CN103910579B

CN103910579B - 烟草专用生物炭基缓释复合肥及其制备方法

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Publication number: CN103910579B
Application number: CN201410140025.1A
Authority: CN
Inventors: 叶协锋; 于晓娜; 王勇; 胡战军; 徐敏; 朱晓伟; 汤术开; 曲平志; 张要旭; 刘迎昌; 吴树成; 欧聪敏
Original assignee: Henan Agricultural University
Current assignee: Henan Agricultural University
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: CN103910579A

Abstract

本发明涉及一种烟草专用生物炭基缓释复合肥及其制备方法。旨在解决现有肥养分释放过快的技术难题。该缓释肥是以烟秆生物质炭、氮磷钾三元复合肥等为原料，经搅拌、烘干、造粒等工艺而制成。本发明缓释肥具有改善烟田土壤的理化性状和微生物活性、增加土壤固碳潜力的作用和潜力，能增加土壤有机质、土壤阳离子交换量及团粒结构、防止土壤板结，改善土壤的水热条件；烟秆生物质炭可延缓肥料在烟田土壤中的养分释放，使肥料养分释放与烟株的需肥规律相匹配，降低养分损失，提高肥料利用率；所用原料来源广泛，廉价易得，生产成本低，有利于实现农业废弃物生态高值化利用，且本发明生物炭缓释肥制备方式简单，便于操作，利于大范围推广。

Description

烟草专用生物炭基缓释复合肥及其制备方法

技术领域

本发明涉及肥料领域，具体涉及一种烟草专用生物炭基缓释复合肥及其制备方法。

背景技术

目前，中国耕地土壤质量普遍不容乐观，其主要问题有：耕地基础肥力呈下降趋势，土壤贫瘠，养分分布不均匀，土壤退化严重；土壤板结、酸碱化，我国各类碱性土壤有61万km²，酸性土216万km²,占国土面积的21%；还包括土壤有机质下降，结构松散，地力衰竭等问题。为解决土壤结构单一，养分贫瘠的状况，直接导致了我国过量施肥现象普遍，养分利用率明显降低，并造成一系列食品安全和环境问题。

在植烟土壤中也存在类似的问题。由于我国植烟历史悠久，但是植烟土壤有限，造成烟田连作较为严重，而烟草是忌连作作物，连作会引起植烟土壤养分严重失调，肥料利用率降低，土壤理化性质和生物学特性恶化，进而降低烟草的抗性，引起病虫害的严重发生，如烟草黑胫病、根黑腐病、青枯病等，烟株缺素特征明显（如钙镁等）、危害较为频繁，严重影响烟叶的产量及品质。同时，烟叶生产也产出巨量的烟秆，这些烟秆的处理和利用一直是烟农或大田管理的难题之一。在这些烟秆中含有较高量的养分和微量元素，也是烟草病虫害越冬越夏的丰富资源或场所。因此，利用烟田农业废弃物进行制备生物质炭对农业生产尤其是烟叶生产具有重大意义。

生物炭是生物质在低氧环境下，经高温热解产生的一类多孔隙结构、高比表面积、吸附能力强的富碳类物质。生物炭中有许多微孔，为聚集营养物质和有益微生物创造了条件，这一特点使其能够补充土壤有机物含量，而且能有效保存水分和养料，提高土壤肥力，同时由于其微孔结构产生了较好的吸附性能，进而有利于提高肥料利用率。生物炭的取材一般来自于农业废弃物，如麦秆、烟秆等，但是中国每年产生的大量秸秆多被焚毁，不但脱离农业循环而且产生大量温室气体，污染空气，这也是加剧目前全国热点环境问题—雾霾的一个主要原因。因此，减少秸秆焚烧，进行生物炭制备，与化肥进行复合，变废为宝，通过还田可以有效改良土壤，提高肥料利用率，同时起到保护环境的作用。

目前，国际上也开发出一系列具有缓释功能的复合肥料,以提高肥料养分的利用效率，但这些肥料原料成本高、工艺复杂，不利于大面积推广应用，且多数含有高分子聚合物为主的包膜材料，其中大部分不能完全降解,容易在土壤中积累，形成“次生污染”。由于烟田灌水量大、且灌水频繁，包膜材料遇水易溶解，难易起到对肥料养分的保护作用，对养分的释放速率控制效果不明显，因此，开发低成本、适宜于烟田的环保型缓释氮素肥料成为生产中的迫切需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种养分释放与烟草需求耦合性好、养分淋溶损失低的烟草专用生物炭基缓释复合肥。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

设计一种烟草专用生物炭基缓释复合肥，以重量份计，其制备原料包括烟秆生物质炭22～78份、氮磷钾三元复合肥40～50份，所述氮磷钾三元复合肥中N：P₂O₅：K₂O=18～22:13～16:9～12，所述烟秆生物质炭是由烟秆于380～450℃的缺氧环境下热解制成的生物质炭。

所述烟秆生物质炭的制备方法如下：

取干燥烟秆置于马弗炉中于380～450℃下热解2h，冷却后粉碎，过0.5～2mm筛后以清水浸泡3～6小时，再用清水冲洗1～3次以去除灰分和杂质，烘干后即成。

以水蒸气为活化剂，按如下方法对所得生物质炭进行活化：

在850～950℃的无氧环境下，以0.30～0.4L/min的流量通入水蒸气，活化处理80～100min。

所述烟草专用生物炭基缓释复合肥还含有木质素磺酸钙2～3份。

所述烟草专用生物炭基缓释复合肥还含有坡缕石2～4份，坡缕石是经30～50KHz超声波照射2～4分钟、粒度为150～250目的坡缕石；坡缕石具有特殊的纤维结构、较好的阳离子代换性、吸附性、保水性、粘结性等特点，可以改良土壤的物化性状，改善土壤的水热条件，而经超声波处理后，坡缕石棒晶分散开来，比表面积提高（≥330m²/g），吸附性能大大增强；加入适量的坡缕石，还可改善肥料的物理性状，如提高肥料成粒率，提高造粒速度，增加颗粒强度，而且所得肥料不结块、不返潮、颗粒均匀、表面光滑、色泽度好。烟秆生物质炭与坡缕石配合使用比各自单独作为肥料载体使用，具有明显的增效作用，使得养分释放与作物养分需求的耦合性高，氮素养分淋溶损失更低，肥料利用率提高。

烟秆生物炭的特点：黑色，多孔，表面发达（比表面积在350～480m²/g），能富集土壤中的空气、水分、养分，适宜微生物栖息、繁衍；土壤团粒结构增加，作物根系发达，根部CO₂增多，有植物生长所必须的营养成分和微量元素，具有一定强度和较高的生物和化学稳定性。

制备所述氮磷钾三元复合肥的氮源基础肥料为硝酸铵、硝酸钾、磷酸一铵、磷酸二铵中的至少一种，磷源基础肥料为磷酸一铵、磷酸二铵、磷酸二氢钾中的至少一种，钾源基础肥料为硫酸钾、硝酸钾、磷酸二氢钾中的至少一种。烟草为忌氯作物，因而，基础肥料中禁含氯。

设计一种烟草专用生物炭基缓释复合肥的制备方法，包括以下步骤：

（1）将取干燥烟秆于380～450℃的缺氧环境下热解制取生物质炭，冷却，粉碎过0.5～2mm筛；

（2）以清水浸泡上步所得生物质炭3～6小时后，再以清水冲洗1～3次，经烘干后备用；

（3）取所述烟秆生物质炭22～78份、氮磷钾三元复合肥40～50份、木质素磺酸钙2～3份经搅拌、烘干、造粒，即成。

本发明具有积极有益的效果：

1.具有改善烟田土壤的理化性状和微生物活性、增加土壤固碳潜力的作用和潜力，能增加土壤有机质、土壤阳离子交换量及团粒结构、防止土壤板结，改善土壤的水热条件,有效调整土壤结构，遏制土壤的退化，实现农业生产的良性循环；

2.烟秆生物质炭作为肥料缓释增效的载体，可以延缓肥料在烟田土壤中的养分释放，使肥料养分释放与烟株的需肥规律相匹配，降低养分损失，提高肥料利用率；

3.所用原料来源广泛（如所选用的烟草秸秆来源丰富，而且碳化烟杆颗粒除含速效钾外,还含有磷、钙、铁、镁、硫等有效养分，理化性状稳定），廉价易得，生产成本低，有利于实现农业废弃物生态高值化利用，且本发明生物炭缓释肥制备方式简单，便于操作，利于大范围推广。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

实施例1烟秆生物质炭制备试验

不同炭化条件下的生物质炭对土壤肥力的影响差距较大，此试验是研究烟秆作为生物质炭的最佳炭化条件。通过试验对比，对不同温度生物质炭进行数据分析进而确定炭化条件。

从烟叶产区选取一些干燥烟秆，称取一定的重量，置于马弗炉进行热解炭化，升温速度为20℃每分钟，达到所设定热解温度后，炭化2小时，然后关闭马弗炉电源，自然冷却到常温，取出样品，在检测之前，样品统一放置在密封袋中，搁置在阴凉处。设置温度为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和800℃八个热解温度，分别得到八个样品。将在不同温度下热解得到的烟杆生物炭样品以常规方法进行分析，包括测定无机炭，微观结构，生物炭表面Zeta电位，含氧官能团数量及分布情况、pH值测定、比表面积等，详见表1、表2。

表1烟秆生物质炭产率及有关指标随热解温度的变化

指标	烟秆100℃	烟秆200℃	烟秆300℃	烟秆400℃	烟秆500℃	烟秆600℃	烟秆700℃	烟秆800℃
									产率/%	90.79	57.85	28.42	11.36	8.38	6.88	6.28	6.59
pH	5.97	5.22	7.10	9.67	10.10	10.34	10.73	12.43
									CEC(cmol/kg)	30.43	52.17	73.48	85.65	63.48	56.52	73.04	25.22
全碳/%	36.89	41.00	41.01	23.97	15.22	7.55	6.64	3.49
									碳酸根含量/%	0.77	0.66	0.90	1.97	4.35	7.27	7.75	7.26

表2烟秆生物质炭表面含氧官能团随热解温度的变化

热解温度/℃	碱性官能团（mmol/g）	酸性官能团（mmol/g）	酚羟基（mmol/g）	内酯基（mmol/g）
					100	0.10	6.40	5.00	1.00
200	1.10	7.40	5.50	1.60
					300	3.40	6.40	5.20	1.10
400	8.90	4.40	3.90	1.60
					500	11.30	3.40	3.80	1.50
600	12.40	2.90	3.70	2.30
					700	13.90	2.10	3.10	2.50
800	14.50	3.10	4.60	3.60

由表1、2中的数据分析可知，烟杆生物质炭产率随温度上升而降低，有机物分解加剧，在500℃以后的产率变化较小；热解温度在100～300℃下，生物质炭中碳酸根含量极低；从400℃开始迅速大量增长，这与有机物的分解和灰分、矿物质的增加有关。随温度升高，烟杆生物质炭pH持续增加，由弱酸性变为碱性，甚至强碱性。随温度的继续升高，烟杆生物质炭表面碱性官能团含量增大，酸性官能团含量减小。烟杆生物质炭的CEC随热解温度的整体变化趋势为先增后降，在400℃左右达到最大。烟秆生物质炭的孔隙结构发达，具有多孔结构烟杆，生物质炭的这种多孔结构和比表面积增大了对土壤的持水能力和吸附能力。综合来看，以400℃左右进行烟秆炭化将获得较好的生物炭。

实施例2一种烟草专用生物炭基缓释复合肥的制备方法，包括如下步骤：

（1）将取干燥烟秆于400℃的缺氧环境下热解制取生物质炭，冷却，粉碎过0.5～2mm筛；

（2）以清水浸泡上步所得生物质炭5小时后，再以清水冲洗2次，经烘干后备用；

（3）取所述烟秆生物质炭50份、氮磷钾三元复合肥（其制备基础肥料包括硝酸铵、硝酸钾、硫酸钾、磷酸一铵、磷酸二铵、磷酸二氢钾）50份、木质素磺酸钙2份经搅拌、烘干、造粒，即成。

以上述烟草专用生物炭基缓释复合肥中的氮元素为例，按照常规试验方法进行测试，该烟草专用生物炭基缓释复合肥24小时初期氮养分释放率为6.68%；28天累计养分释放率为24.23%；第六周养分累计释放率34.11%，第18周养分累计释放率79.14%，养分释放持续210天，比普通氮肥养分释放速率低6%～12%，释放期延长30～50天；且其养分释放曲线与烟草作物的氮养分需求曲线吻合度达75%以上。

实施例3一种烟草专用生物炭基缓释复合肥的制备方法，与实施例2基本相同，不同之处在于：在制备烟秆生物质炭时，按如下方法对所得生物质炭进行活化：在900℃的无氧环境下，以0.31L/min的流量通入水蒸气，活化处理90min。

以氮元素为例，按照常规试验方法进行测试，上述烟草专用生物炭基缓释复合肥24小时初期氮养分释放率为6.91%；28天累计养分释放率为23.20%；第六周养分累计释放率34.21%，第18周养分累计释放率81.10%，养分释放持续210天，比普通氮肥养分释放速率低8%～13%，释放期延长30～50天；且其养分释放曲线与烟草作物的氮养分需求曲线吻合度达81%以上。

实施例4烟草专用生物炭基缓释复合肥田间施用试验

试验地点：重庆彭水；试验时间：2012年4月至2013年12月

试验实施：供试品种为K326，土壤为黄壤。试验设两个处理，分别为对照（CK，常规施肥）和施用生物质炭缓释肥[烟秆生物炭：烟草专用复合肥（N：P₂O₅：K₂O=20:15:10）=40:40，其制备方法同实施例2，施用量以烟秆生物炭量达到40Kg/亩为准，施用方式为穴施]。要求试验用田地力基本一致，烟苗大小均匀。

在成熟期，对烟株根系、植物学性状，烤后烟叶钾含量、土壤有机质等进行检测分析，试验结果见表3、表4、表5。

表3生物质炭缓释肥对烟株根系生长的影响

处理	体积(cm³)	鲜重（g）
			CK	82.46	78.20
本发明生物质炭缓释肥	136.78	125.48

从表3可知，对照的根体积为82.46cm³，施用生物炭高效缓释肥后后根体积为136.78cm³，比对照增加了54.32cm³。对照根鲜重为78.20g，施用生物炭高效缓释肥后为125.48g，比对照增加了47.28g。这表明，施用生物炭缓释肥后促进了烟株根系的生长。

表4施用生物质炭缓释肥对植烟土壤有机质含量的影响（g/kg）

处理	施肥后	收获后
			对照	19.87	18.90
本发明生物质炭缓释肥	21.05	19.86

从表4可知，对照的土壤有机质含量为19.87g/kg，使用生物炭缓释肥处理土壤有机质含量为21.05g/kg，比对照增加了1.18g/kg。烟株收获后，对照的有机质含量为18.90g/kg，使用生物炭缓释肥处理的土壤有机质含量为19.86g/kg，比对照增加了0.96g/kg。这表明，施用生物质炭缓释肥后提高了植烟土壤的有机质含量。

表5生物质炭缓释肥对烤后烟叶钾含量的影响（K⁺，％）

处理	上部叶	中部叶	下部叶
				对照	2.15	2.37	2.40
本发明生物质炭缓释肥	2.36	2.52	2.61

从表5可知，烤后烟叶的钾含量以使用生物质炭缓释肥处理最高，上部叶、中部叶和下部叶的钾含量分别为2.36％、2.52％和2.61％；分别比对照的烟叶钾含量增加了0.21%、0.15%和0.21%。这表明，施用生物质炭缓释肥后明显提高了烟叶的钾含量。

实施例5烟草专用生物炭基缓释复合肥中生物炭用量研究试验

试验地点：重庆酉阳：试验时间：2013年4月至2012年12月

试验实施：本试验共4个处理，分别是CK、处理一、处理二、处理三。要求试验用烟田地力基本一致，烟苗大小均匀。CK按照正常的施肥进行，其余三个处理（处理一：烟杆生物质炭22.5Kg/亩；处理二：烟杆生物质炭45Kg/亩；处理三：烟杆生物质炭77.5Kg/亩，烟杆生物质炭制备方法同实施例2）烟杆生物质炭与烟草专用复合肥（N：P₂O₅：K₂O=20:15:10）40Kg/亩充分混合后穴施。按常规方法监测烟叶植物学性状、烤烟品质，结果见表6至表16。

表6移栽后45天时烟杆生物质炭用量对烟叶植物学性状的影响

处理	株高(cm)	最大叶长(cm)	最大叶宽(cm)	有效叶数(片）	茎围（cm)
						CK	48.8	56.1	25.6	15.8	6.8
处理一	55.4	56.6	25.9	16.4	7.1
						处理二	72.7	62.9	31.6	17.9	7.5
处理三	68.2	58.2	28.5	17.6	7.6

表7移栽后60天时烟杆生物质炭用量对烟叶植物学性状的影响

处理	株高(cm)	最大叶长(cm)	最大叶宽(cm)	有效叶数(片）	茎围（cm)
						CK	77.9	57.5	27.1	17.9	7.0
处理一	80.3	58.0	27.5	20.4	7.2
						处理二	112.9	66.8	32.3	20.4	7.5
处理三	109.8	59.4	29.8	21.0	7.6

表8移栽后75天时烟杆生物质炭用量对烟叶植物学性状的影响

处理	株高(cm)	最大叶长(cm)	最大叶宽(cm)	有效叶数(片）	茎围（cm)
						CK	95.7	73.7	27.5	16.3	7.2
处理一	102.1	74.0	28.6	18.8	7.3
						处理二	106.4	78.6	32.3	17.9	7.5
处理三	102.5	71.9	30.7	18.1	7.6

表9移栽后90天时烟杆生物质炭用量对烟叶植物学性状的影响

处理	株高(cm)	最大叶长(cm)	最大叶宽(cm)	有效叶数(片）	茎围（cm)
						CK	116.6	81.3	29.8	14.7	7.2
处理一	120.5	82.7	31.5	17.7	7.4
						处理二	122.3	82.8	32.7	16.6	7.7
处理三	118.4	75.0	31.4	15.4	7.6

由表6至表9可知，随生物炭肥料施用的增加，株高、最大叶长、最大叶宽、有效叶数、茎围基本呈递增趋势，施用生物炭可以改善烟草的植物学性状。

表10移栽45天时烟杆生物质炭用量对根系的影响

处理	体积(cm³)	鲜重（g）
			CK	31.1	25.4
处理一	35.7	31.1
			处理二	45.3	41.6
处理三	45.3	40.3

表11移栽60天时烟杆生物质炭用量对根系的影响

处理	体积(cm³)	鲜重（g）
			CK	71.2	68.8
处理一	81.4	76.3
			处理二	101.7	94.3
处理三	110.3	104.3

表12移栽75天时烟杆生物质炭用量对根系的影响

处理	体积(cm³)	鲜重（g）
			CK	82.4	76.8
处理一	86.5	81.2
			处理二	117.7	106.9
处理三	126.1	113.7

表13移栽90天时烟杆生物质炭用量对根系的影响

处理	体积(cm³)	鲜重（g）
			CK	93.7	87.2
处理一	95.1	88.7
			处理二	132.9	116.2
处理三	134.3	120.8

由表10至表13中数据分析可知，根部体积和鲜重随着生物炭使用量的增加而出现递增趋势。这表明，施用生物炭后促进了烤烟根系的发育。

表14烟杆生物质炭用量对烤后烟叶中桔三（C3F）品质的影响

处理	还原糖(%)	烟碱(%)	总糖(%)	氯(%)	钾(%)	总氮(%)	石油醚提取物（%)
								CK	22.59	2.49	31.48	0.16	1.86	1.82	6.96
处理一	26.05	2.32	39.11	0.14	1.94	1.87	7.97
								处理二	25.85	2.57	38.68	0.19	2.10	1.93	7.82
处理三	34.76	2.68	36.82	0.18	2.53	1.97	7.54

各处理两糖含量均高于优质烟叶含量标准，其他各指标均达到优质烟叶要求。施用烟杆生物质炭后提高了烟叶钾含量和石油醚提取物含量，提高了烟叶香气物质含量。

表15烟杆生物质炭用量对中桔三（C3F）烟叶质量风格特色感官评价

从感官评吸结果来看，施用生物炭后明显提高了烤后烟叶中桔三（C3F）的感官质量，尤其是处理三。

表16烟杆生物质炭用量对烤后烟产量产值的影响

处理三的产量最高，其次是处理一，均价以处理二最高，其次是处理三。施用生物炭后提高了产量和均价，以及中上等烟比例。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种烟草专用生物炭基缓释复合肥，其特征在于，以重量份计，其制备原料包括烟秆生物质炭22～78份、氮磷钾三元复合肥40～50份、木质素磺酸钙2～3份、坡缕石2～4份，所述氮磷钾三元复合肥中N：P₂O₅：K₂O=8～22:8～22：10～24，所述坡缕石是经30～50KHz超声波照射2～4分钟、粒度为150～250目的坡缕石；所述烟秆生物质炭是由以下方法制得：

取干燥烟秆置于马弗炉中于380～450℃下热解2h，冷却后粉碎，过0.5～2mm筛后以清水浸泡3～6小时，再用清水冲洗1～3次以去除灰分和杂质，烘干，再在850～950℃的无氧环境下，以0.30～0.4L/min的流量通入水蒸气，活化处理80～100min。

2.根据权利要求1所述的烟草专用生物炭基缓释复合肥，其特征在于，制备所述氮磷钾三元复合肥的氮源基础肥料为硝酸铵、硝酸钾、磷酸一铵、磷酸二铵中的至少一种，磷源基础肥料为磷酸一铵、磷酸二铵、磷酸二氢钾中的至少一种，钾源基础肥料为硫酸钾、硝酸钾、磷酸二氢钾中的至少一种。

3.一种烟草专用生物炭基缓释复合肥的制备方法，包括以下步骤：

（1）将取干燥烟秆于380～450℃的缺氧环境下热解2h制取生物质炭，冷却，粉碎过0.5～2mm筛；

（2）以清水浸泡上步所得生物质炭3～6小时后，再以清水冲洗1～3次，经烘干，再在850～950℃的无氧环境下，以0.30～0.4L/min的流量通入水蒸气，活化处理80～100min；

（3）取上步所得烟秆生物质炭22～78份、氮磷钾三元复合肥40～50份、木质素磺酸钙2～3份、坡缕石2～4份经搅拌、烘干、造粒，即成；所述坡缕石是经30～50KHz超声波照射2～4分钟、粒度为150～250目的坡缕石。