一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法与流程

1.本发明涉及土壤改良技术领域，具体涉及一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法。


背景技术：

2.土壤是主要的碳库，可以在缓解气候变化的战略中发挥重要的碳汇作用，增强土壤碳汇的能力，将有助于抵消温室气体的排放。在“碳中和”“碳达峰”的背景下，土壤碳增汇减排研究对缓解全球气候变暖具有重大意义，同时也对如何增加土壤碳捕获量提出了巨大的挑战。如何提高土壤碳储存能力以实现土壤碳增汇是缓解全球气候变化研究的重要内容。
3.土壤碳库中，最受关注的是土壤有机碳库，因为这部分碳库含量大，且变动明显。土壤有机碳库由活性有机碳和惰性有机碳组成，活性有机碳容易被微生物利用分解，是土壤碳库中变化很大的一部分，同时也是重要的碳源。目前，土壤碳增汇的主要方法是向土壤中添加富含有机质的改良剂，但是发明人团队通过研究发现该方法固碳效率低、对外来有机质依赖性大。因此，亟需开发一种新型的土壤固碳增汇的方法。


技术实现要素：

4.本发明意在提供一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，以解决现有技术中土壤固碳增汇方法存在的固碳效率低、对外来有机质依赖性大的问题。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，将固碳添加剂与土壤混合，固碳添加剂由草本有机物与纳米级磁性矿物混合而成。
6.优选的，作为一种改进，固碳添加剂中，纳米级磁性矿物与草本有机物的质量比为1:2～1:4。
7.优选的，作为一种改进，固碳添加剂与土壤的质量比为1:15～1:20。
8.优选的，作为一种改进，纳米级磁性矿物的平均粒径为30～50nm，纯度99％，比表面积为31～41m2/g，体积密度为0.69～0.78g/cm3。
9.本技术方案中，通过对纳米级磁性矿物的粒径、比表面积及体积密度的限定和优化，能够保证其固碳能力。本方案将赤铁矿的粒径优化为纳米级，在该粒径条件下可以极大程度提高赤铁矿的吸附能力，若增加粒径尺寸(即大于纳米级)会导致赤铁矿固碳能力的下降；赤铁矿的纯度也是重要的影响因素，若赤铁矿纯度较低，会导致其可能存在其他价态的铁。而不同价态的铁的固碳能力不同，进而导致赤铁矿的固碳能力下降。
10.优选的，作为一种改进，草本有机物的长度≤70mm。
11.优选的，作为一种改进，土壤与固碳添加剂混合前进行预处理，将待固碳的土壤含水率保持在25～35％之间，对土壤中＞10mm的土块进行破碎。
12.土壤中含有大量地微生物，通过对土壤含水率的优化，有助于微生物在土壤中顺
利的进行铁的干湿阶段氧化还原，从而进一步使铁的价态发生转换，而铁价态的转换是磁性矿物固碳最重要的最重要的过程之一。此外，本技术方案通过对土壤进行破碎，能够减少土壤中大团聚体，以保证固碳效果。
13.优选的，作为一种改进，固碳添加剂与土壤的混合深度为0～30cm。
14.优选的，作为一种改进，一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，包括如下步骤：
15.步骤一、原料的选择：以纳米级磁性矿物与新鲜收割的草本有机物为固碳添加剂的原料；
16.步骤二、预处理：对草本有机物进行粉碎处理；
17.步骤三、制备固碳添加剂：将纳米级磁性矿物与粉碎处理的草本有机物混合，混合比例为1:2.5；
18.步骤四、混合土壤固碳添加剂与待固碳土壤：控制待固碳土壤的含水率保持为25-35％，将固碳添加剂与待固碳的土壤混合，固碳添加剂与土壤混合的质量比为1:17。
19.优选的，作为一种改进，草本有机物为草本植物，纳米级磁性矿物为纳米级赤铁矿。
20.本方案的原理及优点是：实际应用时，在碳中和的背景下，如何增加生态系统土壤碳吸收及储存功能，以实现碳增汇是领域内需重点攻克的问题。随着全球co2的浓度不断升高，陆地生态系统土壤有机碳库将有更加复杂且连锁性的响应，陆地生态系统碳库的微小变动可能会极大地影响全球碳循环。如何让生态系统持续稳定地吸收和储存碳是问题的核心。铁铝区的土壤中铁主要以磁性矿物的形式存在，且磁性矿物的含量较为丰富，主要包括：磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿、针铁矿、纤铁矿、水铁矿等，其中磁赤铁矿、磁铁矿为亚铁磁性矿物，赤铁矿和针铁矿为反铁磁性矿物。由于其氧化还原特性，其形态、结构及性质易受环境影响而发生变化，磁性矿物在土壤中发生变动会导致土壤碳库的变动，且不同形态的铁对土壤有机碳的保护能力不同。通过对铁铝区土壤特性的分析，发明人发现，铁铝土区土壤固碳增汇的关键环节在于增加土壤中磁性矿物的比例，使得土壤有机碳更加稳定。基于此，发明人对土壤固碳添加剂的原料以及制备工艺进行了整体优化，以纳米级赤铁矿与新鲜收割的草本有机物为原料，经混合制备成土壤固碳添加剂，将土壤固碳添加剂与待固碳土碳进行混合，该复合型土壤固碳添加剂如下优势：
21.1、本技术方案中，以草本有机物作为固碳添加剂的原料之一，一方面减少了收割后的草本有机物丢弃且无再利用的问题，有利于资源的可持续发展；另一方面实现了草本有机物收割后的资源化再利用，填补了现有技术中利用草本有机物作为土壤固碳添加剂原料的空缺。
22.2、本技术方案中，通过对土壤固碳过程的优化，建立了利用纳米级赤铁矿与草本有机物共混合成土壤固碳添加剂替代传统土壤固碳的技术体系，通过对关键步骤的调控，能够实现对铁铝土区实行土壤固碳。
23.3、本技术方案中，以草本有机物和纳米级赤铁矿复配作为土壤固碳添加剂，经实验验证：相较于单独使用新鲜收割的草本有机物，或者单独使用纳米级赤铁矿而言(单独使用固碳效果不佳)，表现出明显的协同增效作用，待固碳土壤的土壤有机质含量显著增加，克服了现有土壤固碳技术固碳效率低的问题。
24.4、本技术方案中，对赤铁矿的粒径和纯度的优化是方案的一大技术难点，本方案将赤铁矿的粒径优化为纳米级，在该粒径条件下可以极大程度提高赤铁矿的吸附能力，若增加粒径尺寸(即大于纳米级)会导致赤铁矿固碳能力的下降；赤铁矿的纯度也是重要的影响因素，若赤铁矿纯度较低，会导致其可能存在其他价态的铁。而不同价态的铁的固碳能力不同，进而导致赤铁矿的固碳能力下降。
25.5、本技术方案曾尝试使用磁铁矿和针铁矿代替赤铁矿，磁铁矿与赤铁矿的使用，虽在结果上差别不大，但是两者的铁形态不同。赤铁矿为fe
3+
，土壤有机碳对土壤中的fe
3+
有很强的亲和力，与有机碳共沉淀的氧化铁通常是三价的，同时该过程可以保护土壤有机碳免受微生物的分解从而进一步矿化，因此赤铁矿固碳能力相比磁铁矿要更加稳定。而采用针铁矿代替赤铁矿其固碳能力较赤铁矿有较大的下降。
具体实施方式
26.下面通过具体实施方式进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，下述实施方式所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；所用的实验方法均为常规方法；所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。
27.方案总述：
28.一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，包括如下步骤：
29.步骤一、原料的选择与质量控制：从园林绿化管理中心获取新鲜收割的草本有机物，从经销商购入纳米级赤铁矿。对纳米级磁性矿物的技术参数进行控制，平均粒径为30～50nm，纯度99％，比表面积为31～41m2/g，体积密度为0.69～0.78g/cm3。
30.步骤二、原材料的预处理：将新鲜收割的草本植物进行破碎处理，使用切刀或者破碎机将草本植物破碎成长度为≤70mm的碎块。
31.步骤三、制备土壤固碳添加剂：将破碎后的草本植物与纳米级赤铁矿混合均匀，纳米级赤铁矿与草本植物的质量比为1:2～4。
32.步骤四、土壤固碳添加剂与待固碳土壤混合前的前处理：将待固碳的土壤含水率保持在25％～35％之间，对土壤中＞10mm的土块进行机械破碎。
33.步骤五、混合土壤固碳添加剂与待固碳土壤：将制备好的土壤固碳添加剂与待固碳的土壤进行混合，混合深度为0～30cm，土壤固碳添加剂与土壤的质量比为1:15～20。
34.实施例1
35.一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，包括如下步骤：
36.步骤一、原料的选取与质量控制：从园林绿化管理中心获取新鲜收割的草本有机物，从经销商购入纳米级赤铁矿。对纳米级赤铁矿的技术参数进行控制，平均粒径为30～50nm，纯度99％，比表面积为31～41m2/g，体积密度为0.69～0.78g/cm3。
37.步骤二、原材料预处理：将新鲜收割的草本植物进行破碎处理，使用切刀或者破碎机将草本植物破碎成长度为≤70mm的碎块。
38.步骤三、制备土壤固碳添加剂：将破碎后的草本植物与纳米级赤铁矿混合均匀，纳米级赤铁矿与草本植物的质量比为1:2.5。
39.步骤四、土壤固碳添加剂与待固碳土壤混合前的前处理：将待固碳的土壤含水率保持在25％，对土壤中＞10mm的土块进行机械破碎。
40.步骤五、混合土壤固碳添加剂与待固碳土壤：将制备好的土壤固碳添加剂与待固碳的土壤进行混合，混合深度为30cm，土壤固碳添加剂与土壤的质量比为1:17。
41.实施例2
42.本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例中，土壤固碳添加剂与待固碳土壤混合前的前处理：将待固碳的土壤含水率保持在35％。
43.实施例3
44.本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例中，混合土壤固碳添加剂与待固碳土壤混合时，混合深度为10cm。
45.对比例1
46.本对比例与实施例1的不同之处在于：本对比例中添加的纳米级磁性矿物为纳米级磁铁矿。
47.对比例2
48.本对比例与实施例1的不同之处在于：本对比例中未添加任何纳米级磁性矿物，单独使用草本植物。
49.对比例3
50.本对比例与实施例1的不同之处在于：本对比例中添加的纳米级磁性矿物为纳米级针铁矿。
51.对比例4
52.本对比例与实施例1的不同之处在于：本对比例中未添加任何纳米级磁性矿物，使用的有机物为腐植酸。
53.实验例一土壤固碳模拟试验
54.实验方法：模拟实验采用内直径30cm
×
高30cm的栽培盆15个，其中模拟实验用土采集自铁铝土区林地同一区域80cm～100cm的底土。
55.组织模拟实验：5个处理
×
3个重复＝15盆。
56.3个处理分别为：
57.处理一：仅添加底土，不添加其他物质，在本实验中定义为对照组一；
58.处理二：添加底土，其中底土与处理一为同一批土壤，添加破碎后的新鲜收割草本有机物并与底土混合，土壤与有机物质量比为1:24，在本实验中定义为对照组二；
59.处理三：添加底土，其中底土与处理一为同一批土壤，添加纳米级赤铁矿与破碎后的新鲜收割草本有机物混合而成的土壤固碳添加剂，纳米级水铁矿与有机物混合时的质量比为1:2.5，土壤固碳添加剂与底土混合时的质量比为1:17(实施例1)；
60.处理四：与处理三不同的是添加的纳米级磁性矿物为纳米级磁铁矿，其余步骤与规格与处理三相同(对比例1)。
61.处理五：与处理三不同的是添加的纳米级磁性矿物为纳米级针铁矿，其余步骤与规格与处理三相同(对比例3)。
62.处理六：与处理三不同的是本对比例中未添加任何纳米级磁性矿物，使用的有机物为腐植酸，其余步骤与规格与处理三相同(对比例4)。
63.每种处理占用3个栽培盆，模拟期总时长为1年，在模拟期结束后对每个栽培盆中土壤的土壤碳含量进行测量。各实验组的实验设计及土壤碳含量测试结果如下表所示。其
中，混合质量比是土壤固碳添加剂与底土混合时的质量比，土壤碳含量是同种处理的3个重复组的平均值。
64.表1使用纳米级水铁矿以及草本有机质作为土壤固碳添加剂后土壤中碳含量的变化
[0065][0066]
由表1数据可知，采用本技术方案制备而成的土壤固碳添加剂与底土混合后，在添加剂与底土的混合质量比为1:17的情况下，土壤有机碳在该模拟条件下相对于处理一(仅有底土，不添加任何物质)以及处理二(除底土外，添加了破碎后的新鲜收割的草本有机物)拥有更高的含量。同时可以看到添加不同的纳米级磁性矿物，对土壤固碳的效果不同。在本例中体现为添加纳米级赤铁矿以及破碎草本有机物处理的土壤有机碳含量增加最多；而添加纳米级磁铁矿以及破碎草本有机物处理的土壤无机碳增加较为明显，但土壤有机碳含量增加相较处理三更少。根据土壤磁性矿物干湿循环模型，可以推断出纳米级赤铁矿与有机物促进了土壤中土壤有机碳的积累。
[0067]
另外处理五为本方案获去最终方案之前摒弃的方案，虽然处理五添加破碎后的草本有机物的质量与处理三相同，但是由于其采用纳米级针铁矿代替纳米级赤铁矿，处理后土壤总碳含量相较于处理三下降明显。而处理四采用纳米级磁铁矿代替纳米级赤铁矿，虽然在含碳量上表现差异不大，但是由于两者的铁形态不同，本方案赤铁矿为fe
3+
，土壤有机碳对土壤中的fe
3+
有很强的亲和力，因此其固碳能力相比磁铁矿要更加稳定。
[0068]
综合以上描述，纳米级赤铁矿与新鲜收割的草本有机物混合的土壤固碳添加剂，且纳米级赤铁矿与有机物的质量比为1:2.5的情况下，添加剂与土壤的质量比为1:17的情况下能对铁铝土区的土壤碳具有较高的固碳作用。
[0069]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于：将固碳添加剂与土壤混合，固碳添加剂由草本有机物与纳米级磁性矿物混合而成。2.根据权利要求1所述的一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于：所述固碳添加剂中，纳米级磁性矿物与草本有机物的质量比为1:2～1:4。3.根据权利要求2所述的一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于：所述固碳添加剂与土壤的质量比为1:15～1:20。4.根据权利要求3所述的一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于：所述纳米级磁性矿物的平均粒径为30～50nm，纯度99％，比表面积为31～41m2/g，体积密度为0.69～0.78g/cm3。5.根据权利要求4所述的一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于：所述草本有机物的长度≤70mm。6.根据权利要求5所述的一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于：所述土壤与固碳添加剂混合前进行预处理，将待固碳的土壤含水率保持在25～35％之间，对土壤中＞10mm的土块进行破碎。7.根据权利要求6所述的一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于：所述固碳添加剂与土壤的混合深度为0～30cm。8.根据权利要求7所述的一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、原料的选择：以纳米级磁性矿物与新鲜收割的草本有机物为固碳添加剂的原料；步骤二、预处理：对草本有机物进行粉碎处理；步骤三、制备固碳添加剂：将纳米级磁性矿物与粉碎处理的草本有机物混合，混合比例为1:2.5；步骤四、混合土壤固碳添加剂与待固碳土壤：控制待固碳土壤的含水率保持为25-35％，将固碳添加剂与待固碳的土壤混合，固碳添加剂与土壤混合的质量比为1:17。9.根据权利要求8所述的一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，其特征在于：所述草本有机物为草本植物，所述纳米级磁性矿物为纳米级赤铁矿。

技术总结
本发明涉及土壤改良技术领域，公开了一种利用纳米级赤铁矿促进土壤碳增汇的方法，将固碳添加剂与土壤混合，固碳添加剂由草本有机物与纳米级磁性矿物混合而成。本方案通过对土壤固碳过程的优化，建立了利用纳米级赤铁矿与草本有机物共混合成土壤固碳添加剂替代传统土壤固碳的技术体系，通过对关键步骤的调控，能够实现对铁铝土区实行土壤固碳，且填补了现有技术中利用草本有机物作为土壤固碳添加剂原料的空缺，克服了现有土壤固碳技术固碳效率低的问题。的问题。


技术研发人员：李世玉 李灿锋 李海侠 梅润然 黄超 李鸿 黄胤 郭泳杏
受保护的技术使用者：中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/15