CN105693328A - 一种液体生物炭肥的制备方法及应用 - Google Patents

一种液体生物炭肥的制备方法及应用 Download PDF

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张旭辉
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Abstract

本发明涉及一种肥料的制备方法及应用，尤其是一种液体生物炭肥的制备方法及应用，属于生物肥料技术领域。本发明将干燥后粉碎的小麦秸秆在300～350℃温度下进行炭化，得到小麦秸秆生物炭与浓度为5％的KOH溶液按照10g/200ml的比列混合，搅拌均匀得到悬浮液，悬浮液在105-110℃条件下浸提1±0.2小时，冷却后将悬浮液进行抽滤，除去碳粉，得到生物炭提取液，再加入Fe2+、Mn2+、Ca2+等离子，并用Hcl调节pH至7.5-8.0，制得液体生物炭肥料。其优点是：提高了生物炭的经济效益的同时提高了植物类中药的品质。

Description

一种液体生物炭肥的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种肥料的制备方法及应用，尤其是一种液体生物炭肥的制备方法及应用，属于生物肥料技术领域。
背景技术
植物类中药是一种重要的经济作物，近年来，随着我国人口的快速增长和越来越多疾病的出现，我国对植物类中药的需求量逐年增加。植物类中药喜肥且需肥量较大，为了提高中药材的产量，满足不断增长的市场需求，在其生产过程中普遍存在偏施滥施化学肥料，尤其是氮肥的现象。化学肥料的大量施用导致土壤出现酸化、有机质降低、板结及水源污染等生态问题，同时也导致中药的品质恶化。近年来，随着经济的发展和人们环保意识的增强，药品安全越来越受到社会的关注，人们对中药产品的需求正由单纯满足数量转向质量，在此背景下，绿色中药受到人们的广泛青睐。为满足高产优质中药的生产需求，有机-无机复合肥等新型肥料被越来越广泛的应用到中药栽培领域，有研究表明，有机营养微肥具有特殊的生理功能，能够提高作物的品质，促进作物对养分的吸收，进而增加作物体内养分含量，且有机营养微肥的成分来源均不是化学合成物，而是从自然界或农牧业废料中提取后加入营养元素制成的。有机营养微肥的原料种类多种多样，且成本不高，多数是农业废弃物，可以变废为宝，实现资源的充分利用，减少环境污染，具有广泛的应用前景。我国是一个农业生产大国，秸秆是农业生产的主要副产品，据统计，我国2010年的可收获秸秆资源量为7亿吨，直接焚烧的(不计用于燃料的量)占29.4％。作物秸秆通过热裂解形成生物炭再返回农田不失为一条趋利避害的好途径。目前为止，生物炭已在土壤修复、废水处理等方面得到应用，但是鲜少有提取生物炭可溶性成分作为液体肥使用的。生物炭与生物质热裂解过程中产生的液态副产物—木醋液，二者成分不同，木醋液的主要成分是酚类、酮类、烯烃类，据申请人检索发现，中国专利201110214766.6和201310725448.5公开了一种木醋液在植物上的使用方法，木醋液的有效成分主要为酚类，酚类是一种有效的抗菌物质，能够提高作物的免疫力，同时也可以达到刺激作物生长的目的，而生物炭与木醋液的成分不同。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出一种液体生物炭肥的制备方法及应用，有益于推动农业废弃物炭化产品的综合利用，将农业废弃物资源化，也能有效提高桔梗等中药的产量和品质。
本发明首先提供一种液体生物炭肥的制备方法，具体包括以下步骤：
第一步、将干燥后粉碎的小麦秸秆在300～350℃温度下进行炭化，得到小麦秸秆生物炭；
第二步、将所述小麦秸秆生物炭与浓度为5％的KOH溶液按照10g-15g/200ml的比例混合，搅拌均匀得到悬浮液；
第三步、将所述悬浮液在105-110℃条件下浸提1±0.2小时，冷却后将悬浮液进行抽滤，除去碳粉，得到生物炭提取液；
第四步、在所述生物炭提取液中加入200-230mg/kg的Fe2+、2-3mg/kg的Mn2+以及600-650mg/kg的Ca2+，并用HCL调节pH至7.5-8.0，即得液体生物炭肥。
所述第一步的小麦秸秆生物炭的粒径小于25mm。该生物炭表面多孔，具有较大的比表面积，能够增加土壤有机质，快速改善土壤结构，且具有硝化抑制功能。
本发明的液体生物炭肥是以小麦秸秆炭化后的生物炭为原料，在较高的炭水比情况下采用热水长时间浸提，提取其中的微量养分、有机物质和腐殖质等得到的。经研究发现，生物炭本身具有较强的吸附性能和稳定性，因此需要高温及长时间浸提来获取其中的可溶性组分，生物炭的浸提液中含有多种有机物。目前关于生物炭水溶性组分的相关研究较少，但也有报道指出，生物炭中的水溶型组分主要包括水溶性盐、胶体矿物、小分子腐殖质及大分子有机物等，具有较强的氧化还原活性，因此需将第三步的生物炭浸提液储存在密封的棕色瓶子里，并置于避光阴凉处，以保持浸提液中有机物的活性。
ICP-MSandAAS分析结果表明：本发明的生物炭浸提液是上百种有机碳化物的混合物，它含有能促进植物生长的生长素类物质。所述液体生物炭肥呈棕红色，其pH为7.61，主要成分为有机酸类，总有机碳TOC的含量为582mg/L，同时还包括少量的酚类和醇类物质。有机酸类能够刺激作物生长，促进养分在作物体内的运输，同时有机酸类还能促进其中的有机成分与金属元素螯合形成螯合物，从而提高作物体内微量元素的利用率。另外生物炭浸提液中还含有钾、磷、钙、镁等多种微量元素，K+离子含量为49.5g/L，Fe2+离子含量为250.8mg/kg，Mn2+离子含量为8.48mg/kg，Ca2+离子含量为4.1g/kg，它们为作物提供营养，其中以钾和钙的含量较为突出，可作为辅助的钾肥施用。
茅苍术(RhizomaAreactylodisLanceae)，也称之为南苍术，为菊科植物，喜凉爽较干燥气候，怕高温高湿，表面灰棕色，有皱纹、横曲纹及须根痕，顶端具茎痛。质坚实，断面黄白色或灰白色，有多数红棕色油室。气香特异，味微甘、辛、苦。江苏茅山地区是茅苍术道地药材的产区。含挥发油，油中主含苍术素(atractylodin)、β-桉油醇(β-eudesmol)、茅术醇(hinesol)、羟基苍术酮(hydroxy-atractylon)等。
桔梗(Platycodongrandiflorus)，别名包袱花、铃铛花、僧帽花，是多年生桔梗属草本植物，茎高20～120厘米，通常无毛，偶密被短毛，不分枝，极少上部分枝。叶全部轮生，部分轮生至全部互生，无柄或有极短的柄，叶片卵形，卵状椭圆形至披针形，叶子卵形或卵状披针形，花暗蓝色或暗紫白色，可作观赏花卉；其根可入药，有止咳祛痰、宣肺、排脓等作用，为中医常用药。
本发明进一步提供液体生物炭肥在上述中药植物茅苍术与桔梗上的应用，其施肥方式分为喷叶、灌根、既喷叶又灌根和对照四个处理。
喷叶处理时，对液体生物炭肥稀释500倍，每隔半月施用一次，共喷施6-8次，喷施时应选择无风、日照弱、温度低的天气进行，应在上午9:00前或下午4:00后喷施叶面调理剂稀释液，避免稀释液蒸发。
灌根处理时，对液体生物炭肥稀释200倍，每隔半月施用一次，共喷施6-8次，喷施时应选择无风、日照弱、温度低的天气进行，应在上午9:00前或下午4:00后喷施叶面调理剂稀释液，避免稀释液蒸发。在植株生长过程中分阶段测定叶绿素含量和株高、叶长、叶宽指标。采收后每小区随机取样，调查桔梗和茅苍术产量，分析桔梗和茅苍术品质。
本发明的优点是：
1.原料为小麦秸秆热裂解产物生物炭，该生物炭的推广应用缓解了现阶段因秸秆等农业废弃物资源过剩所带来的社会、环境和生态问题，在取得经济效益的同时，对秸秆高效资源化利用发展具有深远意义，也为秸秆炭化产物的农用开辟了一条新途径，提高了生物质炭的经济效益和社会效益；
2.液体生物炭肥可在减少无机肥料施用的基础上，有效提高桔梗等中药的品质和产量，还能增大叶片的表面积，提高桔梗等植株中叶绿素的含量，也同时提高了其安全质量。
3.液体生物炭肥来源于天然物质，不污染环境，生产过程中没有添加任何化学物质，对人畜无毒副作用，是农用化学药品的一种绿色健康替代物。
4.在减少无机肥料投入的同时，使植物类中药增产幅度最高可达33.3％，也提高了桔梗等中药的品质和安全质量。
附图说明
图1为液体生物炭肥对茅苍术产量的影响。
图2为液体生物炭肥对桔梗产量的影响。
具体实施方式
实施例一
本实施例将干燥后粉碎的小麦秸秆在300～350℃温度下进行炭化，得到小麦秸秆生物炭，小麦秸秆生物炭为干燥后粉碎的小麦秸秆在300～350℃温度下的炭化物，粒径小于25mm。将小麦秸秆生物炭与浓度为5％的KOH溶液按照10g/200ml的比列混合，搅拌均匀得到悬浮液，悬浮液在105-110℃条件下浸提1±0.2小时，冷却后将悬浮液进行抽滤，除去碳粉，得到生物炭提取液，再加入200-230mg/kg的Fe2+、2-3mg/kg的Mn2+以及600-650mg/kg的Ca2+离子，并用HCL调节pH至7.5-8.0，制得液体生物炭肥料。
田间试验：在南京市南京农业大学牌楼实验基地进行，试验面积为120㎡，试验中药品种为茅苍术，分为喷叶、灌根、既喷叶又灌根、对照四个处理，每个处理三个重复，每隔半月喷施一次，共6-8次，总共10公斤/亩；基肥为复合肥和鸡粪，复合肥40-50斤/亩，鸡粪1200-1500斤/亩。实验结果表明：常规对照、喷叶、灌根、既喷叶又灌根四个处理后茅苍术的产量分别为194.6公斤/亩、222.1公斤/亩、224.9公斤/亩、223.4公斤/亩；如图1所示，图中的纵坐标为茅苍术的产量。与对照CK相比，喷叶T1、灌根T2、既喷叶又灌根T3三个处理茅苍术的产量增产率分别为14.1％、15.6％、14.8％。其他结果显示见表1至表3。
表1液体生物炭肥对茅苍术形态和叶绿素含量的影响
表2液体生物炭肥四种处理下茅苍术中微量元素含量
表3液体生物炭肥四种处理下茅苍术品质
处理 苍术素含量(％)
Treatments Atractylodin content
CK 1.088±0.041b
T1 1.172±0.036a
T2 1.203±0.047a
T3 1.192±0.027a
实施例二
本实施例中液体生物炭肥料的制法与实施例一相同。应用在桔梗种植中的实验结果如下:
田间试验：在江苏省金坛市薛埠镇进行，实验基地所属为金坛市金信中草药种植专业合作社，试验面积为120m2，试验中药品种为桔梗，分为喷叶、灌根、既喷叶又灌根、对照四个处理，每个处理三个重复，每隔半月喷施一次，共6-8次，总共10公斤/亩；基肥为复合肥和鸡粪，复合肥40-50斤/亩，鸡粪1200-1500斤/亩。实验结果表明：常规对照、喷叶、灌根、既喷叶又灌根四个处理后桔梗的产量分别为175.6公斤/亩、234.2公斤/亩、210.2公斤/亩、217.2公斤/亩；如图2所示，图中纵坐标为桔梗产量。与对照CK相比，喷叶T1、灌根T2、既喷叶又灌根T3三个处理桔梗的产量增产率分别为33.3％、19.7％、23.7％。其他结果见表4至表6。
表4液体生物炭肥对桔梗形态和叶绿素含量的影响
表5液体生物炭肥四种处理下桔梗中微量元素含量
表6液体生物炭肥四种处理下桔梗品质
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种液体生物炭肥的制备方法，包括以下步骤：
第一步、将干燥后粉碎的小麦秸秆在300～350℃温度下进行炭化，得到小麦秸秆生物炭；
第二步、将所述小麦秸秆生物炭与浓度为5％的KOH溶液按照10g-15g/200ml的比例混合，搅拌均匀得到悬浮液；
第三步、将所述悬浮液在105-110℃条件下浸提1±0.2小时，冷却后将悬浮液进行抽滤，除去碳粉，得到生物炭提取液；
第四步、在所述生物炭提取液中加入200-230mg/kg的Fe2+、2-3mg/kg的Mn2+以及600-650mg/kg的Ca2+，并用HCL调节pH至7.5-8.0，即得液体生物炭肥。
2.根据权利要求1所述液体生物炭肥的制备方法，其特征在于：所述第一步的小麦秸秆生物炭的粒径小于25mm。
3.根据权利要求1所述液体生物炭肥的制备方法，其特征在于：所述第三步的生物炭提取液储存在密封塑料容器中，并置于避光阴凉处保存。
4.根据权利要求1所述液体生物炭肥的制备方法，其特征在于：所述液体生物炭肥呈棕红色，其pH为7.61，总有机碳TOC的含量为582mg/L，K+离子含量为49.5g/L，Fe2+离子含量为250.8mg/kg，Mn2+离子含量为8.48mg/kg，Ca2+离子含量为4.1g/kg。
5.一种由权利要求1制得的液体生物炭肥在中药植物茅苍术与桔梗上的应用，其特征在于：施肥方式分为喷叶、灌根、既喷叶又灌根和对照四个处理。
6.根据权利要求5所述液体生物炭肥在中药植物茅苍术与桔梗上的应用，其特征在于：喷叶处理时，对液体生物炭肥稀释500倍，每隔半月施用一次，共喷施6-8次，喷施时应选择无风、日照弱、温度低的天气进行，应在上午9:00前或下午4:00后喷施叶面调理剂稀释液，避免稀释液蒸发。
7.根据权利要求5所述液体生物炭肥在中药植物茅苍术与桔梗上的应用，其特征在于：灌根处理时，对液体生物炭肥稀释200倍，每隔半月施用一次，共喷施6-8次，喷施时应选择无风、日照弱、温度低的天气进行，应在上午9:00前或下午4:00后喷施叶面调理剂稀释液，避免稀释液蒸发。
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