本發(fā)明屬于生物
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種皇竹草生物炭及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：鎘(cd)是五毒重金屬元素(cd、cr、pb、hg和as)之一，雖然在自然界中普遍存在，但它并非植物所需的元素，當(dāng)土壤中cd超過一定限度則表現(xiàn)為毒害作用。近年來，隨著我國工業(yè)化和城市化進程不斷加快，大量污染物隨之產(chǎn)生并排入環(huán)境中，土壤作為環(huán)境的最終受體，污染日益加劇。根據(jù)2014年4月環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤調(diào)查點位超標(biāo)率為16.1％，其中耕地土壤點位超標(biāo)率達(dá)19.4％，土壤cd點位超標(biāo)率達(dá)7.0％。為了研究cd的毒理效應(yīng)，目前國內(nèi)外研究cd污染土壤的治理和修復(fù)方法主要有物理法(如換土、深耕翻土、土壤淋洗和電動修復(fù)等)和化學(xué)法(如化學(xué)沉淀法、氧化還原法和化學(xué)浮選法等)。這類方法雖然治理速度快，效果較好，但其成本高，對土壤結(jié)構(gòu)有損害，易造成二次污染，只適合小面積污染土壤的治理。因此，如何選擇廉價且具高效吸附效能的材料是應(yīng)用于實踐的關(guān)鍵所在。近年來，生物炭已成為改良重金屬污染土壤的材料之一，生物炭是指生物殘渣在低氧條件下燃燒，生成多孔結(jié)構(gòu)、低密度的具碳豐富的材料。由于生物炭具有多孔性，較大的比表面積及較強的表面吸附能力。在受重金屬污染土壤中施加生物炭后，生物炭可明顯影響重金屬在土壤-植物中的分布和遷移。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了利用能源植物和減少其他方式治理重金屬的成本，并且可生產(chǎn)有機蔬菜，本發(fā)明的首要目的在于提供一種皇竹草生物炭。根據(jù)生物炭的原料不同及其特性對重金屬的吸附效果也不同，為了更加合理的就地取材，由于皇竹草對生存環(huán)境要求低，根系發(fā)達(dá)、生長快、產(chǎn)量高等優(yōu)勢條件，因此本發(fā)明采用皇竹草為原料制備生物炭。本發(fā)明的另一目的在于提供上述皇竹草生物炭的應(yīng)用。該皇竹草生物炭可提高作物生產(chǎn)量，同時降低土壤中重金屬對作物的毒害作用。本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種皇竹草生物炭，所述皇竹草生物炭通過以下步驟制備得到：將皇竹草莖稈自然風(fēng)干后，采用馬弗爐制備，先通入惰性氣體10min驅(qū)趕氧氣，然后于500℃缺氧條件下炭化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產(chǎn)量，或是用于鈍化土壤中重金屬cd。本發(fā)明通過外業(yè)采土進行盆栽施加上述皇竹草生物炭并種植不同品種菜心，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了施加該生物炭不僅有效地緩解了廣州某地區(qū)菜園土壤cd對菜心的毒害作用，同時提高了菜心的產(chǎn)量。這是因為將皇竹草生物炭施入土壤后可利用生物炭改變土壤理化性質(zhì)的同時，也對土壤重金屬cd起到鈍化作用，從而降低cd對菜心的毒害作用，并減少菜心對cd的累積效果。本發(fā)明作用原理：利用生物炭對重金屬的吸附性和鈍化效果，可直接降低土壤重金屬對作物的毒害作用，從而有效地生產(chǎn)有機作物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：(1)能源植物制備成生物炭的有效利用；(2)皇竹草生物炭具有吸附性和官能團特性；(3)利用生物炭對重金屬的鈍化效果，可有效地降低重金屬對作物的毒害作用。附圖說明圖1為500℃下制備的皇竹草生物炭表征結(jié)構(gòu)圖，其中從左往右圖片的倍率為：x800，x1600，x6400。圖2為盆栽實驗不同處理的實物圖，其中：1-碧綠粗苔；2-ck；3-特青遲心4號；4-碧綠粗苔+皇竹草生物炭；5-只添加皇竹草生物炭；6-特青遲心4號+皇竹草生物炭。圖3為皇竹草生物炭及不同品種菜心對土壤cd及其ca-cd含量的影響，其中：c-碧綠粗苔；c+b-碧綠粗苔+皇竹草生物炭；t-特青遲心4號；t+b-特青遲心4號+皇竹草生物炭；b-只添加皇竹草生物炭；數(shù)據(jù)為means±sd(n＝3)，同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示菜心各指標(biāo)的顯著性差異，(p<0.05)。具體實施方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1：皇竹草生物炭制備本應(yīng)用試驗采用的皇竹草莖稈取自廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)農(nóng)場，風(fēng)干。將自然風(fēng)干的皇竹草采用馬弗爐(型號fr-1236，北京永光明醫(yī)療儀器廠)制備，先通入氮氣10min驅(qū)趕氧氣，然后于500℃缺氧條件下制備生物炭，炭化時間2h，并測得其產(chǎn)率，而后測定其他指標(biāo)，可見表1。并采用電子掃描sem，觀察其結(jié)構(gòu)，見于圖1。根據(jù)皇竹草莖稈及其制備的生物炭進行消解，測定(中國廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院生態(tài)系，型號zee700，德國耶拿公司)其重金屬含量，可見表2。表1皇竹草生物炭理化性質(zhì)的特征相關(guān)參數(shù)注：數(shù)據(jù)為means±sd(n＝3)。表2皇竹草莖稈及皇竹草生物炭的重金屬含量(mg/kg)cdpbnicuzn皇竹草莖稈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：數(shù)據(jù)為means±sd(n＝3)。實施例2：實施例1制備的皇竹草生物炭的應(yīng)用試驗供試土壤采自中國廣州市菜園地土壤。外業(yè)采集表層土壤為0～20cm，采后置于中國廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)系溫室大棚，均勻鋪開，并在自然條件下風(fēng)干，分裝，備用。根據(jù)外業(yè)所采集土樣測定土壤理化性質(zhì)及其重金屬背景值，可見于表3，而后將廣州菜地土混勻后裝入塑料盆(d上×d下×h：12cm×8cm×8cm)中，每盆2.50kg，平衡10天左右，備用并種植。實驗分為6個處理：碧綠粗苔，碧綠粗苔+皇竹草生物炭，特青遲心4號，特青遲心4號+皇竹草生物炭，只添加皇竹草生物炭，ck，且每個處理3個重復(fù)，可見圖2。種植28天后收獲，并測量各項指標(biāo)。實驗中皇竹草生物炭添加量均為2％，即生物炭的加入量與土壤的質(zhì)量比為2％。1.土壤理化性質(zhì)的測量，根據(jù)鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》(2000)進行測定土壤的速效養(yǎng)分、全量養(yǎng)分和有機質(zhì)；通過toc分析儀測定土壤中全氮和全碳。2.土壤重金屬cd及其形態(tài)測量方法(1)cd-cacl2提?。喝∵^2mm篩2.00g土壤置于50ml離心管內(nèi)，加入20ml0.01mol/lcacl2溶液，在20℃的環(huán)境下振蕩2h，2500r/min離心后，采用0.45μm濾膜過濾，備用，測量。(2)土壤重金屬電熱板消解：取0.10g置于聚四氟乙烯坩鍋。先采用雙蒸水濕潤，之后加入混合酸(硝酸5ml，高氯酸3ml，氫氟酸5ml)，加蓋后放在電熱板上加熱。待坩堝壁上的黑色有機物消失后，開蓋進行驅(qū)趕具揮發(fā)性化合物，等至聚四氟乙烯坩堝底呈現(xiàn)1ml左右白色粘稠狀透明液，即可取下冷卻，定容，過濾，備測。3.植物生長指標(biāo)及其各部累積cd測量方法(1)生長指標(biāo)測量：采用直尺測量植物株高，并記錄。采用分析天平測得植物地上部鮮重，記錄；之后將植物各部，先置入烘箱110℃殺青10min，而后在70℃至烘干，取出并測得干重，記錄。(2)植物樣品中cd測量：取植物樣品0.30g置于消解罐中，用1ml去離子水濕潤樣品，再加入王水(vhno3:vhcl＝1∶3)10ml，輕搖混勻，加蓋密封，調(diào)制程序，在150℃，800kpa的條件下加熱2h，之后冷卻至室溫，取出趕酸，定容，過濾，備用，測量，每個處理3次重復(fù)。表3廣州市菜園地土壤的理化性質(zhì)及其cd含量結(jié)果和分析：由表4可知，相較于ck，只施加皇竹草生物炭可明顯提高土壤中的c/n，但對其他土壤養(yǎng)分則無明顯差異；只種植不同品種菜心(碧綠粗苔，特青遲心4號)導(dǎo)致土壤中全n含量及全p含量減少，分別減少了36.60％，5.41％；4.58％，14.86％；說明植物在生長過程中需要吸收土壤中養(yǎng)分，從而減少土壤中全量養(yǎng)分含量。施加皇竹草生物炭可影響土壤中有機質(zhì)的含量，相較于b實驗組，種植碧綠粗苔菜心實驗組增加了土壤有機質(zhì)11.11％，而種植特青遲心4號菜心實驗組卻減少了土壤有機質(zhì)3.59％，說明了不同品種菜心生長過程進行新陳代謝不同，同時需要養(yǎng)分不同，進而影響土壤中有機質(zhì)含量不同。此外，相較于b實驗組，通過種植特青遲心4號菜心并施加皇竹草生物炭后提高土壤中堿解n含量最明顯，增加了11.52％；而相較于只種植特青遲心4號實驗組，則增加了23.11％，說明了施加皇竹草生物炭或種植菜心均可提高土壤中堿解n和有效p含量。表4皇竹草生物炭及不同品種菜心對土壤理化性質(zhì)的影響注：c：碧綠粗苔；c+b：碧綠粗苔+皇竹草生物炭；t：特青遲心4號；t+b：特青遲心4號+皇竹草生物炭；b只添加皇竹草生物炭；數(shù)據(jù)為means±sd(n＝3)，同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示菜心各指標(biāo)的顯著性差異，(p<0.05)。由圖3可知，施加皇竹草生物炭和種植不同菜心(c+b和t+b)可降低土壤中cd含量且與ck比較具有顯著差異，分別降低了12.71％、18.22％，同時也可降低土壤中ca-cd含量，分別降低了30.00％、25.00％；表明了皇竹草生物炭可改變土壤的理化性質(zhì)，從而改變土壤中cd的有效態(tài)及其全量。相對于只種植菜心實驗組(c和b)，c+b和t+b實驗組對土壤中cd含量無顯著差異；而與b比較，施加皇竹草生物炭和種植不同菜心(c+b和t+b)對土壤cd含量也無顯著差異；表明了皇竹草生物炭可鈍化土壤中的cd的交換態(tài)含量，從而直接減少其毒性效益，也促進菜心生長間接地減少了土壤中cd含量。株高、根長和干鮮重是衡量植物生長良好的常見指標(biāo)。由表5可見，相較于只種植菜心實驗組，施加皇竹草生物炭可明顯增長不同品種菜心(碧綠粗苔，特青遲心4號)的株高及地上部干鮮重，分別增加了48.19％，133.59％，158.82％；40.55％，139.45％，180.95％，表明了皇竹草生物炭可促進菜心的生長。表5皇竹草生物炭對不同品種菜心生長的影響注：c：碧綠粗苔；c+b：碧綠粗苔+皇竹草生物炭；t：特青遲心4號；t+b：特青遲心4號+皇竹草生物炭；數(shù)據(jù)為means±sd(n＝3)，同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示菜心各指標(biāo)的顯著性差異，(p<0.05)。由表6可得，廣州菜地土施加皇竹草生物炭后，所測得不同品種菜心中地上/下部累積cd含量均低于只種植菜心的實驗組。相較于只種植菜心的地上/下部累積cd含量，碧綠粗苔菜心和特青遲心4號菜心分別降低了10.30％，10.48％；17.76％，13.83％；表明了施加皇竹草生物炭可促進菜心地上部生長，提高生物量，從而降低了土壤中cd含量，但也可能存在由于皇竹草生物炭的吸附作用從而減少了菜心對土壤中cd的吸收。表6皇竹草生物炭對不同品種菜心地上/下部累積cd的影響單位：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：碧綠粗苔；c+b：碧綠粗苔+皇竹草生物炭；t：特青遲心4號；t+b：特青遲心4號+皇竹草生物炭；數(shù)據(jù)為means±sd(n＝3)，同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示菜心各指標(biāo)的顯著性差異，(p<0.05)。綜上，施加本發(fā)明制得的皇竹草生物炭可有效地促進菜心的生長，也能有效鈍化土壤cd對不同品種菜心的毒害作用，同時也能減少菜心地上部對重金屬cd的累積作用，將成為更好更健康的有機食物地流向人類，因此，建議采用2％皇竹草生物炭施加菜園地，其具有綠色環(huán)保的現(xiàn)實意義，對后期的大規(guī)模有機蔬菜種植可提供參考。實施例3：對本發(fā)明制備的皇竹草生物炭、相同條件下制備的蟛蜞菊生物炭和咖啡渣生物炭(是指按照實施例1的工藝條件，將原料皇竹草分別替換為蟛蜞菊和咖啡渣，制得的蟛蜞菊生物炭和咖啡渣生物炭)對空心菜生長及降低空心菜地上部重金屬含量的效果進行了對比試驗，結(jié)果如表7和表8(表中百分?jǐn)?shù)是指生物炭的添加比例，即生物炭和土壤的質(zhì)量比例)：表7.添加不同類型生物炭對兩種空心菜相對生長的影響(cm)注：同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示空心菜各指標(biāo)的顯著性差異，(p<0.05)表8兩種空心菜地上部的重金屬含量(mg/kg)注：同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示空心菜各指標(biāo)的顯著性差異，(p<0.05)上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12