CN106187579A - 一种提高蔬菜品质的生物炭土壤调理剂 - Google Patents

一种提高蔬菜品质的生物炭土壤调理剂 Download PDF

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黄连喜
李衍亮
刘忠珍
黄玉芬
黄庆
骆浩文
许桂芝
李倩
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Abstract

本发明公开了一种提高蔬菜品质的生物炭土壤调理剂。其制备方法为：将生物炭材料进行干燥、粉碎，在氮气氛围下，以每分钟5‑15℃的速度，在60分钟内升温至300‑600℃，保温反应2‑10h，然后冷却至室温，得到生物炭粗成品；将生物炭粗成品经过研磨，过筛，活化、洗涤并烘干，得到生物炭；将生物炭、尿素和磷酸二氢钾按照100:2:2～100:5:10的质量比进行混合，加入适量分散剂、粘附剂混合均匀，造粒得到生物炭调理剂。本发明制备的生物炭土壤调理剂含有生物炭、大量元素等有效成分，是一种以生物炭为主体，含有其他元素的土壤调理剂，可用于改良土壤性状和酸性土质，以及增加蔬菜产量和提升蔬菜品质。

Description

一种提高蔬菜品质的生物炭土壤调理剂
技术领域
本发明具体涉及一种提高蔬菜品质的生物炭土壤调理剂。
背景技术
土壤退化是制约我国农业可持续发展的主要问题，其中华南地区的土壤退化尤以土壤酸化最为严重。这首先是由于华南地区土壤以红壤为主，红壤的脱硅富铝化过程本身就是一个较为缓慢的酸化过程；第二，农业生产的高度集约化、产业化发展，导致化肥的大量使用，而我国的化肥大多为生理酸性，近年来化肥成分虽有所改良，但仍会导致土壤中酸性物质增加，菜地稻田等土壤的酸化加重；第三，近年来，城市化及乡镇工业的发展，大量的污染气体排放到空气中，这些污染气体溶于水后形成酸雨，进入土壤中直接降低土壤pH，引起土壤酸化。在一些降水频繁的地区，降水量较多，流入土壤中的水分也就越多，导致土壤中的盐基离子及其他的酸性离子的淋溶强度增强，同时在土壤表层水分流动导致土壤中钙、镁、钾等碱性盐基离子的流失，从而引起土壤pH降低，土壤酸化程度加深。
土壤酸化会引起土壤养分流失，有机质含量降低，土壤有害重金属活化，土壤有害微生物增加等其它土壤污染问题。土壤是作物生长的基质，土壤环境会直接影响作物的产量和品质，而这些土壤污染问题会导致食物品质不断下降。蔬菜是人民生活中不可缺少的产品，其与土壤环境质量有着十分密切的关系。而广东省部分地区的土壤都受到了不同程度的污染，许多地方蔬菜中的镉、铬、砷、铅等重金属含量超标和接近临界值。同时土壤质量的下降和有害物质的溶出也会导致蔬菜等产量降低、品质下降，并带来安全风险。因此，如何对土壤进行改良从而增加蔬菜产量、保障蔬菜品质已经成为迫切的需要。
生物炭是一种新兴的环境修复材料，它是在缺氧条件下热裂解所形成的产物，含碳量多在70％以上。木材、畜禽粪便、植株残渣、甚至城市污泥等都可以作为生物炭的原料。研究表明，在土壤中加入生物炭可以对土壤中的碳进行固定，阻止其通过CO2的形式向大气排放；对有机污染物和重金属进行吸附固定，降低其活性；改善土壤的pH；提高土壤持水能力等积极效应。
但是目前的生物炭材料大多是针对重金属或酸化而开发的材料；忽视了对土壤有机质提升和对蔬菜品质的改善，不能达到一举两得的效果。
发明内容
本发明的目的在于为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明将利用农业生产过程中产生的废弃物作为生物炭原料，添加其他材料并进行造粒，提供一种既能提高蔬菜品质又能改良土壤性状的生物炭土壤调理剂。
本发明所采取的技术方案是：
一种生物炭土壤调理剂，其制备方法包括以下步骤：
1)将生物炭材料进行干燥、粉碎得到生物质粉末；
2)生物质粉末在氮气氛围下，以每分钟5-15℃的速度，在60分钟内升温至300-600℃，保温反应2-10h，然后冷却至室温，得到生物炭粗成品；
3)生物炭粗成品经过研磨，过40-100目筛，再用活化剂活化、洗涤并烘干，得到生物炭；
4)将生物炭、尿素和磷酸二氢钾按照100:2:2～100:5:10的质量比进行混合，加入适量分散剂、粘附剂混合均匀，造粒得到生物炭调理剂。
优选的，步骤1)中生物炭材料选自小麦秸秆和/或花生壳。
优选的，步骤1)中生物炭材料为小麦秸秆和花生壳的混合物，其质量混合比为2:1～1:4。
优选的，步骤1)中生物炭材料为小麦秸秆和花生壳的混合物，其质量混合比为1:1～1:2。
优选的，步骤2)以每分钟8-12℃的速度在60分钟内升温至450-550℃。
优选的，步骤2)升温后保温反应4-6h。
优选的，步骤3)中生物炭粗成品经过研磨，过60-80目筛。
优选的，步骤3)中活化剂选自氨水、磷酸氢二钾、碳酸钠、碳酸氢二钠或硫化钠。
优选的，步骤3)中活化剂为氨水，浓度为2-4mol/L。
优选的，步骤3)中生物炭与尿素、磷酸二氢钾按照100:3:4～100:5:8的质量比进行混合。
一种高品质蔬菜种植方法，是对土壤进行翻耕，将生物炭土壤调理剂与土壤混合均匀，一周后播种蔬菜；其中生物炭土壤调理剂如上述任一项所述。
优选的，生物炭基调理剂的施用量为2.5t/ha-20t/ha。
优选的，生物炭基调理剂的施用量为5t/ha-10t/ha。
本发明的有益效果是：
本发明制备得到的生物炭含有一定量的矿质养分，可增加土壤中矿质养分含量，如磷、钾、钙、镁、及氮素；生物炭的孔隙结构及水肥吸附作用使其成为土壤微生物的良好栖息环境，为土壤有益微生物提供保护；此外，经过高温烧制的生物炭具有丰富的微孔结构，可延缓肥料养分的释放，增加对土壤养分的吸附交换，可降低土壤养分淋失损失，减轻水域环境富营养化。
本发明生物炭成品中小麦秸秆制成的生物炭其理化性质如下：pH 10.11-10.41，有机质含量68.87-70.86％，速效氮16.24-20.56mg/kg，有效磷178.01-190.52mg/kg，速效钾32300.00-35000.00mg/kg。花生壳制成的生物炭其理化性质如下：pH 9.92-10.11，有机质含量70.27-72.68％，速效氮119.21-133.87mg/kg，有效磷205.51-232.37mg/kg，速效钾27600.00-32300.00mg/kg。
本发明制备的生物炭基调理剂含有生物炭、大量元素等有效成分，是一种以生物炭为主体，含有其他元素的土壤调理剂，可用于改良土壤性状和酸性土质，以及增加蔬菜产量和提升蔬菜品质。
本发明制备的生物炭调理剂疏松多孔、比表面积大，其具有良好的对污染物的吸附性能，可以减少环境风险，在农业生产中有广大的应用前景。
本发明专利材料来源广泛、廉价易得；生产工艺简单易于大规模工厂化生产。
附图说明
图1不同调理剂处理对上海青产量的影响；
图2调理剂不同施用量对油麦菜产量的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
实施例1：一种生物炭基调理剂的制备方法
将小麦秸秆进行干燥后，粉粹粉碎成生物质粉末。该粉末在氮气氛围下，前60分钟直接升温至300℃，每分钟升温5℃；升温至300℃后保持这一温度10h，最后保持隔氧状态至室温，得到生物炭粗成品。该粗成品再次经过研磨后过40目筛，用活化剂(浓度为2-4mol/L的氨水)进行活化、洗涤并烘干，得到小麦秸秆生物炭成品。
在小麦秸秆生物炭成品中加入尿素、磷酸二氢钾，按质量份数100:2:2混合均匀后，将混合物与分散剂、粘附剂混合机中混合均匀，经超微气流粉碎机粉碎成800目-1000目的细粉；将所得细粉与黏合剂的水溶液加入混合器中混合均匀，用挤压造粒机进行造粒，在40℃-100℃下干燥，干燥后即可制得所述生物炭调理剂1。
经过检测，该生物炭调理剂1的理化性质如下：pH 10.41，有机质含量69.86％，速效氮18.56mg/kg，有效磷182.52mg/kg，速效钾34000.00mg/kg。
实施例2：一种生物炭基调理剂的制备方法
将花生壳进行干燥后，粉粹粉碎成生物质粉末。该粉末在氮气氛围下，前60分钟直接升温至600℃，每分钟升温15℃；升温至600℃后保持这一温度2h，最后保持隔氧状态至室温，得到生物炭粗成品。该粗成品再次经过研磨后过80目筛，用活化剂(浓度为2-4mol/L的氨水)进行活化、洗涤并烘干，得到花生壳生物炭成品。
在花生壳生物炭成品中加入尿素、磷酸二氢钾，按质量份数100:5:10混合均匀后，将混合物与分散剂、粘附剂混合机中混合均匀，经超微气流粉碎机粉碎成800目-1000目的细粉；将所得细粉与黏合剂的水溶液加入混合器中混合均匀，用挤压造粒机进行造粒，在40℃-100℃下干燥，干燥后即可制得所述生物炭调理剂2。
经过检测，该生物炭调理剂2的理化性质如下：pH 10.03，有机质含量73.86％，速效氮129.63mg/kg，有效磷229.35mg/kg，速效钾29700.00mg/kg。
实施例3：一种生物炭基调理剂的制备方法
将小麦秸秆、花生壳进行干燥后，粉粹粉碎成生物质粉末。该粉末在氮气氛围下，前60分钟直接升温至500℃，每分钟升温10℃；升温至500℃后保持这一温度4h，最后保持隔氧状态至室温，分别得到小麦秸秆生物炭粗成品和花生壳生物炭粗成品。上述粗成品按照小麦秸秆和花生壳的质量比为1:2混合，混合后的粗成品再次经过研磨后过60目筛，用活化剂(浓度为2-4mol/L的氨水)活化、洗涤并烘干，得到生物炭成品。
在生物炭成品中加入尿素、磷酸二氢钾，按质量份数100:4:6混合均匀后，将混合物与分散剂、粘附剂混合机中混合均匀，经超微气流粉碎机粉碎成800目-1000目的细粉；将所得细粉与黏合剂的水溶液加入混合器中混合均匀，用挤压造粒机进行造粒，在40℃-100℃下干燥，干燥后即可制得所述生物炭调理剂3。
经过检测，该生物炭调理剂3的理化性质如下：pH 10.21，有机质含量72.54％，速效氮102.35mg/kg，有效磷200.35mg/kg，速效钾31500.00mg/kg。
实施例4：土壤调理剂对酸性蔬菜土壤改良效果的大田试验
试验点位于广东省东莞市麻涌镇欧涌村，试验前采集该田块表层土壤(0-20cm)分析，其基本理化性质如表1。
表1试验地土壤基本理化性质
在种植上海青前将各调理剂均匀撒入对应小区中，各组调理剂的用量均为5000kg/ha，并进行翻耕，将调理剂与土壤混合均匀，并于一周后播种上海青，常规方式施肥。各处理如下：以不加任何调理剂的对照组，实施例1所制备的调理剂；实施例2所制备的调理剂；生物炭粗成品对照组(小麦秸秆：花生壳＝1：1)；实施例3所制备的调理剂。各组中除了调理剂不同，其他条件均相同。上海青成熟后检测不同处理组中的产量、土壤pH值、土壤中有机质的含量、对上海青品质的影响。结果见图1、表2和表3。
如图1所示，大田条件下使用调理剂均能够显著提高上海青的产量，其中以实施例3所制备的调理剂对产量提高效果最为明显，是对照的1.44倍；以生物炭粗成品处理的上海青产量最低，是对照的1.15倍；以实施例1和2制备的生物炭产量差异不显著，分别是对照的1.27和1.32。
表2不同调理剂处理对上海青品质的影响
如表2所示，不同调理剂处理均能提高上海青地上部分的Vc含量与可溶糖含量，与对照相比，实施例3所制备的调理剂对品质的提高效果最为明显，Vc含量与可溶糖含量分别是比对照增加了14.60％和41.54％；而实施例1和2以及生物炭粗成品的施用虽然也可以提高上海青地上部分的Vc含量和可溶糖含量，但是效果没有实施例3更为显著。对于硝酸盐而言，施加实施例3制备的调理剂可以显著降低上海青中的硝酸盐含量，是对照的80.12％；而实施例1和2也可以降低上海青中的硝酸盐含量，分别是对照的88.66％和85.97％；而生物炭粗成品对上海青中硝酸盐含量的影响不明显。
表3不同调理剂处理对土壤性质的影响
如表3所示，不同调理剂处理对土壤性质均有一定程度的改良，与对照相比，pH值均有不同程度的提高，施用实施例3所制备的调理剂的土壤pH达到5.62，比对照提高了0.71个单位；实施例1和2以及生物炭粗成品分别提高了0.55、0.43和0.21个单位。施用调理剂对土壤有机质含量、速效氮、速效钾也均有不同程度的提高，其中同样以实施例3所制备的调理剂效果为最好，其土壤有机质含量、速效氮、速效钾分别是对照的1.17、1.22和2.11；其他调理剂的施用效果排序为实施例2制备的调理剂、实施例1制备的调理剂、生物炭粗成品。表3结果显示调理剂对有效磷的影响效果不明显，其中实施例1和生物炭粗成品对有效磷还有降低的效果。
综上所述，施用实施例3制备的调理剂，对提高土壤pH，增加土壤中的有机质含量，改良土壤性状，提高作物产量，改善作物品质所起的效果为最佳。故本发明的调理剂的最优产品为上述实施例3中制备的产品。
实施例5：土壤调理剂对酸性蔬菜土壤改良效果的施用量大田试验
试验点位于广东省东莞市麻涌镇麻涌村，试验前采集该田块表层土壤(0-20cm)分析，其基本理化性质如表4。
表4试验地土壤基本理化性质
分析项目 含量/值 分析项目 含量/值
有效P(mg/kg) 232.50 全Pb(mg/kg) 30.50
速K(mg/kg) 35.00 全Cd(mg/kg) 0.36
速N(mg/kg) 165.25 全Zn(mg/kg) 200.23
有机质(％) 2.01 全As(mg/kg) 9.52
pH 4.35 全Cu(mg/kg) 44.36
在种植油麦菜前将实施例3所制备的调理剂均匀撒入小区中，并进行翻耕，将调理剂与土壤混合均匀，并于一周后播种油麦菜，常规方式施肥。
各处理如下：T1：实施例3所制备的调理剂，施用量为2.5t/ha；T2：实施例3所制备的调理剂，施用量为5t/ha；T3：实施例3所制备的调理剂，施用量为10t/ha；以不加任何调理剂为对照(CK)。各组中除了调理剂不同，其他条件均相同。油麦菜成熟后检测不同处理组中的产量、土壤pH值、土壤中有机质的含量、对油麦菜品质的影响。结果见图2、表5和表6。
如图2所示，大田施用调理剂不同量均能够显著提高油麦菜的产量，其中以施用量为5t/ha(T2)对产量提高效果最为明显，是对照的2.24倍；施用量为2.5t/ha(T1)和10t/ha(T3)分别是对照的1.50和2.04。
表5调理剂不同施用量对油麦菜品质的影响
处理 Vc含量(mg/100g) 硝酸盐含量(mg/kg) 可溶糖含量(％)
CK 7.72 294.93 1.15
T1 9.10 206.09 1.31
T2 9.60 246.67 1.53
T3 8.85 281.09 1.39
如表5所示，大田施用不同量的调理剂均能提高油麦菜地上部分的Vc含量与可溶糖含量，与对照相比，以施用量为5t/ha(T2)对品质的提高效果最为明显，Vc含量与可溶糖含量分别是比对照增加了17.88％和14.64％；施用量为2.5t/ha(T1)和10t/ha(T3)虽然也可以提高油麦菜地上部分的Vc含量和可溶糖含量，但是效果没有施用量为5t/ha(T2)更为显著。对于硝酸盐而言，各个施用量均可以显著降低油麦菜中的硝酸盐含量，其中以施用量为2.5t/ha(T1)降低最为显著，是对照的69.88％；而施用量为5t/ha(T2)和10t/ha(T3)也可以降低油麦菜中的硝酸盐含量，其含量分别是对照的83.64％和95.31％。
表6调理剂不同施用量对土壤性质的影响
如表6所示，施用不同量调理剂对土壤性质有较好的改良效果，与对照相比，pH值均有不同程度的提高，其中以施用量为5t/ha(T2)土壤pH最高，比对照提高了0.85个单位；施用量为2.5t/ha(T1)和10t/ha(T3)也分别提高了0.46和0.63个单位。施用调理剂对土壤速效氮、速效钾含量也均有不同程度的提高，同样以施用量为5t/ha(T2)效果为最好，分别是对照的1.28和1.33；而施用量10t/ha(T3)效果稍好于施用量为2.5t/ha(T1)。土壤有机质含量在施加调理剂以后均有显著上升，其中是以施用量5t/ha(T2)效果最好(是对照的1.25)，其次是施用量为10t/ha(T2)。表6结果显示调理剂对有效磷的影响效果不明显，但土壤中的有效磷含量在施加调理剂后均有所上升。
因此，施用实施例3制备的调理剂5t/ha(T2)，其次为施用量10t/ha(T3)，对提高土壤pH，增加土壤中的有机质含量，改良土壤性状，提高作物产量，改善作物品质所起的效果为最佳。故本发明的调理剂的最优施用量为5t/ha(T2)-10t/ha(T3)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式。但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物炭土壤调理剂，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
1)将生物炭材料进行干燥、粉碎得到生物质粉末；
2)生物质粉末在氮气氛围下，以每分钟5-15℃的速度，在60分钟内升温至300-600℃，保温反应2-10h，然后冷却至室温，得到生物炭粗成品；
3)生物炭粗成品经过研磨，过40-100目筛，再用活化剂活化、洗涤并烘干，得到生物炭；
4)将生物炭、尿素和磷酸二氢钾按照100:2:2～100:5:10的质量比进行混合，加入适量分散剂、粘附剂混合均匀，造粒得到生物炭调理剂。
2.根据权利要求1所述的生物炭土壤调理剂，其特征在于：步骤1）中生物炭材料选自小麦秸秆和/或花生壳。
3.根据权利要求2所述的生物炭土壤调理剂，其特征在于：步骤1）中生物炭材料为小麦秸秆和花生壳的混合物，其质量混合比为2:1～1:4。
4.根据权利要求1所述的生物炭土壤调理剂，其特征在于：步骤2）以每分钟8-12℃的速度在60分钟内升温至450-550℃。
5.根据权利要求4所述的生物炭土壤调理剂，其特征在于：步骤2）升温后保温反应4-6h。
6.根据权利要求1所述的生物炭土壤调理剂，其特征在于：步骤3）中活化剂选自氨水、磷酸氢二钾、碳酸钠、碳酸氢二钠或硫化钠。
7.根据权利要求1所述的生物炭土壤调理剂，其特征在于：步骤3）中活化剂为氨水，浓度为2-4mol/L。
8.根据权利要求1所述的生物炭土壤调理剂，其特征在于：步骤3）中生物炭与尿素、磷酸二氢钾按照100:3:4～100:5:8的质量比进行混合。
9.一种高品质蔬菜种植方法，其特征在于：对土壤进行翻耕，将生物炭土壤调理剂与土壤混合均匀，一周后播种蔬菜；其中生物炭土壤调理剂如权利要求1-8任一项所述。
10.根据权利要求9所述的种植方法，其特征在于：生物炭基调理剂的施用量为2.5 t/ha-20 t/ha。
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