CN113004094A - 一种秸秆碳化有机缓控释复合肥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及肥料制备技术领域，具体涉及一种秸秆碳化有机缓控释复合肥及其制备方法，秸秆碳化有机缓控释复合肥按如下制备方法制得：将秸秆碳化有机肥与化肥及土壤改良剂混合后造粒并干燥至水分为25％‑35％，秸秆碳化有机肥、化肥和土壤改良剂的重量比为25‑30:4‑5:1‑1.8；秸秆碳化有机肥由作物秸秆碳化后加入有机肥及菌种发酵得到；化肥为氮肥、磷肥、钾肥的混合肥或复合肥；土壤改良剂为粉煤灰和腐殖酸肥。本发明通过特定工艺，使有机肥和化肥结合形成稳定结构既能够改善土壤生态环境，防止土壤酸化、盐碱化，增强土壤肥力，又能促进作物的需肥周期与化学肥料的释放周期相匹配，提升作物产量。

Description

一种秸秆碳化有机缓控释复合肥及其制备方法

技术领域

本发明涉及肥料制备技术领域，具体涉及一种秸秆碳化有机缓控释复合肥及其制备方法。

背景技术

有机肥料在中国农业中有着悠久的使用历史，但自从化学肥料出现以来，有机肥逐渐被大多数农民所摒弃。因为有机肥料虽然可以改良土壤、增强作物抗病虫害能力、提高作物产量，但有机肥是许多生物物质和动植物残体加工而成，这些物质富含有害物质和致病菌，直接使用会对作物正常的生长造成不良影响：未经腐熟的有机肥施入后产生的高温会烧作物根系，所以施用前必须充分腐熟发酵。为减少有机肥中的病菌、虫卵等，有机肥腐熟需要较长的腐熟时间。与化肥相比，沤有机肥，粉碎搅拌、堆积发酵，又脏又臭，费工费时，再加上动物粪便等有机肥料的人工成本和储存成本又极高，导致绝大多数种植户更愿意运输方便的化肥。与化肥相比，有机肥用量难把控，过量施用有机肥料可能导致作物根系吸水困难，发生根系灼伤、黄叶、幼苗不长、叶片变形等病害，严重时还可能导致作物逐渐萎缩死亡。另外，有机肥肥效迟缓，各种微量元素含量较少，肥劲不足，无法满足作物生长所需的各种氮磷钾等营养元素，若只单施有机肥，会影响作物产量。

然而，尽管化学肥料为农作物增产做出了重要的贡献，但其存在释放较快的问题，对环境和土壤也造成了不少伤害，如土壤板结、酸化、有机质匮乏、盐渍化严重以及重金属污染等，致使土壤退化、土壤性质恶化等土壤问题日益严峻，因此修复、改良土壤已成为农业生产中亟需解决的重要问题之一。

发明内容

针对有机肥含有养分多但相对含量低、释放缓慢，而化肥单位养分含量高、成分少、释放较快导致的化学肥料施用过量，有机肥施用少、施用难的的技术问题，本发明提供一秸秆碳化有机缓控释复合肥及其制备方法，最大限度地利用现有的肥料种类和工艺，考虑到化肥养分含量高、肥效快、肥力强，但有机质含量很低，长期施用会增加土壤的重金属含量、降低微生物活性、加剧硝酸盐累积、导致土壤酸化的特点，和碳化有机肥含有养分多但相对含量低、释放缓慢的特点，通过对作物秸秆的再加工，优化整合碳化有机肥和化肥的养分管理，首先释放化肥肥效，有机质分解产生的有机酸促进土壤和化肥中矿质养分的充分溶解，提升化肥利用效率，待化肥肥效释放充分后，有机肥肥力周期来临，为作物后期生长提供持续养分补给，达到了肥料肥效缓控释、养分周年统筹、优化配比、高效利用的技术效果。

第一方面，本发明提供一种秸秆碳化有机缓控释复合肥的制备方法，将秸秆碳化有机肥与化肥及土壤改良剂混合搅拌后挤压造粒并干燥至水分为25％-35％，碳化有机肥、化肥和土壤改良剂的重量比为25-30:4-5:1-1.8；

秸秆碳化有机肥由作物秸秆碳化后加入有机肥原料及菌种发酵得到；

所述化肥为氮肥、磷肥、钾肥的混合肥或复合肥；

所述土壤改良剂为粉煤灰和腐殖酸肥。

进一步的，作物秸秆为作物成熟收获籽粒后剩余的茎秆、叶片或穗中的至少一种；

有机肥原料为动物粪便、生活垃圾、沼渣中的至少一种；

菌种为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌中的至少一种。

进一步的，秸秆碳化有机肥按如下方法制得：

将作物秸秆粉碎后与预糊化淀粉混合均匀得到混合物料，混合物料干燥至水分为25％-35％后在密闭条件下，于200-600℃下碳化1-6h，冷却至常温后水洗烘干，得到秸秆碳化肥，将秸秆碳化肥与有机肥原料及菌种按重量比6-8:15-17:2-3混合均匀后，在50-60℃下进行一次腐熟发酵，一次腐熟发酵期间控制水分为50％-60％，堆肥含氧量为10％-15％，每2天翻动堆肥1次，发酵周期为10-20天，然后对得到的混合物料进行二次腐熟发酵，二次腐熟发酵期间控制水分为50％-60％，温度为50-60℃，每10天翻动堆肥1次，发酵周期为30天，二次腐熟发酵后得到秸秆碳化有机肥。

进一步的，预糊化淀粉按如下方法制得：

将氯化钠和淀粉溶于水中制得淀粉浆，用质量体积比为1％的NaOH溶液和/或质量体积比为1％的HCl溶液调节淀粉浆pH至7-10，经水洗涤后，过单滚筒糊化，干燥至水分为1％-10％，取出粉碎、过筛得到预糊化淀粉，糊化条件如下：

温度为80-110℃，蒸汽压力为0.1-2MPa，转速为50-150r/min，时间1-4h。

使用预糊化淀粉作为粘合剂，其粘合性能优于普通淀粉和粘土，能够提高造肥成粒率，延缓养份的释放期，提高肥料利用率，对环境无污染且成本较低。

进一步的，制备方法具体为：

干燥秸秆碳化有机肥至水分为40％-50％后粉碎，按照秸秆碳化有机肥、化肥、土壤改良剂重量比为25-30:4-5:1-1.8加入化肥和土壤改良剂并混合均匀，使化肥颗粒均匀填充分布于碳化有机肥的空隙中，然后挤压造肥，加工成颗粒，烘干至水分降为25％-35％，得到碳化有机缓控释复合肥。

进一步的，所述秸秆碳化有机肥、化肥和土壤改良剂的重量比为28:4.5:1.5。

进一步的，化肥中氮、磷、钾元素的质量比为2:1.2:0.9。

进一步的，秸秆碳化有机缓控释复合肥中氮+磷+钾含量≥10％，有机质≥80％。

第二方面，本发明还提供一种采用上述制备方法制得的秸秆碳化有机缓控释复合肥。

本发明的有益效果在于，

第一方面，本发明提供一种秸秆碳化有机缓控释复合肥的制备方法，通过秸秆碳化有机化肥和化肥的合理配比及加工，该缓控释复合肥中的有机质含量得以显著提升，减少了化肥的使用，使有机肥和化肥的特性互为补充，实现了有机质与无机质缓控释结合；

本发明制备方法并非简单地将传统有机肥施用更改为有机肥和化肥的叠加施用，而是在黄淮海地区土壤有机质缺乏引起作物病害和低产现状的基础上，根据有机肥含有养分多但相对含量低、释放缓慢，而化肥单位养分含量高、成分少、释放较快的特点，深入匹配有机肥与化肥的周期释放曲线，将作物对养分的需求规律与秸秆碳化有机肥、化肥和土壤改良剂等多种原料进行共同优化组合，完成的创新性发明，实现了秸秆碳化有机肥、化肥和土壤改良剂的统筹结合，在减少化肥施用量的同时，提升了土壤有机质含量，均衡了作物的需肥规律，从而提高作物产量。

第二方面，本发明还提供一种秸秆碳化有机缓控释复合肥，该缓控释复合肥实现了有机质和无机质的一体施用，达到了高效、省工、环保的效果。该缓控释复合肥能够使养分在土壤有机质和水分渗透压的作用下缓慢溶解并进行释放，且养分释放速率比较缓慢、释放周期比较长，能够在作物生长期内长时间为作物提供养分；

具体而言，普通复合肥的肥效仅为10-15天，而本发明提供的秸秆碳化有机缓控释复合肥中有机肥养分释放速率缓慢、释放周期比较长的特性和化肥肥力强、肥效明显的特性可互为补充，有机质分解产生有机酸能促进土壤和化肥中矿质养分的溶解，首先利用化肥释放速度快的特点，在作物生长初期快速为作物提供养分，肥效释放周期可达7-10天，之后碳化有机肥的肥力开始作用，肥效释放周期约为15-25天，即整个释放周期在25-35天，在苗期基本能保证作物出苗和根系初步生长的需要，在追肥期25-35天的释放周期可以保证器官生长的肥效需求；

秸秆碳化有机缓控释复合肥包含秸秆碳化而成的生物质炭，不仅能为土壤提供有机质，因其具备的多孔、强吸附力、高化学稳定性的特点，还能够作为土壤改良剂对土壤中营养元素进行吸附，起到疏松土壤、改善土壤理化性质的作用。同时，增施生物质炭可以提高土壤碳库容量，有效降低农田温室气体排放，明显改善土壤结构，修复土壤污染。

综上所述，本发明的制备方法及制得的秸秆碳化有机缓控释复合肥，通过生物炭、有机肥、化肥合理配比以及特定缓控释方法，扬长避短，旨在改善土壤生态环境质量、促进作物的需肥周期与肥料的释放周期相匹配，实现了肥料的缓控释效果，最终达到提升作物产量的目的。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1-2使用的作物秸秆为物成熟收获籽粒后剩余的茎秆、叶片和穗的混合物，有机肥原料为动物粪便、生活垃圾、沼渣的混合物，菌种为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌的混合物，化肥为氮肥、磷肥、钾肥的复合肥且氮、磷、钾元素的质量比为2:1.2:0.9，土壤改良剂为质量比1:2.5的粉煤灰和腐殖酸肥。

实施例1-2使用的预糊化淀粉按如下方法制得：

将氯化钠和淀粉溶于水中制得淀粉浆，其中氯化钠、淀粉与水的质量比为7:350:1000，用质量体积比为1％的NaOH溶液和/或质量体积比为1％的HCl溶液调节淀粉浆pH至8，经水洗涤后，过单滚筒糊化，温度为95℃，蒸汽压力为0.7MPa，转速为110r/min，时间为3h，干燥至水分为5％，取出粉碎、过筛得到预糊化淀粉。

实施例1

一种秸秆碳化有机缓控释复合肥，采用如下制备方法制得：

将作物秸秆粉碎后与预糊化淀粉混合并搅拌均匀，将得到的混合物料置于120℃环境下干燥至水分为30％后，在密闭的马弗炉内540℃碳化1.5h，使其获得更高更均匀的化学和物理性能，限定碳化温度为540℃，较高温度下制得的生物质碳的石墨化程度较高，化学特性也更稳定，碳化过程中随着温度的升高，失重率不断增加，350℃时混合物失重率达到55％左右，随着炉温上升到540℃后，保温1.5h能促进热分解，结束后冷却至常温后水洗烘干，得秸秆碳化肥；

将秸秆碳化肥与有机肥原料、菌种按重量比7：16：2的比例混合均匀后，在50-60℃下进行一次腐熟发酵，一次腐熟发酵期间控制水分为50％-60％，堆肥含氧量为10％-15％，每2天翻动堆肥1次，促进物料疏松和通风，加速物料发酵，发酵周期为15天，然后对得到的混合物料进行二次腐熟发酵，二次腐熟发酵期间控制水分为50％-60％，温度为50-60℃，以促进充分发酵，每10天翻动堆肥1次，发酵周期为30天，二次腐熟发酵后得到秸秆碳化有机肥，二次腐熟发酵可以平衡有机肥pH值、降低硝酸盐含量，还可直接杀灭有机肥原料中的寄生虫卵及有害细菌，避免给作物和土壤带来病害，碳化有机肥呈现黑褐色或黑色，且无臭味；

干燥秸秆碳化有机肥至水分为45％并粉碎，按照碳化有机肥、化肥、土壤改良剂重量比为28：4.5：1.5的比例加入化肥和土壤改良剂混合搅拌均匀，使化肥颗粒均匀填充分布于碳化有机肥的空隙中，然后挤压造肥，加工成颗粒，烘干至水分降为30％，得到碳化有机缓控释复合肥，碳化有机缓控释复合肥中氮+磷+钾含量≥10％，有机质≥80％。

实施例2

一种秸秆碳化有机缓控释复合肥，采用如下制备方法制得：

将作物秸秆粉碎后与预糊化淀粉混合并搅拌均匀，将得到的混合物料置于120℃环境下干燥至水分为25％后，在密闭的马弗炉内450℃碳化5h，结束后冷却至常温后水洗烘干，得秸秆碳化肥；

将秸秆碳化肥与有机肥原料、菌种按重量比8：15：3的比例混合均匀后，在50-60℃下进行一次腐熟发酵，一次腐熟发酵期间控制水分为50％-60％，堆肥含氧量为10％-15％，每2天翻动堆肥1次，促进物料疏松和通风，加速物料发酵，发酵周期为18天，然后对得到的混合物料进行二次腐熟发酵，二次腐熟发酵期间控制水分为50％-60％，温度为50-60℃，以促进充分发酵，每10天翻动堆肥1次，发酵周期为30天，二次腐熟发酵后得到秸秆碳化有机肥，二次腐熟发酵可以平衡有机肥pH值、降低硝酸盐含量，还可直接杀灭有机肥原料中的寄生虫卵及有害细菌，避免给作物和土壤带来病害，碳化有机肥呈现黑褐色或黑色，且无臭味；

干燥秸秆碳化有机肥至水分为45％并粉碎，按照碳化有机肥、化肥、土壤改良剂重量比为26：5：1.1的比例加入化肥和土壤改良剂混合搅拌均匀，使化肥颗粒均匀填充分布于碳化有机肥的空隙中，然后挤压造肥，加工成颗粒，烘干至水分降为25％，得到碳化有机缓控释复合肥，碳化有机缓控释复合肥中氮+磷+钾含量≥10％，有机质≥80％。

为测试本发明秸秆碳化有机缓控释复合肥对土壤及作物产量的提升效力，于2018-2019年和2019-2020年两个年度的小麦季在山东粮丰项目齐河示范区试验地对实施例1进行试验，供试地块面积800m²，土壤为壤土，前茬作物为玉米，小麦品种为济麦44(由山东省农业科学院作物研究所选育)，第一年度于2018年10月20日播种、2019年6月14日收获，第二年度于2019年10月14日播种、2020年6月17日收获，小麦行距18cm，播量为11kg/亩，播深4cm。小麦播前耕地时施入实施例1秸秆碳化有机缓控释复合肥作为基肥，用量为40kg/亩，拔节期施肥10kg/亩，拔节期施肥元素质量比为N:P:K＝3:0.9:0.5。

同时在试验地另一块面积为600m²的供试地块设置对照例，土壤为壤土，前茬作物为玉米，小麦品种为济麦44(由山东省农业科学院作物研究所选育)，第一年度于2018年10月20日播种、2019年6月14日收获，第二年度于2019年10月14日播种、2020年6月17日收获，小麦行距18cm，播量为11kg/亩，播深4cm。小麦播前耕地时施入有机肥(干鸡粪)和化肥(尿素、磷酸一铵和氯化钾)作为基肥，有机肥用量为300kg/亩，尿素、磷酸一铵和氯化钾用量分别为11.2、16.6和8.6kg/亩，拔节期追施尿素20kg/亩，硝酸铵9kg/亩。

期间观察小麦生长发育和土壤改良情况，成熟期统计产量，小麦收获后测土壤pH值，随机取样带走，测定土壤有机质含量。

第二年度小麦收获后耕层土壤基本理化性状如下表1所示，实施例1施肥地块土壤容重降低了5.11％，土壤孔隙度增加了17.91％，土壤pH值降低11.11％，土壤有机质增加了25.32％；对照例施肥地块土壤容重降低了2.91％，土壤孔隙度增加了5.47％，土壤pH值降低9.7％，土壤有机质增加了3.58％。通过对比发现，本发明碳化有机缓控释复合肥在减少化肥用量的同时，通过改良制肥工艺，使有机肥和化肥互优化组合，并相得益彰，促进两种肥料优势的有效发挥，与普通施肥地块相比，改善了土壤容重、土壤孔隙度、有机质含量，并在一定程度上降低了土壤pH值。

表1耕层土壤基本理化性状表

实施例1和对照例不同施肥方案对小麦产量和土壤酶含量的影响如下表2所示，两个年度实施例1施肥地块的土壤碱性磷酸酶活性均高于普通施肥，脲酶活性高于普通施肥，过氧化氢酶活性降低，土壤转化酶活性提高，可见本方案发明肥料施用后，能有效改善土壤酶活性，提升土壤的有机质含量。同时，两个年度实施例1施肥地块的小麦产量分别增加了17.33％和17.40％，千粒重分别增加了17.17％和7.24％，可见采用实施例1秸秆碳化有机缓控释复合肥后，小麦的产量和千粒重增加明显，说明本发明肥料缓控释方法虽然减少了化肥的施用，但由于合理统筹配比有机物和化肥的有效结合，使复合肥形成稳定结构，作用于作物和土壤，一方面改善了有机肥肥效慢难以释放的弊端，另一方面延长了化肥的释放周期，使复合肥在相对稳定的条件下兼顾了有机肥和化肥的优点，达到长期的缓控释的效果，改良性地提升了土壤肥力。

表2小麦产量和土壤酶含量表

实施例1和对照例不同施肥方案对小麦氮肥利用率的影响如下表3所示，两个年度采用实施例1施肥地块的小麦氮肥偏生产力为34.7-34.9kg/kg，氮肥利用率为48.3％-50.2％，指标值均高于对照。表3数据表明采用实施例1肥料，可以提高作物地上部分吸氮量，能满足冬小麦生长所需氮素要求。可见采用实施例1秸秆碳化有机缓控释复合肥后，小麦的氮素利用率增加，说明本发明肥料缓控释方法在合理肥料配比下，降低成本，减少氨挥，有效控释氮素的释放，提高氮肥利用效率。

表3小麦氮肥利用率统计表

由此可见，本发明并非简单的将传统有机肥和化肥简单移作混合肥，而是在结合黄淮海麦区土壤条件的基础上，积极探索有机肥和化肥的特性，深入匹配有机肥与化肥的周期释放曲线，在化肥总量降低的情况下既满足了作物的氮磷钾需求，提高氮肥利用效率，降低了土壤的pH值，提高了土壤酶活性和土壤有机质含量，有利于土壤环境的改善和作物的增产增收。

尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种秸秆碳化有机缓控释复合肥的制备方法，其特征在于，将秸秆碳化有机肥与化肥及土壤改良剂混合搅拌后挤压造粒并干燥至水分为25％-35％，碳化有机肥、化肥和土壤改良剂的重量比为25-30:4-5:1-1.8；

秸秆碳化有机肥由作物秸秆碳化后加入有机肥原料及菌种发酵得到；

所述化肥为氮肥、磷肥、钾肥的混合肥或复合肥；

所述土壤改良剂为粉煤灰和腐殖酸肥。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，作物秸秆为作物成熟收获籽粒后剩余的茎秆、叶片或穗中的至少一种；

有机肥原料为动物粪便、生活垃圾、沼渣中的至少一种；

菌种为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌中的至少一种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，秸秆碳化有机肥按如下方法制得：

将作物秸秆粉碎后与预糊化淀粉混合均匀得到混合物料，混合物料干燥至水分为25％-35％后在密闭条件下，于200-600℃下碳化1-6h，冷却至常温后水洗烘干，得到秸秆碳化肥，将秸秆碳化肥与有机肥原料及菌种按重量比6-8:15-17:2-3混合均匀后，在50-60℃下进行一次腐熟发酵，一次腐熟发酵期间控制水分为50％-60％，堆肥含氧量为10％-15％，每2天翻动堆肥1次，发酵周期为10-20天，然后对得到的混合物料进行二次腐熟发酵，二次腐熟发酵期间控制水分为50％-60％，温度为50-60℃，每10天翻动堆肥1次，发酵周期为30天，二次腐熟发酵后得到秸秆碳化有机肥。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，预糊化淀粉按如下方法制得：

将氯化钠和淀粉溶于水中制得淀粉浆，用质量体积比为1％的NaOH溶液和/或质量体积比为1％的HCl溶液调节淀粉浆pH至7-10，经水洗涤后，过单滚筒糊化，干燥至水分为1％-10％，取出粉碎、过筛得到预糊化淀粉。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，糊化条件如下：

温度为80-110℃，蒸汽压力为0.1-2MPa，转速为50-150r/min，时间1-4h。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备方法具体为：

干燥秸秆碳化有机肥至水分为40％-50％后粉碎，按照秸秆碳化有机肥、化肥、土壤改良剂重量比为25-30:4-5:1-1.8加入化肥和土壤改良剂并混合均匀，使化肥颗粒均匀填充分布于碳化有机肥的空隙中，然后挤压造肥，加工成颗粒，烘干至水分降为25％-35％，得到碳化有机缓控释复合肥。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，秸秆碳化有机肥、化肥和土壤改良剂的重量比为28:4.5:1.5。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，化肥中氮、磷、钾元素的质量比为2:1.2:0.9。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，秸秆碳化有机缓控释复合肥中氮+磷+钾含量≥10％，有机质≥80％。

10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的秸秆碳化有机缓控释复合肥。