CN104016749A - 一种生物质炭及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质炭及其制备方法和应用，所述生物质炭是以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600℃下进行处理，从而得到生物质炭。本发明所公开的生物质炭在优选温度400-500℃范围内制备，最大限度降低制备过程有机碳的损失，又尽可能提高了所形成高度芳香化有机化合物的稳定性，作为单一活性成分用于改善土壤有机质含量具有非常理想的效果。

Description

一种生物质炭及其制备方法和应用

技术领域

本发明公开了一种生物质炭，属于农业生物学技术领域。

背景技术

陕西黄土高原区是我国苹果的主发展区，苹果产业已成为当地主导农业产业和当地农民增收致富的区域性特色优势产业之一。黄土高原虽然为苹果的优生区，但存在以下主要问题：

(1)黄土区土壤有机质偏低(多数土壤的有机质在1％以下)，导致土壤的基础肥力低，土壤营养元素普遍缺乏(钾素除外)；引起苹果的产量、尤其是品质、耐贮性明显下降，出现腐烂病、痘斑病，果树叶片黄化，落叶等严重问题，极大影响了西北黄土高原区苹果产业的持续发展。

(2)黄土区土壤有机质偏低引起土壤的保水性较差，水分蒸发损失严重，再加上黄土高原本身处于干旱、半干旱地区，自然降水偏少，土壤水分缺乏严重，影响到苹果的产量和品质，也影响到肥料的吸收利用。长期栽培果树，土壤在2-3m土层含水量锐减，得不到上下层土壤水分的有效补充出现了干层，加速果树衰老，成为限制黄土高原区果园持续发展的一个重要原因。

(3)多年以来，黄土高原地区有机肥投入不足，传统的氮磷化肥过量施用，导致氮磷与钾、中量元素以及微量元素的比例失调。

尽管本申请以黄土高原为例说明目前国内果树种植中存在的问题，这种现象是普遍存在的，即便土壤有机质含量丰富的东北地区，可以预期长久也会面临此风险。

针对上述问题，直接快捷的解决方法是大量增加有机肥的使用，然而这种方法不符合国内的实际情况。现阶段我国有机肥的肥源有限，满足不了果树的需求，再加上劳动力人口的转移，有机肥施用量较大，运输等劳动成本高，阻碍了有机肥在果园的施用。

同时，由于苹果生长的特性，苹果园采用的清园管理方式不利于土壤有机质的提升。苹果树根系的分泌物和脱落物相对较少，果农为了减少病虫害的发生，每年把修建的枝条和脱落的枯枝落叶都清扫出果园，再加上果农施用有机肥的量较小，以化肥为主，导致多数果园土壤有机质一般不会随着果树年限的增加而增加，已有研究指出，农田改为果园后，土壤有机质出现下降趋势，尤其是对于老龄化的果园，随着投入肥料的减少，土壤有机质下降明显。而采用秸秆、有机肥等直接施用来提升土壤有机质，不是一朝一夕的事情，是一个长期需要大量投入的任务。因此，本领域亟待发明一种新的方法以提高农业废弃物的稳定性，提高这些物质投入农田后的残留率，快速提高土壤有机质含量，而且还对土壤对物理、化学、生物性质具有良好的调节功能。

发明内容

针对现有技术的需要，本发明公开了一种生物质炭，是以苹果枝条为原料制成的，该生物质炭按一定比例和措施施入果园土壤中，通过生态系统的内部循环，可以有效、快速提高土壤有机质含量。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种生物质炭，通过下述制备方法获得：以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600℃下进行处理，即得。

通过上述制备方法获得的生物质炭，具有如下理化参数：pH值在7.2－12之间，有机碳含量在45－75％之间，生物炭阳离子代换量(亦称阳离子交换能力CEC)在15－70cmol/kg之间。

本发明的生物质炭，通过将苹果枝条在完全或部分缺氧的条件下经热裂解、炭化产生高度芳香化的固态物质。与木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭、动物粪便炭等相比，采用苹果枝条获得的生物质炭具有理想的各成分含量。

由于所用的苹果枝条品种、时节不同，所获得的生物质炭的理化参数是广泛变化的，通常都涵盖于上述所公开的范围内。

相应的，本发明公开了所述生物质炭的制备方法，即以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600℃下进行处理，即得。

在上述操作中，为了保证制备的效果和效率，将苹果枝条粉碎至3-5cm的碎节。

申请人通过大量实验广泛研究了不同的裂解温度对苹果枝条生物质炭中各成分含量、在土壤中的存留时间和对土壤有机碳组分的影响等多方面的影响，优选所述温度为400-500℃，更优选所述温度为500℃。

通过调节温度的高低，相应影响蒸锅处理过程所用的时间，通常的处理时间是2-5h，在最优的情形下，处理时间为3h。

申请人进行的实验显示本发明的生物质炭相对于传统的有机肥增碳效果更明显，因此本发明还公开了上述生物质炭作为单一活性成分用于改善土壤有机质含量的应用。

其中，具体的用量可以根据实际需要进行选择，考虑到成本和效果的平衡，生物质炭相对于每亩土壤的用量为600-2000kg/亩，优选为每年每亩施用1000kg,连续施用4-5年。

其中，生物质炭的使用方法是将生物质炭与0-20cm土层的土壤混合均匀，具体的操作方法是多种多样的，例如将生物质炭均匀撒在果园果树树冠投影下，通过锄地、旋耕、或人工翻地等方式将生物质炭与土壤混合即可。

附图说明

图1为在不同温度下处理相同的苹果枝条所得生物质炭中有机碳含量的变化；

图2为同样用量的不同温度处理的生物质炭应用到土壤中呼吸速率的变化；

图3为添加同样用量的不同温度处理的生物质炭应用到土壤中土壤总有机碳含量变化；

图4为添加同样用量的不同温度处理的生物质炭应用到土壤中土壤难氧化有机碳变化；

图5为分别使用苹果枝条原料和生物质炭后土壤中有机碳储量的变化；

图6为分别使用苹果枝条原料、化肥和生物质炭后土壤中有机碳储量的变化；

图7为以使用化肥为对照，生物质炭与有机肥应用到土壤后的增碳效果比较；

图8为不同用量的生物质炭施用量增碳效果比较；

图9为生物质炭施用年数对土壤中有机碳含量的影响。

具体实施方式

实施例1:生物质炭制备温度的筛选

以苹果枝条为原料，粉碎至3-5cm的碎节，在厌氧裂解炉中进行不同温度300-600℃的处理，处理时间为3小时，得到不同温度下的生物质炭样品，以供对其进行理化性质和施用效果进行研究。

附图中CK代表苹果枝条原料。

1)不同温度制备下苹果枝条生物质炭的性质差异

分析项目和方法：对不同温度的生物质炭的有机碳含量、灰分、酸碱性、官能团等进行分析，比较不同温度制备生物质炭的性质差异。

(1)不同温度制备下苹果枝条生物质炭的有机碳含量

不同温度制备下生物质炭的有机碳含量有一定差异，原料(粉碎的苹果枝条)的有机碳含量为75.8％，参考图1，从300-600℃，以500℃下制备的生物质炭的有机碳含量最高，达到71.9％，与600℃下制备的生物质炭(46.1％)之间差异达到显著水平。因此，500℃下制备的生物质炭是首选材料。

(2)不同温度制备下生物质炭的元素含量和官能团差异

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

2).生物质炭在土壤中的存留时间和对土壤有机碳组分的影响

研究方案和方法按2％的比例(占土壤的质量)将生物质炭与土壤(塿土)混合，放入500ml的塑料瓶中，在室温下进行培养，测定培养过程二氧化碳的释放量，定期采样，测定土壤的有机碳、测定难氧化有机碳含量。

(1)不同温度制备生物质炭在土壤中的存留时间

结果分析：随着温度升高,生物质炭的稳定性升高，呼吸速率降低(见图2)。依据周转时间＝1/(R-R₀)，式中，R表示添加生物质炭处理的土壤呼吸速率，R₀表示对照土壤呼吸速率。从而得到不同温度制备的生物质炭在土壤中周转时间(见表2)。结果表明，在300-600℃下，随着生物质炭制备温度的提高，其有机碳在土壤中的存留时间越长，600℃下制备的生物质炭可在土壤中存留386年左右，远大于300℃下制备的生物质炭(124年左右)。

表2不同温度生物质炭在土壤中的周转时间

3)施入生物质炭对土壤有机碳和组成的影响

参考图3，培养180d后，添加生物质炭土壤有机碳含量相对于对照(不施用生物质炭的处理)增加了219.82％；不同热解温度之间，等量的生物质炭对土壤有机碳含量影响表现为500℃>300℃＝400℃>600℃，相对于添加600℃的生物质炭的处理，添加500℃、400℃和300℃生物质炭的土壤，有机碳分别增加了27.18％、9.39％和14.58％。

参考图4，培养180d后，添加生物质炭的土壤，难氧化有机碳含量相对于对照平均增加了545.53％；不同热解温度之间，土壤有机碳含量表现为500℃＝600℃>400℃>300℃，相对于添加300℃的土壤有机碳含量，添加500℃、600℃和400℃生物质炭土壤有机碳分别增加了182.84％、133.02％和70.16％。

通过以上不同温度制备生物质炭的有机碳的含量以及施入土壤后对土壤有机碳影响的研究，筛选出较为良好的制备温度为400-500℃，最佳的制备温度为500℃。在此温度下制备的生物质炭有机碳含量最高，对土壤有机碳的影响最大，土壤有机碳的中难氧化碳相对提高最多，提高土壤有机碳的效果最明显。

实施例2:施用生物质炭和有机肥、化肥提高果园土壤有机碳的效果比较

1)等量苹果枝条制作生物质炭和堆肥后的增碳效果差异

试验方法：将4000kg苹果枝条进行粉碎(<0.2cm),其中2000kg用于堆肥化处理，制成堆肥；另2000kg用于制备生物质炭(500℃制备生物质炭质量为598kg)。然后将由等量枝条制作的堆肥和生物质炭分别施于1亩果园中，与0-20cm土层土壤混匀。如此连续施用5年。每年进行土壤有机碳的测定。

结果分析：图5显示，由于苹果枝条制作生物质炭过程中会产生有机碳的损失，因此在第一年施用时，生物质炭的处理土壤有机碳储量和含量低于施用枝条堆肥的处理，但在连续施用3年以后，土壤有机碳明显增加，这与枝条有机碳转化为生物质炭后稳定性加强，在土壤中的矿化速率较低有关。连续施用到第5年时，和施用枝条堆肥的处理相比，施用生物质碳的土壤有机碳储量增加8100kg/ha，土壤有机碳含量达到2.07％，施用枝条堆肥的处理土壤有机质含量为1.64％，施用生物质炭的处理明显高于施用苹果枝条的处理。而施用化肥的对照处理土壤有机质仅为1.09％(见图6)。说明，苹果枝条(2000kg)制备成生物质炭连续施用3年以后，其增碳效应明显大于等量枝条制作成堆肥后施用的增碳效果。连续施用5年，可以使土壤有机质达到高水平，比施用枝条堆肥的提高33％左右，比传统化肥处理提高89％左右。

2)生物质炭与有机肥的增碳效果比较

试验方法：将2000kg苹果枝条进行粉碎(<0.2cm),用于制备生物质炭(500℃下)。然后分别将2000kg有机肥(以猪粪为主的堆肥)和生物质炭施于1亩果园中，与0-20cm土层土壤混匀。如此连续施用5年。每年进行土壤有机碳的测定。

结果分析：图7显示，从第1年开始，施用生物质炭的土壤有机碳含量就高于施用有机肥的，连续施用5年，施生物质炭的处理，土壤有机碳含量达到2.07％，施有机肥的处理土壤有机碳含量达到1.60％，相对而言，前者比后者增加了38％左右。

3)生物质炭的施用量对土壤有机碳的影响

试验方法：将苹果枝条进行粉碎(<0.2cm),在500℃下制备生物质炭。然后分别将生物质炭0、500、1000、2000kg/亩的施用量施于果园中，与0-20cm土层土壤混匀。其它氮化肥等按果农习惯施用，施用1年后进行土壤有机碳的测定。

结果分析：图8显示，生物质炭从每亩500-2000kg的施用量范围，随着施用量的增大，土壤有机碳呈明显的增加趋势，当施用量为2000kg/亩时，施用1年后，土壤有机碳含量可达到1.85％，比传统施用化肥处理(土壤有机质含量为1.15％)提高了60.9％。

4)生物质炭的连续施用时间对土壤有机碳的影响

试验方法：将苹果枝条进行粉碎(<0.2cm),在500℃下制备生物质炭。然后将生物质炭按1000kg/亩的施用量施于果园中，与0-20cm土层土壤混匀。连续施用5年，其它氮磷化肥等施用按果农习惯进行，每年进行土壤有机碳的测定。

结果分析：按照每亩施用1000kg生物质炭的用量，施用1年，土壤有机质就可以得到一定幅度的提升，有机质含量达到1.48％，而不施生物质炭的对照土壤有机质含量为1.15％。连续施用5年，土壤有机质含量可达到2.45％，比对照处理增加了113％(见图9)。按照每亩施用1000kg生物质炭的用量，连续施用5年，土壤有机质即可达到上限值(2.5％)。

如果每年每亩施用以畜禽粪便为主的1000kg有机肥，有机肥中有机质的含量为30-45％，依据我们多年的定位试验研究结果，有机肥在土壤中的平均残留率为8％(25年的平均值)，这样大约需要55年连续施用有机肥才能使土壤有机质达到2.5％。所以，施用等量生物质炭(1000kg/亩)和施用等量有机肥(1000kg/亩)相比，从提高土壤有机质的角度看，可以提前50年左右达到黄土高原区土壤有机质的上限阈值(2.5％)。

Claims (10)

1.一种生物质炭，其特征在于通过下述制备方法获得：以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600℃下进行处理，即得。

2.根据权利要求1的生物质炭，其特征在于pH值在7.2－12之间，有机碳含量在45－75％之间，生物炭阳离子代换量在15－70cmol/kg之间。

3.权利要求1的生物质炭的制备方法，其特征在于以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600℃下进行处理，即得。

4.根据权利要求3的制备方法，其特征在于将苹果枝条粉碎至3-5cm的碎节。

5.根据权利要求3的制备方法，其特征在于所述温度为400-500℃。

6.根据权利要求3的制备方法，其特征在于所述温度为500℃。

7.根据权利要求3的制备方法，其特征在于处理时间为3小时。

8.权利要求1的生物质炭作为单一活性成分用于改善土壤有机质含量的应用。

9.根据权利要求8的应用，其特征在于生物质炭相对于每亩土壤的用量为600-2000kg/亩。

10.根据权利要求8的应用，其特征在于将生物质炭与0-20cm土层的土壤混合均匀。