CN110615722B

CN110615722B - 一种生物炭基多元肥及其制备方法

Info

Publication number: CN110615722B
Application number: CN201910897690.8A
Authority: CN
Inventors: 熊管乐; 吴七斤; 邱桠柳; 何菁; 林锴; 裴丹丹; 吴问波; 邵孝候
Original assignee: Guizhou Institute of Tobacco Science
Current assignee: Guizhou Institute of Tobacco Science
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: CN110615722A

Abstract

本发明公开一种生物炭基多元肥的制备方法，属于多功能生物肥料制造领域。本发明的制备方法包括如下步骤：改性生物炭的制备：按生物炭与硝酸铵溶液质量百分比为（20~50）：（120~150）的用量，将生物炭置于盛有硝酸铵溶液的容器中，放入恒温振荡箱中振荡24±1小时，在离心机中固液分离后，烘干；生物炭基多元肥的制备：按照改性生物炭与菌种培养液质量百分比为（1~1.5）：1的用量，将改性生物炭加入到菌种培养液中，放入恒温振荡箱中振荡24±1小时，低温干燥后，制成生物炭基多元肥。本发明除生物炭外还含有较高活性的氨化和硝化细菌，施入土壤中可显著提高氮素转化和肥料的利用效率。

Description

一种生物炭基多元肥及其制备方法

技术领域

本发明属于多功能生物肥料制造领域，涉及一种以木质生物炭为载体的微生物肥料及其制备方法，尤其涉及一种提高氮素转化和肥料的利用效率的微生物肥料制备方法。

背景技术

为提高作物产量增加经济效益，全年2～3季共施氮600～1 300kg/ha的现象在我国极为常见。过量的氮肥加重了作物体内的硝酸盐积累，进而威胁人体健康；氮肥的投入超过作物对氮肥的需求，致使作物的氮肥利用率仅为21％～36％；多余的氮肥导致土壤中硝态氮的大量累积，造成土壤次生盐渍化、土壤酸化等诸多生产问题，且过量的硝态氮极易被淋洗到地下水中，对地下水和附近的地表水体的环境质量构成威胁。

微生物肥料(菌剂)的制备为解决化肥的不合理施用造成的问题，即保证食品安全，提高肥料利用率，提高经济效益的同时减小对环境的负面影响提供了可能。

众所周知，直接投加到土壤中的微生物会受到土著微生物竞争以及不利的土壤环境条件如土壤pH、温度、盐分、水分、有机质等影响。应用载体固定生物菌剂就是为了保护微生物免受土壤不良环境的影响，从而确保微生物的生物活性，使土壤中的缓效养分转化成速效性养分供作物吸收利用。

目前，常用的商业微生物菌剂载体有泥炭藓、泥炭、蛭石等，这些载体受矿产开发影响而不能持续供应。出于成本和农林废弃资源化利用的考量，生物炭可以作为商业微生物菌剂载体材料的一种可持续替换。

然而并非所有的生物炭都适合作为微生物菌剂载体。研究表明，即便生物炭中的小孔隙和中孔隙储存的水和养分可以供给微生物的新陈代谢，但微生物却无法寄宿其中，只有大孔隙才可以真正为负载微生物所用。而大部分的生物炭以中、小孔隙为主，这将大大折损微生物的接种率；大多数生物炭呈强碱性，不利于微生物生存；生物炭本身拥有很高的碳含量，但是其他养分含量很低，过高的C/N值也不利于微生物的生存。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供了一种生物炭基多元肥的制备方法。

本发明还要解决的技术问题是提供了一种生物炭基多元肥。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提供了一种生物炭基多元肥的制备方法，包括如下步骤：

(1)改性生物炭的制备：将木质生物炭与硝酸铵溶液按质量比为(20～50)∶(120～150)的用量，将木质生物炭置于盛有硝酸铵溶液的容器中，放入恒温振荡箱中振荡24±1小时，在离心机中固液分离后，烘干得到改性生物炭；

(2)生物炭基多元肥的制备：取步骤(1)制备的改性生物炭与菌种培养液质量比为(1～1.5)∶1的用量，将改性生物炭加入到菌种培养液中，放入恒温振荡箱中振荡24±1小时，低温干燥后，制成生物炭基多元肥。

其中，所述步骤(1)中的木质生物炭的大孔隙(＞50nm)占比不低于15％，且其pH值范围为4-7，使用前，将生物炭过2mm筛。本发明选取的木质生物炭为松木生物炭，因其本身的木质素含量较高，在热解后会产生更多的大孔隙，能为微生物提供更有效的寄宿空间。在接种EM菌剂之前添加外源氮对木质生物炭进行改性能够降低生物炭的pH值和C/N，使接种环境更适合微生物的生存，提高菌剂接种率；另一方面，外源氮的添加可以驯化复合菌群(EM)中的氨化细菌和硝化细菌，以此提高氨化细菌和硝化细菌的活性，施用后最终达到利用菌剂提高土壤氮素转化和肥料利用率的目的。EM作为一种成功的商业复合菌剂，已成功应用于农业、环保、医疗等众多领域，并取得了不错的效果，为EM添加载体有利于EM效力的进一步提升。此外，本产品操作简单易行，具有工业化前景。而且可根据实际需要，在本产品基础上进一步加工，开发更多的产品。

其中，所述步骤1)硝酸铵溶液的重量百分比浓度为2％～8％。

其中，所述步骤(1)恒温箱温度控制在25℃～35℃，转速180-200rpm，离心机转速8000-10000rpm，烘干温度控制在65℃-85℃。

其中，所述步骤(2)的菌种培养液为EM活性液，是由1份EM原液，1份糖蜜，98±1份去离子水混合，在25℃-35℃下密闭培养5-7天而成。

其中，所述步骤(2)的恒温箱温度控制在25℃～35℃，转速180-200rpm，低温干燥温度控制在40℃以下，干燥后生物炭基多元肥含水率不大于8％。

本发明内容还包括所述的制备方法制备得到的生物炭基多元肥。

本发明中，所述的木质生物炭，可以根据接种菌剂的pH耐受范围做相应调整，但其大孔隙(＞50nm)占比不得低于15％；所述添加的外源氮为硝酸铵溶液，因为硝酸铵为强酸弱碱盐，溶于水后呈酸性，在添加氮源的同时还能够有效中和生物炭的碱性，降低生物炭的pH，使其更适合微生物的接种，同时硝酸铵在作物生产中用量最大、增产作用明显；所述的接种菌剂为EM，EM是由光合菌群(中心作用)、乳酸菌群、酵母菌群、放线菌群、丝状菌群等5科10属80余种微生物共同组成的，是能使作物生长良好、无病，增加产量，改善以化肥为主肥源的现代集约化农业生产中出现的土壤恶化、农作物品质下降、生态环境恶化等问题的有效微生物群。虽然EM最初是作为土壤改良剂问世的，但随着应用技术不断被开发，其应用领域也不断被拓宽，目前，EM在世界范围已被运用于农、牧、林、水产养殖、环保等诸多领域，是一种已被验证有效地可用于二次开发的成功商业菌剂。因此，EM可以根据投放目的进行驯化，形成优势菌群后，引导环境中的微生物向有益方向活动，并抑制腐败菌、病原菌增殖。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明利用松木生物炭巨大的比表面积和其较一般生物炭更多的大孔隙结构，为微生物的栖息提供了一种更易获取且价格低廉的载体，保护菌剂不受土壤环境干扰从而更好地发挥作用。在接种菌剂之前添加外源氮对木质生物炭进行改性能够降低生物炭的pH值和C/N，使接种环境更适合微生物的生存，提高菌剂接种率；另一方面，外源氮的添加可以驯化复合菌群中的氨化细菌和硝化细菌，以此提高氨化细菌和硝化细菌的活性，施用后最终达到利用菌剂提高土壤氮素转化和肥料利用率的目的。此外，C/N的降低还有利于减少生物炭直接施入养分亏缺的土壤中争夺土壤有效养分而导致的作物生长抑制或减产问题。本发明制备方法简单，操作性强，具有良好的工业化前景。此外，可根据实际需要在本发明基础上进行二次开发。

具体实施方式

下面通过具体的实施例详细说明本发明，但不限制本发明。

实施例1：

一种生物炭基多元肥的制备方法，包括如下步骤：

(1)材料准备：松木生物炭采购于市场，材料参数见表1，过2mm筛备用；硝酸铵晶体，含氮量35％，分析纯，按照每100克硝酸铵晶体溶解于5000毫升去离子水的比例配成硝酸铵溶液；EM原液(由光合菌群(中心作用)、乳酸菌群、酵母菌群、放线菌群、丝状菌群等5科10属80余种微生物共同组成的)购自南京市爱睦乐环保生物技术有限公司，用1份EM原液，1份糖蜜，98份去离子水(体积百分比)混合，在25℃-35℃下密闭培养7天制成EM活性液(菌种培养液)。

表1

载体材料	pH	C/N	比表面积(m<sup>2</sup>/g)	大孔隙(＞50nm)占比
					松木生物炭	5.72	118.12	63.00	30％
改性生物炭	5.26	25.22	63.00	30％

(2)按松木生物炭与硝酸铵溶液质量百分比为30∶150的用量，将松木生物炭置于盛有硝酸铵溶液的容器中，放入25℃恒温振荡箱中，设定转速为200rpm，振荡24小时，再将浸泡过硝酸铵溶液的松木生物炭放入离心机中，设定转速为10000rpm，固液分离后放入65℃烘干箱，烘干后得到改性生物炭(参数见表1)。

(3)按照改性生物炭与菌种培养液质量百分比为1∶1的用量，将改性生物炭加入到菌种培养液中，放入25℃恒温振荡箱中，设定转速为200rpm，振荡24小时后取出。

(4)将步骤(3)中的接种过EM的改性生物炭放入烘箱中，将温度设定为40℃，当含水率为6％时(低于8％)，即制成了生物炭基多元肥。

实施例2

选用实施例1中制备的改性生物炭，按照改性生物炭与菌种培养液质量百分比为1.25∶1的用量，将改性生物炭加入到菌种培养液中，放入25℃恒温振荡箱中，设定转速为200rpm，振荡24小时后取出。将接种过EM的改性生物炭放入烘箱中，将温度设定为40℃，当含水率为6％时(低于8％)，即制成了生物炭基多元肥。

实施例3

选用实施例1中制备的改性生物炭，按照改性生物炭与菌种培养液质量百分比为1.5∶1的用量，将改性生物炭加入到菌种培养液中，放入25℃恒温振荡箱中，设定转速为200rpm，振荡24小时后取出。将接种过EM的改性生物炭放入烘箱中，将温度设定为40℃，当含水率为6％时(低于8％)，即制成了生物炭基多元肥。

实施例4

选用实施例1、2、3中得到的生物炭基肥，将其施用到土壤中，培养7天后利用FastDNA Spin Kit for Soil(包含以下使用的所有试剂，购自北京毕特博生物技术有限责任公司)对土壤DNA含量进行测试，具体步骤如下：(1)分别称取实施例1、2、3中得到的生物炭基多元肥各1g，并分别与20g田间新鲜土样(pH为4.47，交换性总酸度为1.55cmol/kg，有机质为31.14g/kg，总氮为1.49g/kg，碱解氮为119.50mg/kg，有效磷为61.97mg/kg，速效钾为60.44mg/kg)充分混合后置于200ml带盖的塑料纸杯中，纸杯的顶部和底部均可通风透水，调节含水量至田间持水量的40％-60％。另取20g同一批鲜土样，除不添加生物炭基多元肥外，其余条件均相同，作为空白对照。培养7天后，取土进行DNA提取；(2)将施用过实施例1、2、3得到的生物炭基多元肥的土壤及空白土壤各取0.5g装入2mlEP管中，加入978微升Sodium Phosphate缓冲液和122微升MT缓冲液，放在Vortex旋涡混合器上充分混匀(6档，25min)，再离心5min(14000g)；(3)将上清液用移液枪移到1.5mlEP管中，加入250微升PPS并混合10次，离心5min(14000g)；(4)将(3)中上清液移到15ml塑料管中，加入1ml的BindingMatrix溶液，上下颠倒2min后静置3min，弃掉500ml上清液得到DNA溶液；(5)将600微升的DNA溶液转移到洗脱管中，清空洗脱管，重复此步骤直到溶液不超过600微升；(6)加入500微升的SEMS-M溶液，离心1min(14000g)，清掉洗脱管中的液体；(7)将洗脱管再次离心2min(14000g)，室温下静置5min；(8)将(7)洗脱管中的滤网换到新的洗脱管中，加入50微升的DES Elution溶液，离心1min(14000g)，得到DNA提取液；(9)利用HD-3005核酸蛋白检测仪对提取液DNA浓度进行检测，结果见表2。

表2

从土壤中提取的DNA，是土壤中微生物、动植物遗体等的总DNA，但其最主要来源是土壤中的各种微生物，土壤的DNA浓度能在一定程度上反映土壤中微生物的数量。由表2可知，施用生物炭基多元肥后的土壤DNA浓度有显著提升，其中以实施例2得到的生物炭基多元肥的效果最好。说明生物炭多元肥的施用增加了土壤中微生物的丰度。

实施例5

选用实施例2中所得的生物炭基多元肥，实施例1中所得的松木生物炭及EM活性液作为添加剂，对土壤呼吸进行测试。

其中，松木生物炭与EM活性液均为用于生物炭基多元肥制作的同一批材料；呼吸测试方法为静态气室法。

呼吸测试包括如下步骤：(1)称取1g的生物炭基多元肥、1g松木生物炭和1g的EM活性液，将3种添加剂分别与50g田间新鲜土样(pH为4.47，交换性总酸度为1.55cmol/kg，有机质为31.14g/kg，总氮为1.49g/kg，碱解氮为119.50mg/kg，有效磷为61.97mg/kg，速效钾为60.44mg/kg)充分混合后平铺于500ml三角瓶的瓶底，调节含水量至田间持水量的40％-60％；(2)吸取5.0ml的0.1mol/L氢氧化钠溶液于吸收瓶中，将吸收瓶挂在500ml三角瓶中，再将三角瓶塞紧，于25℃的恒温培养箱中培养24小时；(3)用标准盐酸对吸收瓶中的碱液进行滴定并计算出土壤呼吸强度。

结果表明，经过24小时恒温培养，不做任何添加的土壤的呼吸为0.0313ml/g/d；添加松木生物炭的土壤呼吸为0.0498ml/g/d，相较空白，呼吸强度提高了59.11％；添加EM活性液的土壤呼吸为0.0399ml/g/d，相较空白，呼吸强度提高了24.48％；添加生物炭基多元肥的土壤呼吸为0.0685ml/g/d，比空白提高了118.85％。

土壤呼吸可以用来衡量土壤中微生物的总活性。以改性生物炭为微生物菌剂载体能为土壤微生物提供更好的栖息环境，提高了微生物的活性，生物炭基多元肥对土壤呼吸的促进效果优于单独添加EM活性液和单独添加生物炭。

实施例6

选用实施例2中所得的生物炭基多元肥，实施例1中所得松木生物炭及EM活性液作为添加剂，在强酸性耕地上进行小白菜种植。

其中，松木生物炭与EM活性液均为用于生物炭基多元肥制作的同一批材料；小白菜品种为“闽樟五月慢”。

测试在塑料大棚内进行，两面通风。强酸性耕地pH为4.47，交换性总酸度为1.55cmol/kg，有机质为31.14g/kg，总氮为1.49g/kg，碱解氮为119.50mg/kg，有效磷为61.97mg/kg，速效钾为60.44mg/kg。

具体操作步骤如下：(1)生物炭基多元肥、松木生物炭、EM活性液的施用量均为300kg/ha，表面撒施后翻耕，翻耕深度约为10cm，翻耕后起垄，垄高0.2m。小白菜幼苗于翻耕后第二天移栽至垄上，定植两周后施肥(15-15-15多肽纯硫基复合肥，总养分≥45％，购自湖北鄂中化工有限公司)，用量为333.33kg/ha，后期不再追肥，并于定植71天后采收。除添加剂不同，耕作措施及田间日常管理等方面均完全一致。小白菜收获后取0-20cm土样进行分析。试验结果见表3和表4。

表3

表4

表3结果表明，添加生物炭基多元肥、生物炭、EM活性液都促进了小白菜生长，其中生物炭基多元肥对小白菜株高、叶片数、单株重、根重、根系总长及主根长的促进效果均为最优，尤其是生物炭基多元肥的增产效果(增产67.5％)远好于单独添加生物炭(增产18.8％)和单独添加EM活性液(增产23.0％)。

表4结果表明，添加生物炭基多元肥、生物炭、EM活性液均能改善土壤的养分状况。添加过生物炭基多元肥、生物炭、EM活性液的土壤相较空白，有效磷分别提高了76.42％、43.39％、42.62％；速效钾分别提高了161.00％、66.77％、41.97％；全氮分别提高了20％、-13.33％、6.67％；水解氮分别提高了86.79％、47.26％、63.51％；有机质分别提高了6.62％、39.34％、20.58％。

小白菜种植过程中只施用一次复合肥，且用量不高，添加生物炭基多元肥的土壤有机质低于单独施用生物炭和单独施用EM活性液的处理，但其全氮、碱解氮及有效磷、速效钾含量均高于其他处理，且得到了最高的小白菜产量，说明改性生物炭作为EM菌剂载体能有效保护微生物免受强酸性土壤的干扰，保证微生物(尤其是氨化细菌和硝化细菌)活性进而促进土壤中的养分转化，同时还能提高小白菜对养分的利用率。综上可知，生物炭基多元肥对小白菜生长和土壤养分的影响优于单独施用生物炭与EM活性液。

Claims

1.一种生物炭基多元肥的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）改性生物炭的制备：将松木生物炭与硝酸铵溶液按质量比为30：150的用量，将松木生物炭置于盛有硝酸铵溶液的容器中，放入25℃恒温振荡箱中，设定转速为200rpm，振荡24小时，再将浸泡过硝酸铵溶液的松木生物炭放入离心机中，设定转速为10000rpm，固液分离后放入65℃烘干箱，烘干后得到改性生物炭；

（2）生物炭基多元肥的制备：取步骤（1）制备的改性生物炭与菌种培养液质量比为1.25:1的用量，将改性生物炭加入到菌种培养液中，放入25℃恒温振荡箱中，设定转速为200rpm，振荡24小时后取出，将接种过菌种培养液的改性生物炭放入烘箱中，将温度设定为40℃，当含水率为6%时，即制成了生物炭基多元肥；

所述步骤（ 1）硝酸铵溶液的配制方法如下：按照每100克硝酸铵晶体溶解于5000毫升去离子水的比例配成硝酸铵溶液；所述步骤（2）的菌种培养液为EM活性液，是由1份EM原液，1份糖蜜，98±1份去离子水混合，在25℃-35℃下密闭培养5-7天而成。