一种植物纤维粘合土壤改良复合物料及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及生态治理技术领域，更具体地说，它涉及一种植物纤维粘合土壤改良复合物料及其制备方法和应用。

背景技术

沙漠全称为沙质荒漠，其指地面完全被沙粒覆盖，具有干旱缺水、植物覆盖稀少、沙粒松散的特点。沙漠化地区导致土地资源减少、生态系统和自然环境恶化。沙漠化地区具有沙粒层，沙粒之间的间隙较大，万向结合力约束基本为零，沙粒之间的粘性不足，导致雨水会从沙粒之间的缝隙流失，而且基于白天气温较高，雨水也会经过沙粒之间的缝隙快速蒸发，从而表现出失水率快、保水性差。如果直接在沙漠化地区种植植物，植物的成活率较低，降低沙漠化地区的修复效率。

发明内容

为了提高保水性，同时提高植物的成活率，本申请提供一种植物纤维粘合土壤改良复合物料及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，采用如下的技术方案：一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其主要由以下重量份的原料制成：蛭石25-35份、砾石15-25份、草木灰10-20份、活性炭5-15份、蚯蚓粪10-20份、腐殖酸15-25份、糠醛渣20-30份、枯草芽孢杆菌5-10份、地衣芽孢杆菌5-10份、营养元素改性膨润土20-25份、海藻酸钠-明胶复合微球粉8-10份、植物纤维粘合剂8-10份、硅酸铝纤维10-15份、相变控温粉20-25份。

将土壤改良复合物料应用于沙漠化地区时，利用原料之间的协同作用，能够使沙粒之间形成万向结合约束，且对植物根系具有良好的约束。待加水且潮湿时呈流变状态，待失水且干燥时呈固体状态，流变状态、固体状态相互且稳定的转换，实现自我修复和调节机制，有效的促进沙漠化地区的修复，加快沙漠化地区的治理。而且本申请的土壤改良复合物料，营养成分均衡、科学合理，具有高抗剪切强度、高保水性、高透气性、高成活率的优点。

在土壤改良复合物料的原料中加入营养元素改性膨润土，膨润土不仅具有良好保水、透气的效果，而且营养元素吸附在膨润土的孔隙内，膨润土实现了对营养元素的固定，而且还具有良好的缓释作用，持续为植物提供养分，有效延长土壤改良复合物料的肥效。加入海藻酸钠-明胶复合微球粉，其具有高吸水性的优点，而且还能够对水分中的营养成分进行吸收，降低水分中营养成分浓度过高而对植物造成烧苗的情况，基于对营养成分的吸收，其还起到缓释的作用，也能够延长土壤改良复合物料的肥效。本申请中，利用营养元素改性膨润土、海藻酸钠-明胶复合微球粉之间的协同增效，有效增强其保水性、保肥性。

在土壤改良复合物料的原料中加入植物纤维粘合剂，其不仅能够对沙粒进行沉降和絮凝，使沙粒之间团聚且形成团粒结构，构成有效且稳定的抗冲刷、抗渗透载体，而且还能够使团粒结构之间充满孔隙，具有高保肥、高保水、高透气的优点。加入硅酸铝纤维，能够有效的增强沙粒之间的整体性，提高植物纤维粘合剂的使用效果。而且，基于海藻酸钠-明胶复合微球粉中含有有机基团，营养成分改性膨润土也具有良好的黏性，有效的增强植物纤维粘合剂的使用效果。本申请中，利用植物纤维粘合剂、硅酸铝纤维、海藻酸钠-明胶复合微球粉、营养成分改性膨润土之间的协同增效，增强沙粒团聚效果以及沙粒团粒结构的整体性，提高土壤改良复合物料的使用效果。

在土壤改良复合物料的原料中加入相变控温粉，其在外界温度发生变化时，能够发生相变。待白天气温较高时，能够降低沙粒中的温度，待夜晚气温较低时，能够增加沙粒中的温度，有效的降低昼夜温差，对植物根系起到良好保护的作用，促进植物茁壮生长。而且其还能够为沙粒中的微生物菌群提供良好的生态环境，维持沙粒生态平衡，增强土壤改良复合物料的使用效果。同时也能够降低水分的蒸发，降低失水率，提高保水性。

在土壤改良复合物料的原料中加入枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌，丰富沙粒中的微生物菌落，优化沙粒的生态系统。加入蛭石、砾石、草木灰、活性炭、蚯蚓粪、腐殖酸、糠醛渣，有效的增加沙粒的有机质，增强沙粒的肥力，增加沙粒的质量。而且还增加沙粒的透气性、保水性。同时还能够为微生物的活动提供良好的生存环境，增强微生物的活性，提高微生物对植物的促进作用。本申请中，利用其之间的协同增加，提高沙粒肥效，增强沙粒质量，维持沙粒生态平衡，促进植物生长，便于沙漠化地区的修复。

可选的，所述植物纤维粘合剂为羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种。

通过采用上述技术方案，羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素具有水溶性，溶于水后具有粘结性，能够有效的粘结沙粒，更为重要的是，待其再次遇水后，能够重新溶解于水中而形成具有粘结性的溶液而粘连沙粒，从而能够自由的于流变状态、固体状态之间相互转换，实现自我修复和调节机制，提高植物纤维粘合剂的使用效果。

进一步的，植物纤维粘合剂为羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素的混合物，且羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素的重量配比为(1-3):(1-3)，优选1:1。

可选的，所述海藻酸钠-明胶复合微球粉采用以下方法制备：

SA1、将水升温至60-70℃，加入明胶、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮，混合均匀，得到预混液A；

SA2、将有机溶剂升温至45-55℃，在不断搅拌下，采用滴加的方式加入预混液A，且预混液A于20-40min滴加完毕，然后搅拌处理10-15h，降温至2-6℃，过滤，得到初成品；

SA3、将戊二醛水溶液降温至2-6℃，在不断搅拌下，加入初成品，搅拌处理5-10h，过滤，静置处理15-25h，得到半成品；

SA4、将氯化钙水溶液降温至2-6℃，在不断搅拌下，加入半成品，搅拌处理5-10h，过滤，烘干，得到海藻酸钠-明胶复合微球粉；

且，水、明胶、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、有机溶剂的重量配比为(90-110):(15-25):(1-3):(0.5-1.5):(900-1100)；明胶、戊二醛水溶液、氯化钙水溶液的重量配比为(15-25):(250-350):(250-350)；戊二醛水溶液的质量分数为5-15％；氯化钙水溶液的质量分数为5-15％。

通过采用上述技术方案，将预混液A加入有机溶剂中，形成微球，之后利用戊二醛对明胶进行交联，进一步的利用钙离子对海藻酸钠进行固化，从而得到海藻酸钠-明胶复合微球粉。在明胶中加入海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮，有效的增加三者之间的交联密度，进一步形成三维网络结构，增加海藻酸钠-明胶复合微球粉的强度，降低其制备以及使用过程中出现破损的情况，提高制备以及使用的稳定性。而且海藻酸钠还具有良好的粘性，增加其和植物纤维粘合剂之间的相互作用，提高海藻酸钠-明胶复合微球粉的使用效果。

进一步的，所述有机溶剂为液体石蜡，优选液体石蜡50#。

可选的，所述营养元素改性膨润土中的营养元素为氮、磷、钾。

通过采用上述技术方案，为微生物以及植物提供养分，促进植物的茁壮生长。

可选的，所述营养元素改性膨润土采用以下方法制备：

SB1、在水中加入尿素、磷酸二氢铵、氯化钾，混合均匀，得到预混液B；

SB2、在水中加入膨润土，搅拌均匀，然后加入预混液B，继续搅拌处理4-6h，过滤，烘干，得到营养元素改性膨润土；

且，膨润土、尿素、磷酸二氢铵、氯化钾的重量配比为(45-55):(20-25):(8-13):(5-10)。

通过采用上述技术方案，便于营养元素改性膨润土的制备，而且预先将尿素、磷酸二氢铵、氯化钾溶于水中，然后加入到水、膨润土的混合物中，增强膨润土、尿素、磷酸二氢铵、氯化钾混料的均匀性，提高营养元素改性膨润土的使用效果。

进一步的，膨润土为钙基膨润土、钠基膨润土中的一种或几种，优选钠基膨润土。

步骤SB1中，水、尿素的重量配比为(90-110):(20-25)，优选100:23；步骤SB2中，水、膨润土的重量配比为(200-300):(45-55)，优选250:50。

可选的，所述相变控温粉采用正构烷烃石蜡对二氧化硅处理得到。

通过采用上述技术方案，正构烷烃石蜡吸附在二氧化硅孔隙内，降低正构烷烃石蜡因相变为液体而不断流失的情况，增强相变控温粉使用的稳定性以及寿命。

可选的，所述正构烷烃石蜡为C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡的混合物，且C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡的重量配比为(1-3):(1-3)。

通过采用上述技术方案，C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡具有高焓值、化学性能稳定的优点。而且C14正构烷烃石蜡的相变温度为5.8℃，纯度为99.1-99.3％，热焓值达210-230焦耳/克。C18正构烷烃石蜡的相变温度28℃，纯度为99.7-99.9％，热焓值达240焦耳/克。利用C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡之间的相互配合，不仅降低昼夜温差，而且增加沙粒昼夜温度控制范围，增强相变控温粉的使用效果。

可选的，所述相变控温粉采用以下方法制备：

SC1、将水升温至60-70℃，加入乳化剂，混合均匀，然后加入正构烷烃石蜡，搅拌且混合均匀，得到预混液C；

SC2、将水升温至60-70℃，加入二氧化硅，搅拌均匀，然后加入预混液C，继续搅拌处理15-20h，过滤，烘干，得到相变控温粉；

且，二氧化硅、正构烷烃石蜡、乳化剂的重量配比为(35-45):(35-45):(1-3)。

通过采用上述技术方案，便于相变控温粉的制备。而且将正构烷烃石蜡吸附在二氧化硅的孔隙内，二氧化硅对正构烷烃石蜡起到固定的作用，降低正构烷烃石蜡因相变为液体而流失的情况。同时预先将正构烷烃石蜡溶于水中，然后加入到水、二氧化硅的混合物中，提高正构烷烃石蜡和二氧化硅混料的均匀性，增强相变控温粉的使用效果。

进一步的，乳化剂为吐温80、吐温20、吐温60、司盘80、司盘60中的一种或几种。

步骤SC1中，水、正构烷烃石蜡的重量配比为(100-200):(35-45)，优选150:40；步骤SC2中，水、二氧化硅的重量配比为(40-60):(35-45)，优选50:40。

第二方面，本申请提供一种上述所述的植物纤维粘合土壤改良复合物料的制备方法，采用如下的技术方案：

一种上述所述的植物纤维粘合土壤改良复合物料的制备方法，包括如下步骤：将蛭石、砾石、草木灰、活性炭、蚯蚓粪、腐殖酸、糠醛渣、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、营养元素改性膨润土、海藻酸钠-明胶复合微球粉、植物纤维粘合剂、硅酸铝纤维、相变控温粉混合均匀，得到土壤改良复合物料。

第三方面，本申请提供一种上述所述的植物纤维粘合土壤改良复合物料于沙漠化地区的应用。

综上所述，本申请至少具有以下有益效果：

1、本申请的植物纤维粘合土壤改良复合物料，利用原料之间的协同作用，不仅营养成分均衡、科学合理，具有高抗剪切强度、高保水性、高透气性、高成活率的优点。而且能够使沙粒之间形成万向结合约束，实现自我修复和调节机制，有效的促进沙漠化地区的修复，加快沙漠化地区的治理。

2、海藻酸钠-明胶复合微球粉中，利用明胶、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮之间的协同增效，增强海藻酸钠-明胶复合微球粉的强度，还提高其和植物纤维粘合剂之间的相互作用，提高其使用效果。相变控温粉中，正构烷烃石蜡为C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡的混合物，利用两者之间的协同增效，增加沙粒昼夜温度控制范围，增强相变控温粉的使用效果。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

制备例

制备例I-1

一种海藻酸钠-明胶复合微球粉，其采用以下方法制备：

SA1、将100kg水升温至65℃，加入20kg明胶、2kg海藻酸钠、1kg聚乙烯吡咯烷酮，搅拌处理60min，得到预混液A。

其中，明胶选自山东多聚化学有限公司；海藻酸钠选自湖北帝柏化工有限公司；聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K30。

SA2、将1000kg有机溶剂升温至50℃，在不断搅拌下，采用滴加的方式加入预混液A，且预混液A于30min滴加完毕，然后搅拌处理13h，降温至4℃，过滤，得到初成品。

其中，有机溶剂为液体石蜡，液体石蜡为液体石蜡50#。

SA3、将300kg戊二醛水溶液降温至4℃，在不断搅拌下，加入初成品，搅拌处理8h，过滤，静置处理20h，得到半成品。

其中，戊二醛水溶液的质量分数为10％

SA4、将300kg氯化钙水溶液降温至4℃，在不断搅拌下，加入半成品，搅拌处理8h，过滤，烘干，得到海藻酸钠-明胶复合微球粉；

其中，氯化钙水溶液的质量分数为10％。

制备例II-1

一种营养元素改性膨润土，其采用以下方法制备：

SB1、将100kg水升温至40℃，加入23kg尿素、10kg磷酸二氢铵、8kg氯化钾，搅拌处理20min，得到预混液B。

SB2、将250kg水升温至40℃，加入50kg膨润土，搅拌处理50min。然后加入预混液B，继续搅拌处理5h，过滤，烘干，得到营养元素改性膨润土。

其中，膨润土为钠基膨润土，且选自明光宏久环保材料有限公司。

制备例III-1

一种相变控温粉，其采用以下方法制备：

SC1、将150kg水升温至65℃，加入2kg乳化剂，搅拌处理20min。然后加入40kg正构烷烃石蜡，继续搅拌处理30min，得到预混液C。

其中，乳化剂为吐温80；正构烷烃石蜡为C18正构烷烃石蜡，且选自上海儒熵新能源科技有限公司。

SC2、将50kg水升温至65℃，加入40kg二氧化硅，搅拌处理60min。然后加入预混液C，继续搅拌处理18h，过滤，烘干，得到相变控温粉。

其中，二氧化硅选自山东奥创化工有限公司。

制备例III-2

一种相变控温粉，其和制备例III-1的区别之处在于，步骤SC1中，正构烷烃石蜡不同，且正构烷烃石蜡为C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡的混合物，C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡的重量配比为1:1，C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡均选自上海儒熵新能源科技有限公司。

实施例

表1土壤改良复合物料各原料含量(单位:kg)

实施例1

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其原料配比见表1所示。

其中，蛭石、砾石均选自灵寿县上洋矿产品有限公司；活性炭选自山东宏盛达化工有限公司；蚯蚓粪、腐殖酸均选自天津信盈科技有限公司；草木灰、糠醛渣均选自日照原力生物科技有限公司；枯草芽孢杆菌的有效活菌含量≥1.0×10

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料的制备方法，包括如下步骤：

将蛭石、砾石、草木灰、活性炭、蚯蚓粪、腐殖酸、糠醛渣、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、营养元素改性膨润土、海藻酸钠-明胶复合微球粉、植物纤维粘合剂、硅酸铝纤维、相变控温粉混合均匀，得到土壤改良复合物料。

实施例2-3

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料配比不同，且其原料配比见表1所示。

实施例4

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中植物纤维粘合剂不同，且植物纤维粘合剂为羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素的混合物，且羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素的重量配比为1:1，羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素均选自山东正虹生物科技有限公司。

实施例5

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中相变控温粉不同，且相变控温粉采用制备例III-2制备得到。

对比例

对比例1

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中未添加营养元素改性膨润土。

对比例2

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中未添加海藻酸钠-明胶复合微球粉。

对比例3

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中未添加营养元素改性膨润土、海藻酸钠-明胶复合微球粉。

对比例4

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中未添加植物纤维粘合剂。

对比例5

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中未添加硅酸铝纤维。

对比例6

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中未添加营养元素改性膨润土、海藻酸钠-明胶复合微球粉、植物纤维粘合剂、硅酸铝纤维。

对比例7

一种植物纤维粘合土壤改良复合物料，其和实施例1的区别之处在于，土壤改良复合物料的原料中未添加相变控温粉。

性能检测试验

分别取实施例1-5、对比例1-7得到的土壤改良复合物料作为试样，并对试样进行以下性能检测，检测结果如表2所示。

其中，抗剪切强度采用以下方法：将10kg试样和200kg沙粒混合均匀，形成改良沙体。然后将改良沙体进行摊铺，摊铺厚度为50cm，向改良沙体表面均匀喷洒20kg水，使水分蒸发干燥，重复洒水和干燥10次，之后采用直接剪切试验法对抗剪切强度进行检测。

保水性采用以下方法：将10kg试样和200kg沙粒混合均匀，形成改良沙体。然后将改良沙体进行摊铺，摊铺厚度为50cm，向改良沙体表面均匀喷洒20kg水。之后在温度为45℃下静置处理8h，计算失水率。与此同时，做对照组，且对照组中用等量的沙粒替换试样。试样的失水率越小，表明保水性越好。

内外温差采用以下方法：将10kg试样和200kg沙粒混合均匀，形成改良沙体。然后将改良沙体进行摊铺，摊铺厚度为50cm。之后在温度为45℃下静置处理1h，检测试样内部的温度，计算试样内外温差。试样的内外温差越大，表明受外界温度影响越小。

成活率采用以下方法：将100kg试样和2000kg沙粒混合均匀，形成改良沙体。然后将改良沙体进行摊铺，摊铺厚度为50cm，向改良沙体表面均匀喷洒200kg水。向改良沙体中种植沙棘苗或玉米种子，之后以4℃/h的升温速率升温至45℃，保温处理2h，以4℃/h的降温速率降温至5℃，保温处理2h，重复升温和降温处理30次，每重复10次，浇200kg水，计算重复30次沙棘的成活率以及玉米种子的出苗率。与此同时，做对照组，且对照组中用等量的沙粒替换试样。试样的玉米出苗率、沙棘成活率越高，表明使用效果越好，便于促进沙漠化地区的修复。

表2检测结果

从表2中可以看出，本申请的植物纤维粘合土壤改良复合物料，具有较高的抗剪切强度，抗剪切强度为250.4-259.7kPa，表现出较高的万向结合约束。而且其还具有较低的失水率，失水率为21.5-27.5％，表现出较高的保水性；也还具有较高的内外温差，内外温差为18.2-25.3℃，表明其受外界温度较低。同时其也具有较高的出苗率以及成活率，玉米出苗率为87.4-97.8％、沙棘成活率为82-92％，表现出较高的使用效果。该土壤改良复合物料，具有良好的综合效果，能够使沙粒之间形成万向结合约束，实现自我修复和调节机制，有效的促进沙漠化地区的修复，加快沙漠化地区的治理。

将实施例1和对比例1-3进行比较，由此可以看出，在原料中添加营养元素改性膨润土、海藻酸钠-明胶复合微球粉，利用其之间的协同增效，增加抗剪切强度、出苗率以及成活率，还降低了失水率。再结合对比例4-6，利用营养元素改性膨润土、海藻酸钠-明胶复合微球粉、植物纤维粘合剂、硅酸铝纤维之间的协同增效，显著增加抗剪切强度、出苗率以及成活率，提高土壤改良复合物料的使用效果以及适应性。

将实施例1和对比例7进行比较，由此可以看出，在原料中添加相变控温粉，明显增加内外温差，在一定程度上，也提高出苗率以及成活率，降低失水率。结合实施例5，利用C14正构烷烃石蜡、C18正构烷烃石蜡之间的相互作用，提高相变控温粉的使用效果。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。