CN106381150A - 一种改良盐碱土的酸性生物炭改良剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改良盐碱土的生物炭改良剂及其制备方法，涉及肥料领域，本发明制备方法包括如下步骤：1)将花生壳制备为花生壳生物炭；2)将花生壳生物炭酸化，干燥，得酸性生物炭；3)将1‑3重量份尿素、1‑3重量份过磷酸钙、2‑5重量份氯化钾、28‑51重量份秸秆、0.4‑1.6重量份腐殖酸、8‑13重量份石膏和0.6‑1.8重量份氨基酸聚合物，混匀，得辅料；4)将步骤2)所得的酸性生物炭与将步骤3)所得的辅料按1：(0.6‑1.5)混合，加水，至其含水量达到(40～70)wt％，得混肥料，装入容器中堆制50～80天，得堆肥料；5)对步骤4)所得的堆肥料风干；能够实现农业废弃物资源化利用、土壤改良、促进肥料作物增产能力的多重效果，具有环保、安全和高效的特点。

Description

一种改良盐碱土的酸性生物炭改良剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及肥料领域，具体涉及一种改良盐碱土的生物炭改良剂及其制备方法。

背景技术

滨海盐碱土壤有机质和营养元素含量偏低，土壤贫瘠，土壤盐碱化极度严重。盐碱胁迫会抑制植物种子发芽和植物生长，使初级生产力低下，植被覆盖度较低。近几十年来，由于海岸侵蚀和人类活动加剧等导致河口滨海土壤盐碱化加重，生态功能严重受损，已造成了巨大的社会和经济损失，必须采取有效措施对受损生境进行修复。

传统的改良技术主要包括：第一，水利改良措施。例如灌溉洗盐，自上而下地把表层土中的可溶性盐碱淋洗出去。然而，这需要建立系统庞大的排灌系统，需大量人力物力，成本较高。第二，生物改良措施。通过种植植物。然而，滨海湿地盐分含量高，能够在其上生长的植物非常有限，且多为非经济作物，植物成熟死亡后无法实现资源再利用。第三，化学改良措施。通过施用石膏及其他化学改良物，从而消除了游离碱和交换性钠，降低了碱度，改善物理性质使作物增产。然而，化学方法虽然见效较快，却易引发二次污染。

因此，建立一整套能够改善土壤质地、提高土壤养分有效性，同时实现湿地植物资源化利用的持续性生态改良技术，是滨海湿地生态环境保护的关键。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种改良盐碱土的生物炭改良剂的制备方法，该制备方法能够实现农业废弃物资源化利用、土壤改良、促进肥料作物增产能力的多重效果，具有环保、安全和高效的特点。本发明进一步提供了一种上述制备方法制得的生物炭改良剂。

提供一种改良盐碱土的生物炭改良剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将花生壳制备为花生壳生物炭；

2)将花生壳生物炭酸化，干燥，得酸性生物炭；

3)将1-3重量份尿素、1-3重量份过磷酸钙、2-5重量份氯化钾、28-51重量份秸秆、0.4-1.6重量份腐殖酸、8-13重量份石膏和0.6-1.8重量份氨基酸聚合物，混匀，得辅料；

4)将步骤2)所得的酸性生物炭与将步骤3)所得的辅料按1：(0.6-1.5)混合，加水，至其含水量达到(40～70)wt％，得混肥料，装入容器中堆制50～80天，得堆肥料；

5)对步骤4)所得的堆肥料风干。

优选的，所述花生壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：

a)将花生壳洗净、60-70℃烘干，直至其水含量为(0-10)wt％；

b)将风干后花生壳加入炭化炉，热解1～3小时；

c)将热解后花生壳密闭厌氧冷却至(19-31)℃。

本发明所述花生壳生物炭是指花生壳生物质资源在限氧或绝氧条件下，经一定温度阶段慢速热解形成的一种细粒度、多孔性的碳质固体材料。本发明制备方法所得花生壳生物炭能够获得去盐碱、土壤改良和修复湿地的效果。土壤中添加本发明所制得生物炭，可以改善土壤质地，增加土壤透气性和保水性；降低土壤pH，增大阳离子交换量，保持土壤养分；影响土壤氮磷循环，提高土壤养分利用；促进作物生长，提高作物产量。

进一步，在花生壳生物炭制备方法的步骤c)中，所述热解的温控流程包括：以2-4℃/min速度缓慢升温至(180-260)℃，然后于40-60min内升温至380℃，炉内自然冷却降温350℃后恒温1h，氮气送风于2-6h内冷却至(19-31)℃。

本发明制备方法所得生物炭基肥料中的花生壳生物炭，能够固定大气中的CO₂，缓解全球温室效应。吸附土壤和水体中重金属离子及碱性基团，降低污染物的生物有效性和环境风险。因此，所述生物炭具有土壤改良、作物增产、固碳、污染控制和生态修复的多重功效。

同时，所述花生壳经所述温控流程热解后，所制成的生物炭能够增强孔隙率，保留原花生壳纤维素及木质素纤维骨架形貌。进一步促进其与所述生物炭基肥料其余组分的合理吸附。其不仅起缓释作用，提高肥料力效价；尤其调节了所述生物炭与氨基酸聚合物间的范德华力作用。

优选地，在步骤2)中，所述花生壳生物炭的酸化方法包括：将以氢离子计(1.4-2.1)mol/L的酸性水溶液，与所述花生壳生物炭混合，平衡吸附20-28小时。

所述氨基酸聚合物为聚天门冬氨酸，和/或

所述氨基酸聚合物在所述混肥料中的占比为0.05-0.2重量份。

进一步，在步骤4)中，所述堆制的方法包括：保持混肥料温度高于55℃五天以上，接种菌剂，每隔1-3天调节含水量一次，保持混肥料含水量为40wt％～70wt％，密闭同时维持(4-7)％vol的氧气水平；在所述堆制期间翻堆3～5次。

本发明所述菌剂优选包括磷细菌剂、钾细菌剂、抗生菌剂和自生固氮菌剂中的至少一种。所述自生固氮菌剂优选为根瘤菌剂。

进一步，在步骤5)中，所述风干方法包括：将所述堆肥料遮阴，自然风干，使其含水量在(4～10)wt％，然后过8～12目筛。

一种上述制备方法制得的生物炭改良剂，所用原料包括30-40重量份花生壳生物炭、1-3重量份尿素、1-3重量份过磷酸钙、2-5重量份氯化钾、28-51重量份秸秆、0.4-1.6重量份腐殖酸、8-13重量份石膏和0.6-1.8重量份氨基酸聚合物。

本发明所带来的综合效果包括：

1、以花生壳作为原材料制备生物炭，不仅拓展了生物质资源化利用途径，减少了废弃物的堆积危害和风险，而且生物炭能起“碳封存”作用，抑制微生物呼吸作用，把碳长期封存在土壤中，缓解温室效应。

2、本发明所得改良剂不仅可以吸附盐碱污染质，改良土壤性质，增加土壤的保水保肥料性能，在提高土壤植被覆盖度等方面具有显著功效。因此，能够利用本发明所述生物炭改良剂独特的理化特性改善滨海盐碱土壤质地，提高初级生产力，并恢复其生态系统健康状况。

3、本发明所述花生壳生物炭与辅料共同堆制获得的生物炭改良剂土壤改良效果显著，这主要是一方面辅料弥补了生物炭养分低的缺陷，另一方面生物炭可将肥料中的养分吸附并长期持留于生物炭中，使养分起到了缓释的特性，减少了肥料中养分因淋溶等作用造成的损失，尤其抑制了养分及盐碱对土壤的板结作用。另外，肥料中的腐植酸能够持续调节土壤pH，减少养分的挥发，促进作物对磷的吸收，提高土壤保水保肥料性能；肥料中的聚天门冬氨酸可提高化肥料利用率，促进作物对微量元素的吸收，促进植物根系生长。

4、本发明具有处理方法简单、材料成本低等特点，是一种高效、经济、持久且兼具生物质资源化利用的盐碱土壤改良技术，最终可以提高滨海盐碱土的植被生物量，具有显著的环境生态效益和社会效益。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步解释说明，但应理解，本发明的范围不限于此。

实施例1

一种改良盐碱土的生物炭改良剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将花生壳制备为花生壳生物炭；

2)将花生壳生物炭酸化，干燥，得酸性生物炭；

3)将1kg尿素、1kg过磷酸钙、2kg重量份氯化钾、40kg秸秆、1kg腐殖酸、10kg石膏和1kg聚天门冬氨酸，混匀，得辅料；

4)将步骤2)所得的酸性生物炭与将步骤3)所得的辅料按1：1.5混合，加水，至其含水量达到50wt％，得混肥料，装入容器中堆制60天，得堆肥料；

5)对步骤4)所得的堆肥料风干。

在步骤1)中，所述花生壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：

a)将花生壳洗净、60℃烘干，直至其水含量为8wt％；

b)将风干后花生壳加入炭化炉，热解3小时；

c)将热解后花生壳密闭厌氧冷却至25℃。

所述花生壳生物炭是指花生壳生物质在限氧或绝氧条件下，经一定高温阶段热解形成的一种富含碳的固体材料。本实施例制备方法所得花生壳生物炭能够获得固碳和土壤改良的效果。土壤中添加本发明所制得生物炭，可以改善土壤质地，增加土壤透气性和保水性；提高土壤pH和阳离子交换量，保持土壤养分；影响土壤氮磷循环，提高土壤养分利用；促进作物生长，提高作物产量。

在花生壳生物炭制备方法的步骤c)中，所述热解的温控流程包括：以3℃/min速度缓慢升温至260℃，然后于40min内升温至380℃，炉内自然冷却降温350℃后恒温1h，氮气送风于120s内冷却至31℃，然后厌氧自然冷却降温。

在步骤2)中，所述花生壳生物炭的酸化方法包括：将以氢离子计1.69mol/L的酸性水溶液，与所述花生壳生物炭混合，平衡吸附24小时。

进一步，在步骤4)中，所述堆制的方法包括：保持混肥料温度高于55℃六天，接种根瘤菌剂，每隔3天调节含水量一次，保持混肥料含水量为50wt％，密闭同时维持5％vol的氧气水平；在所述堆制期间翻堆4次。

进一步，在步骤5)中，所述风干方法包括：将所述堆肥料遮阴，自然风干，使其含水量在5wt％，然后过10目筛。

采用上述制备方法制得本实施例生物炭改良剂。将该生物炭改良剂应用于田菁栽培土壤改良。

本实施例所带来的综合效果包括：

1、以花生壳作为原材料制备生物炭，不仅拓展了生物质资源化利用途径，减少了废弃物的堆积危害和风险，而且生物炭能起“碳封存”作用，抑制微生物呼吸作用，把碳长期封存在土壤中，缓解温室效应。

2、本发明所得改良剂不仅可以吸附盐碱污染质，改良土壤性质，增加土壤的保水保肥料性能，在提高土壤植被覆盖度等方面具有显著功效。因此，能够利用本发明所述生物炭改良剂独特的理化特性改善滨海盐碱土壤质地，提高初级生产力，并恢复其生态系统健康状况。

3、本发明所述花生壳生物炭与辅料共同堆制获得的生物炭改良剂土壤改良效果显著，这主要是一方面辅料弥补了生物炭养分低的缺陷，另一方面生物炭可将肥料中的养分吸附并长期持留于生物炭中，使养分起到了缓释的特性，减少了肥料中养分因淋溶等作用造成的损失，尤其抑制了养分及盐碱对土壤的板结作用。另外，肥料中的腐植酸能够持续调节土壤pH，减少养分的挥发，促进作物对磷的吸收，提高土壤保水保肥料性能；肥料中的聚天门冬氨酸可提高化肥料利用率，促进作物对微量元素的吸收，促进植物根系生长。

4、本发明具有处理方法简单、材料成本低等特点，是一种高效、经济、持久且兼具生物质资源化利用的盐碱土壤改良技术，最终可以提高滨海盐碱土的植被生物量，具有显著的环境生态效益和社会效益。

实施例2

本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述改良剂，不同之处在于：

在所述生物炭改良剂的制备过程中，每100kg生物炭基肥料的原料添加量如下：50kg酸性生物炭，1.5kg尿素，1.5kg过磷酸钙，3kg氯化钾，30kg秸秆，1kg腐植酸，10kg石膏和1kg聚天门冬氨酸。

在花生壳生物炭制备方法的步骤c)中，所述热解的温控流程包括：以4℃/min速度缓慢升温至180℃，然后于48min内升温至630℃，炉内自然冷却降温120℃后恒温3h，氮气送风于4h冷却至28℃，然后厌氧自然冷却降温。

采用上述制备方法制得本实施例生物炭改良剂。将该生物炭改良剂应用于锦葵栽培土壤改良。

实施例3

本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述改良剂，不同之处在于：

本实施例生物炭基改良剂的应用包括：

采集黄河三角洲滨海盐碱土壤，pH值为8.0，盐度6‰，土壤有机质9.75g·kg^-1。先将酸性生物炭改良剂以185t·ha^-1的添加量与土壤充分混合，调节土壤的湿度为最大田间持水量的65％。盐生植物田菁按8kg/亩播种，播种方式采用条播。按照株距15cm，行距30cm，播深1.5cm进行播种。在幼苗长至6cm高时间苗，苗高11cm时按照株距定苗。植物培养期间，每隔3天浇水，以保证土壤的含水率为60％的最大田间持水量。植物生长96天后，生物量提高34.2％，平均株高增加6.9％。

实施例5

本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述改良剂，不同之处在于：

本实施例生物炭基改良剂的应用包括：

采集黄河三角洲滨海盐碱土壤，pH值为8.0，盐度6‰，土壤有机质9.75g·kg^-1。先将酸性生物炭改良剂以185t·ha^-1的添加量与土壤充分混合，调节土壤的湿度为最大田间持水量的60％。盐生植物滨海锦葵按8kg/亩播种，播种方式采用条播。按照株距15cm，行距30cm，播深1.5cm进行播种。在幼苗长至5cm高时间苗，苗高112cm时按照株距定苗。植物培养期间，每隔3天浇水，以保证土壤的含水率为70％的最大田间持水量。植物生长96天后，地上部生物量提高％，地下部生物量提高，总生物量提高24.2％，平均株高增加11.7％。

虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims (8)

1.一种改良盐碱土的酸性生物炭改良剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将花生壳制备为花生壳生物炭；

2)将花生壳生物炭酸化，干燥，得酸性生物炭；

3)将1-3重量份尿素、1-3重量份过磷酸钙、2-5重量份氯化钾、28-51重量份秸秆、0.4-1.6重量份腐殖酸、8-13重量份石膏和0.6-1.8重量份氨基酸聚合物，混匀，得辅料；

4)将步骤2)所得的酸性生物炭与将步骤3)所得的辅料按1：(0.6-1.5)混合，加水，至其含水量达到(40～70)wt％，得混肥料，装入容器中堆制50～80天，得堆肥料；

5)对步骤4)所得的堆肥料风干。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述花生壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：

a)将花生壳洗净、60-70℃烘干，直至其水含量为(0-10)wt％；

b)将风干后花生壳加入炭化炉，热解1～3小时；

c)将热解后花生壳密闭厌氧冷却至(19-31)℃。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在花生壳生物炭制备方法的步骤c)中，所述热解的温控流程包括：以2-4℃/min速度缓慢升温至(180-260)℃，然后于40-60min内升温至380℃，炉内自然冷却降温350℃后恒温1h，氮气送风于2-6h内冷却至(19-31)℃ 。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述花生壳生物炭的酸化方法包括：将以氢离子计(1.4-2.1)mol/L的酸性水溶液，与所述花生壳生物炭混合，平衡吸附20-28小时。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氨基酸聚合物为聚天门冬氨酸，和/或

所述氨基酸聚合物在所述改良剂中的占比为0.05-0.2重量份。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，在步骤4)中，所述堆制的方法包括：保持混肥料温度高于55℃五天以上，接种菌剂，每隔1-3天调节含水量一次，保持混肥料含水量为40wt％～70wt％，密闭同时维持(4-7)％vol的氧气水平；在所述堆制期间翻堆3～5次。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，在步骤5)中，所述风干方法包括：将所述堆肥料遮阴，自然风干，使其含水量在(4～10)wt％，然后过8～12目筛。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述制备方法制得的生物炭改良剂，其特征在于，所用原料包括30-40重量份花生壳生物炭、1-3重量份尿素、1-3重量份过磷酸钙、2-5重量份氯化钾、28-51重量份秸秆、0.4-1.6重量份腐殖酸、8-13重量份石膏和0.6-1.8重量份氨基酸聚合物。