一种轻质立体绿化保水基质的制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种轻质立体绿化保水基质的制备方法及应用 (Preparation method and application of light three-dimensional greening water-retaining matrix ) 是由 邹水平 吴小业 孙思 付成洪 谭秀敏 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种轻质立体绿化保水基质,属于园林农艺技术领域,按重量份数计,包括草炭土20-35份、保水剂5-10份、堆肥污泥8-12份、珍珠岩4-8份、蛭石4-8份、活性炭5-10份、缓释肥6-10份和助剂1-10份,其中,所述保水剂为吸水性凝胶材料,所述助剂为生长调节剂、抗菌剂、pH调节剂中的一种或多种；本发明所述保水基质具有良好的保水性和较低的比重,利用吸水性凝胶材料本身良好的吸水保水性能,极大降低水流失。(The invention provides a light three-dimensional greening water-retaining matrix, which belongs to the technical field of garden agriculture, and comprises 20-35 parts of turfy soil, 5-10 parts of a water-retaining agent, 8-12 parts of compost sludge, 4-8 parts of perlite, 4-8 parts of vermiculite, 5-10 parts of activated carbon, 6-10 parts of a slow-release fertilizer and 1-10 parts of an auxiliary agent in parts by weight, wherein the water-retaining agent is a water-absorbing gel material, and the auxiliary agent is one or more of a growth regulator, an antibacterial agent and a pH regulator; the water-retaining matrix has good water-retaining property and lower specific gravity, and the water loss is greatly reduced by utilizing the good water-absorbing and water-retaining property of the water-absorbing gel material.)
技术领域
本发明涉及园林农艺技术领域，具体涉及一种轻质立体绿化保水基质的制备方法及应用。
背景技术
立体绿化是地面绿化、墙体绿化、屋顶绿化的总称，是与地面绿化相对应，在立体空间进行绿化的一种方式，就是为了充足应用空间，在房顶、墙壁、阳台、窗台、棚架等处栽种攀登植物，以增添绿化笼罩率，改良居住环境。立体绿化具有占地少，笼罩面大、造价低、见效快的长处，立体绿化不仅能够补充平地绿化与家庭绿化的不足，丰盛绿化层次，还有助于恢回生态平衡，改良不良环境，使之与环境更加和谐统一。
随着城市化的快速发展，大量土地被用作城市建设，许多城市可供绿化土地严重不足，绿化面积不达标，而立体绿化可以在不占用或占用少量土地资源的基础上采用立体式、复合式的方法在少量空间里进行大量的绿化，将城市有限空间变成了无限绿色资源，解决了绿化与土地之间的矛盾，开拓了人类生存新的环境空间，在改善城市过度碳排放带来的热岛效应，提高城市景观效果和市民居住质量方面产生了难以想象的作用和效果。近几十年来，面对全球城市环境质量持续恶化的现状，立体绿化发展更为迅速，并取得了丰硕成果，呈现出全球化、多样化、规模化、迅速化的趋势，立体绿化已成为全世界绿色运动的重要组成部分。
栽培基质是决定立体绿化功能稳定的关键技术，基于立体绿化应用场景的不同，对栽培基质的要求也有所不同，需要具备一定的养分，同时具有质轻、透气好、保水保肥性好等优点。由于当前栽培基质保水性不足以及较高的容重，难以为绿植长期生长所需养分，无法保持植物长期有效生长，限制了城市立体绿化建设的发展。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种轻质立体绿化保水基质的制备方法及应用。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种轻质立体绿化保水基质，按重量份数计，包括草炭土20-35份、保水剂5-10份、堆肥污泥8-12份、珍珠岩4-8份、蛭石4-8份、活性炭5-10份、缓释肥6-10份和助剂1-10份，其中，所述保水剂为吸水性凝胶材料。
优选的，所述吸水性凝胶材料的制备方法包括以下步骤：
分别称取N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂并溶解在去离子水中，配制为总浓度为56-60g/L的溶液，氮吹除氧，得到溶液A，配制浓度分别为10g/L、1g/L的聚吡咯与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，氮吹除氧后得到溶液B，在保护气氛下，边搅拌边将所述溶液A、所述溶液B与过硫酸铵溶液混合，充分混合后静置老化12-24h，加水浸泡24h，每4h换水一次，浸泡完成后进行冻融处理，所述冻融处理循环3-8次，去离子水洗涤，冻干后破碎制得所述吸水性凝胶材料；
其中，所述N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量比例为100：(12-14)：(4-5)；所述过硫酸铵溶液的浓度在20-25g/L，所述溶液A、所述溶液B与所述过硫酸铵溶液的混合体积比为(2-4)：1：(8-10)。
优选的，所述溶液A中还包括有1-3wt.％的纤维素纳米纤维或纳米木质素纤维。
优选的，所述助剂包括生长调节剂、抗菌剂、pH调节剂中的一种或多种。
优选的，所述助剂还包括改性二氧化硅纳米粒子，其制备方法包括以下步骤：
(1)介孔二氧化硅纳米粒子制备
将CTAB溶解在二甲基甲酰胺中，配制为浓度0.1-0.6wt.％的溶液，按溶液体积的1-3％加入25wt.％的浓氨水，再加入2-3倍体积的去离子水稀释，剧烈搅拌后加入与混合体系等体积的去离子水稀释分散，得到第一混合溶液，搅拌条件下，在所述第一混合溶液中逐滴加入与所述浓氨水等体积的正硅酸乙酯，滴加完成后在30-40℃下搅拌反应10-20h，离心分离沉淀，沉淀以乙醇洗涤，再将沉淀分散在无水乙醇与37％浓盐酸的混合溶液中，在50-60℃下搅拌反应1-3h，离心分离沉淀，沉淀以去离子水洗涤至中性，干燥后以4-5℃/min升温至500-550℃并保温热处理4-6h，冷却后制得介孔二氧化硅纳米粒子；
(2)改性负载
按摩尔比100:(10-30):(0-0.5)称取钇、镱、铥的乙酸盐并溶解在甲醇中，配制为金属含量为0.2mol/L的溶液，得到溶液C，再依次加入油酸和1-十八烯混合，按料液比50g/L加入所述介孔二氧化硅纳米粒子分散，密闭升温至140-150℃并保温30-60min，冷却至50℃以下后，在搅拌条件下逐滴滴加氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液，保温搅拌反应10-30min，蒸去溶剂，在氮气气氛下以5℃/min升温至400℃并保温1.5-2h，冷却至室温后以无水乙醇洗涤，干燥制得所述改性二氧化硅纳米粒子；
其中，所述溶液C与所述油酸、1-十八烯、所述氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液的体积比例为2：3：7：6，所述氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液中氟化铵与氢氧化钠的浓度分别为10g/L、6g/L。
优选的，所述缓释肥的制备方法包括以下步骤：
称取木质素磺酸钠并按料液比1-4g/100ml溶解在去离子水中，在常温下搅拌混合1-10min，分别按料液比1-4g/100ml、1-2g/100ml加入海藻酸钠和魔芋粉，继续搅拌混合2-4h，得到溶液D，加入50％所述溶液D体积的0.1-0.2mol/L的氯化钙溶液，继续搅拌反应0.5-1h，经重复冻融处理后以去离子水浸泡，去除浸泡水后分切为小块，加入浓度0.1-0.2mol/L的氯化铝乙醇溶液浸泡24h，冻干后在空气中进行退火处理，退火温度300-400℃，退火时间10-20min，冷却后得到缓释载体，将所述缓释载体加入复合水溶肥中进行浸泡负载，滤出干燥后表面喷涂75-85％的乙醇溶液润湿，将木质素粉末包覆在载肥缓释载体上，再在表面喷涂一层醋酸丁酸纤维素与液体石蜡的乙酸乙酯，干燥制得所述缓释型复合肥料。
本发明的另一目的在于提供一种前述保水基质的制备方法，具体包括以下步骤：
按重量份数比例称取各组分备用，将所述保水剂与所述草炭土研磨混合，得到第一混合料，将所述珍珠岩与所述蛭石研磨混合，得到第二混合料，将所述第一混合料与所述第二混合料混合，加入助剂混匀后再与所述堆肥污泥、所述活性炭和所述缓释肥混匀制得。
本发明的有益效果为：
(1)针对当前栽培基质保水性不足以及容重较高的问题，本发明所述保水基质复配有多种无机矿物与活性土壤，具有良好的保水性和较低的比重，汽蒸，用吸水性凝胶材料本身良好的吸水性能，获得良好的保水效果，草炭土、堆肥污泥、缓释肥可以为基质提供长效、丰富的肥力，珍珠岩、蛭石、活性炭则为基质提供长效透气、疏松的性能。
(2)本发明以N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺为单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、过硫酸铵为引发剂交联制备得到水凝胶材料，进一步的，本发明通过嵌入聚吡咯和聚乙烯吡咯烷酮链，在所水凝胶材料中形成互穿交联的高分子网络联结结构，提高水凝胶强度，同时提高其保水性，更进一步的，本发明通过加入多羟基的纤维素纳米纤维或纳米木质素纤维，提高水凝胶材料的吸水性能，基于其良好的吸水保水性能，可以极大降低水流失，防止植物脱水，另一方面也降低了基质内水分的冰点，减缓植物根系受冻。
(2)基于立体绿化的特点，绿植难以获得与平面绿化所接受到的光照强度和肥料养分，不利于立体绿化绿植光合作用的进行及其生长；NaYF4：Yb是一种声子能量低、荧光效率高的氟化物类上转换荧光基质材料，通过掺杂的敏化剂Yb3+离子使其可以吸收近红外光线(980nm)并产生光转换，本发明以NaYF4为红外吸收剂，以无毒害的介孔二氧化硅纳米粒子为载体，通过植物吸收，促进立体绿化绿植的光合作用，进一步的，本发明以模板法制备得到的介孔结构的二氧化硅纳米粒子为载体，以Yb、Tm掺杂的NaYF4作为吸收剂，将近红外光通过光转换而被植物光合作用所利用，提高立体绿化绿植的光合效率，促进生长。
(3)立体绿化绿植在生长过程中需要大量氮、磷、钾，但立体绿化的盆土少、养分有限，常须额外补充肥料和养分，本申请以天然海藻酸钠和魔芋粉为凝胶材料，制备得到凝胶体，再通过铝离子的自然渗透扩散使其在凝胶体实现由内而外含量递增的梯度分布，再通过退火过程制得具有分层结构的氧化铝空心材料，用于多元复合水溶肥的负载，可以实现肥料缓释，为立体绿化绿植提供长效肥力，减少人为施肥次数。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种轻质立体绿化保水基质，按重量份数计，包括草炭土28份、吸水性凝胶材料8份、堆肥污泥9份、珍珠岩6份、蛭石7份、活性炭10份、缓释肥8份、赤霉素和/或吲哚丁酸钾1份；
其制备方法包括以下步骤：
按重量份数比例称取各组分备用，将所述吸水性凝胶材料与所述草炭土研磨混合，得到第一混合料，将所述珍珠岩与所述蛭石研磨混合，得到第二混合料，将所述第一混合料与所述第二混合料混合，加入助剂混匀后再与所述堆肥污泥、所述活性炭和所述缓释肥混匀制得；
所述吸水性凝胶材料的制备方法包括以下步骤：
按重量比例100：13：4.5分别称取N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂并溶解在去离子水中，配制为总浓度为58g/L的溶液，氮吹除氧，得到溶液A，配制浓度分别为10g/L、1g/L的聚吡咯与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，氮吹除氧后得到溶液B，在保护气氛下，边搅拌边将所述溶液A、所述溶液B与过硫酸铵溶液按体积比为3：1：10混合，所述过硫酸铵溶液的浓度在22.3g/L，充分混合后静置老化12h，加水浸泡24h，每4h换水一次，浸泡完成后进行冻融处理，所述冻融处理循环6次，去离子水洗涤，冻干后破碎制得所述吸水性凝胶材料；
所述缓释肥的制备方法包括以下步骤：
称取木质素磺酸钠并按料液比2g/100ml溶解在去离子水中，在常温下搅拌混合10min，分别按料液比4g/100ml、2g/100ml加入海藻酸钠和魔芋粉，继续搅拌混合2-4h，得到溶液D，加入50％所述溶液D体积的0.12mol/L的氯化钙溶液，继续搅拌反应0.5h，经重复冻融处理后以去离子水浸泡，去除浸泡水后分切为小块，加入浓度0.2mol/L的氯化铝乙醇溶液浸泡24h，冻干后在空气中进行退火处理，退火温度360℃，退火时间11min，冷却后得到缓释载体，将所述缓释载体加入复合水溶肥中进行浸泡负载，滤出干燥后表面喷涂75-85％的乙醇溶液润湿，将木质素粉末包覆在载肥缓释载体上，再在表面喷涂一层醋酸丁酸纤维素与液体石蜡的乙酸乙酯，干燥制得负载量为32.43wt.％的缓释制剂。
实施例2
一种轻质立体绿化保水基质，其组成和制备方法同实施例1，区别在于：
所述吸水性凝胶材料的制备方法包括以下步骤：
按重量比例100：13：4.5分别称取N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺为单体，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂并溶解在去离子水中，配制为总浓度为58g/L的溶液，氮吹除氧，得到溶液A，配制浓度分别为10g/L、1g/L的聚吡咯与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，氮吹除氧后得到溶液B，在保护气氛下，边搅拌边将所述溶液A、所述溶液B与过硫酸铵溶液按体积比为3：1：10混合，所述过硫酸铵溶液的浓度在22.3g/L，充分混合后静置老化12h，加水浸泡24h，每4h换水一次，浸泡完成后去离子水洗涤，冻干后破碎制得所述吸水性凝胶材料；
实施例3
一种轻质立体绿化保水基质，其组成和制备方法同实施例1，区别在于：
所述溶液A中还包括有2wt.％的纤维素纳米纤维或纳米木质素纤维。
实施例4
一种多元水溶肥的缓释制剂，制备方法包括以下步骤：
称取木质素磺酸钠并按料液比2g/100ml溶解在去离子水中，在常温下搅拌混合10min，分别按料液比4g/100ml、2g/100ml加入海藻酸钠和魔芋粉，继续搅拌混合2-4h，得到混液B，加入50％所述混液B体积的0.12mol/L的氯化钙溶液，继续搅拌反应0.5h，经重复冻融处理后以去离子水浸泡，去除浸泡水后分切为小块，加入浓度0.2mol/L的氯化铝乙醇溶液浸泡24h，冻干后在空气中进行退火处理，退火温度360℃，退火时间11min，冷却后得到缓释载体，将所述缓释载体加入复合水溶肥中进行浸泡负载，滤出干燥制得负载量为31.24wt.％的缓释制剂。
实施例5
一种多元水溶肥的缓释制剂，制备方法包括以下步骤：
以质量比例1：1的多孔矿物膨润土、珍珠岩作为缓释载体，将所述缓释载体加入复合水溶肥中进行浸泡负载，滤出干燥后表面喷涂75-85％的乙醇溶液润湿，将木质素粉末包覆在载肥缓释载体上，再在表面喷涂一层含5％醋酸丁酸纤维素与2％液体石蜡的乙酸乙酯溶液，干燥制得负载量为27.18wt.％的缓释制剂。
实施例6
一种轻质立体绿化保水基质，其制备方法同实施例1，区别在于：
其组成中所述助剂包括2份改性二氧化硅纳米粒子，所述改性二氧化硅纳米粒子的制备方法包括以下步骤：
(1)介孔二氧化硅纳米粒子制备
将CTAB溶解在100mL二甲基甲酰胺中，配制为浓度0.4wt.％的溶液，加入2mL25wt.％的浓氨水，再加入200mL的去离子水稀释，剧烈搅拌后加入300mL的去离子水稀释分散，得到第一混合溶液，搅拌条件下，在所述第一混合溶液中逐滴加入2mL的正硅酸乙酯，滴加完成后在30-40℃下搅拌反应12h，离心分离沉淀，沉淀以乙醇洗涤，再将沉淀分散在体积比10：1的无水乙醇与37％浓盐酸的混合溶液中，在50-60℃下搅拌反应2h，离心分离沉淀，沉淀以去离子水洗涤至中性，干燥后以4-5℃/min升温至500℃并保温热处理5h，冷却后制得介孔二氧化硅纳米粒子；
(2)改性负载
按摩尔比100：30：0.5称取钇、镱、铥的乙酸盐并溶解在甲醇中，配制为金属含量为0.2mol/L的溶液，得到溶液C，再依次加入油酸和1-十八烯混合，按料液比50g/L加入所述介孔二氧化硅纳米粒子分散，密闭升温至140-150℃并保温30-60min，冷却至50℃以下后，在搅拌条件下逐滴滴加氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液，保温搅拌反应10-30min，蒸去溶剂，在氮气气氛下以5℃/min升温至400℃并保温1.5-2h，冷却至室温后以无水乙醇洗涤，干燥制得所述改性二氧化硅纳米粒子；
其中，所述溶液C与所述油酸、1-十八烯、所述氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液的体积比例为2：3：7：6，所述氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液中氟化铵与氢氧化钠的浓度分别为10g/L、6g/L。
实施例7
一种轻质立体绿化保水基质，其制备方法同实施例3，区别在于：
所述改性二氧化硅纳米粒子的制备方法包括以下步骤：
(1)介孔二氧化硅纳米粒子制备
将CTAB溶解在100mL二甲基甲酰胺中，配制为浓度0.4wt.％的溶液，加入2mL25wt.％的浓氨水，再加入200mL的去离子水稀释，剧烈搅拌后加入300mL去离子水稀释分散，得到第一混合溶液，搅拌条件下，在所述第一混合溶液中逐滴加入2mL的正硅酸乙酯，滴加完成后在30-40℃下搅拌反应12h，离心分离沉淀，沉淀以乙醇洗涤，再将沉淀分散在体积比10：1的无水乙醇与37％浓盐酸的混合溶液中，在50-60℃下搅拌反应2h，离心分离沉淀，沉淀以去离子水洗涤至中性，干燥后以4-5℃/min升温至500℃并保温热处理5h，冷却后制得介孔二氧化硅纳米粒子；
(2)改性负载
按摩尔比100：30称取钇、镱的乙酸盐并溶解在甲醇中，配制为金属含量为0.2mol/L的溶液，得到混液B，再依次加入油酸和1-十八烯混合，按料液比50g/L加入所述介孔二氧化硅纳米粒子分散，密闭升温至140-150℃并保温30-60min，冷却至50℃以下后，在搅拌条件下逐滴滴加氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液，保温搅拌反应10-30min，蒸去溶剂，在氮气气氛下以5℃/min升温至400℃并保温1.5-2h，冷却至室温后以无水乙醇洗涤，干燥制得所述改性二氧化硅纳米粒子；
其中，所述混液B与所述油酸、1-十八烯、所述氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液的体积比例为2：3：7：6，所述氟化铵与氢氧化钠的甲醇混合溶液中氟化铵与氢氧化钠的浓度分别为10g/L、6g/L。
实验例
1、基质指标测定
对实施例1、2、3所制备的基质的比重、吸收率以及保水时间进行测定，其中，吸水率为单位质量的基质所能吸收的水分质量(单位％)，保水时间为充分吸水的基质在40℃下通风烘干至持水量为0的时间(单位h)，测定结果如下：
比重(g/cm<sup>3</sup>)
吸收率(％)
保水时间(％)
实施例1
0.70
3117
72
实施例2
0.69
3049
68
实施例3
0.72
3104
78
2、缓释肥效
在高30cm、内径5.8cm的带砂芯层析柱中先装入2cm石英砂，再装入250g实施例1、4、5所述缓释制剂，柱上再以2cm石英砂覆盖，以防加水时扰动；第一次先加250mL(以塑料杯底部开始有水渗出为准)水使土壤水分接近饱和，培养2d后再加入200mL水，同时收集淋溶液，室温下培养2d后(注意防止淋溶柱干裂)，用200mL水进行第二次淋溶，以后各次按同样程序进行操作。即培养2d淋溶1次，共淋溶8次。
淋溶液转入500mL容量瓶，加水定容，检测全氮、全磷、全钾等指标，结果如下：
3、光合作用效率
以未改性负载的介孔二氧化硅纳米粒子为对比(施用时间14d)，以绿萝幼苗为绿植，测定相同培养条件下的实施例1、6、7所述基质对绿萝幼苗的叶绿素含量的影响，取绿萝叶片0.05g剪碎，采用体积比1：1的丙酮-乙醇混合液10ml进行浸泡，加盖置于暗处，进行叶绿素含量测定，测定结果如下：
实施例1
实施例6
实施例7
对比
叶绿素含量(mg/g)
8
12
9
8
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
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