，10％的三氧化二铁和30％的四氧化三铁中芳香碳含量显著提高了59.8％和41.4％。已有研究表明，铁在土壤有机碳累积过程中起重要作用，铁通过促进团聚体的形成、与有机碳发生共沉淀和吸附作用以及影响微生物活性的方式分别参与到物理、化学和生物保护机制中。
[0045]
表4虫粪中各有机碳的相对含量
[0046]
[0047]
注：羟基磷灰石(hap)，蒙脱石(mmt)，四氧化三铁(fe3o4)，三氧化二铁(fe2o3)，氧化铝(al2o3)
[0048]
为了更形象的验证本发明方法中添加矿物处理对虫粪中有机碳的化学结构的影响，通过stm结合eds表征虫粪中矿物与有机碳的结合方式。
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由图2数据可得知：
[0050]
扫描电镜的图像显示了矿物处理后的虫粪粉末的微观结构，添加后的矿物颗粒将虫粪中的有机物(如秸秆)紧紧包裹，形成矿物结合态有机质，这将大大降低有机质在白星花金龟幼虫肠道中的分解，与oc和wsoc的数据相一致。eds结果显示10％三氧化二铁处理的虫粪中碳的含量最高。
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综合考虑矿物的价格与使用量及其固碳效果，优选10％三氧化二铁处理作为最佳添加。
[0052]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。