CN107285951A - 一种全量营养碳基土壤修复肥料及生产方法 - Google Patents

一种全量营养碳基土壤修复肥料及生产方法 Download PDF

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Abstract

一种全量营养碳基土壤修复肥料及其生产方法，属于一种用于改良土壤环境和提高烤烟成熟度及产质量的碳基土壤修复肥料，既能满足作物生长过程中营养物质的需要，又实现了土壤质量的保育。所述肥料主要组成包括：生物质炭30％‑40％、芝麻饼肥20％‑40％、多元素矿物质肥2％‑10％、腐殖酸10％‑25％、复合肥15％‑25％。在肥料生产过程中，采用生物质热解技术、饼肥发酵等关键技术，以达到提高土壤C/N比、改善质量、提高烤烟香气质和香气量的功效。本发明的碳基土壤修复肥料是生产有机绿色农产品的优选肥料，可广泛用于烟草、果树、玉米、水稻、红薯、西瓜、蔬菜等农业作物，对农业可持续发展具有重要的实践意义。

Description

一种全量营养碳基土壤修复肥料及生产方法
技术领域
本发明属于农业资源开发与土壤改良技术领域，具体涉及一种全量营养碳基土壤修复肥料及生产方法。
背景技术
土壤是人类赖以生存和发展的基础。近年来，我国农业生产中长期大量不合理使用新型农用化学物质，畜禽排泄物中兽用药物残留等的增加，致使土壤污染逐年加剧，土壤肥力障碍日益严重，直接影响植物正常生长和农产品品质。因此，现代农业发展正面临着土壤污染和农产品质量安全的严重问题。
目前，牡丹江地区烟草农业存在着化肥使用量大、土地养护意识不足等问题，导致了植烟土壤肥力下降明显、烤烟株型发育不健全、叶片成熟度差、油分和香气不足，需要一种合适的土壤改良剂对当地土壤进行修复，解决当地植烟土壤中存在的问题，提高烤烟的产质量和工业可用性。
生物质炭是一种含碳聚合物，是木质纤维素热解后残留的一种多孔炭，主要由C、H、O、N、P、S等元素组成，还含有K、Ca、Fe、Mg、Na、Zn、Cu和Si等元素，其碳组分具有高度芳香化，进而使其具有了生物化学与热稳定性。生物质炭是黑碳的一种存在形式，其孔隙度高、带负电荷多、芳香化程度高、比表面积大、而且具有较高的稳定性与吸附性。因此，被视为增加土壤碳截留和土壤保育的有效改良材料。研究发现，长期施用生物质炭不仅能够提高土壤C/N和土壤微生物数量与种类，还能提升土壤pH，增加土壤有效磷、有机碳和阳离子交换量。
生物质炭还具有改善微生物细胞的附着性能、促进特定类群土壤微生物栖息和生长的作用，并且能够改变土壤养分的生物有效性等，其具有的丰富表面官能团和巨大比表面积，不仅可以通过改良土壤物理、化学、微生物学的性质来实现改良土壤性能，增加土壤对营养利用率的作用，同时可以增加土壤中有机质(SOM)的含量，增加土壤有效养分的活性，改变土壤微环境，促进植物生长发育。
生物质炭本身具有的电荷以及巨大比表面积对植物所需的营养元素(氮、磷等)都有较强的吸附功能，同时也能减少土壤中养分的淋失，提高土壤的保肥能力。生物质炭通过对土壤基本理化性质进行改善，促进了根系的发育，协调烤烟烟株地上部分与地下部分的生长，为优质烤烟的生产提供了前提和保障。由于生物质炭的诸多优点，近年来被作为土壤改良剂已成为全球关注的热点之一。
作物生长与土壤的生态环境有密切联系，土壤生态系统是由土壤、生物及环境要素三个部分组成的具有结构和功能的一个开放系统和能量转换器。土壤修复技术被认为是改善土壤生态系统的根本措施，已成为当前土壤学研究的热点之一。
研究表明，生物质炭能改善微生物细胞附着性能，促进特殊类群土壤微生物的栖息生长和土壤团聚体的形成，改变土壤固氮与硝化微生物菌群活性，Oguntunde等研究表明，生物质炭可增加土壤饱和渗透系数88％左右，容积密度减少9％，总孔隙度增加约5％，平均表面温度增加4℃，还会改变土壤色度以及反射率。
刘国顺等研究了添加生物质炭对烟叶生长发育及烟叶质量的影响，结果表明添加适量的生物质炭，可以显著改善植烟土壤的肥力状况，增加植烟土壤有机质含量，以及烟田土壤中细菌和放线菌数量，改善烟田土壤根际与非根际土壤的微生物环境，促进烤烟根、茎、叶干物质积累，对植烟土壤环境的修复起到显著的效果。
发明内容
本发明针对现有土壤碳氮失衡、营养失衡和土壤有机炭逐渐下降的问题，通过生物质热解装置，综合运用复合土壤修复原理，并结合土壤和植物营养吸收的规律，特别添加多种生物活性物质和生物质炭，以改善土壤结构、调整土壤C/N比和土壤活性，从而达到土壤修复及恢复土壤生态平衡的功效，提高作物体内微循环和促生作用，实现土壤原位修复的功效，并增强作物逆境条件下的生长发育。
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于土壤改良的一种以花生壳为生物质炭原料的全量营养碳基土壤修复肥料及生产方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
A.生物质炭的制备：
S11)将花生壳进行风干，然后粉碎至2-5mm；
S12)将经S11粉碎后的物料用炭化改性剂浸润处理，炭化改性剂为选自碳酸氢氨、磷酸氢二铵或磷酸二氢钾中的一种或多种水溶液，浓度为1％-10％；
S13)将经S12浸润后的物料在转鼓风干机中进行烘干，将物料中的水分含量控制在15％-20％；
S14)对经S13处理过的物料进行连续炭化，炭化的具体工艺为：S141)将物料在160-200℃的温度下预氧化1-3min，水分挥发；S142)将物料在温度300-350℃的缺氧或无氧条件下初级炭化3-15min；S143)将物料在350-400℃条件下进一步炭化，时间10-15min；
S15)将经过连续炭化后的物料输出，并对其喷施雾化后的稳定剂，稳定剂为氧化钙的饱和水溶液，每公斤炭化后的物料喷施100-300mL稳定剂；
S16)将经S15处理后的花生壳生物质炭进行粉碎，过40目筛；
B.芝麻饼肥的制备
S21)调节芝麻饼的C/N比为25-30/1，水分含量为50％-60％，pH控制在5.5-8.0；
S22)将前述芝麻饼在发酵床中堆制成条垛，条跺高度为0.8-1.5m，然后接入微生物腐熟剂0.1％-1％进行好氧发酵，微生物腐熟剂要求有效活菌数≥40×108CFU/g(mL)、纤维素酶活≥30u/g(mL)，当发酵堆温升到68-72℃进行翻抛，发酵时间为10-15天，发酵的工艺指标为C/N≤20、种子发酵指数≥50％、发酵达到有效活菌数≥0.2×108CFU/g以上、pH6.0-8.0、有机质含量以干基计≥30％。
所述多元素矿物质肥含有多种元素，钾含量≧1.4ug/mL，硅、钠、锰、铁含量均≧150ug/mL；钙、镁、硼含量均≧105ug/mL；锌、硒、镓、铜、镍含量均≧300ng/mL；钕、铈含量均≧27ng/mL；细度小于200目；
所述腐殖酸中有机质≥50％、总腐植酸≥30％；
所述复合肥以硝酸钾、硫酸钾、磷酸二胺为原料，总养分≥22％，氮磷钾比为5:5:12；
将前述制得的花生壳生物质炭、芝麻饼肥、多元素矿物质肥、腐殖酸和复合肥混合制粒。
本发明还提供一种采用前述的方法生产的全量营养碳基土壤修复肥，包括花生壳生物质炭、芝麻饼肥、多元素矿物质肥、腐殖酸和复合肥，所述花生壳生物质炭、芝麻饼肥、多元素矿物质肥、腐殖酸和复合肥的百分比为如下：花生壳生物质炭30％-40％、芝麻饼肥20％-40％、多元素矿物质肥2％-10％、腐殖酸10％-25％、复合肥15％-25％。
其中，所述碳基土壤修复肥料的总养分为：全碳≥30.0％，全氮≥2.90％，全磷≥3.00％，全钾≥0.80％，中微量元素≥10％。
当生物炭与有机肥等混合施用时，可以降低肥料淋失，从而提高肥料利用率。其主要原因是：(1)生物炭可以有效抑制微生物的反硝化作用，降低了氮素损失。(2)生物炭是一种具有很强的吸附能力的碳肥，将其施入土壤中后，不仅能吸附土壤中的有机质，还能够有效的吸附土壤中的养分，最重要的是能够吸附土壤有机质不能吸附的磷素养分。
生物炭与有机肥配施可提高土壤微生物数量，对土壤改良有显著效果,提高作物产量。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述全量营养碳基土壤修复肥料可有效调节土壤中碳元素和氮元素的比值，能够增加土壤中有机质的含量和土壤碳氮比。
(2)本发明所述全量营养碳基土壤修复肥料可改善土壤中微生物的生态环境，给予烟株均衡的营养供应。
(3)本发明所述全量营养碳基土壤修复肥料可有效改善土壤中存在的长期过度施用复合肥造成的板结现象，显著提高肥料利用率等。
(4)本发明所述全量营养碳基土壤修复肥料具有一体施用，操作简单，降低劳动量，节约人力成本的特点。
具体实施方式
为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文结合优选的实施例对本发明的原理及作用方式做进一步说明。
实施例一
1、制备花生壳生物质炭的工艺如下：
(1)将花生壳进行风干，然后粉碎至2mm，通过绞龙设备装入到连续化炭化设备中。
(2)将步骤1得到的粉碎好的物料在浓度1％的磷酸氢二胺改性剂中浸润，然后在转鼓风干机中进行烘干，水分控制在15％。
(3)将步骤2处理过的花生壳，装入连续式生物质炭化设备，物料在设备上部区域先经160℃预氧化，水分挥发，然后进入设备中间区域在温度300℃的缺氧或无氧条件下初级炭化3min；最后在设备下部区域在350℃条件下进一步炭化10min。炭化后的物料在绞龙设备连续化输出，在出料口处喷施雾化后的稳定剂，每千克炭化后的物料喷施100mL氧化钙饱和水溶液稳定剂。
(4)将步骤3炭化后的花生壳生物质炭进行粉碎，过40目筛，留作备用。
制备芝麻饼肥的工艺如下：
(1)调节芝麻饼的C/N比为25-30/1，水分为50％，pH控制在5.5。
(2)将步骤1所述芝麻饼在发酵床中堆制成条垛，条跺高度为0.8m，然后接入发酵好的微生物腐熟剂进行好氧发酵，当堆温68℃进行翻抛。
(3)发酵时间为15天，发酵的工艺指标为C/N≤20、种子发酵指数≥50％、发酵达到有效活菌数0.2×108CFU/g以上、pH6.8、有机质含量(干基)≥30％，表明物料腐熟好。
2、全量营养碳基土壤修复肥料
全量营养碳基土壤修复肥料配方的原料包括以下质量比例的成分：生物质炭33％，芝麻饼肥24％、多元素矿物质肥6％、腐殖酸19％、复合肥18％。
制备方法：将各成分按上述比例混合，在模具中通过挤压造粒，造粒后的物料筛分即获得一种以花生壳为生物质炭原料的全量营养碳基土壤修复肥料。
实施例二
1、制备花生壳生物质炭的工艺如下：
(1)将花生壳进行风干，然后粉碎至3.5mm，通过绞龙设备装入到连续化炭化设备中。
(2)将步骤1得到的粉碎好的物料在浓度5％的改性剂中浸润，然后在转鼓风干机中进行烘干，水分控制在17.5％。
(3)将步骤2处理过的花生壳，装入连续式生物质炭化设备，物料在设备上部区域先经185℃预氧化水分挥发，然后进入设备中间区域在温度330℃的缺氧或无氧条件下初级炭化10min；最后在设备下部区域在385℃条件下进一步炭化，时间12min。炭化后的物料在绞龙设备连续化输出，在出料口处喷施雾化后的稳定剂，每公斤炭化后的物料喷施200mL稳定剂。
(4)将步骤3炭化后的花生壳生物质炭进行粉碎，过40目筛，留作备用。
制备芝麻饼肥的工艺如下：
(1)调节芝麻饼的C/N比为25-30/1，水分为55％，pH控制在6.7。
(2)将步骤1所述芝麻饼在发酵床中堆制成条垛，条跺高度为1.2m，将前述芝麻饼在发酵床中堆制成条垛，条跺高度为0.8-1.5m，然后接入微生物腐熟剂0.1％-1％进行好氧发酵，微生物腐熟剂要求有效活菌数≥40×108CFU/g(mL)、纤维素酶活≥30u/g(mL)，当发酵堆温升到70℃进行翻抛，发酵时间为12天，发酵的工艺指标为C/N≤20、种子发酵指数≥50％、发酵达到有效活菌数≥0.2×108CFU/g以上、pH7.0、有机质含量以干基计≥30％。微生物腐熟剂的菌种组合包括放线菌、固氮菌、硅酸盐菌、枯草芽孢杆菌、多粘类芽孢杆菌、木霉菌、酵母菌、光合菌。
(3)发酵时间为14天，发酵的工艺指标为C/N≤20、种子发酵指数≥50％、发酵达到有效活菌数0.2×108个/g以上、pH6.0-8.0、有机质含量(干基)≥42.5％，表明物料腐熟好。
2、全量营养碳基土壤修复肥料
全量营养碳基土壤修复肥料配方包括以下质量比例的成分：生物质炭30％，芝麻饼肥32％、多元素矿物质肥为3％、腐殖酸14％、复合肥21％。
制备方法：将各成分按上述比例混合，采用环模挤压成型方法造粒，造粒后的物料筛分即获得一种以花生壳为生物质炭原料的全量营养碳基土壤修复肥料。
实施例三
1、制备花生壳生物质炭的工艺如下：
(1)将花生壳进行风干，然后粉碎至5mm，通过绞龙设备装入到连续化炭化设备中。
(2)将步骤1得到的粉碎好的物料在浓度10％的磷酸氢二胺改性剂中浸润，然后在转鼓风干机中进行烘干，水分控制在20％。
(3)将步骤2处理过的花生壳，装入连续式生物质炭化设备，物料在设备上部区域先经200℃预氧化，水分挥发，然后进入设备中间区域在温度350℃的缺氧或无氧条件下初级炭化15min；最后在设备下部区域在400℃条件下进一步炭化15min。炭化后的物料在绞龙设备连续化输出，在出料口处喷施雾化后的稳定剂，每千克炭化后的物料喷施300mL氧化钙饱和水溶液稳定剂。
(4)将步骤3炭化后的花生壳生物质炭进行粉碎，过40目筛，留作备用。
制备芝麻饼肥的工艺如下：
(1)调节芝麻饼的C/N比为25-30/1，水分为60％，pH控制在8.0。
(2)将步骤1所述芝麻饼在发酵床中堆制成条垛，条跺高度为1.5m，然后接入发酵好的微生物菌群进行好氧发酵，当堆温72℃进行翻抛。
(3)发酵时间为15天，发酵的工艺指标为C/N≤20、种子发酵指数≥50％、发酵达到有效活菌数0.2×108CFU/g以上、pH8.0、有机质含量(干基)≥50％，表明物料腐熟好。
2、全量营养碳基土壤修复肥料
全量营养碳基土壤修复肥料配方的原料包括以下质量比例的成分：生物质炭40％，芝麻饼肥22％、多元素矿物质肥10％、腐殖酸12.5％、复合肥15.5％。
制备方法：将各成分按上述比例混合，在模具中通过挤压造粒，造粒后的物料筛分即获得一种以花生壳为生物质炭原料的全量营养碳基土壤修复肥料。
对照例试验
全量营养碳基土壤修复肥料配方施用试验：
1、对照试验于2015年在黑龙江省牡丹江市宁安进行，试验共设4个处理，即常规施肥及实施例1-3全量营养碳基土壤修复肥料施肥。试验釆用大田种植，每处理面积4亩。以烤烟为供试作物，品种为龙江911，3月10播种、5月16日移栽。常规施肥施用纯氮4kg/亩，氮磷钾1:2:3。试验区施用100kg炭基肥料，每一处理均重复三次。所有处理田间管理依据最优生产管理措施进行。
2、烟草收获后，测定不同处理条件下的烤后烟叶产量和产值，依据国家烟叶分级收购标准统计中上等烟叶比例，组织评吸专家组对烤后烟叶进行感官质量评价。结果如表1所示：
表1各处理烟草产质量评价
本发明用于改良土壤环境和提高烤烟成熟度及产质量的碳基土壤修复肥料，该修复肥料的主要组成及质量百分比如下：生物质炭30％-40％、芝麻饼肥20％-40％、多元素矿物质肥2％-10％、腐殖酸10％-25％、复合肥15％-25％，成品肥料为柱状或圆形状，直径3.8-4.6mm。该修复肥料的总养分为：全碳≥30.0％，全氮≥2.90％，全磷≥3.00％，全钾≥0.80％，中微量元素≥10％。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明的保护范围，即大凡依本发明权利要求书及发明内容所做的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种全量营养碳基土壤修复肥料的生产方法，其特征在于，所述碳基土壤修复肥料的制备以花生壳生物质炭、芝麻饼肥、多元素矿物质肥、腐殖酸和复合肥为原料，其中，
所述花生壳生物质炭由以下方法制得：
S11)将花生壳进行风干，然后粉碎至2-5mm；
S12)将经S11粉碎后的物料用炭化改性剂浸润处理，炭化改性剂为选自碳酸氢氨、磷酸氢二铵或磷酸二氢钾中的一种或多种水溶液，浓度为1％-10％；
S13)将经S12浸润后的物料在转鼓风干机中进行烘干，将物料中的水分含量控制在15％-20％；
S14)对经S13处理过的物料进行连续炭化，炭化的具体工艺为：S141)将物料在160-200℃的温度下预氧化1-3min，水分挥发；S142)将物料在温度300-350℃的缺氧或无氧条件下初级炭化3-15min；S143)将物料在350-400℃条件下进一步炭化，时间10-15min；
S15)将经过连续炭化后的物料输出，并对其喷施雾化后的稳定剂，稳定剂为氧化钙的饱和水溶液，每公斤炭化后的物料喷施100-300mL稳定剂；
S16)将经S15处理后的花生壳生物质炭进行粉碎，过40目筛；
所述芝麻饼肥由以下方法制得：
S21)调节芝麻饼的C/N比为25-30/1，水分含量为50％-60％，pH控制在5.5-8.0，pH优选控制为6.7；
S22)将前述芝麻饼在发酵床中堆制成条垛，条跺高度为0.8-1.5m，然后进行好氧发酵，当发酵堆温升到68-72℃进行翻抛，发酵时间为10-15天，发酵的工艺指标为C/N≤20、种子发酵指数≥50％、pH6.0-8.0、有机质含量以干基计≥30％；
所述多元素矿物质肥含有多种元素，钾含量≧1.4ug/mL，硅、钠、锰、铁含量均≧150ug/mL；钙、镁、硼含量均≧105ug/mL；锌、硒、镓、铜、镍含量均≧300ng/mL；钕、铈含量均≧27ng/mL；细度小于200目；
所述腐殖酸中有机质≥50％、总腐植酸≥30％；
所述复合肥以硝酸钾、硫酸钾、磷酸二胺为原料，总养分≥22％，氮磷钾比为5:5:12；
将前述制得的花生壳生物质炭、芝麻饼肥、多元素矿物质肥、腐殖酸和复合肥混合制粒。
2.一种采用权利要求1所述的方法生产的全量营养碳基土壤修复肥料，其特征在于，碳基土壤修复肥料包括花生壳生物质炭、芝麻饼肥、多元素矿物质肥、腐殖酸和复合肥，所述花生壳生物质炭、芝麻饼肥、多元素矿物质肥、腐殖酸和复合肥的百分比如下：花生壳生物质炭30％-40％、芝麻饼肥20％-40％、多元素矿物质肥2％-10％、腐殖酸10％-25％、复合肥15％-25％。
3.如权利要求2所述的全量营养碳基土壤修复肥料，其特征在于，所述碳基土壤修复肥料的总养分为：全碳≥30.0％，全氮≥2.90％，全磷≥3.00％，全钾≥0.80％，中微量元素含量≥10％。
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