CN112250501A - 中量元素水溶肥及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中量元素水溶肥及其制备方法与应用。所述水溶肥是由141‑196份无机盐、33.2‑161份壳寡糖、0.1‑1份消泡剂与60‑76份浓缩鸡粪发酵沼液混合而成；其中，份为重量份。本发明打破了传统直接将沼液作为有机肥料的低效利用方式，并且将壳寡糖这种可抑制植物病原菌活性，促进植物生长，增强植物抗病能力的有机生物易降解材料作为螯合剂，所配制的中量元素水溶肥料喷施农作物和经济作物叶面后，可抑制植物病原菌，显著提高植物产量，改善品质，增强植株抗病性，肥效理想，可实现规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及农用肥料领域，具体地说，涉及中量元素水溶肥及其制备方法与应用。
背景技术
随着我国畜禽养殖业向着集约化、规模化发展的进程加快，畜禽粪污的产生量也大量增加，我国畜禽养殖场每年产生的畜禽粪污量约为38亿吨，如何处理这些畜禽粪污是我国畜禽养殖业发展过程中面临的难题。养殖粪污中的污染物含量较高，其氨氮高达800-6000mg/L，化学需氧量高达3000-12000mg/L，固体悬浮物高达3000-20000mg/L。若对于畜禽养殖产生的废水不加处理就随便排放结果会造成当地环境的严重污染，直接影响到当地人们的生产生活。厌氧发酵技术是处理畜禽养殖废弃物以及回收能源的一种非常实用的技术，它既可以解决畜禽养殖废弃物的污染问题又可以实现废物的资源化利用。近年来，以厌氧发酵技术为核心的沼气工程建设在国内发展迅速。截至2014年底，我国各类沼气工程达到了103036处，总池容达1.7×107m3。随着沼气工程发展规模快速的扩大，沼液的产出也随之快速增加。对于未经处理的原沼液利用以直接还田、浸种或作为饲料等为主，但由于其体积庞大、养分浓度低、运输以及储存困难等原因，不便于直接利用，有大量的沼液因无法及时消纳而对环境造成了破坏并且浪费了资源，因此如何对其进行处理，将其资源化利用，是厌氧发酵技术进一步发展亟需解决的问题。
对沼液进行浓缩并且循环回用是资源化处理并且利用沼液的一种途径，在沼液浓缩技术中，膜分离技术由于其工艺简单、操作方便，不改变成分特性等特点成为沼液浓缩的主要技术。沼液膜浓缩是以选择性透过膜为分离介质，由于膜壁带有微孔，沼液在一定压力下通过膜的一侧，清水及小分子溶质透过膜壁为透过液，同时截留较大分子溶质，从而达到沼液内清水与浓液分离，以及营养成分浓缩的目的。
由于浓缩沼液的组成成分复杂，直接将中量元素钙、镁离子引入浓缩沼液中会生成大量的水不溶物，导致肥效不理想，所以一般会添加螯合剂将中量元素钙镁螯合之后再与浓缩沼液配制成水溶肥料。目前使用的螯合剂一般只起到螯合金属离子的作用，本身对植株生长并无作用，甚至有些譬如EDTA、DTPA之类的螯合剂，由于其生物降解性能极差，会对环境造成危害。因此，开发新型的中量元素水溶肥成为当务之急。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的中量元素水溶肥及其制备方法与应用。
为了实现本发明目的，第一方面，本发明提供一种中量元素水溶肥，所述水溶肥是由141-196份无机盐、33.2-161份壳寡糖、0.1-1份消泡剂与60-76份浓缩鸡粪发酵沼液混合而成；其中，份为重量份。
本发明中，所述无机盐为硝酸钙和/或硝酸镁。
进一步地，所述中量元素水溶肥包括如下成分：四水合硝酸钙600～730g/L、六水合硝酸镁105～250g/L、壳寡糖166～805g/L和有机硅酮消泡剂0.5～5g/L。优选包括如下成分：四水合硝酸钙720g/L、六水合硝酸镁240g/L、壳寡糖210g/L和有机硅酮消泡剂2g/L。所述水溶肥以浓缩鸡粪发酵沼液为基液配制而成。
本发明中，所述浓缩鸡粪发酵沼液的制备方法包括：鸡粪厌氧发酵沼液经过滤去除悬浮物，滤液利用膜分离技术进行浓缩。即，滤液依次经超滤膜组件、纳滤膜组件进行浓缩，即得浓缩鸡粪发酵沼液。
所述浓缩鸡粪发酵沼液的制备方法包括：
1)鸡粪厌氧发酵沼液进入秸秆-火山岩-石英砂三级过滤系统以去除悬浮物，进水流量为5L/h，得滤液I；
2)滤液I在流速为38-42L/h、过膜压力为0.05MPa的条件下进入3μm保安过滤器进一步去除悬浮物，得滤液II；
3)滤液II进入超滤膜组件，在流速为38-42L/h、过膜压力为0.1MPa的条件下，将滤液II体积浓缩至原体积1/4左右，得到超滤膜清液；
4)将超滤膜清液通入纳滤膜组件，在流速为38-42L/h，过膜压力为0.1MPa的条件下，将超滤膜清液体积浓缩至原体积1/3左右，得到纳滤膜浓缩液，即为浓缩鸡粪发酵沼液成品；其中，秸秆-火山岩-石英砂三级过滤系统由三个柱子组成，分别为秸秆过滤柱、火山岩过滤柱和石英砂过滤柱，每个柱子直径10cm，有效高度1m；其中，秸秆过滤柱内装填的滤料为玉米秸秆，上部为粒径大小约40mm的粗玉米秸秆，装填高度约为4cm，填装密度0.1g/cm3左右，下部为粒径大小约20mm的细玉米秸秆，装填高度约为40cm，填装密度0.1g/cm3左右；火山岩过滤柱内装填的火山岩的粒径大小为0.2-2mm，装填高度为80cm，填装密度1.1g/cm3；石英砂过滤柱内装填的石英砂的粒径大小为03.-0.6mm，装填高度为80cm，装填密度1.5g/cm3；沼液从秸秆过滤柱上端进液，下端出水口连接火山岩过滤柱上端进水口，火山岩过滤柱下端进水口连接石英砂过滤柱上端进水口。
保安过滤器的微滤膜孔径为3μm。
超滤膜组件采用的膜材质为聚偏氟乙烯，中空纤维膜，截留分子量约50000(MWCO)/Da，膜面积约0.25m2，膜丝内外径分别为0.6mm左右和1.0mm左右。例如，所述超滤膜组件可购自湖州科滤膜技术有限公司，型号为50W1M。
纳滤膜组件采用的膜材质为芳香族聚酰胺纤维，卷式膜，电荷性为负电，有效膜面积约7.9/m2。例如，所述纳滤膜组件可购自美国海德能公司，型号为ESNA1-4040。
本发明中，所述浓缩鸡粪发酵沼液包含腐植酸2.17-2.49g/L、总氮7.34-7.50g/L、P5O2 0.51-0.52g/L和K2O 3.79-3.80g/L。
本发明中，所述壳寡糖的分子量为低于3000Da，优选1300Da。
第二方面，本发明提供所述水溶肥的制备方法，包括：
(1)将部分浓缩鸡粪发酵沼液置于45-55℃(优选50℃)的恒温搅拌罐内，依次加入无机盐、壳寡糖和消泡剂，搅拌使所有原料完全溶解；
(2)用剩余浓缩鸡粪发酵沼液定容，即得。
第三方面，本发明提供所述水溶肥在植物种植中的应用。
第四方面，本发明提供所述水溶肥在植物促生增产、增强抗逆性(抗病性)中的应用。
本发明中，所述植物包括但不限于苏州青、黄瓜。
第五方面，本发明提供一种提高苏州青VC含量的方法，包括：自两叶一心期开始，将所述水溶肥稀释后喷施于苏州青叶面。
借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点及有益效果：
(一)本发明打破了传统直接将沼液作为有机肥料的低效利用方式，并且将壳寡糖这种可抑制植物病原菌活性，促进植物生长，增强植物抗病能力的有机生物易降解材料作为螯合剂，所配制的中量元素水溶肥料喷施农作物和经济作物叶面后，可抑制植物病原菌，显著提高植物产量，改善品质，增强植株抗病性，肥效理想，可实现规模化生产。
(二)本发明有效利用了沼气工程的废弃物，变废为宝，既节约资源又保护了环境。
(三)本发明以浓缩鸡粪发酵沼液为基液，基液中腐植酸、氮磷钾含量较高，还含有多种氨基酸、单糖、活性酶、激素、维生素等生物活性物质，具有促进作物生长和抑制病虫害双重作用。
(四)水溶肥中添加的壳寡糖是一种水溶性的低聚糖类螯合剂，可以改变土壤菌群，促进有益微生物的生长；可以使植物细胞活化，提高肥料成分的吸收率；还可以诱导植物的抗病性，对多种真菌、细菌和病毒产生免疫和杀灭作用；并且壳寡糖可以生物降解不会对环境造成污染。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
以下实施例中使用的壳寡糖，购自青岛博智汇力生物科技有限公司，分子量为1300Da；使用的有机硅酮消泡剂购自美国道康宁公司，型号为AFE-1520。
鸡粪厌氧发酵沼液购自北京市某蛋鸡养殖场，其主要成分为腐植酸6.58-6.89g/L、总氮7.19-7.31g/L、P5O2 0.49-0.51g/L和K2O 3.24-3.33g/L。以下实施例中使用的浓缩鸡粪发酵沼液的制备方法包括：
1)鸡粪厌氧发酵沼液进入秸秆-火山岩-石英砂三级过滤系统以去除悬浮物，进水流量为5L/h，得滤液I；
2)滤液I在流速为40L/h、过膜压力为0.05MPa的条件下进入3μm保安过滤器进一步去除悬浮物，得滤液II；
3)滤液II进入超滤膜组件，在流速为40L/h、过膜压力为0.1MPa的条件下，将滤液II体积浓缩约四倍，得到超滤膜清液；
4)将超滤膜清液通入纳滤膜组件，在流速为40L/h，过膜压力为0.1MPa的条件下，将超滤膜清液体积浓缩约三倍，得到纳滤膜浓缩液，即为浓缩鸡粪发酵沼液成品。
其中，秸秆-火山岩-石英砂三级过滤系统由三个柱子组成，分别为秸秆过滤柱、火山岩过滤柱和石英砂过滤柱，每个柱子直径10cm，有效高度1m；其中，秸秆过滤柱内装填的滤料为玉米秸秆，上部为粒径大小约40mm的粗玉米秸秆，装填高度约为4cm，填装密度0.1g/cm3左右，下部为粒径大小约20mm的细玉米秸秆，装填高度约为40cm，填装密度0.1g/cm3左右；火山岩过滤柱内装填的火山岩的粒径大小为0.2-2mm，装填高度为80cm，填装密度1.1g/cm3；石英砂过滤柱内装填的火山岩的粒径大小为0.3-0.6mm，装填高度为80cm，装填密度1.5g/cm3。沼液从秸秆过滤柱上端进液，下端出水口连接火山岩过滤柱上端进水口，火山岩过滤柱下端进水口连接石英砂过滤柱上端进水口。
保安过滤器的微滤膜孔径为3μm。
超滤膜组件购自湖州科滤膜技术有限公司，型号为50W1M。膜材质为聚偏氟乙烯，中空纤维膜，截留分子量约50000(MWCO)/Da，膜面积约0.25m2，膜丝内外径分别为0.6mm左右和1.0mm左右。
纳滤膜组件购自美国海德能公司，型号为ESNA1-4040。膜材质为芳香族聚酰胺纤维，卷式膜，电荷性为负电，有效膜面积约7.9/m2。
本发明中，所述浓缩鸡粪发酵沼液包含腐植酸2.35g/L、总氮7.47g/L、P5O2 0.51g/L和K2O 3.79g/L。
实施例1中量元素水溶肥的制备
原料：四水合硝酸钙，六水合硝酸镁、壳寡糖、有机硅酮消泡剂、浓缩鸡粪发酵沼液。
制备方法：将360ml浓缩鸡粪发酵沼液置于50℃恒温搅拌罐内，一边搅拌一边依次加入四水合硝酸钙730g，六水合硝酸镁105g，壳寡糖202g，有机硅酮消泡剂2g，最后用浓缩鸡粪发酵沼液定容到1L，搅拌均匀，使液体中不溶物全部被溶解，装桶即得所述浓缩沼液中量元素水溶肥产品。
配制的浓缩沼液中量元素水溶肥的基本指标如下：
实施例2中量元素水溶肥的制备
原料：四水合硝酸钙，六水合硝酸镁、壳寡糖、有机硅酮消泡剂、浓缩鸡粪发酵沼液。
制备方法：将360ml浓缩鸡粪发酵沼液置于50℃恒温搅拌罐内，一边搅拌一边依次加入四水合硝酸钙600g，六水合硝酸镁250g，壳寡糖166g，有机硅酮消泡剂2g，最后用浓缩鸡粪发酵沼液定容到1L，搅拌均匀，使液体中不溶物全部被溶解，装桶即得所述浓缩沼液中量元素水溶肥产品。
配制的浓缩沼液中量元素水溶肥的基本指标如下：
实施例3中量元素水溶肥的制备
原料：四水合硝酸钙，六水合硝酸镁、壳寡糖、有机硅酮消泡剂、浓缩鸡粪发酵沼液。
制备方法：将360ml浓缩鸡粪发酵沼液置于50℃恒温搅拌罐内，一边搅拌一边依次加入四水合硝酸钙720g，六水合硝酸镁240g，壳寡糖210g，有机硅酮消泡剂2g，最后用浓缩鸡粪发酵沼液定容到1L，搅拌均匀，使液体中不溶物全部被溶解，装桶即得浓缩沼液中量元素水溶肥产品。
配制的浓缩沼液中量元素水溶肥的基本指标如下：
对比例1
原料：四水合硝酸钙，六水合硝酸镁、壳寡糖、有机硅酮消泡剂、去离子水。
制备方法：将360ml去离子水置于50℃恒温搅拌罐内，一边搅拌一边依次加入四水合硝酸钙720g，六水合硝酸镁240g，壳寡糖210g，有机硅酮消泡剂2g，最后用去离子水定容到1L，搅拌均匀，使液体中不溶物全部被溶解，装桶得清水中量元素水溶肥产品。
试验例1盆栽实验
本试验选取浙江勿忘农种业股份有限公司生产的苏州青作为盆栽植物，供试土壤取自中国农业大学上庄实验站，其理化性质：pH 7.1，有机质9.6g/kg，全氮0.7g/kg，速效磷95.7mg/kg，有效钾386.3mg/kg。
试验在中国农业大学资源与环境学院温室内进行，实验条件为：温度25℃/20℃(昼夜)，光照时间14h d-1，相对湿度60％-70％，每盆装土1.2kg，以施等量去离子水处理为对照，4次重复，完全随机排列。将实施例3所述水溶肥、对比例1水溶肥以及一种养分含量相似的商品水溶肥(普瑞尚品中量元素水溶肥)稀释400倍后进行施用，以叶面喷施的形式每盆喷施20ml。
供试苏州青于2019年12月2日播种，12月13日间苗每盆留下6株，12月21日间苗每盆留下3株，12月24日基本两叶一心进行第1次追肥，之后每隔5天追肥1次，共追肥3次，2020年1月8日进行采收结束试验。试验结果表明，与去离子水对照相比，清水中量元素水溶肥(对比例1)、商品水溶肥(普瑞尚品中量元素水溶肥)和本发明水溶肥分别增产29.2％、33.3％和70.8％，其中喷施本发明水溶肥分别比清水水溶肥和商品水溶肥增产32.2％和28.1％。并且，喷施本发明水溶肥相较去离子水对照、清水水溶肥和商品水溶肥分别使苏州青VC含量增加22.6％、67.4％和28.4％。喷施本发明水溶肥相较去离子水对照、清水水溶肥和商品水溶肥分别使苏州青株高增加20.2％、11.4％和11.3％；茎粗增加40.0％、16.7％和16.7％；鲜生物量增加70.8％、32.3％和28.1％。清水中量元素水溶肥和普瑞尚品中量元素水溶肥的养分含量见表1。
表1中量元素水溶肥养分含量
试验例2盆栽实验
本试验选取浙江勿忘农种业股份有限公司生产的苏州青作为盆栽植物，供试土壤取自中国农业大学上庄实验站，其理化性质：pH 7.3，有机质12.7g/kg，全氮1.3g/kg，速效磷132.5mg/kg，有效钾424.5mg/kg。
试验在中国农业大学资源与环境学院温室内进行，试验条件为：温度25℃/20℃(昼夜)，光照时间14h d-1，相对湿度60％-70％。每盆装土1.2kg，以施等量去离子水处理为对照，4次重复，完全随机排列。实施例2所述水溶肥稀释400倍后进行施用，以叶面喷施的形式每盆喷施20ml。
供试苏州青于2019年10月20日播种，10月31日间苗每盆留下6株，11月3日间苗每盆留下3株，11月11日基本两叶一心进行第1次追肥，之后每隔5天追肥1次，共追肥3次，11月26日进行采收结束试验。
试验结果表明，喷施本发明肥料比去离子水对照增产2.66倍，株高增加48.6％，茎粗增加21.4％。
试验例3盆栽实验
本试验选取天津科润农业科技股份有限公司生产的津春4号黄瓜为盆栽植物，供试土壤取自中国农业大学上庄实验站，其理化性质：pH 7.3，有机质12.7g/kg，全氮1.3g/kg，速效磷132.5mg/kg，有效钾424.5mg/kg。
试验在中国农业大学资源与环境学院温室内进行，试验条件为：温度25℃/20℃(昼夜)，光照时间14h d-1，相对湿度60％-70％。每盆装土1.2kg，以施等量去离子水处理为对照，4次重复，完全随机排列。实施例3所述水溶肥稀释400倍后进行施用，以叶面喷施的形式每盆喷施20ml。
供试黄瓜于2019年10月2日播种，10月18日每盆定植1株，11月1日所有植株基本两叶一心进行第1次追肥，之后每隔5天追肥1次，共追肥3次，11月16日进行采收结束试验。试验结果表明，喷施本发明肥料相较于去离子水对照可以使黄瓜幼苗株高增30.3％，茎粗增加10.8％，叶面积增加53.2％，鲜生物量增加48.1％。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.中量元素水溶肥，其特征在于，所述水溶肥是由141-196份无机盐、33.2-161份壳寡糖、0.1-1份消泡剂与60-76份浓缩鸡粪发酵沼液混合而成；其中，份为重量份。
2.根据权利要求1所述的水溶肥，其特征在于，所述无机盐为硝酸钙和/或硝酸镁。
3.根据权利要求1所述的水溶肥，其特征在于，包括如下成分：四水合硝酸钙600～730g/L、六水合硝酸镁105～250g/L、壳寡糖166～805g/L和有机硅酮消泡剂0.5～5g/L，所述水溶肥以浓缩鸡粪发酵沼液为基液配制而成；
优选地，包括如下成分：四水合硝酸钙720g/L、六水合硝酸镁240g/L、壳寡糖210g/L和有机硅酮消泡剂2g/L。
4.根据权利要求1所述的水溶肥，其特征在于，所述浓缩鸡粪发酵沼液的制备方法包括：鸡粪厌氧发酵沼液经过滤去除悬浮物，滤液依次经超滤膜组件、纳滤膜组件进行浓缩，即得。
5.根据权利要求4所述的水溶肥，其特征在于，所述浓缩鸡粪发酵沼液的制备方法包括：
1)鸡粪厌氧发酵沼液进入秸秆-火山岩-石英砂三级过滤系统以去除悬浮物，进水流量为5L/L，得滤液I；
2)滤液I在流速为38-42L/h、过膜压力为0.05MPa的条件下进入3μm保安过滤器进一步去除悬浮物，得滤液II；
3)滤液II进入超滤膜组件，在流速为38-42L/h、过膜压力为0.1MPa的条件下，将滤液II体积浓缩至原体积1/4，得到超滤膜清液；
4)将超滤膜清液通入纳滤膜组件，在流速为38-42L/h，过膜压力为0.1MPa的条件下，将超滤膜清液体积浓缩至原体积1/3，得到纳滤膜浓缩液，即为浓缩鸡粪发酵沼液成品；
其中，秸秆-火山岩-石英砂三级过滤系统由三个柱子组成，分别为秸秆过滤柱、火山岩过滤柱和石英砂过滤柱，每个柱子直径10cm，有效高度1m；其中，秸秆过滤柱内装填的滤料为玉米秸秆，上部为粒径大小40mm的粗玉米秸秆，装填高度为40cm，填装密度0.1g/cm3，下部为粒径大小20mm的细玉米秸秆，装填高度为40cm，填装密度0.1g/cm3；火山岩过滤柱内装填的火山岩的粒径大小为0.2-2mm，装填高度为80cm，填装密度1.1g/cm3；石英砂过滤柱内装填的石英砂的粒径大小为0.3-0.6mm，装填高度为80cm，装填密度1.5g/cm3；沼液从秸秆过滤柱上端进液，下端出水口连接火山岩过滤柱上端进水口，火山岩过滤柱下端进水口连接石英砂过滤柱上端进水口；
保安过滤器的微滤膜孔径为3μm；
超滤膜组件购自湖州科滤膜技术有限公司，型号为50W1M，采用的膜材质为聚偏氟乙烯，中空纤维膜，截留分子量50000Da，膜面积0.25m2，膜丝内外径分别为0.6mm和1.0mm；
纳滤膜组件购自美国海德能公司，型号为ESNA1-4040，采用的膜材质为芳香族聚酰胺纤维，卷式膜，电荷性为负电，有效膜面积7.9/m2。
6.根据权利要求1-5任一项所述的水溶肥，其特征在于，所述浓缩鸡粪发酵沼液包含腐植酸2.17-2.49g/L、总氮7.34-7.50g/L、P5O2 0.51-0.52g/L和K2O 3.79-3.80g/L；和/或
所述壳寡糖的分子量低于3000Da。
7.权利要求1-6任一项所述水溶肥的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将部分浓缩鸡粪发酵沼液置于45-55℃的恒温搅拌罐内，依次加入无机盐、壳寡糖和消泡剂，搅拌使所有原料完全溶解；
(2)用剩余浓缩鸡粪发酵沼液定容，即得。
8.权利要求1-6任一项所述水溶肥在植物种植中的应用。
9.权利要求1-6任一项所述水溶肥在植物促生增产、增强抗逆性中的应用。
10.提高苏州青VC含量的方法，其特征在于，包括：自两叶一心期开始，将权利要求1-6任一项所述水溶肥稀释后喷施于苏州青叶面。
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