一种营养型土壤保水组合物、其制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种营养型土壤保水组合物、其制备方法及应用 (Nutritional soil water-retaining composition, and preparation method and application thereof ) 是由 常大勇 张在花 孙明明 王琳 丁玮琳 贾朝佩 李恩广 廖俊彦 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种营养型土壤保水组合物,其以重量份数计,包括如下组分：蚝壳-保水剂混合物30～70份,羟丙基甲基纤维素1～10份和脱水木糖醇渣10～20份；所述的蚝壳-保水剂混合物的组分包括蚝壳粉和保水剂,所述的保水剂的用量为以蚝壳粉质量计1wt％～20wt％。本发明还公开了上述营养型土壤保水组合物的制备方法及其在土壤改良中的应用。本发明提供的的营养型保水剂,不仅能够提供土壤所需的钙、镁、锶等元素,而且蚝壳特定粒径的微孔结构与三维网格结构的保水剂发生协同作用,使制备的营养型保水剂在保水保肥方面发挥更强劲功效,改善土壤环境,提高作物产量。(The invention discloses a nutritional soil water-retaining composition which comprises the following components in parts by weight: 30-70 parts of oyster shell-water-retaining agent mixture, 1-10 parts of hydroxypropyl methyl cellulose and 10-20 parts of dehydrated xylitol residue; the components of the oyster shell-water-retaining agent mixture comprise oyster shell powder and a water-retaining agent, wherein the amount of the water-retaining agent is 1 wt% -20 wt% of the mass of the oyster shell powder. The invention also discloses a preparation method of the nutritional soil water-retaining composition and application of the nutritional soil water-retaining composition in soil improvement. The nutritional water-retaining agent provided by the invention can provide elements such as calcium, magnesium, strontium and the like required by soil, and the microporous structure with specific particle size of oyster shells and the water-retaining agent with a three-dimensional grid structure have a synergistic effect, so that the prepared nutritional water-retaining agent has stronger effects on water and fertilizer retention, the soil environment is improved, and the crop yield is increased.)
技术领域
本发明属于土壤改良剂领域，具体涉及一种营养型土壤保水组合物、其制备方法及应用。
背景技术
我国是一个水资源严重短缺的国家，干旱、半干旱地区总面积为508万平方公里，占国土总面积的53％，其中，农业用水在我国水资源利用中占据了很大的比例，水资源危机逐渐成为面临的资源环境问题之一。尤其在我国西北地区干旱总体较为严重，目前现有较为成熟的技术只有投资较大的微灌、滴灌等工程技术，而投资少、节水性能好的保水剂却很少推广应用。
保水剂即高吸水性树脂，是一种吸水能力极强的功能性高分子材料，其能够在短时间内吸收比自重大成百上千倍的水分，也可在作物缺水时缓慢释放，成为农业化学节水技术中重要的制剂。但单一的保水剂只能满足作物水分的需求，存在耐盐性差、难降解以及价格昂贵等缺点，难于推广应用。
蚝壳是由少量有机质大分子(蛋白质或糖类)，以多种无机盐为单位通过生物矿化形成。蚝壳结构可分为三层，外层是厚度极薄的硬化蛋白角质层，中间为叶片状且存在于天然气孔的棱柱层，内层为珍珠层，主要由矿物质和少量有机质组成。
使用蚝壳应用于土壤调理的发明专利参照如下：发明专利“一种改良盐碱地的酸性土壤调理剂”(专利申请号：201910686403.9)；发明专利“一种用于沙澧特梨子种植的土壤改良剂”(专利申请号：201710910352.4)；发明专利“一种土壤保水剂”(专利申请号：201610662108.6)；发明专利“一种用于沙澧特梨子种植的土壤改良剂”(专利申请号：201710910352.4)。上述专利添加保水剂、聚丙烯酰胺、牡蛎壳等组成土壤保水、调理/改良剂，有利于土壤的疏松密度，化学肥料对土壤造成的退化现象，保水保肥，透水透气效果好。降低土壤的盐碱性，提高作物产量。
发明专利“一种牡蛎壳粉改性水处理剂及其制备方法和应用”(专利申请号：201910286286.7)选用牡蛎壳粉、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠等组成牡蛎壳粉改性水处理剂，对Ni2+、Co2+、Cu2+等重金属离子具有更加快速高效的吸附效果，而且具有优异的稳定性和持久性，有效实现以废治废。
使用蚝壳应用于肥料的发明专利参照如下：发明专利“一种具有保水保肥多功能腐植酸肥料的制备”(专利申请号：201210573643.6)；发明专利“一种动植物型有机肥的制备方法”(专利申请号：201611117603.5)；发明专利“一种肥料”(专利申请号：201510339557.2)；发明专利“一种具有缓释控失效果的增效型氮肥的制造方法”(专利申请号：201210573663.3)；发明专利“一种农业生态肥料”(专利申请号：201610662108.6)；发明专利“一种调理改良次生盐碱地土壤的中量元素肥料及其生产方法”(专利申请号：201610754970.X)。上述专利添加保水剂、聚丙烯酰胺、牡蛎壳等组成不同的肥料，各成分相互结合，提高养分利用效率，从而达到提质增产的效果。
但是，未发现利用蚝壳特定粒径的微孔结构与三维网格结构的保水剂发生协同作用制备营养型保水剂的报道。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种营养型土壤保水组合物、其制备方法及应用，利用蚝壳的三维微孔结构与保水剂发生协同作用，改善土壤保水性能。
具体技术方案如下：
本发明的目的之一是提供一种营养型土壤保水组合物，其以重量份数计，包括如下组分：蚝壳-保水剂混合物30～70份，羟丙基甲基纤维素1～10份和脱水木糖醇渣10～20份；
所述的蚝壳-保水剂混合物的组分包括蚝壳粉和保水剂，所述的保水剂的用量为以蚝壳粉质量计1wt％～20wt％，进一步优选为8wt％～20wt％。
其中，所述的脱水木糖醇渣中，水分含量低于5wt％。木糖醇渣是以米芯为原料经烯酸水解制备木糖时所产生的富含木质素、纤维素的残余物。
具体地，所述的蚝壳粉的粒径为30～100目。
具体地，所述的保水剂为聚丙烯酸钠。
因其结构特异，蚝壳含有大量微孔，具有较强的吸附能力，更重要的是，特定粒径(30～100目)的蚝壳微孔结构与三维网格结构的保水剂在特定条件下发生协同作用，更加促进作物生长、改善土壤结构、增强土壤吸水和保水性能。具体地，因蚝壳具有微孔结构，在粒径恰当的时候，可以为保水剂提供框架支撑作用，提高分散性，防止土壤板结；同时，微孔将保水剂保护在内，一方面可防止微生物与保水剂接触，大大减缓保水剂的分解速度，进而延长保水剂的有效期，达到一次施用长期保水的功效；另一方面，微孔可防止保水剂瞬间吸收大量水分，起到缓释作用，防止土壤过涝有害根系。此外，本发明的组合物还可降低保水剂的平衡湿度，防止保水剂在低湿度条件下从土壤中反向吸水。因此，本发明的土壤保水组合物在干旱、荒漠化治理以及水土保持方面可发挥独特优势。需要注意的是，本发明蚝壳粉的粒径和用量是必要的，粒径不当或用量不当会使本发明的效果无法实现。
进一步，所述的蚝壳粉为蚝壳经过酸浸处理后粉碎获得。酸浸一方面可去掉蚝壳中的汞、铬等重金属，另一方面蚝壳长期在海洋污泥中，其微孔全部被污泥封堵，经过酸浸，将蚝壳的微孔结构清洗干净，同时破坏微孔内表面的光滑釉层，使其更容易附着。
本发明的目的之二是提供上述营养型土壤保水组合物的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将蚝壳浸没于5wt％～10wt％的盐酸溶液中36～60h，用水清洗干净，干燥后粉碎，过筛，收集粒径30～100目之间的蚝壳粉；
(2)将步骤(1)获得的蚝壳粉、保水剂与水混合均匀，形成悬浮液；
(3)将步骤(3)获得的悬浮液在温度100～150℃、压力1.5～1.8MPa条件下混合处理5～10h，烘干，粉碎后，过筛，得蚝壳-保水剂混合物；
(4)将蚝壳-保水剂混合物、羟丙基甲基纤维素和脱水木糖醇渣混合均匀。
进一步，步骤(1)中，在蚝壳用盐酸溶液浸泡前进行清洗并用水浸泡36～60h，以去除泥沙与盐分。具体地，可在用水浸泡期间换水2-3次以去除表面盐分。
进一步，步骤(1)中的粉碎可先进行粗粉碎，再进行超微粉碎，
进一步，步骤(2)中，水的用量为以蚝壳粉计50wt％-80wt％。
进一步，步骤(3)中，所述的过筛为过60～80目筛。
进一步，步骤(3)中，高压处理温度为120～150℃。
进一步，步骤(3)中，高压处理时间为6～10h。
进一步，步骤(3)中，烘干温度为60～70℃，烘至水分含量低于3wt％。
进一步，步骤(3)中，所述的粉碎为5000～7000r/min粉碎3～6min。
本发明的目的之三是提供上述营养型土壤保水组合物在土壤改良中的应用。
本发明的土壤保水组合物在干旱、荒漠化治理以及水土保持方面可发挥独特优势，能够有效促进作物的增产。
进一步，将上述营养型土壤保水组合物应用于大豆、草莓、番茄、苹果种植中的土壤改良。
进一步，使用上述营养型土壤保水组合物时，将其与底肥混合均匀后撒施翻耕，土壤保水组合物的使用量为每亩10～50kg。
本发明的有益效果如下：
普通的保水剂按照农业部相关标准规定由于其吸水倍数可高达自身重量的500倍，最低不能低于100倍，在使用时会面临以下三个致命问题：
1、在天气干旱时，水分极其缺乏，保水剂的吸水能力远高于作物根系的吸水能力，保水剂会与根系争夺水分。
2、当遇到洪灾时，地下较涝需要排水，由于保水剂强大的吸水性不利于排水，而造成根系腐烂。
3、保水剂在土壤中迅速被微生物分解，寿命期短。
本发明提供的的营养型保水剂，不仅能够提供土壤所需的钙、镁、锶等元素，而且蚝壳特定粒径的微孔结构与三维网格结构的保水剂发生协同作用，使制备的营养型保水剂在保水保肥方面发挥更强劲功效，改善土壤环境，提高作物产量。
由于蚝壳的多层微孔结构，保水剂的吸水能力适中，不会与根系争夺水分；蚝壳的存在不会阻止水分排泄；蚝壳对有机物质的保护作用，会增加产品的使用寿命。本发明的组合物安全、环保，不会破坏土壤中其他有益成分，制备方法简单，易于规模化生产，设备投资少，生产成本低。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
制备营养型土壤保水组合物，步骤如下：
(1)蚝壳表面刷洗干净后在自来水中浸泡48h，期间换水2次；然后浸没在10wt％的盐酸溶液中48h；酸处理过的蚝壳用水清洗干净，干燥后先进行粗粉碎，再用万能粉碎机进行超微粉碎，过30目及100目筛，收集粒径30～100目之间的备用。
(2)将步骤(1)获得的蚝壳粉、聚丙烯酸钠与水混合均匀，形成悬浮液；聚丙烯酸钠的加入量为蚝壳粉的10wt％，水的加入量为以蚝壳粉计70wt％。
(3)将步骤(2)获得的悬浮液于蒸压釜中，130℃、1.5MPa下，混合加热8h，冷却，70℃烘干至水分含量低于3wt％，6000r/min粉碎5min，过80目筛，取筛下物，得到蚝壳-保水剂混合物。
(4)将木糖醇渣脱水至水分含量低于5wt％，将蚝壳-保水剂混合物300kg、羟丙基甲基纤维素30kg、脱水后的木糖醇渣45kg在高速混合机中混合均匀，得土壤保水组合物。
实施例2
制备营养型土壤保水组合物，步骤如下：
(1)蚝壳表面刷洗干净后在自来水水中浸泡48h，期间换水2次；然后浸没在10wt％的盐酸溶液中48h；酸处理过的蚝壳用水清洗干净，干燥后先进行粗粉碎，再用万能粉碎机进行超微粉碎，过30目及100目筛，收集粒径30～100目之间的备用。
(2)将步骤(1)获得的蚝壳粉、聚丙烯酸钠与水混合均匀，形成悬浮液；聚丙烯酸钠的加入量为蚝壳粉的15wt％，水的加入量为以蚝壳粉计70wt％。
(3)将步骤(2)获得的悬浮液于蒸压釜中，150℃、1.8MPa下，混合加热6h，冷却，70℃烘干至水分含量低于3wt％，6000r/min粉碎5min，过80目筛，取筛下物，得到蚝壳-保水剂混合物。
(4)将木糖醇渣脱水至水分含量低于5wt％，将蚝壳～保水剂混合物240kg、羟丙基甲基纤维素19.2kg、脱水后的木糖醇渣45kg在高速混合机中混合均匀，得土壤保水组合物。
实施例3
1、制备营养型土壤保水组合物，步骤如下：
(1)蚝壳表面刷洗干净后在自来水水中浸泡48h，期间换水2次，然后浸没在10wt％的盐酸溶液中48h；酸处理过的蚝壳用水清洗干净，干燥后先进行粗粉碎，再用万能粉碎机进行超微粉碎，过30目及100目筛，收集粒径30～100目之间的备用。
(2)将步骤(1)获得的蚝壳粉、聚丙烯酸钠与水混合均匀，形成悬浮液；聚丙烯酸钠的加入量为蚝壳粉的20wt％，水的加入量为蚝壳粉的70wt％。
(3)将步骤(2)获得的悬浮液于蒸压釜中，140℃、1.6MPa下，混合加热7h，冷却，70℃烘干至水分含量低于3wt％，6000r/min粉碎5min，过80目筛，取筛下物，得到蚝壳-保水剂混合物。
(4)将木糖醇渣脱水至水分含量低于5wt％，将蚝壳～保水剂混合物360kg、羟丙基甲基纤维素25kg、脱水后的木糖醇渣54kg在高速混合机中混合均匀，得土壤保水组合物。
对比例1
制备组合物，参照实施例1，与实施例1的区别在于：不制备蚝壳-保水剂组合物，将组分中的蚝壳-保水剂组合物300kg替换为步骤(1)中获得的粒径30～100目之间的蚝壳粉272.7kg。
对比例2
制备组合物，参照实施例1，与实施例1的区别在于：不制备蚝壳-保水剂组合物，将组分中的蚝壳-保水剂组合物300kg替换为聚丙烯酸钠27.3kg。
对比例3
制备组合物，参照实施例1，与实施例1的区别在于：步骤(1)中，收集粒径30目以下的蚝壳粉部分备用；
其余技术特征与实施例1相同。
对比例4
制备组合物，参照实施例1，与实施例1的区别在于：步骤(1)中，收集粒径100目以上的蚝壳粉部分备用；
其余技术特征与实施例1相同。
对比例5
制备组合物，参照实施例1，与实施例1的区别在于：不进行步骤(2)、(3)，将蚝壳、保水剂与羟丙基甲基纤维素和脱水木糖醇渣直接混合。
其余技术特征与实施例1相同。
实验1
测试实施例1获得的土壤保水组合物在不同用量条件下的短期土壤保水性能。
设置5个实验组，1个对照组，每组取50g的土壤，放入蒸发皿中，加入不同量的土壤保水组合物，实验组1-5中，土壤保水组合物的加入量依次为以土壤质量计1wt％、2.5wt％、5wt％、7.5wt％、10wt％(对照组不做处理)。初期，统一控制土壤含水率(土壤含水量占干土重的百分数)为60wt％，室温，环境湿度40％～60％。记录土壤含水量变化情况，结果见表1。各实验组同室同时进行。
表1
实验2
对比实施例1～3与对比例1～5获得的土壤保水组合物短期土壤保水性能。
每组取50g的土壤，放入蒸发皿中，分别加入以土壤质量计7.5wt％的不同土壤保水组合物；同时设置一个对照组，加入相同质量的土壤。初期，统一控制土壤含水率为60wt％，室温，环境湿度40％～60％。各实验组同室同时进行。记录土壤含水量变化情况，结果见表2。
表2
通过表2可见，本发明的短期保水效果显著优于各对比例。
实验3
测试实施例1获得的土壤保水组合物在不同土壤湿度条件下的土壤保水性能。设置A、B、C、D四组不同湿度的土壤，每组土壤质量均为50g，放入蒸发皿中；A组土壤含水率10％，B组土壤含水率30％，C组土壤含水率60％；D组土壤含水率80％，在相同条件下各加入以土壤质量计7.5wt％的实施例1获得的土壤保水剂组合物。同时相应设置四组土壤质量相同、土壤初始湿度相同、未加土壤保水剂组合物的对照组。室温，环境湿度40％～60％，各实验组同室同时进行。记录土壤含水率变化情况，结果见表3。
表3
实验4
对比实施例1与对比例1～4获得的土壤保水组合物长期土壤保水性能。
每组土壤质量均为50g，放入蒸发皿中；每组分别加入以土壤质量计10wt％的不同土壤保水组合物；同时设置一个对照组1，加入相同质量的土壤；同时设置一个加入以土壤质量计7.5wt％实施例1土壤保水组合物的对照组2。初期，统一控制土壤含水率为60wt％，室温，环境湿度40％～60％。各实验组同室同时进行。记录土壤含水量变化情况，结果见表4。
表4
通过表4可见，本发明的长期保水效果显著优于各对比例。
实验5
对比实施例1与对比例2获得的土壤保水组合物瞬间吸水能力。
每组取50g的土壤，放入底部有孔的蒸发皿中，分别加入以土壤质量计7.5wt％的不同土壤保水组合物；同时设置一个对照组，加入相同质量的土壤。初期，加入相同过量的水，室温，环境湿度40％～60％，并用相同规格的量筒接收滴落下来的水滴，记录量筒数值，结果见表5。
表5
通过表5可见，本发明的土壤保水剂可避免瞬间吸收大量水分带来的问题。
实施例4
将本发明实施例1获得的土壤保水组合物应用于作物大豆的种植。
处理1：亩施实施例1获得的土壤保水组合物12kg，与化肥混拌于播种时均匀施入。常规化肥量底肥用量减少1/3。
处理2：亩施实施例1获得的土壤保水组合物24kg，与化肥混拌于播种时均匀施入。常规化肥量底肥用量减少1/3。
对照：常规施肥亩施，大豆专用肥20kg。
应用效果见表6。
表6
实施例5
将本发明实施例1获得的土壤保水组合物应用于作物草莓的种植。
处理1：亩施实施例1获得的土壤保水组合物10kg，与化肥混拌于翻地时均匀施入。常规化肥量底肥用量减少1/3。
处理2：亩施实施例1获得的土壤保水组合物20kg，与化肥混拌于翻地时均匀施入。常规化肥量底肥用量减少1/3。
对照：常规施肥亩施，草莓专用肥20kg。
应用效果见表7。
表7
实施例6
将本发明实施例1获得的土壤保水组合物应用于作物番茄的种植。
处理1：亩施实施例1获得的土壤保水组合物10kg，与化肥混拌于载种时均匀施入。常规化肥量底肥用量减少1/3。
处理2：亩施实施例1获得的土壤保水组合物20kg，与化肥混拌于载种时均匀施入。常规化肥量底肥用量减少1/3。
对照：常规施肥亩施，番茄专用肥20kg。
应用效果见表8。
表8
实施例7
将本发明实施例1获得的土壤保水组合物应用于作物苹果的种植。
处理1：亩施实施例1获得的土壤保水组合物15kg，与化肥混拌于开花时均匀施入。常规化肥量底肥用量减少1/3。
处理2：亩施实施例1获得的土壤保水组合物30kg，与化肥混拌于开花时均匀施入。常规化肥量底肥用量减少1/3。
对照：常规施肥亩施，苹果专用肥20kg。
应用效果见表9。
表9
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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