CN105885852A - 利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，主要为了克服现有酸性水稻土存在的土壤肥力退化和酸度较高的问题、以及实现大规模农林剩余物的资源化而进行的设计。本发明利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统利用生物质炭制备机构以农林剩余物为原料制备生物质炭，再将制备好的所述生物质炭与水稻土利用混合机构混匀，然后将混合均匀后的生物质炭和水稻土采用生化培养装置进行生化培养；其工艺简单，操作控制方便，生产成本较低；不仅减少了农林剩余物不合理堆置对环境造成的污染影响，还由于生物质炭本身具有的碱度，可以有效减轻供试水稻土酸度和酸性毒害。

Description

利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统
技术领域
本发明涉及一种利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统。
背景技术
据国土资源部2009年发布的《中国耕地质量等级调查与评定》调查显示，我国耕地质量状况并不理想，土壤肥力总体水平偏低。在我国南方，稻田是典型农业生态系统，种植面积约3000万hm2，占全国耕地总面积的1/4，生产着中国44％的粮食。但是，大量的施用化肥农药已造成严重的土壤环境污染，致使我国南方酸化性土壌的面积和酸化程度呈逐渐増加趋势。土壤酸化过程中氮肥的大量淋失，在増加农业成本的同时，也引起了水体富营养化、地下水污染等严重的环境问题。因此，建立和研发安全、环保、高效的土壌改良技术及产品，成为酸化土壤环境生态修复的关键。
随着科学技术的不断进步和农村经济快速发展，包括农作物秸秆在内的各种农林剩余物总量和种类显著增加，农林剩余物的高效处理及资源化利用已成为制约农业可持续发展的一个难题。我国是传统农业大国，据统计，中国农业每年可产生各类作物秸秆生物量7亿多吨。但目前我国农业剩余物的利用率仍然较低，每年有高达50％的秸秆被露天焚烧，焚烧的浓烟严重影响大气环境质量，对人体健康将会产生不良影响。此外，我国地域幅员辽阔，每年产生的林业剩余物有近3.5亿吨；这些废弃生物质的不合理处置，造成资源浪费的同时，也会增加火灾发生风险。因此，随着人们环保意识的增强、对再生资源利用以及生态环境安全的重视，寻求高效、低碳、生态、环保的废弃生物质处理技术显得尤为重要。
生物质炭化技术是近年来新兴的农林剩余物资源化利用技术，它可以将农林剩余物炭化并以稳定固态物质的形式存在。生物质炭具有比表面积大，孔隙结构发达，高度稳定性和较强吸附能力，以及富含多种有机官能团等特性。研究表明，生物质炭对全球碳的生物地球化学循环和缓解全球气候变化具有重要影响。同时，生物质炭在改良土壤与肥料增效方面也具有良好作用，可以作为土壤改良剂施用到田间。此外，生物质炭的添加对土壤环境也会产生其他方面的影响，如提高土壤对营养元素的固持能力、降低土壤酸度和有毒元素对植物的毒性、提高土壤养分有效性、增强土壤的保水能力和通气状况、改善土壤团聚结构、为土壤微生物提供易分解有机化合物和适宜栖息场所，能够刺激微生物活动，提高其生物量和活性，从而促进土壤物质循环过程和作物生长。
发明内容
为了克服现有酸性水稻土存在的土壤肥力退化和酸度较高、以及大规模农林剩余物的资源化利用的问题，本发明提供一种利用农林剩余物有效、合理改善土壤酸性问题的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统。
为达到上述目的，本发明一种利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，所述系统至少包括生物质炭制备机构、混合机构和生化培养机构；
其中，所述生物质炭制备装置用于以农林剩余物为原料制备生物质炭；
所述混合装置用于将生物质炭与水稻土混合均匀；
所述生化培养装置用于将混合均匀后的生物质炭和水稻土进行生化培养。
进一步地，所述生物质炭制备机构至少包括清洗装置、烘干装置、粉碎装置、炭化装置、研磨装置和筛选装置；
其中，所述清洗装置用来将农林剩余物用水和盐酸清洗干净；
所述烘干装置用于将清洗后的农林剩余物烘干；
所述粉粹装置用于将烘干后的农林剩余物粉粹成小段；
所述炭化装置用于将粉碎成小段的农林剩余物炭化制成生物质炭；
所述研磨装置用于将制成的生物质炭研磨成粉末；
所述筛选装置用于筛选研磨后的生物质炭，获得20～100目的生物质炭。
进一步地，所述混合机构包括称量装置、混匀装置；
其中，所述称量装置用于称量生物质炭和水稻土的重量，将生物质炭与水稻土按质量百分比为0.5％～2.5％混合；
所述混匀装置用于搅拌混合后的生物质炭与水稻土将其混合均匀。
进一步地，所述生化培养机构至少包括恒温装置、时间记录装置、培养装置、湿度检测装置；
所述恒温装置用于为生物质炭和水稻土混合物提供生化培养的恒温条件；
所述时间记录装置用于记录培养时间；
所述培养装置用于容纳生物质炭和水稻土混合物；
所述湿度检测装置用于检测培养过程中生物质炭和水稻土混合物的湿度。
进一步地，所述系统还包括水稻土风干装置、水稻土筛选装置；
其中，所述水稻土风干装置用于将水稻土晾晒风干；
所述水稻土筛选装置用于筛选适宜粒径的风干水稻土。
进一步地，所述生物质炭制备机构还包括保护气体装置、、温控装置；
其中，所述保护气体装置用于向所述炭化装置中通入氮气形成绝氧环境；
所述温控装置用于控制炭化装置的升温速率为5～10℃/min，并控制升温完成后所述炭化装置的温度为300℃～700℃，并控制炭化装置在300℃～700℃条件下维持4～8小时。
进一步地，所述炭化装置为炭化炉；
所述研磨装置为球磨机；
所述筛选装置为20～100目尼龙筛。
进一步地，所述恒温装置为恒温生化培养箱；
所述培养装置为600ml塑料培养瓶。
进一步地，所述水稻土筛选装置为2mm筛。
本发明利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统先将农林剩余物利用生物质炭制备机构制备成生物质炭，再将生物质炭与风干水稻土用混合机构混合后在生化培养机构中培养。其制备工艺和使用方法简单，操作控制方便，生产成本较低；不仅减少了农林剩余物不合理堆置对环境造成的污染影响，还可以带来良好的社会经济效益和推广应用价值。生物质炭本身具有的碱度，可以有效减轻供试水稻土酸度和酸性毒害；生物质炭因较大的比表面积和多孔结构，更容易聚集吸附营养元素，促进有益微生物的生长，从而提高土壤肥力质量和生产力，进而有利于作物的生长，实现农林业剩余物的资源化管理与循环利用。
附图说明
图1是本发明利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统的工作流程图。
图2是利用不同农林剩余物热解得到5种生物质炭的基本理化性质，A、B、C、D和E分别表示水稻秸秆炭、花生秸秆炭、马尾松枝炭、玉米秸秆炭、竹炭，同一列中不同小写字母表示样品间在0.05水平差异达到显著(Tukey HSD,SPSS18.0)；
图3是实施例1五种不同生物质炭0.8％添加量下，对酸性水稻土肥力特性的影响；
图4为实施例2五种不同生物质炭1.5％添加量下，对酸性水稻土肥力特性的影响。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
本发明利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统包括生物质炭制备机构、混合机构、生化培养机构、水稻土风干装置和水稻土筛选装置。
所述生物质炭制备机构包括清洗装置、烘干装置、粉碎装置、炭化装置、研磨装置、筛选装置、保护气体装置和温控装置；所述混合机构包括称量装置、混匀装置；所述生化培养机构至少包括恒温装置、时间记录装置、培养装置、湿度检测装置。
作为一种可选实施例，本实施例用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，采用的炭化装置为炭化炉，研磨装置为球磨机；生物质炭的筛选装置为20～100目尼龙筛；所述恒温装置为恒温生化培养箱；所述培养装置为600ml塑料培养瓶；所述水稻土筛选装置为2mm筛。
本发明利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统的工作过程为：
步骤1：以农林剩余物为原料采用生物质炭制备机构制备生物质炭。
收集不同来源农林剩余物(水稻秸秆、花生秸秆、马尾松枝、玉米秸秆或竹片)，利用清洗装置用水和盐酸将其清洗干净，清洗干净后的农林剩余物通过粉粹装置其剪碎成0.5-3cm的小段，进一步采用烘干装置将小段的农林剩余物于80℃恒温下干燥。
将经上述处理的生物质原材料置入炭化炉的填装箱体中，采用炭化炉上的保护气体装置通入氮气进行绝氧密封，其中，氮气的通入时间为30min以达到完全绝氧。
调节炭化炉的温控装置使炭化炉以升温速率5℃～10℃/min的条件下，加热至300～700℃，保持恒定温度下热解4～8小时，热解完成后冷却至室温，得到黑色物质，即为生物质炭。
将生物质炭经球磨机粉碎1-2min，过20～100目尼龙筛获得粒径合适的生物质炭粉末。
步骤2：将制备好的所述生物质炭与风干过筛的水稻土按预定比例充分混合均匀。
利用称量装置分别称取合适质量的生物质炭和水稻土，将生物质炭与水稻土按质量百分比为0.5％～2.5％混合。
采用混匀装置搅拌混合后的生物质炭与水稻土将其混合均匀。
在步骤2前，可以提前将水稻土采用水稻土风干装置晾晒风干，并将风干后的水稻土用2mm的尼龙筛筛选适宜粒径的风干水稻土。
步骤3：将混合均匀后的生物质炭和水稻土进行生化培养，检验改良效果。
将混合均匀后的生物质炭和水稻土装入600ml塑料培养瓶中，然后将培养瓶放置在恒温生化培养箱中以预定培养温度20℃～30℃下培养预定周期100～150天，利用时间记录装置记录培养时间；定期搅动生物质炭和水稻土混合物以使生物质炭和水稻土混合物之间氧气充足，定期利用湿度检测装置检测混合物的湿度并为生物质炭和水稻土混合物补充去离子水以维持生物质炭和水稻土混合物的饱和含水量为40％～70％。
下面列举利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统进行土壤改良的具体实验以及改良效果。
实施例1
分别收集水稻秸秆、花生秸秆、马尾松枝、玉米秸秆、竹片五种农林剩余物，并将其分别进行以下操作：
利用清洗装置用水和盐酸将其清洗干净，清洗干净后的农林剩余物通过粉粹装置其剪碎成1cm的小段，进一步采用烘干装置将小段的农林剩余物于80℃恒温下干燥。将经上述处理的生物质原材料置入炭化炉的填装箱体中，采用炭化炉上的保护气体装置通入氮气进行绝氧密封，其中，氮气的通入时间为30min以达到完全绝氧。调节炭化炉的温控装置使炭化炉以升温速率5℃/min的条件下，加热至350℃，保持恒定温度下热解4小时，热解完成后冷却至室温，得到黑色物质，即为生物质炭。将将五种生物质炭分别经球磨机粉碎1min，过50目尼龙筛获得粒径合适的五种生物质炭粉末。提前将水稻土采用水稻土风干装置晾晒风干，并将风干后的水稻土用2mm的尼龙筛筛选适宜粒径的风干水稻土。
利用称量装置分别称取合适质量的生物质炭和水稻土。然后分别进行如下操作：
按照生物质炭：干燥水稻土＝0.8:100的质量比施入到酸性水稻土中，经上述处理的混合样品，装入600ml塑料培养瓶中，定期利用湿度检测装置检测混合物的湿度并调节混合土壤含水量至40％饱和含水量，于25℃恒温培养箱中开展为期100天的室内培育实验，利用时间记录装置记录培养时间；同时以没加入生物质炭的酸性水稻土进行同样的操作作为空白对照试验，这样共有6组试验，且每组试验做3个平行样品。采用混匀装置搅拌混合后的生物质炭与水稻土将其混合均匀。
6组试验培育完成后，分别采用电位计法测定土壤pH值(土水比1:5)，分别采用丘林法和钼锑抗比色法分析土壤有机碳和速效磷含量，采用氯仿熏蒸-浸提法测定土壤微生物生物量碳含量。
如图3所示，将生物质炭按照0.8％质量比施入水稻土100天后，土壤pH平均提高了0.07个单位，其中E的效果最为显著；土壤有机碳含量由21.5g/kg显著提高到25.5g/kg；土壤速效磷含量由67.8mg/kg显著提高到69.6mg/kg，其中C的效果达到显著；与对照相比，土壤微生物生物量碳的含量平均增加了18.4％，增加至493.3mg/kg，其中，添加A、D和E的效果较为明显。
本实施例利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统在升温速率5℃/min条件下加热至400℃或300℃，保持恒定温度下热解6小时，生化培养时间135天，其他条件不变，经过试验验证同样可以达到预期的效果。
实施例2
分别收集水稻秸秆、花生秸秆、马尾松枝、玉米秸秆、竹片五种农林剩余物，并将其分别进行以下操作：
利用清洗装置用水和盐酸将其清洗干净，清洗干净后的农林剩余物通过粉粹装置其剪碎成3cm的小段，进一步采用烘干装置将小段的农林剩余物于80℃恒温下干燥。将经上述处理的生物质原材料置入炭化炉的填装箱体中，采用炭化炉上的保护气体装置通入氮气进行绝氧密封，并控制氮气的通入时间为30min以达到完全绝氧。调节炭化炉的温控装置使炭化炉以升温速率10℃/min的条件下，加热至450℃，保持恒定温度下热解8小时，热解完成后冷却至室温，得到黑色物质，即为生物质炭。将将五种生物质炭分别经球磨机粉碎2min，过80目尼龙筛获得粒径合适的五种生物质炭粉末。
提前将水稻土采用水稻土风干装置晾晒风干，并将风干后的水稻土用2mm的尼龙筛筛选适宜粒径的风干水稻土。
利用称量装置分别称取合适质量的生物质炭和水稻土。然后分别进行如下操作：
按照生物质炭：干燥水稻土＝1.5:100的质量比施入到酸性水稻土中，经上述处理的混合样品，装入600ml塑料培养瓶中，定期利用湿度检测装置检测混合物的湿度并调节混合土壤含水量至70％饱和含水量，于25℃恒温培养箱中开展为期150天的室内培育实验，利用时间记录装置记录培养时间；同时以没加入生物质炭的酸性水稻土进行同样的操作作为空白对照试验，这样共有6组试验，且每组试验做3个平行样品。采用混匀装置搅拌混合后的生物质炭与水稻土将其混合均匀。
6组试验培育完成后，分别采用电位计法测定土壤pH值(土水比1:5)，分别采用丘林法和钼锑抗比色法分析土壤有机碳和速效磷含量，采用氯仿熏蒸-浸提法测定土壤微生物生物量碳含量。
如图4所示，将生物质炭按照1.5％质量比施入水稻土150天后，土壤pH平均提高了0.09个单位，其中B的效果最为显著；土壤有机碳含量由21.5g/kg显著提高到28.5g/kg；土壤速效磷含量由67.8mg/kg显著提高到74.4mg/kg，其中A、C的效果达到显著；与对照相比，土壤微生物生物量碳的含量平均显著增加了45.5％，增加至606.1mg/kg，其中，添加D和E的效果较为明显。
本实施例利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统在升温速率8℃/min条件下加热至800℃，保持恒定温度下热解7小时，生化培养时间为140天，其他条件不变，经过试验验证同样可以达到预期的效果。
以上结果表明，利用农林剩余物热解制备得到的生物质炭是改良酸性水稻土的有效方法，对水稻土酸度降低、提高有机碳含量、增加速效养分以及微生物生物量含量水平效果显著。
本发明利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统利用生物质炭的优良特性对水稻土的酸性进行改良，生物质炭能够快速降低土壤的酸度，增加土壤有机碳和速效养分含量，促进土壤微生物生物量的增加和改善微生物群落的结构组成；同时本发明利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统所提供的生物质炭除了发达的孔隙结构和丰富组分优点之外，其制备原材料来源广泛，成本低廉，有效解决了作物秸秆、林木等剩余物就地焚烧带来的生物质能源浪费、环境污染、土地质量下降等问题，降低了森林火灾发生的风险。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述系统至少包括生物质炭制备机构、混合机构和生化培养机构；
其中，所述生物质炭制备装置用于以农林剩余物为原料制备生物质炭；
所述混合装置用于将生物质炭与水稻土混合均匀；
所述生化培养装置用于将混合均匀后的生物质炭和水稻土进行生化培养。
2.根据权利要求1所述的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述生物质炭制备机构至少包括清洗装置、烘干装置、粉碎装置、炭化装置、研磨装置和筛选装置；
其中，所述清洗装置用来将农林剩余物用水和盐酸清洗干净；
所述烘干装置用于将清洗后的农林剩余物烘干；
所述粉粹装置用于将烘干后的农林剩余物粉粹成小段；
所述炭化装置用于将粉碎成小段的农林剩余物炭化制成生物质炭；
所述研磨装置用于将制成的生物质炭研磨成粉末；
所述筛选装置用于筛选研磨后的生物质炭，获得20～100目的生物质炭。
3.根据权利要求1所述的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述混合机构包括称量装置、混匀装置；
其中，所述称量装置用于称量生物质炭和水稻土的重量，将生物质炭与水稻土按质量百分比为0.5％～2.5％混合；
所述混匀装置用于搅拌混合后的生物质炭与水稻土将其混合均匀。
4.根据权利要求1所述的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述生化培养机构至少包括恒温装置、时间记录装置、培养装置、湿度检测装置；
所述恒温装置用于为生物质炭和水稻土混合物提供生化培养的恒温条件；
所述时间记录装置用于记录培养时间；
所述培养装置用于容纳生物质炭和水稻土混合物；
所述湿度检测装置用于检测培养过程中生物质炭和水稻土混合物的湿度。
5.根据权利要求1所述的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述系统还包括水稻土风干装置、水稻土筛选装置；
其中，所述水稻土风干装置用于将水稻土晾晒风干；
所述水稻土筛选装置用于筛选适宜粒径的风干水稻土。
6.根据权利要求2所述的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述生物质炭制备机构还包括保护气体装置、温控装置；
其中，所述保护气体装置用于向所述炭化装置中通入氮气形成绝氧环境；
所述温控装置用于控制炭化装置的升温速率为5～10℃/min，并控制升温完成后所述炭化装置的温度为300℃～700℃，并控制炭化装置在300℃～700℃条件下维持4～8小时。
7.根据权利要求2所述的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述炭化装置为炭化炉；
所述研磨装置为球磨机；
所述筛选装置为20～100目尼龙筛。
8.根据权利要求4所述的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述恒温装置为恒温生化培养箱；
所述培养装置为600ml塑料培养瓶。
9.根据权利要求5所述的利用农林剩余物制备生物质炭改良酸性水稻土的系统，其特征在于：所述水稻土筛选装置为2mm尼龙筛。
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