CN111410590A - 一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料，包括100‑600kg/亩小麦秸秆粉和200‑300kg/亩生物炭，小麦秸秆粉的颗粒直径大小不大于2cm；生物炭为通过水热炭化技术获得，水热碳化的步骤是将生物质与水按比例完全混合放入反应器中，在不同气氛条件下于200‑350℃的温度，反应时间0.5‑2h，进行的水热反应。本发明采用上述一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料及使用方法，提高秸秆还田的效率及其降解速率，减少化肥使用，实现土壤改良。

Description

一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料及使用方法

技术领域

本发明涉及肥料技术领域，特别是涉及一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料及使用方法。

背景技术

随着全世界粮食作物种植面积的扩大，秸秆产量也逐渐增加，然而，植物残体收获时从土壤生态系统中带走大量营养物质会导致土壤有机质减少，土壤保持养分和水分的能力降低，生产力下降等一系列土壤退化现象。秸秆还田现已成为直接有效的秸秆资源利用方式，加快推进了秸秆资源开发利用的良性循环，减少了秸秆露天焚烧造成的大气污染问题，促进经济与生态协调和持续发展的同时，提高了农业的生产效率。研究表明，农作物秸秆还田后土壤的水、肥、气、热条件得到了改善，对生态环境和资源起到了保护作用，是农业持续发展的有效措施和途径之一，而且还能够有效地改良土壤结构和性质。秸秆还田的保水效果与土层深度、土壤温度有关，秸秆覆盖还田对农田保水控水起到了很好的作用。

生物炭和秸秆还田由于其自身难降解的特点并不能在土壤中大量的施用。秸秆在厌氧腐解的过程中需要从土壤中吸收氮等元素，还田量过大易引起氮素缺失，腐解不当还会导致甲烷、硫化氢有毒有害气体增加等诸多负面影响，严重时会影响水稻根系活力和分蘖能力，最终造成减产。

国外对生物炭对土壤改良的研究已有很多报道。但其对土壤改良的效果极其用量还一直存在着较大的争议。如在新西兰农田研究表明，富含黑炭的人为土耕层土壤含水量是附近不含黑炭土壤的3倍、田间持水量高18％。这是由于生物炭能改善土壤的有机质、含水量、pH等，而这些因素能影响土壤呼吸作用强度，因此认为生物炭可促进土壤的呼吸作用。美国大田实验研究表明当生物炭施用量达到100t/hm²时，生物炭不仅可减少养分的淋失，増加作物对这些养分的吸收的机会外，还能减轻有毒元素对作物生长的伤害，从而促进植株的生长；但施用量超过150t/hm²时，会因土壤空隙过大而加速养分的流失，显著抑制了土壤团聚体的形成和微生物的生长。这表明，根据当地土壤的特点制备适宜当地使用的生物炭，并进行合理的施用，是改善土壤肥力，提高植物养分利用效率的重点。

我国耕地资源有限，人均耕地面积只有1.3亩。为支撑庞大人口的粮食需求，在耕地无法增加的情况下过分追求产量使得我国化肥使用量巨大，过量的化肥使用不仅导致我国化肥利用率不足30％，效率低下；也造成了严重的环境污染和耕地退化。

目前，我国的华北地区虽然在保证我国粮食生产及蔬菜供应方面做出了重要的贡献，但是近年来，该地区的农业生产也出现了一系列我国农业普遍存在的问题。该地区在农业生产过程中投入的氮磷钾肥逐年增加，在目前该地区的集约化生产体系中所体现出的高产其实是大量物质和劳动高投入的体现，其中化肥已成为该地区养分供应的主体，对粮食增产的作用占到 30％-40％。但是利用效率却逐渐降低，由此就产生了土壤板结严重，有机质降低，地下水资源枯竭，土壤盐碱化加重等环境问题；另一方面，因粮食作物的规模不断扩大，小麦、玉米等粮食作物秸秆的处理也成为当地农业发展的一大问题，不当利用如燃烧直接扔弃不仅造成了严重的大气污染，还导致了资源的浪费。

研究统计，京津冀地区，在一年两熟小麦-夏玉米轮作体系下，每年大约产生小麦秸秆620万吨、玉米秸秆416万吨。将这些秸秆资源以适当的形式及适当的使用量归还入土壤，不仅可以为土壤带回秸秆自身含有的碳、氮、磷、钾等养分资源，减少土壤对化肥的直接需求；而且这些秸秆归还土壤后有利于增加土壤碳库储量，可以通过改善土壤的物理化学环境，减少土壤的肥力损失，提高土壤肥力。

但是，针对华北地区土壤中有机质的不足，通过何种方式将秸秆还入土壤及施用量还需要深入地研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料及使用方法，提高秸秆还田的效率及其降解速率，减少化肥使用，实现土壤改良。

为实现上述目的，本发明提供了一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料，包括100-600kg/亩小麦秸秆粉和200-300kg/亩生物炭，小麦秸秆粉的颗粒直径大小不大于2cm；

生物炭为通过水热炭化技术获得，水热碳化的步骤是将生物质与水按比例完全混合放入反应器中，在不同气氛条件下于200-350℃的温度，反应时间0.5-2h，进行的水热反应。

优选的，小麦秸秆粉的颗粒直径为1cm，所述生物质为小麦秸秆，生物炭pH<7。

优选的，肥料的组成和配比包括400kg/亩小麦秸秆粉和250kg/亩生物炭。

优选的，生物炭是在氮气的氛围下，250℃炭化温度，2小时的炭化停留时间的条件下获得的。

一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料使用方法，将小麦秸秆粉与生物炭混匀，并按照确定的施用量翻耕至土壤20cm深土层施入大田。

因此，本发明采用上述一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料及使用方法，通过生物质热解技术制备具备多孔结构具有高吸附性能生物炭作为肥料及土壤改良剂，提高秸秆还田的效率及其降解速率，减少传统化肥使用和土壤改良的目的。

生物炭的独特性能和高炭含量不仅有利于土壤的改良和有机质的固持，还能加速秸秆的分解，有利于养分的释放和植物的吸收，将极大的促进华北地区农业的发展。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是小麦秸秆中总氮、磷、钾浓度的变化及在不同温度下产生的生物炭，25℃表示小麦秸秆，其他所有温度表示生物炭浓度；

图2是在不同热解温度、气氛和停留时间下制备的小麦秸秆和生物炭的红外光谱，C-1：CO₂和1小时；C-2：CO₂和2小时；N-1：N₂和1小时； N-2：N₂和2小时；

图3是不同生物炭的电镜扫描图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料，包括100-600kg/亩小麦秸秆粉和200-300kg/亩生物炭，肥料的组成和配比优选400kg/亩小麦秸秆粉和 250kg/亩生物炭。小麦秸秆粉的颗粒直径大小不大于2cm，优选1cm；

生物炭为通过水热炭化技术获得，水热碳化的步骤是将生物质与水按比例完全混合放入反应器中，在不同气氛条件下于200-350℃的温度，反应时间0.5-2h，进行的水热反应。气氛条件为氮气或二氧化碳，生物质为小麦秸秆，生物炭pH<7。

一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料使用方法，将小麦秸秆粉与生物炭混匀，并按照确定的施用量翻耕至土壤20cm深土层施入大田。

试验测试

1、试验地点

试验地点在新苑阳光农业有限公司蔬菜基地进行，研究区地处华北平原中部(108°52′E，34°36′N，海拔427m)，以小白菜、生菜种植为主。该地属暖温带大陆性季风气候半干旱区，年均气温12.9℃，无霜期218d，日照时数2095.7h，多年平均降水量为526.5mm，且夏秋两季的降水量占全年降水量的70％左右。供试土壤类型属于棕壤，耕层pH值为8.08，总有机碳储量为23.17t/hm²，活性有机碳储量为4.05t/hm²，全氮、全磷、全钾含量分别为1.17、0.81和29.32g/kg，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为20.26、 10.53和244mg/kg。采用结球生菜铁人作为供试农作物。

2、生物炭制备的试验方案

生物炭制备采用京津冀地区常见的小麦秸秆。采用水热炭化技术，采用不同炭化温度(200、250和300℃)和不同炭化停留时间(0.5、1和2h)制得不同品种生物炭，通过分析比表面积、灰分、碳、氮含量和pH，筛选出吸附性能最佳、养分含量最高的生物炭材料，如图1-3。

图2是在不同热解温度、气氛和停留时间下制备的小麦秸秆和生物炭的红外光谱，C-1：CO₂和1小时；C-2：CO₂和2小时；N-1：N₂和1小时； N-2：N₂和2小时。

结果发现，在氮气的氛围下，250℃炭化温度，2小时的炭化停留时间获得的生物炭吸附性能最佳、养分含量最高。

表1小麦秸秆和秸秆生物炭的农艺学特性及热解条件下的产量

3、肥料组配的试验方案

(1)不同秸秆还田量及还田方式设计

小麦秸秆粉碎成1cm直径后分别按照100、200、400和600kg/亩的施用量施入大田，通过直接还田和翻耕至土壤20cm深土层处理。设置常规NPK 肥对照处理，复合肥施用量为15kg/亩。共计9个处理，每个处理3个重复，一共设置27个小区，每个小区2×2m。

种植后按照新苑阳光农业有限公司菜地管理规范进行管理和追施复合肥料。试验连续进行1年，种植前和收获后测定生菜产量、土壤理化性质、生菜氮肥利用效率等。

(2)不同生物炭量结合秸秆配施设计

本试验小麦秸秆粉碎成1cm直径后分别按照设计(1)的最佳施用量施入农田。同时添加不同生物炭施用量处理，设置0、200、250和300kg/亩。设置常规NPK肥对照处理，复合肥施用量为15kg/亩。共计5个处理，每个处理3个重复，一共设置15个小区，每个小区2×2m。

种植后按照新苑阳光农业有限公司菜地管理规范进行管理和追施复合肥料。试验连续进行2年，种植前和收获后测定生菜产量、土壤理化性质、生菜氮肥利用效率等。

3、项目相关指标的测定方法

(1)生物炭相关指标测定

生物炭微观形态：用扫描电镜(SEM)观察同时结合能谱仪(EDS)分析材料表面的元素组成；

生物炭养分测定：C、H、O、N、P、S、K含量采用ICP测定；

灰分含量：采用马弗炉在800℃条件下无氧加热4h称重测定；

pH值测定：样水比1:25(120r/min)振荡24小时测定；

比表面积，孔体积和孔径分布：在液氮温度(77K)条件下测定吸附刻对高纯液氮的吸附作用，样品分析前先在100℃温度条件下真空脱气12小时。采用多点BET法计算比表面积和氮的吸附量来计算孔体积；

(2)土壤相关指标测定

pH值的测定：取风干的土样5g，在三角瓶内放入蒸馏水25mL，搅拌 1min后静置30min，用电位法测定水土比为5：1土壤悬浊液的pH值。

土壤养分含量的测定：收获前后后对土壤有机质进行测定，采用国标 LY/T1221.16-1999测定全盐量，采用NY/T 1121.6-2006重络酸钾外加热法测定有机碳含量，半微量凯氏滴定法测定全氮量。

土壤钾元素的测定：采用国标LY/T 1236-1999火焰光度法对速效钾、全钾含量进行测定。

土壤磷元素测定：采用NaOH熔融－钼锑抗比色法测定。

(3)植物相关指标测定

生菜产量的测定：采集后105℃烘干，称重法测定。

生菜氮磷钾含量测定：样品烘干后过100目筛，H₂SO₄-H₂O₂消化，半微量凯氏滴定法测定全氮量，火焰光度法对全钾含量进行测定，钼锑抗比色法测定磷含量，并计算养分利用效率。

4、结果分析

(1)经过测产后，以直接还田方式还田，400kg/亩秸秆还田处理结球生菜产量最高，达0.949kg/棵，其次为600kg/亩、200kg/亩和100kg/亩秸秆还田处理，分别较对照提高7.72％、6.63％、3.52％和0.96％。

以翻耕至土壤20cm深土层施入大田，400kg/亩秸秆还田处理结球生菜产量最高，达到0.966kg/棵，其次为600kg/亩、200kg/亩和100kg/亩秸秆还田处理，分别较对照提高9.58％、7.72％、4.39％和1.70％。

秸秆还田可以形成良好团聚体结构的土壤，具有高度的孔隙性、持水性和通透性，还可以提高土壤有机质含量、优化土壤物理性状，在植物生长期间能很好的调节植物对水、肥、气、热诸因素的需要，为作物高产提供了保证。并且翻耕比直接还田增产效果好，随着秸秆还田的施入量增加，产量先增减后减少，在400kg/亩时达到最大值。

表1不同秸秆施入方式处理结球生菜产量

(2)经过测产后，以上述结果中4号最佳秸秆还田方式还田，250kg/ 亩配施生物炭处理结球生菜产量最高，达0.990kg/棵，其次为300kg/亩和 200kg/亩生物炭配施处理，分别较对照提高12.30％、11.20％、和9.27％。

在秸秆还田的基础上配施生物炭，还可有效调节土壤的酸碱性，增加秸秆分解初期植物营养供应。随着秸秆还田的施入量增加，产量先增减后减少，在400kg/亩时达到最大值。

试验表明，小麦秸秆粉碎成1cm直径后按照400kg/亩的施用量翻耕至土壤20cm深土层施入大田配施250kg/亩生物炭实验处理结球生菜产量最高，为0.990kg/棵，较对照产量提高，增幅为9.27％。

表2不同生物炭施入量处理结球生菜产量

因此，本发明采用上述一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料及使用方法，提高秸秆还田的效率及其降解速率，减少化肥使用，实现土壤改良。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料，其特征在于：肥料的组成和配比包括100-600kg/亩小麦秸秆粉和200-300kg/亩生物炭，小麦秸秆粉的颗粒直径大小不大于2cm；

生物炭为通过水热炭化技术获得，水热碳化的步骤是将生物质与水按比例完全混合放入反应器中，在不同气氛条件下于200-350℃的温度，反应时间0.5-2h，进行的水热反应。

2.根据权利要求1所述的一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料其特征在于：小麦秸秆粉的颗粒直径为1cm，所述生物质为小麦秸秆，生物炭pH<7。

3.根据权利要求1所述的一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料其特征在于：肥料的组成和配比包括400kg/亩小麦秸秆粉和250kg/亩生物炭。

4.根据权利要求1所述的一种小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料其特征在于：生物炭是在氮气的氛围下，250℃炭化温度，2小时的炭化停留时间的条件下获得的。

5.一种如权利要求1-4任意项所述的小麦秸秆生物炭结合秸秆配施的肥料使用方法，其特征在于：将小麦秸秆粉与生物炭混匀，并按照确定的施用量翻耕至土壤20cm深土层施入大田。

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