CN104130054B - 生物质炭基硅肥及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质炭基硅肥，包括混合均匀的粉状生物质炭、粉状偏硅酸钠、水，其中偏硅酸钠吸附在生物质炭表面。与单施硅肥相比，本发明公开的生物质炭基硅肥施用在果园土壤中可有效提高土壤中的硅元素浓度并促进硅的吸收和运输，最终提高果实的营养品质。

Description

生物质炭基硅肥及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种用在果园中的生物质炭基硅肥，属于肥料和农业生物学领域。

背景技术

硅不是植物生长的必需营养元素，但对于很多植物来说，硅是有益元素，对于植物的抗逆性等具有重要的影响。已有的研究显示，硅肥对水稻的品质、产量、抗病虫、抗重金属污染等方面表现出非常积极的作用，但在其农作物的上的研究相对较少。

黄土高原是我国重要的水果产地，尤其是苹果生产基地，但长期种植下，由于黄土肥力本身偏低，土壤干旱，果树常常出现营养不良的症状，容易发生生理性病害，最终影响到产量和品质。为了解决这个问题，需要通过合理营养调控，促进苹果持续健康生长。

已有一些初步的研究表明，硅元素对促进果树生长具有一定的积极效果，但是如何将硅元素有效的输送给果树在本领域还没有成熟的解决方案。参考早期的在农田中的使用方法，可以通过施用无机硅肥。但无机硅肥受到土壤的吸附和固定的影响，其效果很不稳定，不具有推广价值。

近年来，已有人尝试通过复合肥料将硅元素添加到土壤中，例如中国专利申请201310616977.1公开了一种复合化肥，是一种专用在水稻品种的化肥，包括氮磷钾大量元素和微量元素，其中添加少量的来源于向日葵的生物质炭，其制备方法是把无机肥料先造粒，然后把尿素形成的熔浆与生物质炭进行复合，再喷布于无机肥料的颗粒的表面，从而包裹肥料，这种肥料对于密植的农田农作物有一定的效果，但是对于果园土壤并不适用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明申请人公开了一种生物质炭基硅肥，利用碱性生物质炭促进偏硅酸钠的溶解，减少土壤对偏硅酸根的固定，提高硅的生物有效性。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

生物质炭基硅肥，包括混合均匀的粉状生物质炭、粉状偏硅酸钠、水，其中偏硅酸钠吸附在生物质炭表面。

通过上述组成，偏硅酸钠在水中部分发生溶解与生物质炭中的芳香环有机高分子发生聚合反应，从而形成稳定结构，提高果树吸收硅的生物有效性。

在本发明中，所述生物质炭是基于申请人的早期研究和专利申请制备的，具体的说，是以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600℃，优选400-500℃下进行处理2-5h，优选3-4h获得的产物，其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。

为了提高二者在水作用下的相互融合，生物质炭粒径、偏硅酸钠粒径均不高于0.25mm。

优选的，生物质炭与偏硅酸钠的质量比为1∶0.5-1，水的质量含量为约20％。

在上述中，申请人使用了水含量约20％的概念，是由于水的用量的变化并不会显著影响最终效果，一般而言，上述约20％等价于水的质量含量在15-25％之间自由调节。

在上述中，各含量是以干基表示，也就是以最终获得的产品中的各成分的含量，而非原始原料的用量比例。

申请人深入研究了生物质碳与偏硅酸钠的配比，发现二者含量相同时效果是最佳的。

相应的，本发明公开了上述生物质炭基硅肥的制备方法，具体的是，首先将生物质炭粉碎过筛后加入到水中充分拌匀，然后加入粉状偏硅酸钠次充分拌匀，晾晒至含水量约为20％，装袋。

优选采用下述方法：首先将生物质炭粉碎过筛后加入30％左右的水，混匀；然后按1∶1比例(生物质炭∶偏硅酸钠)加入粉状偏硅酸钠充分拌匀，晾晒至含水量约为20％，装袋。

在上述中，30％左右指的是25-35％。

为了降低生产难度，还包括在晾晒前静置的步骤。

上述的静置、晾晒并不限定特别条件，优选室温、自然通风的条件下进行。

由于本发明的生物质炭基硅肥能够显著提高提高了硅肥在果园土壤的有效性，因此本发明还公开了该生物质炭基硅肥作为果园土壤肥料的应用。

当用于果园时，其用量可根据果园的土壤情况、种植密度等进行调整，通常情况下，在冬季或春季，每亩果园施用150-300kg生物质炭基硅肥。

上述的果园，优选是苹果果园，然后其他果园也是同样适用的。

通过组成改进，本发明的生物质炭基硅肥取得了如下技术进步：

(1)提高了硅肥在土壤的有效性。和单施硅肥的相比，生物质炭基硅肥硅在土壤中使有效硅浓度提高了8-15％。

(2)促进了硅的吸收和运输。和单施硅肥相比，生物质炭基硅肥使苹果树的根系、韧皮部、树叶中的硅含量分别提高24.7％、16.1％、17.0％；以苹果树进行评价，使苹果果皮和果肉中硅含量分别提高了17.0％、11.0％左右。

(3)提高了果实的营养品质，以苹果树进行评价，和单施硅肥相比，生物质炭基硅肥使苹果果实的Vc和可溶性固形物的含量分别提高了12.6％和10％；可滴定酸下降13％。

附图说明

图1为不同组成比例下的生物质炭基硅肥的pH；

图2为不同组成比例下的生物质炭基硅肥的溶出率；

图3为生物质炭扫描结构图；

图4为生物质炭基硅肥扫描结构图；

图5为不同施硅量下土壤有效硅含量变化；

图6为不同施硅量下根系硅含量变化；

图7为不同施硅量果树韧皮部硅含量变化；

图8为不同施硅量果树叶片硅含量变化；

图9为不同施硅量苹果果皮含硅量变化；

图10为不同施硅量苹果果肉含硅量变化；

图11为不同施硅水平下苹果硬度变化；

图12为不同施硅水平下苹果可溶性固形物变化；

图13为不同施硅水平下苹果可滴定酸变化；

图14为不同施硅水平下苹果Vc含量变化。

具体实施方式

在下述实施中，所用的生物质炭是通过以下工艺获得的：苹果枝条为原料，粉碎至3-5cm的碎节，在厌氧裂解炉中进行400-500℃的处理，处理时间为3-3.5小时。

实施例1：生物质炭基硅肥的结构和性质研究

1、试验方案

1.1、酸碱性测定：将生物质炭和无水偏硅酸钠按照1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3比例进行复配，然后取上述混合物10个，加入25ml的蒸馏水，震荡半小时，用pH计测定其pH值(同时进行纯生物质炭和无水偏硅酸钠的测定，分别用1∶0和0∶1来表示)。

1.2、养分溶出性质测定：将上述配制的不同比例的生物质炭基硅肥5.0g，放在500ml的锥形瓶中，加入500ml的水，分别放置12h和24h(每2h振荡30分钟)，然后过滤，测定滤液中硅的含量，同时进行空白(生物质碳)试验，计算硅的溶出率。

1.3、利用电子显微技术，对生物质炭和生物质炭基硅肥的结构进行扫描

2.结果分析

参考附图1所示，生物质炭由于一些碱金属等灰分的存在，本身显示出一定的碱性(pH约11.6)，而纯的无水偏硅酸钠，属于弱酸强碱盐，其pH为12.4。随着生物质炭中加入偏硅酸钠的增加，配比由1∶0.5变化到1∶3，所形成的生物质炭基硅肥的pH逐渐增大，由11.79变为12.32，但始终比偏硅酸钠的低。

参考附图2所示，随着生物质炭与无水偏硅酸钠比例由1∶0.5变化为1∶3，硅的溶出性有增大趋势，而且随着溶出时间的延长，由12小时延长为24小时，硅的溶出性也增大。从不同配比可以看出，当生物质炭与偏硅酸钠的比例1∶0.5和1∶1，两者的溶出率都较低，说明在该比例下生物质炭对硅有吸附、保持作用，且两者之间作用相当；而当生物质炭与偏硅酸钠的比例1∶2和1∶时，两者的溶出率都较高，且两者之间的相差较小。

上述结果说明，生物质炭对偏硅酸钠的吸附、络合等存在一个饱和度，当加入的偏硅酸钠比较少时，低于吸附饱和度，则大多数偏硅酸钠被生物质炭吸附固定，而加入偏硅酸钠比较多时，高于吸附饱和度，则大多数偏硅酸钠未被被生物质炭吸附固定，仅是机械混合在一起。相对而言，溶出率较低的生物质炭基硅肥则有较长的肥效。

参考图3、4所示，从电子扫描图可看出，生物质碳为多孔状结构，具有较大的比表面积和内部管状孔道，复配无机硅肥后，一些硅肥呈颗粒状分布在其表面上。

3.试验结论

综合上述结果，生物质炭与无机硅肥进行配比，其最佳比例为1∶0.5到1∶1。所得肥料略呈碱性，其pH为11.79-11.91左右。

实施例2：生物质炭基硅肥与无机硅肥的效果分析

1.试验方案

1.1、生物质炭基硅肥制备：分别将37.5、75、150kg偏硅酸钠与等质量的生物质炭进行复合，制造生物质炭基硅肥。具体方法为：分别将37.5、75、150kg生物质炭粉碎过筛(≤0.25mm)按质量比加入30％kg的自来水，充分拌匀后，分别加入37.5、75、150kg粉状偏硅酸钠，然后再次充分拌匀，使偏硅酸钠充分吸附在生物质炭表面(偏硅酸钠部分发生溶解，与生物质炭中的芳香环有机高分子发生聚合反应)。放置48小时后，自然晾晒至含水量为20％左右，然后装袋施用。

1.2.施用：选择15年树龄的苹果树(盛果期果树)，将上述制备的3种生物质炭基硅肥均匀分配给66棵果树(当地每亩果园苹果树的数)。距果树树干80cm处东西南北各挖30cm深、30cm宽、100cm长的环形沟，将炭基硅肥施入沟中，并覆土。以上生物质炭基硅肥折算的土壤施硅量分别为250、500、1000mg/kg，同时进行等量的单施硅肥试验，以便比较生物质炭基硅肥与无机硅肥的效果比较。

2.生物质炭基硅肥与无机硅肥的效果分析

2.1对土壤有效硅影响的差异

参考图5显示，单施无机硅肥，虽然也可以提高土壤有效硅的浓度，且随着施硅量增大，土壤有效硅含量也越来越高，当土壤施硅量为1000mg/kg时，土壤有效硅可以高达529mg/kg，对照不施硅为294mg/kg。

在等量的施硅条件下，施用生物质炭基硅肥，能更好地提高土壤有效硅的含量，从250mg/kg到1000mg/kg的施用量范围，土壤有效硅比单施无机硅肥的处理提高了8-15％。

2.2对果树不同器官硅含量影响的差异

参考图6所示，施用无机硅肥可以提高苹果树根系硅的含量，和不施硅肥的对照相比，施用硅肥后，根系含硅量显著提高。施用生物质炭基硅肥，能进一步提高根系硅的含量，与单施无机硅肥的相比，根系硅的含量提高了9-25％，其中，当施硅量为500mg/kg时，生物质炭基硅肥的对根系硅含量提高幅度最大，相应增加了25％左右。

同样的，参考图7、8，施用生物质炭基硅肥，也增加果树韧皮部和叶片中硅的含量，和单施无机硅肥的处理相比(500mg/kg)，相应提高了16％和17％。差异达到显著水平。

2.3对苹果果实含硅量影响的差异

参考图9、10所示，不论施用无机硅肥还是施用生物质炭基硅肥，都能使苹果果皮的含硅量提高，在250、500、1000mg/kg3个水平的硅肥用量下，施用生物质炭基硅肥更能提高果皮中硅的含量，相应比单施无机硅肥提高了5-17％，其中以500mg/kg施肥水平下的提高幅度最大，达到17％左右。同样，施用生物质炭基硅肥也更能提高果肉中硅的含量，相应比单施无机硅肥提高了4-11％，其中也以500mg/kg施肥水平下的提高幅度最大，达到11％左右。

2.4对苹果果实品质影响的差异

图11到图14反映了不同施硅条件下对苹果品质的影响。施用硅肥对苹果的硬度略有影响，随着施硅量的增大，硬度有所增加，但总体增加幅度较小，达不到显著水平。施硅对苹果可溶性固形物有显著影响，可以提高苹果可溶性固形物的含量。和单施无机硅肥相比，施用生物质炭基硅肥更能提高苹果可溶性固形物的含量，相应比单施无机硅肥提高了2-10％，其中也以500mg/kg施肥水平下的提高幅度最大，达到10％左右。施用硅肥，可以降低苹果可滴定酸含量，和单施无机硅肥相比，施用生物质炭基硅肥的处理，可滴定酸含量降低了2-13％，其中也以1000mg/kg施肥水平下的提高幅度最大，达到13％左右。施硅对苹果Vc有显著提高作用，和单施无机硅肥相比，施用生物质炭基硅肥更能提高苹果Vc的含量，相应比单施无机硅肥的提高了12％左右。

从施用硅肥对土壤有效硅以及硅在果树根、韧皮部、叶片、果实含量以及多果实硬度、可溶性固形物、酸度、Vc的含量等品质指标的影响可看出，生物质炭基硅肥效果大于无机硅肥的效果。无论施生物质炭基硅肥，还是施无机硅肥，以土壤施硅量为500mg/kg时为最佳浓度，即以每亩施用150kg生物质炭基硅肥效果最佳。

在实验过程中，申请人同时也研究了将用在水稻上的复合化肥(201310616977.1一种水稻专用生物质炭基复合肥料及其制备方法的技术方案)用在上述实验设计中的效果(与无机硅肥用法类似)，发现其效果尚不如无机硅肥，显示了由于成分组成、果树与水稻生理特性等差异的存在，该肥料堆果园土壤使用没有应用价值。

Claims (7)

1.生物质炭基硅肥，其特征在于包括混合均匀的粉状生物质炭、粉状偏硅酸钠、水，其中偏硅酸钠吸附在生物质炭表面。

2.根据权利要求1的生物质炭基硅肥，其特征在于生物质炭粒径、偏硅酸钠粒径均不高于0.25mm。

3.根据权利要求1的生物质炭基硅肥，其特征在于生物质炭与偏硅酸钠的质量比为1∶0.5-1，水的质量含量为约20％。

4.权利要求1的生物质炭基硅肥的制备方法，其特征在于首先将生物质炭粉碎过筛后加入到水中充分拌匀，然后加入粉状偏硅酸钠再次充分拌匀，晾晒至含水量约为20％，装袋。

5.根据权利要求4的制备方法，其特征在于还包括在晾晒前静置48小时的步骤。

6.权利要求1的生物质炭基硅肥作为果园土壤肥料的应用。

7.根据权利要求6的应用，其特征在于在冬季或春季，每亩果园施用150-300kg生物质炭基硅肥。