一种皇竹草生物炭及其应用的制作方法

本发明属于生物
技术领域：
，具体涉及一种皇竹草生物炭及其应用。
背景技术：
：镉(cd)是五毒重金属元素(cd、cr、pb、hg和as)之一，虽然在自然界中普遍存在，但它并非植物所需的元素，当土壤中cd超过一定限度则表现为毒害作用。近年来，随着我国工业化和城市化进程不断加快，大量污染物随之产生并排入环境中，土壤作为环境的最终受体，污染日益加剧。根据2014年4月环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤调查点位超标率为16.1％，其中耕地土壤点位超标率达19.4％，土壤cd点位超标率达7.0％。为了研究cd的毒理效应，目前国内外研究cd污染土壤的治理和修复方法主要有物理法(如换土、深耕翻土、土壤淋洗和电动修复等)和化学法(如化学沉淀法、氧化还原法和化学浮选法等)。这类方法虽然治理速度快，效果较好，但其成本高，对土壤结构有损害，易造成二次污染，只适合小面积污染土壤的治理。因此，如何选择廉价且具高效吸附效能的材料是应用于实践的关键所在。近年来，生物炭已成为改良重金属污染土壤的材料之一，生物炭是指生物残渣在低氧条件下燃烧，生成多孔结构、低密度的具碳丰富的材料。由于生物炭具有多孔性，较大的比表面积及较强的表面吸附能力。在受重金属污染土壤中施加生物炭后，生物炭可明显影响重金属在土壤-植物中的分布和迁移。技术实现要素：为了利用能源植物和减少其他方式治理重金属的成本，并且可生产有机蔬菜，本发明的首要目的在于提供一种皇竹草生物炭。根据生物炭的原料不同及其特性对重金属的吸附效果也不同，为了更加合理的就地取材，由于皇竹草对生存环境要求低，根系发达、生长快、产量高等优势条件，因此本发明采用皇竹草为原料制备生物炭。本发明的另一目的在于提供上述皇竹草生物炭的应用。该皇竹草生物炭可提高作物生产量，同时降低土壤中重金属对作物的毒害作用。本发明目的通过以下技术方案实现：一种皇竹草生物炭，所述皇竹草生物炭通过以下步骤制备得到：将皇竹草茎秆自然风干后，采用马弗炉制备，先通入惰性气体10min驱赶氧气，然后于500℃缺氧条件下炭化2h，制得皇竹草生物炭。上述皇竹草生物炭可用于提高作物生产量，或是用于钝化土壤中重金属cd。本发明通过外业采土进行盆栽施加上述皇竹草生物炭并种植不同品种菜心，结果发现了施加该生物炭不仅有效地缓解了广州某地区菜园土壤cd对菜心的毒害作用，同时提高了菜心的产量。这是因为将皇竹草生物炭施入土壤后可利用生物炭改变土壤理化性质的同时，也对土壤重金属cd起到钝化作用，从而降低cd对菜心的毒害作用，并减少菜心对cd的累积效果。本发明作用原理：利用生物炭对重金属的吸附性和钝化效果，可直接降低土壤重金属对作物的毒害作用，从而有效地生产有机作物。与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：(1)能源植物制备成生物炭的有效利用；(2)皇竹草生物炭具有吸附性和官能团特性；(3)利用生物炭对重金属的钝化效果，可有效地降低重金属对作物的毒害作用。附图说明图1为500℃下制备的皇竹草生物炭表征结构图，其中从左往右图片的倍率为：x800，x1600，x6400。图2为盆栽实验不同处理的实物图，其中：1-碧绿粗苔；2-ck；3-特青迟心4号；4-碧绿粗苔+皇竹草生物炭；5-只添加皇竹草生物炭；6-特青迟心4号+皇竹草生物炭。图3为皇竹草生物炭及不同品种菜心对土壤cd及其ca-cd含量的影响，其中：c-碧绿粗苔；c+b-碧绿粗苔+皇竹草生物炭；t-特青迟心4号；t+b-特青迟心4号+皇竹草生物炭；b-只添加皇竹草生物炭；数据为means±sd(n＝3)，同一列数据后不同字母表示菜心各指标的显著性差异，(p<0.05)。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例1：皇竹草生物炭制备本应用试验采用的皇竹草茎秆取自广州市华南农业大学生态农场，风干。将自然风干的皇竹草采用马弗炉(型号fr-1236，北京永光明医疗仪器厂)制备，先通入氮气10min驱赶氧气，然后于500℃缺氧条件下制备生物炭，炭化时间2h，并测得其产率，而后测定其他指标，可见表1。并采用电子扫描sem，观察其结构，见于图1。根据皇竹草茎秆及其制备的生物炭进行消解，测定(中国广州市华南农业大学农学院生态系，型号zee700，德国耶拿公司)其重金属含量，可见表2。表1皇竹草生物炭理化性质的特征相关参数注：数据为means±sd(n＝3)。表2皇竹草茎秆及皇竹草生物炭的重金属含量(mg/kg)cdpbnicuzn皇竹草茎秆1.35±0.6131.28±3.927.84±0.8669.98±7.44144.49±6.18皇竹草生物炭1.19±0.4712.66±3.4417.86±9.04156.07±148.78109.75±15.21注：数据为means±sd(n＝3)。实施例2：实施例1制备的皇竹草生物炭的应用试验供试土壤采自中国广州市菜园地土壤。外业采集表层土壤为0～20cm，采后置于中国广州市华南农业大学生态系温室大棚，均匀铺开，并在自然条件下风干，分装，备用。根据外业所采集土样测定土壤理化性质及其重金属背景值，可见于表3，而后将广州菜地土混匀后装入塑料盆(d上×d下×h：12cm×8cm×8cm)中，每盆2.50kg，平衡10天左右，备用并种植。实验分为6个处理：碧绿粗苔，碧绿粗苔+皇竹草生物炭，特青迟心4号，特青迟心4号+皇竹草生物炭，只添加皇竹草生物炭，ck，且每个处理3个重复，可见图2。种植28天后收获，并测量各项指标。实验中皇竹草生物炭添加量均为2％，即生物炭的加入量与土壤的质量比为2％。1.土壤理化性质的测量，根据鲍士旦《土壤农化分析》(2000)进行测定土壤的速效养分、全量养分和有机质；通过toc分析仪测定土壤中全氮和全碳。2.土壤重金属cd及其形态测量方法(1)cd-cacl2提取：取过2mm筛2.00g土壤置于50ml离心管内，加入20ml0.01mol/lcacl2溶液，在20℃的环境下振荡2h，2500r/min离心后，采用0.45μm滤膜过滤，备用，测量。(2)土壤重金属电热板消解：取0.10g置于聚四氟乙烯坩锅。先采用双蒸水湿润，之后加入混合酸(硝酸5ml，高氯酸3ml，氢氟酸5ml)，加盖后放在电热板上加热。待坩埚壁上的黑色有机物消失后，开盖进行驱赶具挥发性化合物，等至聚四氟乙烯坩埚底呈现1ml左右白色粘稠状透明液，即可取下冷却，定容，过滤，备测。3.植物生长指标及其各部累积cd测量方法(1)生长指标测量：采用直尺测量植物株高，并记录。采用分析天平测得植物地上部鲜重，记录；之后将植物各部，先置入烘箱110℃杀青10min，而后在70℃至烘干，取出并测得干重，记录。(2)植物样品中cd测量：取植物样品0.30g置于消解罐中，用1ml去离子水湿润样品，再加入王水(vhno3:vhcl＝1∶3)10ml，轻摇混匀，加盖密封，调制程序，在150℃，800kpa的条件下加热2h，之后冷却至室温，取出赶酸，定容，过滤，备用，测量，每个处理3次重复。表3广州市菜园地土壤的理化性质及其cd含量结果和分析：由表4可知，相较于ck，只施加皇竹草生物炭可明显提高土壤中的c/n，但对其他土壤养分则无明显差异；只种植不同品种菜心(碧绿粗苔，特青迟心4号)导致土壤中全n含量及全p含量减少，分别减少了36.60％，5.41％；4.58％，14.86％；说明植物在生长过程中需要吸收土壤中养分，从而减少土壤中全量养分含量。施加皇竹草生物炭可影响土壤中有机质的含量，相较于b实验组，种植碧绿粗苔菜心实验组增加了土壤有机质11.11％，而种植特青迟心4号菜心实验组却减少了土壤有机质3.59％，说明了不同品种菜心生长过程进行新陈代谢不同，同时需要养分不同，进而影响土壤中有机质含量不同。此外，相较于b实验组，通过种植特青迟心4号菜心并施加皇竹草生物炭后提高土壤中碱解n含量最明显，增加了11.52％；而相较于只种植特青迟心4号实验组，则增加了23.11％，说明了施加皇竹草生物炭或种植菜心均可提高土壤中碱解n和有效p含量。表4皇竹草生物炭及不同品种菜心对土壤理化性质的影响注：c：碧绿粗苔；c+b：碧绿粗苔+皇竹草生物炭；t：特青迟心4号；t+b：特青迟心4号+皇竹草生物炭；b只添加皇竹草生物炭；数据为means±sd(n＝3)，同一列数据后不同字母表示菜心各指标的显著性差异，(p<0.05)。由图3可知，施加皇竹草生物炭和种植不同菜心(c+b和t+b)可降低土壤中cd含量且与ck比较具有显著差异，分别降低了12.71％、18.22％，同时也可降低土壤中ca-cd含量，分别降低了30.00％、25.00％；表明了皇竹草生物炭可改变土壤的理化性质，从而改变土壤中cd的有效态及其全量。相对于只种植菜心实验组(c和b)，c+b和t+b实验组对土壤中cd含量无显著差异；而与b比较，施加皇竹草生物炭和种植不同菜心(c+b和t+b)对土壤cd含量也无显著差异；表明了皇竹草生物炭可钝化土壤中的cd的交换态含量，从而直接减少其毒性效益，也促进菜心生长间接地减少了土壤中cd含量。株高、根长和干鲜重是衡量植物生长良好的常见指标。由表5可见，相较于只种植菜心实验组，施加皇竹草生物炭可明显增长不同品种菜心(碧绿粗苔，特青迟心4号)的株高及地上部干鲜重，分别增加了48.19％，133.59％，158.82％；40.55％，139.45％，180.95％，表明了皇竹草生物炭可促进菜心的生长。表5皇竹草生物炭对不同品种菜心生长的影响注：c：碧绿粗苔；c+b：碧绿粗苔+皇竹草生物炭；t：特青迟心4号；t+b：特青迟心4号+皇竹草生物炭；数据为means±sd(n＝3)，同一列数据后不同字母表示菜心各指标的显著性差异，(p<0.05)。由表6可得，广州菜地土施加皇竹草生物炭后，所测得不同品种菜心中地上/下部累积cd含量均低于只种植菜心的实验组。相较于只种植菜心的地上/下部累积cd含量，碧绿粗苔菜心和特青迟心4号菜心分别降低了10.30％，10.48％；17.76％，13.83％；表明了施加皇竹草生物炭可促进菜心地上部生长，提高生物量，从而降低了土壤中cd含量，但也可能存在由于皇竹草生物炭的吸附作用从而减少了菜心对土壤中cd的吸收。表6皇竹草生物炭对不同品种菜心地上/下部累积cd的影响单位：mg/kg地上部cd地下部cdc3.01±0.16ab5.63±0.47ac+b2.70±0.24b4.63±0.75bt3.34±0.24a5.64±0.36at+b2.99±0.30b4.86±0.23b注：c：碧绿粗苔；c+b：碧绿粗苔+皇竹草生物炭；t：特青迟心4号；t+b：特青迟心4号+皇竹草生物炭；数据为means±sd(n＝3)，同一列数据后不同字母表示菜心各指标的显著性差异，(p<0.05)。综上，施加本发明制得的皇竹草生物炭可有效地促进菜心的生长，也能有效钝化土壤cd对不同品种菜心的毒害作用，同时也能减少菜心地上部对重金属cd的累积作用，将成为更好更健康的有机食物地流向人类，因此，建议采用2％皇竹草生物炭施加菜园地，其具有绿色环保的现实意义，对后期的大规模有机蔬菜种植可提供参考。实施例3：对本发明制备的皇竹草生物炭、相同条件下制备的蟛蜞菊生物炭和咖啡渣生物炭(是指按照实施例1的工艺条件，将原料皇竹草分别替换为蟛蜞菊和咖啡渣，制得的蟛蜞菊生物炭和咖啡渣生物炭)对空心菜生长及降低空心菜地上部重金属含量的效果进行了对比试验，结果如表7和表8(表中百分数是指生物炭的添加比例，即生物炭和土壤的质量比例)：表7.添加不同类型生物炭对两种空心菜相对生长的影响(cm)注：同一列数据后不同字母表示空心菜各指标的显著性差异，(p<0.05)表8两种空心菜地上部的重金属含量(mg/kg)注：同一列数据后不同字母表示空心菜各指标的显著性差异，(p<0.05)上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第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