本发明涉及一种适用于崩岗劣地土壤改良和促进植被生长的生物炭基保水剂及其制备方法，属于保水剂领域。
背景技术：
干旱缺水和土壤退化一直是制约我国农业持续发展以及经济社会发展的一个重要因素。近年来，应用化学材料或制剂来提高作物产量和水分利用效率的做法非常广泛，逐步形成了化学节水的农业抗旱、节水、增产的新技术途径。保水剂是利用强吸水树脂或者淀粉等材料制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物，能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的纯水，而且有反复吸水功能，吸水后的水凝胶可缓慢释放水分供作物利用。但是保水剂存在的主要问题是施用成本高、功能单一，降解过程中会产生一些有害物质，存在潜在的环境风险。而生物炭富含微孔，具有高的比表面积，同时含有丰富的表面官能团，它不但可以补充土壤的有机物含量，还可以有效地保存水分和养料，提高土壤肥力，吸附有害物质，实现增产的同时让农业更具持续性。将二者结合制成生物炭基保水剂，不仅降低保水剂成本，吸附保水剂降解后产生的有害物质，同时依靠生物炭改良土壤，增加土壤肥力，促进植物生长。
技术实现要素：
基于上述考虑，本发明提出了将香菇废菌棒热解炭化制备成为生物炭，同时添加淀粉-丙烯酸型保水剂制成一种生物炭基保水剂，并用于黑麦草种植；该制剂制造方便，应用操作简单，效果良好，大大降低保水剂的制作成本和潜在环境风险，并实现了农业废弃物的资源化利用，同时能促进植物生长和改良土壤的理化性质，具有经济和环境的双重效益。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种生物炭保水剂的制备方法，将香菇废菌棒所制生物炭与淀粉-丙烯酸型保水剂按照1：4质量比混合，水浴加热后得到生物炭基保水剂，具体包括如下步骤：
（1）生物炭制备：将采摘香菇后的废菌棒去除pvc袋以及残留的食用菌体杂物，将其碎成直径1~2cm的块状后自然风干5~7天，使含水率降至10~15wt%；将风干的废菌棒进行限氧条件下高温热解炭化，设置升温速率为10℃/min，热解炭化温度为500℃，该条件下保温时间2h，然后自然冷却至室温后，研磨使之通过100目筛子；
（2）生物炭基保水剂的制备：第一步，将淀粉-丙烯酸型保水剂研磨过100目筛子，取研磨后的淀粉-丙烯酸型保水剂40g放入100ml烧杯中，加入占保水剂质量2%的水，搅拌10min，使保水剂均匀吸收水分；第二步，取步骤（1）制得的生物炭放于70℃的烘箱内，烘干时间为6h，去除生物炭中残余的水分，取烘干后的生物炭10g，一边搅拌上述保水剂一边加入生物炭，使保水剂与生物炭充分混合，混合物呈现均匀的黑色；第三步，将混合均匀的烧杯放入80~85℃水浴锅中，加热时间1h，在加热的同时搅拌混合物，使混合物受热均匀；第四步，加热结束后，取出烧杯自然冷却，放入80℃烘箱中烘干，烘干时间为6h，取烘干后的混合物磨细过1mm孔径筛，筛下物即为生物炭基保水剂。上述操作步骤按照顺序进行。
步骤（1）的限氧条件为：将风干的废菌棒称重后装于便捷式生物炭化机（淮安华电环保机械制造有限公司）中，密封，向机器中通入5min的氮气，排走内部的氧气。
生物炭基保水剂用于黑麦草种植的方法：将上述生物炭基保水剂按照17~33t·hm-2施用量，在植物种植前施入耕层土壤并进行1~2次翻耕，与土壤混合均匀。
本发明的显著优点：
本发明提供一种生物炭基保水剂的制作方法及对施用后对土壤和植物的影响，本发明利用香菇废菌棒制备生物炭，并添加淀粉-丙烯酸型保水剂制成生物炭基保水剂。生物炭基保水剂中的成分生物炭对土壤作用包括：降低土壤容重，提高土壤ph和含水量，吸附重金属，增加土壤养分含量，促进植物生长等。本发明不仅解决了农业废弃物的利用问题，降低了保水剂的制作成本，还能改良土壤促进植物生长，降低了保水剂潜在的环境风险。本发明中的生物炭与水稻、小麦、玉米秸秆，花生壳，木材等生物炭相比，具有较高的ph值（10.82）、全氮、全磷含量，将本发明生物炭与淀粉-丙烯酸型保水剂制成生物炭基保水剂，生物炭的高ph有助于对保水剂本身酸性的调节，在改善土壤性质的同时，促进植物生长发育效果明显，具有良好的经济效益和环境效益，真正实现了经济和环境的双赢。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些描述并不是说本发明的内容仅限于此。本领域的相关技术人员应了解，对本发明内容的技术特征所做的等同替换，或相应的改进，仍属于本发明的保护范围之内。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市场购获得的常规产品。
实施例1
一种生物炭基保水剂的制备方法，包括以下步骤：
生物炭制备：将采摘香菇后的废菌棒去除pvc袋等杂物，将其碎成直径1cm的块状后自然风干，使含水率降至10wt%；将风干的废菌棒进行限氧条件下高温热解炭化；设置升温速率为10℃/min，热解炭化温度为500℃，该条件下保温时间2h，然后自然冷却至室温后，研磨使之通过100目筛子；得到的生物炭性质如下：ph10.24，全碳含量549.70gkg-1，全氮13.41gkg-1，全磷4.11gkg-1、全钾16.33gkg-1。
淀粉-丙烯酸型保水剂：北京摩尔化学公司生产的市售农用保水剂。
生物炭基保水剂的制备：第一步，将淀粉-丙烯酸型保水剂研磨过100目筛子，取研磨后的淀粉-丙烯酸型保水剂40g放入100ml烧杯中，加入占保水剂质量2%的水，搅拌10min，使保水剂均匀吸收水分；第二步，取步骤（1）制得的生物炭放于70℃的烘箱内，烘干时间为6h，去除生物炭中残余的水分，取烘干后的生物炭10g，一边搅拌上述保水剂一边加入生物炭，使保水剂与生物炭充分混合，然后放入80℃水浴锅中，加热时间1h，在加热的同时搅拌混合物，使混合物受热均匀；加热结束后，放入80℃烘箱中烘干，烘干时间为6h，取烘干后的混合物磨细过1mm孔径筛，筛下物即为生物炭基保水剂。生物炭基保水剂基本性质如下：
复合肥：从市场直接采购，其养分的质量比为n:p2o5:k2o=15:15:15。
实施例2
一种生物炭基保水剂用于黑麦草种植和土壤改良的方法：
采用盆栽实施：取自三明市益晟农林有限公司清流基地土壤，为土壤严重侵蚀地，土壤ph5.43，有机质5.76gkg-1，全氮0.43gkg-1，全磷0.26gkg-1、全钾8.13gkg-1，碱解氮24.58mgkg-1，速效磷6.41mgkg-1、速效钾81.54mgkg-1。
盆栽试验花盆规格（口径20cm，高15cm，底径16cm），试验植物为黑麦草；土壤经风干后，过5mm筛子备用，每盆装1.5kg土，取实施例1所得生物炭基保水剂3g与土壤混合均匀后种植黑麦草，每个处理重复6盆，每盆种20棵。同时试验设置对照组、生物炭组与保水剂组，生物炭组为生物炭3g与土壤混合种植黑麦草，保水剂组为淀粉-丙烯酸型保水剂3g与土壤混合种植黑麦草，其余处理与生物炭基保水剂组一致。采取相同的管理措施，选用15:15:15复合肥，每盆施用量为1.2g，折合大田施用量为444kg·hm-2。
盆栽试验开始于2018年5月，设置于福建农林大学田间实验室，每隔一个周对每盆黑麦草进行株高和叶绿素测量，共测量4次数据。其中株高用直尺测定，精确到0.1cm。叶绿素采用光合作用仪。6月份采集土样和植物样品，每个处理6盆均匀采取土壤，自然风干备用。测定土壤理化性质与植物生长指标，试验结果如下：
表1试验处理对黑麦草生长指标影响
从表1中可以看出，试验组（生物炭基保水剂组）黑麦草株高、重量和含水量较对照组、生物炭组和保水剂均有提高，株高比对照组增加23.17%，较保水剂组增幅可达16.72%；重量比对照组增加52.15%，比保水剂组增加41.5%；水分比对照组增加2.15%，比保水剂组增加2.42%。
表2试验处理对ph、容重和土壤含水量的影响
从表2中可以看出，试验组土壤ph和土壤含水量值比对照组、保水剂组均有显著提高，ph值比对照组提高了1.05%，比保水剂组增加了3.99%；试验组的土壤容重比对照组、保水剂组均显著降低，容重比对照组降低了6.25%，比保水剂组降低了10.25%；土壤含水量比对照增加了73.34%，比保水剂组增加了8.44%；田间持水量比对照组增加了23.49%，比保水剂组增加了4.39%。生物炭基保水剂能提高土壤ph，降低土壤容重，提高土壤含水量和田间持水量，对土壤改善有重要意义。
表3试验处理对土壤养分的影响
从表3中可以看出，试验组的土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量比对照组、保水剂组均有显著提高。试验组与对照相比，土壤碱解氮增加了34.13%，土壤速效磷增加了80.59%，速效钾含量增加了17.71%，与保水剂组相比，土壤碱解氮增加了14.33%，土壤速效磷增加了6.29%。
实施例3
一种生物炭基保水剂用于侵蚀劣地的改良方法步骤与实施例2相同，唯一不同就是实验组中的生物炭基保水剂从3g改为7.5g。测定土壤理化性质与植物生长指标，试验结果如下：
表4试验处理对黑麦草生长指标影响
从表4中可以看出，试验组黑麦草株高、重量和含水量较对照组、生物炭组和保水剂均有提高，株高比对照组增加13.50%，较保水剂组增幅可达7.63%；重量比对照组增加21.50%，比保水剂组增加13.00%；水分比对照组增加2.16%，比保水剂组增加2.43%。
表5试验处理对ph、容重和土壤含水量的影响
从表5中可以看出，试验组土壤ph、土壤含水量和田间持水量比对照组、保水剂组均有提高，ph值比对照组提高了1.29%，比保水剂组增加了4.17%；试验组的土壤容重比对照组、保水剂组均显著降低，容重比对照组降低了18.46%，比保水剂组降低了22.22%；土壤含水量比对照增加了67.79%，比保水剂组增加了4.95%；田间持水量比对照组增加了24.79%，比保水剂组增加了5.47%。说明上述的生物炭基保水剂能提高土壤ph，降低土壤容重，提高土壤含水量和田间持水量，对土壤改良有重要意义。
表6试验处理对土壤养分的影响
从表6中可以看出，试验组的土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量比对照组、保水剂组均有显著提高。试验组与对照相比，土壤碱解氮增加了93.67%，土壤速效磷增加了90.72%，速效钾含量增加了5.73%；与保水剂组相比，土壤碱解氮增加了0.96%，土壤速效磷增加了12.25%。
综合分析上述结果可知，添加生物炭基保水剂对于提高土壤保水持水能力、增加土壤养分，促进植物生长有显著作用。尽管已经描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。