CN103965917A - 一种农田水肥联合调控剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农田水肥联合调控剂及其制备方法，该水肥联合调控剂由如下重量份的原料制成：矿粉1份，苹果枝条2～10份；所述矿粉为凹凸棒石；制备方法包括矿粉的高温活化处理，苹果枝条生物质炭的制备和水肥联合调控剂的制备等步骤；并且公开了该农田用水肥联合调控剂在土壤和肥料中的应用。该农田用水肥联合调控剂选择自然界广泛存在的天然矿物和苹果枝条原料，减少了对环境的污染，并且成本比较低，应用于土壤和化学肥料，可以提高土壤尤其是干旱-半干旱地区的土壤水分、养分利用效率，达到对水肥的双重调控，实现水分-养分的高效利用。

Description

一种农田水肥联合调控剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及农用化学品技术领域，尤其是一种农田用水肥联合调控剂及其制备方法。

背景技术

我国干旱和半干旱区土地占全国土地的53％，干旱和贫瘠是影响旱地农业生产的两个紧密相联系的因素。因此，要实现旱区农业的可持续发展就必须提高土壤中有限水分利用率以及肥料的利用率。保水剂的应用是提高水分利用的一种途径。目前，商品化的保水剂大多是以聚丙烯酸或聚丙烯酰胺为主生产，具有较强的保水性能，达到上千倍的保水系数，但存在的主要问题是成本高和耐盐碱性能差，且有的在用量高时还会产生一定的生物毒性，达不到环境友好型。因此，在应用方面很难推广。

自然界中的一些天然矿物或有机材料由于其特殊的空间结构，具有一定的保水性，虽然它不如有机高分子材料那样高，但是它在保水的同时具有一定的保肥功效、而且本身含有一些营养元素或有益元素，具有调水和调肥的作用。但是通过一些措施(物理、化学)等方法对其进行改性或者与其他材料进行复合，提高其保水、保肥、供肥等能力，可以达到水肥的双重调控，实现以水调肥，以肥促水，提高水分、养分利用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种农田用水肥联合调控剂及其制备方法，选择自然界广泛存在的天然矿物和苹果枝条，采用物理方法对其进 一步活化，再与生物质碳等材料复合，研制出高效的水肥联合调控剂，从而应用于土壤和化学肥料，提高土壤尤其是干旱-半干旱地区的土壤水分、养分利用效率，达到对水肥的双重调控，实现水分-养分的高效利用。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种农田用水肥联合调控剂，其特征是，由如下重量份的原料制成：矿粉1份，苹果枝条2～10份；所述矿粉为凹凸棒石。

优选的，由如下重量份的原料制成：矿粉1份，苹果枝条2～4份。

还可以，由如下重量份的原料制成：矿粉1份，苹果枝条6～10份。

优选的，所述矿粉的粒度为80～100目。

本发明还提供了一种农田用水肥联合调控剂的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

S1：按上述的重量份称取原料；

S2：矿粉的高温活化处理：在马福炉中对步骤S1中称取的矿粉进行高温处理；所述高温处理温度为200～600℃，所述高温处理时间为6～8小时；然后冷却、粉碎，过80～100目筛，得到活化处理的凹凸棒石；

S3：生物质炭的制备：氮气氛围下，在裂解炉中对步骤1中称取的苹果枝条进行加热处理，所述加热处理温度为300～600℃，加热处理时间为2～3小时；然后冷却、粉碎，过80～100目筛，得到生物质炭；

S4：将S2和S3步骤中得到的处理凹凸棒石和生物质炭混合均匀，然后挤压成微颗粒，即得水肥联合调控剂，所述微颗粒粒径为0.05～0.25mm。

优选的，所述矿粉的高温处理温度为300～400℃，生物质炭的裂解处理温度为400-500℃。

上述农田用水肥联合调控剂在土壤中的使用方法，其特征是，按土壤干重的0.5～2.0％添加到土壤中。

上述农田用水肥联合调控剂在化学肥料中的使用方法，其特征是，向氮肥中添加5-10％化肥质量的水肥联合调控剂，混匀后，造粒成2～3mm的颗粒，施用。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

(1)本发明的农田用水肥联合调控剂选择自然界广泛存在的天然矿物和苹果枝条原料，减少了对环境的污染，并且成本比较低。

(2)本发明的农田用水肥联合调控剂应用于土壤和化学肥料，提高土壤尤其是干旱-半干旱地区的土壤水分、养分利用效率，达到对水肥的双重调控，实现水分-养分的高效利用。

附图说明

附图1不同温度处理下矿物的比表面积变化；

附图2不同温度处理下矿物的吸湿系数变化；

附图3不同温度处理下矿物的非活性空隙变化；

附图4不同温度矿物的毛管孔隙和通气孔隙变化；

附图5高温活化处理下矿物中锌的溶出特性；

附图6高温活化处理下矿物中铁的溶出特性；

附图7高温活化处理下矿物中锰的溶出特性；

附图8高温活化处理下矿物中镁的溶出特性；

附图9高温活化处理下矿物中钙的溶出特性；

附图10苹果树枝不同温度热解回收率；

附图11四个热解温度条件下制成的生物黑炭的矿化特征；

附图12不同温度制备的生物质炭的周转时间；

附图13不同温度制备下生物质炭的电子扫描图；

附图14土壤添加矿物和生物炭的水分特征曲线；

附图15 0bar下同处理土壤的水分含量；

附图16添加生物质炭和矿物0-15bar有效水含量；

附图17化肥和矿物-生物质炭复合后的产量；

附图18化肥和矿物-生物质炭复合后的利用效率；

附图19不同处理≥2mm团聚体的分布；

附图20不同处理0.25-2mm团聚体的分布；

附图21不同处理0.05-0.25mm团聚体的分布；

附图22不同处理≤0.05mm团聚体的分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种农田用水肥联合调控剂，由如下重量份的原料制成：矿粉1份，苹果枝条2～10份；所述矿粉为凹凸棒石；所述矿粉的粒度为80～100目。

上述农田用水肥联合调控剂的制备方法，包括以下步骤：

S1：按上述的重量份称取原料；

S2：矿粉的高温活化处理：在马福炉中对步骤S1中称取凹凸棒石矿粉进行高温处理；所述高温处理温度为200～600℃，所述高温处理时间为6～8小时；然后冷却、粉碎，过80～100目筛，得到处理凹凸棒石。

活化过程矿物的表面及孔隙变化情况如下：

采用不同温度(200、300、400、500、600℃)对矿物进行处理，与对照(未加热处理)进行比较，研究了热处理过程矿物的比表面积(单位质量的表面积)的变化。结果显示，比表面积不是随温度的升高持续增加(图1)，而是300-400℃左右出现最高值，比未处理的常温下增加了39％，而在600度下有所降低。有研究表明，随着焙烧温度的升高，在600℃时，凹凸棒石随着结晶水和结构水的脱除发生结构折叠，比表面积有所减小。

矿物经过一定温度处理后，其吸湿水含量有所降低(见图2)，未经高温处理的吸湿水含量为6.19％，经过600℃高温处理后的矿物，其吸湿水含量为3.85％，下降37.8％。吸湿水为矿物在空气中所保持的气态水，为植物所不能利用的无效水，吸湿水的大小反映出矿物颗粒表面高能吸附位的多少，与非活性孔隙多少有关。由吸湿水含量计算矿物的非活性孔隙，发现经过高温处理后矿物的非活性孔隙下降，由原来的9％左右下降到5％左右(见图3)。与之相对应，则矿物的毛管孔隙+通气孔隙则增加，由原来的38％左右上升到49％左右(见图4)，其中，毛管孔隙的增加是提高土壤有效水保持能力的基础。

活化过程矿物的养分溶出特性如下：

如图5～9所示，矿物经过200～600℃的不同温度处理后，对铁和锌的可提取性影响最大，加热温度达到400℃以后，可提取性铁和锌明显上升。对于铁元素来说，在几种提取剂中，以草酸、硫酸、柠檬酸和盐酸提取的铁含量较高，而醋酸和水提取的量较低铁。对于锌来讲，以两种无机酸(硫酸、盐酸)和两种有机酸(草酸、柠檬酸)提取的锌含量较高，且随加热温度的升 高而升高；醋酸溶性锌的含量相对较低，但随温度升高也有上升趋势。水溶性锌含量最低，而且随温度变化不大。不同溶性钙的含量在整个矿物的加热过程变化不大，而镁的含量有下降趋势。锰的含量随温度变化比较复杂，500℃以前变化较小，500℃以后，硫酸、盐酸、醋酸溶性锰下降，而草酸、柠檬酸溶性锰有所上升。这些元素既有属于矿物结构的构成元素如镁，又有被晶格固定或吸附的元素如锌或铁等，这些元素在加热过程溶解性变化一定程度上也反映出矿物结构随加热温度的变化。当温度升高到一定程度时，随着矿物的结晶水和结构水的脱除会发生结构折叠，从而使镁的溶解性减小。柠檬酸，醋酸提取的养分一般为植物可以吸收的养分，随着加热过程温度升高，铁和锌的有效性明显提高。

S3：生物质炭的制备：氮气氛围下，在裂解炉中对步骤1中称取的苹果枝条进行加热处理，所述加热处理温度为300～600℃，加热处理时间为2～3小时；然后冷却、粉碎，过80～100目筛，得到生物质炭。

不同温度制备下苹果枝条生物炭的回收率如下：

四种热解温度下苹果树枝的回收率分别为48.83％、35.08％、31.38％、28.64％(见图10)，这表明随着热解温度的升高，生物黑炭的回收率是逐渐下降。这是因为温度越高，有机碳的裂解损失相对较多，所以留下的固体生物黑炭就相应减少了。

不同温度下生物质炭的基本性质如下：

不同温度下制备的生物质炭都显碱性(见表1)，pH值变化在7.48到11.62之间，随着制备温度的升高，碱性相对增强，这与灰分含量随温度增加相对应。生物黑炭具有较高的阳离子交换能力(CEC)。四种热解温度下，生物炭阳离 子代换量(CEC)的变化值在19.02cmol／kg到67.15cmol／kg之间。400-500℃热解温度下制备生物黑炭的CEC较大。制备温度过高或过低，都使生物炭的阳离子代换量减小。生物炭主要基团包括羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等，构成了生物黑炭良好的吸附特性，这些基团可以划分为两大类，酸性基团和碱性基团。随着裂解温度升高，生物黑炭的酸性基团减少，碱性基团增加。总官能团(酸性基团+碱性基团)差异不显著。元素变化显示，随着制备温度的升高，在高温下(600℃)下氮素略有降低，但差异不明显，P、K、Ca、Mg有增加趋势。

表1不同温度下热解苹果树枝条生物质炭的性质

不同温度黑炭在土壤中的矿化特征和稳定性如下：

未添加生物黑炭的土壤呼吸速率比较稳定，保持在0.5mg／(g*h*103)左右，而各种热解温度条件下制备的生物黑炭都在短时间内提高了土壤呼吸速率，培养前20天，能够明显的看出土壤呼吸速率受土壤生物黑炭含量的影响，生物黑炭的含量越大，土壤呼吸速率越大，但随着培养时间的加长，土壤呼吸速率逐渐减弱，不同生物黑炭含量的土壤呼吸速率都趋于一致。培养60天后，已基本相同了(图11)。随着生物质炭制备温度的升高，生物质炭越稳定， 碳的呼吸速率越低。

根据培养实验，利用添加生物质炭的呼吸速率与对照相比，可以推算出300℃、400℃、500℃、600℃条件下制备的生物黑炭的周转时间分别为92.18年、111.25年、171.84年、269.46年。发现，生物黑炭的周转时间与制备温度之间存在正相关关系(见图12)，说明随着炭化温度的升高，生物质碳的稳定性越高，周转时间越长。

从图13可看出，不同温度制备生物质炭，其结构发生很大的差异，其中400℃和500℃下制备的生物质炭，具有较好的孔隙结构和比表面积，而温度过低和过高，都会减少生物质炭的孔隙。

S4：将S2和S3步骤中得到的处理凹凸棒石和生物质炭混合均匀，然后挤压成微颗粒，即得水肥联合调控剂，所述微颗粒粒径为0.05～0.25mm。

按照上述的制备方法制备的农田用水肥联合调控剂在土壤中的使用方法，按土壤干重的0.5～2.0％添加到土壤中。

按照上述的制备方法制备的农田用水肥联合调控剂在化学肥料中的使用方法，向氮肥中添加5-10％化肥质量的水肥联合调控剂，混匀后，造粒成2～3mm的颗粒，施用。

添加矿物和黑炭对土壤持水性的影响如下：

土壤添加矿物和生物炭后结果显示，在矿物和生物炭添加量均为0.5％的情况下，以500℃处理的生物炭土壤持水性最强。比对照(不添加矿粉和黑炭)的含水量高11％左右(见图14、图15)。因此，对矿物进行300℃活化处理、苹果枝条进行500℃制备生物质炭，然后1∶1进行混合后按1％(0.5％+0.5％)均匀混入土壤中，不仅具有最佳的保水效果，而且其最大有效水含量也最高 (见图16)。

矿粉和生物质炭的保肥效应如下：

将化肥(尿素)与生物质炭和矿物进行复合(占化肥质量的10％)，根据复合后的氮素含量，按一定比例(300kg-N／hm²)施入土壤中，通过盆栽生物试验，研究其氮素利用率。结果表明，和化肥处理相比，化肥和矿物或生物质碳复合后，均增加了小麦的产量，相对而言，化肥和生物质碳复合后的增产效果大于化肥与矿物的复合。化肥与生物质碳和矿物复合后，与普通氮肥相比，氮素利用率提高15.5％(见图17-18)。

土壤施用矿粉和生物质炭后的土壤结构变化情况如下：

向土壤中分别添加经过活化后的矿粉或生物质炭，经过30天的干湿交替培养，通过湿晒法，研究了土壤团聚体的变化(图19-22)，结果发现向土壤中添加矿粉(0.5％、1.0％)或者生物质炭(0.5％、1.0％)，都相应提高了大于2mm团聚体的含量，相对而言生物质碳的作用更明显。尤其是复合添加矿粉和生物质炭，对促进大团聚体的形成作用更大，同样对0.25-2mm、0.05-0.25mm团聚体都有一定的增加作用。相反，减少了≤0.05mm团聚体的含量。相比较而言，与矿粉相比，生物质炭对土壤团聚体的形成作用更大。农田土壤上讲生物质炭与矿物混合，按1％的比例施入土壤中，经过一定的干湿变化，可以促进0.05mm以上团聚体的形成，从而调节土壤的孔隙和通气、保水状况，提高土壤耕性，全面提高土壤质量。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种农田水肥联合调控剂，其特征是，由如下重量份的原料制成：凹凸棒石1份，苹果枝条2～10份；所述凹凸棒石为矿粉。

2.根据权利要求1所述的一种农田水肥联合调控剂，其特征是，由如下重量份的原料制成：凹凸棒石1份，苹果枝条2～4份。

3.根据权利要求1所述的一种农田用水肥联合调控剂，其特征是，由如下重量份的原料制成：凹凸棒石1份，苹果枝条6～10份。

4.根据权利要求1所述的一种农田水肥联合调控剂，其特征是，所述凹凸棒石的粒度为80～100目。

5.一种农田水肥联合调控剂的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

S1：按权利要求1～3任一权利要求所述的重量份称取原料；

S2：矿粉的高温活化处理：在马福炉中对步骤S1中称取的凹凸棒石进行高温处理；所述高温处理温度为200～600℃，所述高温处理时间为6～8小时；然后冷却、粉碎，过80～100目筛，得到处理凹凸棒石；

S3：生物质炭的制备：氮气氛围下，在裂解炉中对步骤1中称取的苹果枝条进行加热处理，所述加热处理温度为300～600℃，加热处理时间为2～3小时；然后冷却、粉碎，过80～100目筛，得到生物质炭；

S4：将S2和S3步骤中得到的处理凹凸棒石和生物质炭混合均匀，然后挤压成微颗粒，即得水肥联合调控剂，所述微颗粒粒径为0.05～0.25mm。

6.根据权利要求5所述的一种农田水肥联合调控剂的制备方法，其特征是，所述矿粉的优化高温处理温度为300～400℃，所述生物质炭优化制备温度为400-500℃。

7.一种农田水肥联合调控剂在土壤中的使用方法，其特征是，按土壤干重的0.5～2.0％添加到土壤中。

8.一种农田水肥联合调控剂在化学肥料中的使用方法，其特征是，向氮肥中添加5-10％化肥质量的水肥联合调控剂，混匀后，造粒成2～3mm的颗粒，施用。