CN108408713A - 一种生物炭及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物炭及其制备方法与应用。它的制备方法，包括如下步骤：将农业废弃物风干后除去杂质，然后依次进行粉碎、烘干和炭化，即得到生物炭。本发明方法简单，原料廉价易得，生物炭的产率高，农业废弃物的能量可回收用于反应本身、产物更清洁、可连续生产。

Description

一种生物炭及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种生物炭及其制备方法与应用，属于环保型肥料生产技术领域。
背景技术
高投入、高产出的设施农业近年来得到迅猛发展，截止2008年底，我国已成为设施栽培面积最大的国家。由于设施农业的高度集约化栽培，使得棚室内病虫害严重发 生，土壤酸化加重，养分失调，出现次生盐渍化等一系列土壤质量退化及连作障碍问 题。我国是一个农业大国，拥有丰富的植物生物质资源，仅农作物秸秆等生物质资源 每年产生的总量已超过10亿吨(花莉等，2011)。农业生产中产生的秸秆除少部分通过 还田、氨化、青贮、发酵及用于食用菌培养基等方式被有效利用外，绝大部分被焚烧， 这不仅造成环境的污染还导致了资源的浪费。
生物炭是含碳丰富物质，通常由木头，畜禽粪便或落叶等生物质材料在缺氧或低氧的环境中经过低温(<700℃)热解产生的固态物质，具有高度的热稳定性和较强的 吸附特性(Lehmann et al,2009)。根据生物炭的形成过程与原理，可将其分为高温裂解 过程和水热炭化过程，前者的固体产物称为干生物炭(Pyrochar)，后者称为湿生物炭(Hydrochar)。通常，湿生物炭中含碳量较低，芳环结构少，稳定性低(Libra et al,2011)，但是综合考虑生产原料和获得产量，湿生物炭的生产制备是一种高产高效的能源利用 模式(Mumme et al,2011)。生物质原材料在炭化炉缺氧的环境中发生热裂解反应，产 生的烟气经分离处理可以得到木醋液、生物油和可燃气体3种产品，反应的固体剩余 物质即为生物炭(张忠河，2010)。生物质原材料转变为生物炭需经过一系列热化学过 程，主要为裂解、炭化和气化三个过程。生物炭有3种制备方式，分为集中式、分散 式和流通式；热裂解技术的发展促进了生物炭的生产，常采用低温限氧炭化法进行热 解，根据反应条件的不同，可以将热裂解分为三种方式，分别为快速、中速和慢速热 裂解。目前国内外制备生物炭的技术的批式制备为传统制炭方法，具有设备简单、成 本低、易于实施等优点，但是这种方法的产率低、热量无法回收并会产生新污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物炭及其制备方法与应用，本发明方法简单，原料廉价易得，生物炭的产率高，农业废弃物的能量可回收用作原料、产物更清洁、可连续 生产。
本发明提供的生物炭的制备方法，包括如下步骤：将农业废弃物风干后除去杂质，然后依次进行粉碎、烘干和炭化，即得到生物炭。
上述的制备方法中，所述农业废弃物为玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、南瓜秸秆、圣女果秸秆、桃树修剪枝条和菌棒中的至少一种。
本发明中，所述菌棒为本领域常见的各种菌菇的废弃菌棒，如栽培平菇、香菇的废弃菌棒。
上述的制备方法中，所述农业废弃物粉碎后的长度可为1～2cm。
上述的制备方法中，所述烘干的温度可为55～65℃，具体可为60℃、55～60℃或60～65℃；所述烘干的时间可为10～12h，具体可为12h或11～12h。
上述的制备方法中，所述炭化的温度可为300～700℃；所述炭化的的时间可为100～150分钟，具体可为120分钟、100～120分钟、120～150分钟或110～140分钟。
上述的制备方法中，所述碳化后还包括粉碎过筛的步骤。
上述的制备方法中，所述粉碎过筛的目数可为80～120目，具体可为100目、80～100 目、100～120目或90～110目。
本发明中，上述的制备方法制得的所述生物炭产率可为30％～50％；
所述生物炭中有机碳含量可为300～450g/kg。
本发明还提供了上述的制备方法制备的生物炭。
本发明所述生物炭应用于制备土壤调理剂和/或肥料缓释载体中。
上述的应用中，所述生物炭制备用于黄瓜的所述土壤调理剂和/或肥料缓释载体。
本发明所述生物炭能用于种植业如大田作物和设施蔬菜。
本发明具有以下优点：
本发明生物炭产率高(生物炭产率在30％～50％)，有机碳含量高(300～450g/kg)， 全N、硝态N和铵态N养分含量高等特点，使用本发明生物炭能减少土壤容重、增加 土壤的孔隙度，pH值相对较高，本发明生物炭当季施用对降低表层土壤电导率的效果 显著(P<0.05)，能有效降低表层土壤的盐害。本发明制备方法简单，原料廉价易得。
附图说明
图1为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的产率。
图2为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的PH值。
图3为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的有机碳含量。
图4为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的全N含量。
图5为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的全P含量。
图6为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的全K含量。
图7为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的速效P含量。
图8为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的速效K含量。
图9为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的硝态N含量。
图10为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的铵态N含量。
图11为本发明生物炭对黄瓜生育期内土壤速效磷含量的影响，其中图11(a)和(b)为第一年施本发明生物炭；图11(c)为第二年施本发明生物炭；图11(d)为 0-20cm土层不同施用量处理速效磷含量；图11中NS表示不同处理在0.05水平上无 显著性差异；本发明生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20； CK3-0；T5-5；T6-15t·hm-2。
图12为本发明生物炭对黄瓜生育期内土壤速效钾含量的影响；其中图12(a)和(b)为第一年施本发明生物炭；图12(c)为第二年施本发明生物炭；图12(d)为 0-20cm土层不同施用量处理速效钾含量；图12中a和b表示不同处理之间在0.05水 平上的显著性差异；本发明生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10； T4-20；CK3-0；T5-5；T6-15t·hm-2。
图13为本发明生物炭对黄瓜生育期内土壤铵态氮含量的影响；其中图13(a)和(b)为第一年施本发明生物炭；图13(c)为第二年施本发明生物炭；图13(d)为 0-20cm土层不同施用量处理铵态氮含量；图13中NS表示不同处理在0.05水平上无 显著性差异；本发明生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20； CK3-0；T5-5；T6-15t·hm-2。
图14为本发明生物炭对黄瓜生育期内土壤硝态氮含量的影响；其中图14(a)和(b)为第一年施本发明生物炭；图14(c)为第二年施本发明生物炭；图14(d)为 0-20cm土层不同施用量处理硝态氮含量；图14中NS表示不同处理在0.05水平上无 显著性差异；本发明生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20； CK3-0；T5-5；T6-15t·hm-2。
图15为本发明生物炭对黄瓜生育期内土壤有机碳含量的影响；其中图15(a)和(b)为第一年施本发明生物炭；图15(c)为第二年施本发明生物炭；图15(d)为 0-20cm土层不同施用量处理有机碳含量；图15中NS表示不同处理在0.05水平上无 显著性差异；本发明生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20； CK3-0；T5-5；T6-15t·hm-2。
图16为本发明生物炭对黄瓜生育期内土壤pH值的影响；其中图16(a)和(b) 为第一年施本发明生物炭；图16(c)为第二年施本发明生物炭；图16(d)为0-20cm 土层不同施用量处理pH值；图16中NS表示不同处理在0.05水平上无显著性差异； 本发明生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0；T5-5； T6-15t·hm-2。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中选取凯氏定氮法测定全N，钼锑抗吸光光度法测定全P和速效P， 火焰光度计法测定全K和速效K，流动分析仪测定硝态N和铵态N。
下述实施例中玉米秸秆取自中国农业大学上庄实验站；小麦秸秆取自中国农业大学校内试验田；棉花秸秆取自山东省东营市垦利县黄河口镇七村；南瓜秸秆和圣女果 秸秆取自总后勤部阳坊生活供应服务中心蔬菜大棚；桃树修剪枝条取自顺义区桃花海 景区；菌棒取自山东七河生物科技股份有限公司。
实施例1、不同原料制备生物炭
一、生物炭的制备：
选取玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、南瓜秸秆、圣女果秸秆、桃树修剪枝条和 菌棒为试验材料；将上述所有材料分别进行如下处理：
将试验材料经风干后去除杂质，然后用粉碎机将材料粉碎成1-2cm的短枝条，备用。将处理过的试验材料放入60℃烘箱中，保持12h，待其自然冷却后，将烘干后的 材料放入马弗炉中。为保证实验条件一致，在填充过程中，称取相同质量的各原材料， 塞实，盖紧炭化罐，将有孔的一面朝上，放入马弗炉中，进行炭化，制备生物炭。分 别设置炭化温度分别为300℃、500℃和700℃，炭化时间均为2h，即待温度升高到所 需温度时，开始计时，两个小时后关闭开关，停止加热。待炭化罐完全冷却后，将其 从马弗炉中取出，打开炭化罐，称取其中各种材料制成的生物炭的质量，计算生物炭 产率。将生物炭粉碎过100目筛，置于自封袋中保存。
二、实验结果分析
1、炭化温度对农业秸秆生物炭产率的影响
如图1所示，为七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的产率。由图1可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的产率逐渐降低，其中温度 由300℃上升至500℃时，生物炭产率下降幅度较大，七种材料中禾本科的玉米秸秆和 小麦秸秆，产率下降幅度最大，大约为50％，而蔬菜秸秆如南瓜秸秆和圣女果秸秆， 产率下降幅度最小，为10％左右。同一材料在300℃、500℃、700℃三个温度下生物 炭的产率差异呈显著水平。由此可知，低温热解可得到最高产量的生物炭。
温度为300℃时，生物炭产率维持在40％-60％之间，其中，南瓜和圣女果秸秆生物炭产率最低，分别为42.28％和42.93％。炭化温度为500℃时，生物炭产率在30％ 左右，变化幅度不大。当温度达到700℃时，生物炭产率有所下降，基本保持在 25％-30％间。同一温度下，蔬菜类秸秆的生物炭产率与禾本科秸秆的生物炭产率差异 显著，棉花秸秆生物炭和桃枝生物炭产率间差异不显著，可能与这两种材料本身含有 丰富的木质素和纤维素有关，菌棒生物炭产率与其它材料生物炭产率差异显著。
2、炭化温度对农业秸秆生物炭PH的影响
图2为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的PH值。由图2可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的pH值逐渐升高，当温度 由300℃上升至500℃时，生物炭pH值上升幅度较大，其中蔬菜类秸秆生物炭的pH 值最高，且同一材料的生物炭pH值，在不同温度下差异显著。三个温度下的生物炭 均呈碱性，300℃时南瓜秸秆生物炭和圣女果秸秆生物炭的pH值最大，在温度为 500℃时，大部分生物炭PH在10.3左右，比较稳定；温度为700℃时，PH基本保 持在10.5左右。
以上分析可知，七种生物炭均呈碱性，其中蔬菜秸秆生物炭PH偏高，且随着炭 化温度升高而逐渐增大。
3、炭化温度对农业秸秆生物炭有机碳含量的影响
图3为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的有机碳含量。由图可知，随着炭化温度升高，同一材料生物炭的有机碳含量逐渐下降，有 机碳含量与温度间呈现显著相关，其中低温炭化生成的生物炭中有机碳含量较高，高 温炭化生成的生物炭中有机碳积累相对较低。当温度为300℃时，玉米秸秆生物炭的 有机碳含量最高，为452.3g/kg，500℃的蔬菜秸秆生物炭的有机碳含量最低，可以达 到306.1g/kg。随着裂解炭化温度升高，生物炭原材料中所含的碳物质，低分子有机化 合物损失增大，含碳物质的残留量降低，使得生物炭中有机碳含量与温度呈负相关关 系。
4、炭化温度对农业秸秆生物炭全量养分含量的影响
图4为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的全N含量。由图4可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的全N含量逐渐降低，在 三个温度下，同一材料生物炭的全N含量差异呈显著水平。其中桃枝生物炭与菌棒生 物炭的全N含量较高，在11.43-16.48g/kg之间。禾本科秸秆生物炭如玉米秸秆和小麦 秸秆全N含量较低，700℃时的小麦秸秆生物炭的全N含量仅为6.25g/kg。
图5为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的全P含量。由图5可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的全P含量逐渐升高，生 物炭的全P含量与温度间呈现显著相关。蔬菜秸秆生物炭的全P含量较高，在 35.86-68.64g/kg之间，玉米秸秆生物炭，小麦秸秆生物炭，棉花秸秆生物炭和桃枝生 物炭的全P含量均低于35g/kg。
图6为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的全K含量。由图6可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的全K含量逐渐升高，同 一材料生物炭的全K含量与温度间表现出显著关系。桃枝生物炭和菌棒生物炭的全K 含量最低，均低于10.5g/kg，而蔬菜秸秆生物炭和棉花秸秆生物炭全K含量较高。
上述炭化过程中，生物炭中的N素养分损失较大，而P，K素含量较高，可能与 原材料本身含有元素含量多少有关，也可能是由于原料中含N挥发分在高温过程中损 失，P和K是矿质元素，在高温过程中逐渐富集。
5、炭化温度对农业秸秆生物炭速效养分含量的影响
图7为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的速效P含量。由图7可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的速效P含量呈逐渐增 加的趋势，且不同温度下同一材料生物炭的速效P含量差异显著。同一温度下，蔬菜 秸秆炭和菌棒炭中速效P养分含量较高，而禾本科的玉米秸秆炭和小麦秸秆炭速效P 含量偏低，炭化温度为500℃时仅为110.23mg/kg和200.77mg/kg，较菌棒炭，速效P 含量分别减少了372.59mg/kg和282.05mg/kg。
图8为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的速效K含量。由图8可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的速效K含量呈逐渐增 加的趋势，七种农业秸秆生物炭中，蔬菜秸秆炭的速效K含量较高，其中南瓜秸秆炭 的速效K含量最高，700℃时达到232.10mg/kg,与300℃和500℃下的南瓜秸秆炭速效 K含量差异显著。桃枝的速效K含量最低，300℃仅为3.45mg/kg，其它材料生物炭速 效K含量保持在9.12-37.73mg/kg之间，差距不大。
图9为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的硝态N含量。由图9可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的硝态N含量呈逐渐降 低的趋势。300℃下圣女果秸秆炭的硝态氮含量最高，为15.21mg/kg，与其他生物炭相 比，差异显著。桃枝炭的硝态氮含量偏低，不同温度处理下，含量差异不明显。其他 材料生物炭硝态N含量，处于8.17-12.50mg/kg之间，禾本科秸秆炭如玉米秸秆炭和 小麦秸秆炭硝态氮含量差异不明显，棉花秸秆炭和菌棒炭的硝态N含量在不同温度处 理下均具有显著性差异。
图10为本发明七种农业秸秆材料在三个温度下炭化裂解2h后生成的生物炭的铵态N含量。由图10可知，随着炭化温度的升高，同一材料生物炭的铵态N含量呈逐 渐降低的趋势，七种生物炭的铵态氮含量整体偏低，铵态氮含量的平均值仅为 7.23mg/kg,不同生物炭间铵态氮含量差异不大，仅桃枝的铵态N含量偏低，300℃时仅 为4.56mg/kg。
综上可知，炭化温度和原材料种类对生物炭的养分含量具有一定影响，故可根据需要，选取特定的原材料，设定合适的炭化温度和反应时间，得出适宜的生物炭养分 参数。
三、应用
(一)施用本发明生物炭对土壤物理性质的影响：
1、土壤容重
种植一季黄瓜后，测得0-10cm和10-20cm土层的土壤容重降低，下降幅度在0-15％之间。施用本发明生物炭(原料为玉米秸秆)的处理T1-T6土壤容重低于对照CK1-CK3。 其中，当季施炭的T5-T6土壤容重下降幅度最大，在13-15％之间；而施炭一年后T1-T4 土壤容重下降幅度在12-14％之间，说明本发明生物炭施用能降低土壤容重，减轻土壤 可能出现的板结问题，且当季施炭的效果更为明显。
土壤容重的变化随土层深度增加而增加，10-20cm土壤容重均高于0-10cm土层，施用两个土层种植前和拉秧后的土壤容重分别为1.32g·cm-3和1.18g·cm-3，1.16g·cm-3和1.08g·cm-3(结果如表1所示)。施用本发明生物炭处理10-20cm土层的土壤容重比 对照下降13-15％，下降幅度高于表层土壤的11％。
表1黄瓜生育期不同土层的土壤容重变化(g·cm-3)
注：生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0；T5-5； T6-15t·hm-2
2、土壤孔隙度
孔隙度能反映出土壤的孔隙状况和松紧程度，按照公式：土壤孔隙度(％)＝(1-容重/2.65)×100，计算出黄瓜种植前和拉秧后的土壤孔隙度(结果如表2所示)。
种植一季黄瓜后，0-10cm和10-20cm土层的土壤孔隙度与种植前相比有所提高，增加幅度在0-16％之间。施用生物炭的处理T1-T6土壤孔隙度高于对照CK1-CK3，当 季施炭T5-T6的土壤孔隙度增加幅度最大，在9-16％之间，而施炭一年后T1-T4土壤 孔隙度增加幅度在5-14％之间。说明本发明生物炭施用能增加土壤孔隙度，减轻土壤 紧实度，且当季施用生物炭的效果较好。
土壤孔隙度由土壤容重计算而来，在土层间的变化规律与土壤容重相反，随土层加深而降低。10-20cm土层的土壤孔隙度均低于0-10cm土层，两个土层种植前和拉秧 后的土壤孔隙度的平均值分别为50.13％和55.51％，56.06％和59.35％(结果如表2所 示)。其中，施用生物炭处理的10-20cm土层的土壤孔隙度增加幅度14-16％大于0-10cm 土层9％。
表2黄瓜生育期不同土层的土壤孔隙度变化(％)
注：生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0；T5-5； T6-15t·hm-2。
(二)施用生物炭对土壤化学性质的影响
1、土壤速效磷
在黄瓜生育期内，随着黄瓜生长的吸收，尤其是定植期到结瓜期吸收P元素较大[47]，0-20cm土层的土壤速效磷含量整体呈下降趋势。土壤中的速效磷含量在350-550mg·kg-1之间，种植一季黄瓜后，土壤速效磷含量下降了83.62-151.06mg·kg-1，结果如 图11所示。
由图11可知，本发明生物炭的施用有效提高了土壤中的速效磷含量，且当季施用的效果明显。在黄瓜生育期内，T5-T6的土壤速效磷含量下降79.86-83.62mg·kg-1，明 显低于施炭一年后T1-T4速效磷含量下降幅度118.84-151.06mg·kg-1。在种植前，第一 年施本发明生物炭T1-T4处理的土壤速效磷含量高于对照CK1-CK2。种植一季黄瓜后， T1-T6处理的土壤速效磷高于对照CK1-CK3。第二年当季施本发明生物炭T5-T6处理 效果明显，与对照CK3相比，分别减缓了速效磷的下降幅度18.42％和14.57％。而生 物炭施用一年后，T1-T4处理的土壤速效磷含量均低于对照CK1-CK2，土壤速效磷含 量的下降趋势与对照相比增加了16.07％-46.67％。但生物炭不同施用量处理间的土壤 速效磷含量差异未达到显著水平(P>0.05)，结果如图11(d)所示。
在黄瓜拉秧后，不同土层间的土壤速效磷含量差异显著(P<0.05)，并随土壤深度增加而逐渐降低。0-10cm和10-20cm土层的土壤速效磷的平均含量分别396.64mg·kg-1和380.96mg·kg-1，显著高于20-40cm土层含量138.05mg·kg-1。当季施炭的T5-T6处 理，土壤速效磷含量明显高于CK3，其中0-10cm和20-40cm土层速效磷含量达到显 著水平(P<0.05)，而施炭一年后，结果如表3所示，T1-T4处理的土壤速效磷含量均 低于CK1和CK2。
表3黄瓜拉秧期不同土层的土壤速效磷含量(mg·kg-1)
注：a、b、c和A、B、C分别表示不同土层和不同处理之间在0.05水平上的显著性差异；生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0；T5-5； T6-15t·hm-2
2、土壤速效钾
在黄瓜生育期内，0-20cm土层的土壤速效钾含量在定植期达到最高，黄瓜在结瓜期对K元素需求量大。自黄瓜结瓜期后，土壤速效钾含量呈下降趋势，总体变化幅度 在250-600mg·kg-1之间。黄瓜种植一季后，第二年当季施炭T5-T6的土壤速效钾含量 明显增加(如图12(c)所示)，而施炭一年后T1-T4的土壤速效钾含量下降(结果如 图12(a)、(b)所示)。
生物炭施用明显增加了土壤中的速效钾含量，不同施用量处理的生物炭对设施土壤0-20cm土层的速效钾含量影响显著(P<0.05)(D)。当季施炭T6(15t·hm-2)处理， 土壤速效钾含量显著高出其他处理29％-73％。在黄瓜种植前，第一年施炭T1-T4的土 壤速效钾含量284-310mg·kg-1均高于对照CK处理246-268mg·kg-1，变化幅度与对照 相比高14.8％-24.9％(38-64mg·kg-1)。在黄瓜拉秧后，第二年当季施炭T5-T6处理， 土壤速效钾含量明显增加59.93-151.98mg·kg-1，变化幅度是对照CK3含量变化的5-13 倍。而施炭一年后，T1-T2速效钾含量高于对照CK1，T3-T4处理含量低于对照CK2， 变化幅度是对照CK的1-2倍。
在黄瓜拉秧后，不同土层之间的土壤速效钾含量差异明显，并随土壤深度增加而逐渐降低。0-10cm和10-20cm土层速效钾的平均含量分别312.46mg·kg-1和251.27 mg·kg-1，显著高于20-40cm土层的含量197.56mg·kg-1(P<0.05)。在同一土层中，生 物炭处理的土壤速效钾含量高于对照，当季施炭速效钾含量明显上升，其中，在0-10cm 和10-20cm土层，T6处理的速效钾含量显著高于CK3和T5，结果如表4所示。
表4黄瓜拉秧期不同土层的土壤速效钾含量(mg·kg-1)
注：a、b、c和A、B、C分别表示不同土层之间和不同处理之间在0.05水平上的显著性差异；生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0；T5-5； T6-15t·hm-2。
3、土壤铵态氮
在黄瓜生育期内，0-20cm土层的土壤铵态氮含量较少，总体呈倒“V”型分布， 结瓜盛期含量达到最高，总体分布在0-5mg·kg-1(A-C)。生物炭不同施用量处理对 0-20cm土层的土壤铵态氮的影响未达到显著水平(P>0.05)(D)。
种植一季黄瓜后，生物炭处理T1-T6的土壤铵态氮含量基本低于对照CK1-CK3， 表明生物炭在一定程度上降低了土壤铵态氮含量。在黄瓜种植前，第一年施炭的T1-T4 处理的土壤铵态氮含量基本高于对照CK1-CK2，而在黄瓜拉秧后，土壤铵态氮含量略 有下降。第二年施炭的T5-T6处理的铵态氮含量低于对照CK3。
在黄瓜拉秧后，不同土层之间的土壤铵态氮含量差异较小，含量在土层间分布差异不明显。0-10cm和10-20cm土层铵态氮的平均含量分别0.20mg·kg-1和0.24mg·kg-1， 略高于20-40cm土层含量0.08mg·kg-1。在同一土层中，当季施炭T5-T6处理的土壤铵 态氮含量略高于对照CK3，其中，0-10cm和20-40cm土层，T6处理的土壤铵态氮含 量达到显著水平(P<0.05)，结果如表5所示。
表5黄瓜拉秧期不同土层的土壤铵态氮含量(mg·kg-1)
注：a、b、c和A、B、C分别表示不同土层之间和不同处理之间在0.05水平上的显著性差异；生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0；T5-5； T6-15t·hm-2。
4、土壤硝态氮
在黄瓜生育期内，0-20cm土层的土壤硝态氮含量总体呈下降趋势，在结瓜初期的含量最低。种植一季黄瓜后，土壤硝态氮含量下降5.20-95.15mg·kg-1。生物炭施用量 较高的处理T3-T6减缓了土壤硝态氮含量的下降趋势，较低用量T1-T2处理促进了硝 态氮含量的下降，如图14(a)-(c)所示。
本发明生物炭不同施用量处理对设施土壤硝态氮含量影响差异显著(P<0.05)，其中，当季施炭的T5-T6处理的土壤硝态氮含量高于其他施炭T1-T4处理1.42-2.80倍， 硝态氮含量的平均值分别为76.90mg·kg-1和77.15mg·kg-1(如图14(d)所示)。在黄 瓜种植前，第一年施用生物炭处理，较低施用量T1-T2处理的土壤硝态氮含量高于对 照CK1，而生物炭较高施用量T3-T4处理的硝态氮含量低于CK2(如图14(a)-(b) 所示)。第二年当季施炭T5-T6土壤硝态氮含量基本高于CK3，土壤硝态氮含量明显 增加(如图14(c)所示)。
在黄瓜拉秧后，不同土层之间的硝态氮含量差异显著(P<0.05)，并随土层深度增加而逐渐降低。0-10cm和10-20cm土层的硝态氮平均含量分别68.53mg·kg-1和35.18 mg·kg-1，显著高于20-40cm土层含量13.33mg·kg-1。在同一土层中，生物炭处理T1-T6 的土壤硝态氮含量高于对照CK1-CK3，但差异未达到显著水平，部分小区的含量低于 对照(如表6所示)。
表6黄瓜拉秧期不同土层的土壤硝态氮含量(mg·kg-1)
注：a、b、c和A、B、C分别表示不同土层之间和不同处理之间在0.05水平上的显著性差异；生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0；T5-5； T6-15t·hm-2。
5、土壤有机碳
在黄瓜生育期内，0-20cm土层的土壤有机碳含量变化不明显，总体保持在30g·kg-1左右。施用生物炭的处理增加了土壤中的有机碳含量，当季施炭T5-T6处理的土壤有 机碳含量增加5.83-8.61g·kg-1，增幅是对照CK3的1.76-2.59倍(结果如图15(a)-(c) 所示)。
表7黄瓜拉秧期不同土层的土壤有机碳含量(g·kg-1)
注：a、b、c和A、B、C分别表示不同土层之间和不同处理之间在0.05水平上的 显著性差异；生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0； T5-5；T6-15t·hm-2。
施用本发明生物炭处理T1-T6的土壤有机碳含量高于对照CK1-CK3(如图15(d) 所示)。在黄瓜种植前，第一年生物炭处理T1-T4，土壤有机碳含量28-32g·kg-1均高于 对照CK1-CK2。并且在第二年当季施炭后，T5-T6处理的土壤有机碳含量在29-31g·kg-1之间也高于CK3。但不同施用量的生物炭处理对0-20cm土层的设施土壤有机碳含量 的影响未达到显著水平(P>0.05)。
由表7可知，在黄瓜拉秧后，不同土层间的有机碳含量差异显著(P<0.05)，并随 土层深度增加而逐渐减少。0-10cm土层的有机碳含量为31.11g·kg-1，显著高于10-20cm 和20-40cm土层，有机碳含量分别为25.70g·kg-1和9.26g·kg-1。在同一土层中，施炭 T1-T6处理的土壤有机碳含量明显高于对照CK1-CK3，其中，当季施炭的效果显著， T5-T6的土壤有机碳含量均显著高于对照CK3(P<0.05)。
6、土壤pH值
从黄瓜整个生育期来看，土壤pH值变化呈倒“V”型分布，结瓜初期最高，pH 整体分布在7-8之间，呈中性到弱碱性。种植一季黄瓜后，土壤总体pH变化不大。由 于生物炭本身呈碱性，pH为9.40，施炭量较大的T3-T6处理的土壤pH较高，T4处 理土壤pH值最高为7.53，与对照相比提高了0-0.22个单位(结果如图16(a)-(c) 所示)。
表8黄瓜拉秧期不同土层的土壤pH变化
注：a、b、c和A、B、C分别表示不同土层之间和不同处理之间在0.05水平上的 显著性差异；生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0； T5-5；T6-15t·hm-2。
由图16(d)可知，不同施用量的生物炭处理对0-20cm设施土壤pH值的影响未 达到显著水平(P>0.05)，生物炭的具体施用时间对土壤pH变化影响不大，当季施炭 T5-T6土壤pH升高趋势并不明显。
由表8可知，在黄瓜拉秧后，不同土层的土壤pH值差异显著(P<0.05)，并随土 层深度增加而逐渐升高。20-40cm土壤pH值平均为8.57，显著高于0-10cm土层pH 值7.22和20-40cm土层pH值7.46。在同一土层中，生物施用T1-T6处理的土壤pH 值总体高于对照CK1-CK3，但处理之间的差异未达到统计学上的显著水平。
7、土壤导电率
在黄瓜生育期内，土壤电导率(EC)自定植期后呈缓慢的上升趋势，EC值总体 分布在100-300μs·cm-1之间。施用生物炭处理T1-T6的土壤EC值低于对照CK1-CK3， 说明生物炭施用能有效降低土壤的电导率，减轻土壤盐害。
第二年当季施用生物炭T5-T6处理降低了土壤EC值55.94-63.03μs·cm-1，降低幅度是对照CK3的2倍左右。施炭一年后的T1-T4处理的土壤电导率与对照相比降低了 1％-31％。但不同施用量处理的生物炭对0-20cm设施土壤的EC值影响未达显著水平 (P>0.05)。
在黄瓜拉秧后，不同土层的土壤电导率EC值差异显著(P<0.05)，并随土层深度 增加而逐渐降低。0-10cm土层的土壤EC平均值为283.18μs·cm-1，显著高于10-20cm 和20-40cm土层，土壤电导率EC平均值分别为165.08μs·cm-1和122.31μs·cm-1(表)。
由表9可知，在同一土层中，本发明生物炭处理的土壤EC值总体低于对照，但 部分小区的EC值高于对照处理，生物炭当季施用对降低表层土壤电导率的效果显著 (P<0.05)，能有效降低表层土壤的盐害。
表9黄瓜拉秧期不同土层的土壤电导率变化(μs·cm-1)
注：a、b、c和A、B、C分别表示不同土层之间和不同处理之间在0.05水平上的 显著性差异；生物炭施用量CK1-0；T1-0.8；T2-1.3；CK2-0；T3-10；T4-20；CK3-0； T5-5；T6-15t·hm-2。
由上述结果可知，本发明生物炭降低了耕层土壤容重，增加了土壤孔隙度，有利于降低土壤紧实度，但土壤物理性质变化与生物炭的具体施用时间和施用量无明显关 系。
生物炭提高了土壤速效磷、速效钾、铵态氮和有机碳含量，降低了土壤电导率。 生物炭当季施用提高了土壤有效养分含量，施用一年后生物炭的促进作用不明显。其 中，第二年当季施用生物炭T5-T6处理的土壤速效磷、速效钾和有机碳含量明显高于 对照CK3、T6(15t·hm-2)处理的土壤速效钾和硝态氮含量显著高于其他处理(P<0.05)。 与对照相比，生物炭减缓了土壤速效磷含量的下降幅度14.57％-18.42％，提高了速效 钾和有机碳含量分别为4.25-12.31倍和1.76-2.59倍，增加了土壤pH值0-0.22个单位， 生物炭对降低表层土壤EC效果显著(P<0.05)。而施炭一年后(第一年施炭)，生物 炭处理的土壤速效磷和速效钾含量随植物吸收而下降明显。
不同土层间的土壤养分含量差异显著，在黄瓜拉秧后的耕作层0-10cm和10-20cm土层，土壤速效磷、速效钾、硝态氮、有机碳含量、EC值和pH值差异显著(P<0.05)， 并随土层深度增加而逐渐降低，而pH值随土层深度增加而逐渐升高。土壤铵态氮含 量较少且土层分布差异不明显。

Claims (10)

1.一种生物炭的制备方法，包括如下步骤：将农业废弃物风干后除去杂质，然后依次进行粉碎、烘干和炭化，即得到生物炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述农业废弃物为玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、南瓜秸秆、圣女果秸秆、桃树修剪枝条和菌棒中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述农业废弃物粉碎后的长度为1～2cm。
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：所述烘干的温度为55～65℃；所述烘干的时间为10～12h。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述炭化的温度为300～700℃；所述炭化的的时间为100～150分钟。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述碳化后还包括粉碎过筛的步骤。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述粉碎过筛的目数为80～120目。
8.权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备的生物炭。
9.权利要求8所述生物炭在制备土壤调理剂和/或肥料缓释载体中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述生物炭制备用于黄瓜的所述土壤调理剂和/或肥料缓释载体。
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