CN115141054A - 一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，包括以下步骤：(1)粪肥一级好氧发酵：将粪肥加入到发酵剂中混合均匀，放置一天后，重新翻堆混匀，加粪水后进行发酵，发酵完成后得到粪肥发酵物A；(2)生物炭材料制备：将农业副产物材料B风干，与等重量的粪肥混合均匀，在绝氧或缺氧的条件下加热裂解制备得到生物炭材料C；(3)混合二级厌氧发酵：将粪肥发酵物A、农业副产物材料B、生物炭材料C以一定比例混合均匀，接种微生物菌剂，加入农用尿素，密闭发酵完成后过筛，即得到双重发酵型生物炭基有机肥。本发明的生物炭基有机肥料对促进作物生长、改良土壤结构具有明显作用效果。

Description

一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及有机肥技术领域，具体涉及IPC分类号C05G3/04，更具体涉及一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法及其应用。
背景技术
为了提高农业作物的产量，通常需要通过施洒化肥，而化肥的过度施用会容易使得土壤结构被破坏，从而造成有机质含量和养分比例失调，同时还会出现土壤板结的现象。
耕地质量是“三农”问题关注的焦点，由于南方地区水热充足、农业副产物量大，微生物活动强，导致南方的土壤呈现出酸化、结构性差的问题。采用农业秸秆直接还田或有机肥还田短期效应比较明显，但长期作用效果不好，且有机肥(秸秆材料)利用率低。生物炭材料含有溶解性有机碳，空隙结构丰富，半衰期长，结构稳定等优点，与畜禽粪污、农业废弃物共同制备成为生物炭基有机肥，能够延长肥效，提高有机肥利用效率，改良土壤空隙度、团聚体结构。然而现在市面上的很多生物炭基肥由于原料和制备方法的不恰当，使生物炭材料的孔隙结构较少，吸附性能较差，同时施用肥效低。中国专利CN111662123A公开了一种活性生物炭有机肥及其制备方法，有效解决了土壤板结的问题，使土壤的内部结构透气性和保水性较佳，还可以对重金属产生一定的吸附作用，但是该发明并未对所述生物炭有机肥的实际施用效果进行评价，因此无法评判对作物的生长产生何种影响。
如何有效发挥不同农业废弃物的优点、回避缺点，实现农业废弃物高效资源化利用，探索农业废弃物“取之于田，用之于田”的“养分高效归还利用”理念是本发明的立足点。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明一方面提供了一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，包括以下步骤：
(1)粪肥一级好氧发酵：将粪肥加入到发酵剂中混合均匀，放置一天后，重新翻堆混匀，加粪水后进行发酵，发酵完成后得到粪肥发酵物A；
(2)生物炭材料制备：将农业副产物材料B风干，与等重量的粪肥混合均匀，在绝氧或缺氧的条件下加热裂解制备得到生物炭材料C；
(3)混合二级厌氧发酵：将粪肥发酵物A、农业副产物材料B、生物炭材料C以一定比例混合均匀，接种微生物菌剂，加入农用尿素，密闭发酵完成后过筛，即得到双重发酵型生物炭基有机肥。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中粪肥包括猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪中的一种或多种。
优选地，所述步骤(1)中粪肥包括猪粪、牛粪、鸡粪。
更加优选地，所述步骤(1)中粪肥包括猪粪、牛粪、鸡粪，且三者的重量比为(1-2)：(2-5)：(1-3)。
进一步优选地，所述步骤(1)中粪肥包括猪粪、牛粪、鸡粪，且三者的重量比为1.5：3.5：2。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中粪肥的含水量控制在13-17wt％。
优选地，所述步骤(1)中粪肥的含水量控制在15wt％。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中粪水的种类包括猪粪污水、牛粪污水、鸡粪污水中的一种或多种。
优选地，所述步骤(1)中粪水的种类为猪粪污水。
在一些实施方式中，所述猪粪污水的加入至发酵体系中的含水量达到40-60wt％。
优选地，所述猪粪污水的加入至发酵体系中的含水量达到50wt％。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中的发酵剂的浓度1×103～4×103CFU/mL。
优选地，所述步骤(1)中的发酵剂的浓度1.5×103～3×103CFU/mL。
在一些实施方式中，所述发酵剂包括枯草芽孢杆菌、放线菌、乳酸菌中的至少两种。
优选地，所述发酵剂包括枯草芽孢杆菌、放线菌、乳酸菌，且重量比为1：(0.5-1)：(1-2)。
更加优选地，所述发酵剂包括枯草芽孢杆菌、放线菌、乳酸菌，且重量比为1：0.75：1.5。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中发酵的温度为50-70℃，发酵时间为15-25天。
优选地，所述步骤(1)中发酵的温度为60℃，发酵时间为21天。
在一些实施方式中，所述步骤(1)中的发酵期间每天鼓风曝气25-35min，每6-8天进行一次翻堆混匀。
优选地，所述步骤(1)中的发酵期间每天鼓风曝气30min，每7天进行一次翻堆混匀。
鸡粪中的养分含量较高，包括氮、磷、钾等微量元素，是一种重要的有机肥料，但是由于是热性肥料，在施用于作物时可能会对作物产生烧蚀，申请人在研究意外发现采用特定比例的猪粪、牛粪和鸡粪共同使用，同时在特定的发酵剂浓度、发酵温度和发酵时间下，尤其是发酵剂的浓度为1.5×103～3×103CFU/mL，发酵的温度为50-70℃，发酵时间为15-25天，同时在发酵期间每天鼓风曝气30min，每7天进行一次翻堆混匀，可以使制备的生物炭基有机肥对作物生长有非常明显的促进作用，且不会对作物造成烧损，申请人认为可能的原因在于采用不同粪肥的混合，结合特定的发酵条件，可以促进粪肥的充分发酵，避免在使用的过程中分解产生高温而对作物产生损害。
在一些实施方式中，所述步骤(2)中农业副产物材料B包括香蕉杆、菠萝叶、甘蔗叶、椰糠、甘蔗渣中的一种或多种。
优选地，所述步骤(2)中农业副产物材料B包括香蕉杆、菠萝叶、甘蔗叶、椰糠、甘蔗渣。
本发明对农业副产物材料B中香蕉杆、菠萝叶、甘蔗叶、椰糠、甘蔗渣的比例不做特殊限定。
在一些实施方式中，所述步骤(2)中农业副产物材料B风干至水分含量小于5wt％。
在一些实施方式中，所述步骤(2)中的粪肥包括牛粪和鸡粪，且二者的重量比为(1-2)：1。
优选地，所述步骤(2)中的粪肥包括牛粪和鸡粪，且二者的重量比为1.6：1。
在一些实施方式中，所述步骤(2)中的加热裂解的温度为450-550℃。
优选地，所述步骤(2)中的加热裂解的温度为500℃。
本发明中对生物炭材料C的制备方法不做特殊限制，可以按照现有技术中的常规方法制备，也可以按照本申请人单位自行研发的电磁式生物炭制备系统制备。
优选地，所述生物炭材料C通过申请人单位自行研发的电磁式生物炭制备系统制备得到。
在一些实施方式中，所述生物炭材料C的粒径小于2mm。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中粪肥发酵物A、农业副产物材料B和生物炭材料C的重量比为(3-5)：(1-4)：(1-3)。
优选地，所述步骤(3)中粪肥发酵物A、农业副产物材料B和生物炭材料C的重量比为4：(1-3)：(1.5-3)。
更加优选地，所述步骤(3)中粪肥发酵物A、农业副产物材料B和生物炭材料C的重量比为4：3：2.5。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中接种微生物菌剂至发酵体系的含水量25-35wt％。
优选地，所述步骤(3)中接种微生物菌剂至发酵体系的含水量30wt％。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中的微生物菌剂与步骤(1)中的发酵剂相同。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中加入农用尿素调节碳氮比为23-28。
优选地，所述步骤(3)中加入农用尿素调节碳氮比为25。
在一些实施方式中，所述步骤(3)中的发酵时间为10-15天，控制水分含量8-12wt％。
优选地，所述步骤(3)中的发酵时间为12天，控制水分含量10wt％。
申请人在研究中发现本发明采用多种农业副产物和等重量的粪肥混合制备生物炭材料，有助于发挥不同生物炭材料孔径结构不同、组分不同的优点，为释放的养分提供足够的可利用缓存空间；且通过特定比例的混合生物炭材料与农业副产物、腐熟粪肥进行二次厌氧发酵，二次发酵的过程中在微生物、养分离子等的作用下有助于肥料养分与生物炭的有效融合，真正实现生物炭与有机肥、养分的一体化结构，从而制备出生物炭为载体的生物炭基有机肥料；以最大限度地促进作物植株的生长，改善土壤孔隙度，疏松土壤结构，且增加土壤中能够被微生物利用的活性有机碳数量增加并在长时间内保持稳定，还增加了土壤总微生物量，促进土壤团聚体的形成，实现了不同农业废弃物资源化优势互补利用的强-强联合-高效利用模式。
在一些实施方式中，所述双重发酵型生物炭基有机肥中生物炭的质量分数为11-25％，碳含量≥30wt％，总养分(N+P2O5+K2O)≥5wt％，含水量≤25wt％。
本发明的另一方面提供了一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法在热带、亚热带作物种植中的应用，所述作物包括玉米、香蕉、菠萝、火龙果、剑麻。
在一些实施方式中，本发明的生物炭基有机肥针对作物的施用量为80-150kg/亩，针对蔬菜的施用量为80-100kg/亩。
有益效果：
(1)本发明采用多种农业副产物和等重量的粪肥混合制备生物炭材料，有助于发挥不同生物炭材料孔径结构不同、组分不同的优点，为释放的养分提供足够的可利用缓存空间；
(2)本发明将特定比例的混合生物炭材料与农业副产物、腐熟粪肥进行二次厌氧发酵，二次发酵的过程中在微生物、养分离子等的作用下有助于肥料养分与生物炭的有效融合，真正实现生物炭与有机肥、养分的一体化结构，制备出生物炭为载体的生物炭基有机肥料；
(3)本发明的材料配比进行了深度优化，以最大限度地实现秸秆材料促进土壤团聚体的作用、生物炭改良土壤物理性状的特点以及腐熟粪肥发酵物的养分丰富充足的优点，将三者调整为最优配比，实现不同农业废弃物资源化优势互补利用的强-强联合-高效利用模式。
附图说明
图1是玉米秧苗移栽当天的长势情况；
图2是39天后的玉米长势情况；
图3是39天后单株玉米干物重的对比情况；
图4是39天后土壤容重变化对比情况；
图5是玉米秧苗移栽后七天的土壤有机碳矿化速率变化情况；
图6是39天后土壤团聚体结构的变化情况；
图7是39天后微生物总量的对比情况；
图8是田间试验玉米产量对比情况；
图9-11是本发明制备的生物炭材料C的电镜图片。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，包括以下步骤：
(1)粪肥一级好氧发酵：将粪肥加入到发酵剂中混合均匀，放置一天后，重新翻堆混匀，加粪水后进行发酵，发酵完成后得到粪肥发酵物A；
(2)生物炭材料制备：将农业副产物材料B风干，与等重量的粪肥混合均匀，在绝氧或缺氧的条件下加热裂解制备得到生物炭材料C；
(3)混合二级厌氧发酵：将粪肥发酵物A、农业副产物材料B、生物炭材料C以一定比例混合均匀，接种微生物菌剂，加入农用尿素，密闭发酵完成后过筛，即得到双重发酵型生物炭基有机肥。
所述步骤(1)中粪肥包括猪粪、牛粪、鸡粪，且三者的重量比为1.5：3.5：2。
所述步骤(1)中粪肥的含水量控制在15wt％。
所述步骤(1)中粪水为猪粪污水。
所述猪粪污水的加入至发酵体系中的含水量达到50wt％。
所述步骤(1)中的发酵剂的浓度2×103CFU/mL。
所述发酵剂包括枯草芽孢杆菌、放线菌、乳酸菌，且重量比为1：0.75：1.5。
所述步骤(1)中发酵的温度为60℃，发酵时间为21天。
所述步骤(1)中的发酵期间每天鼓风曝气30min，每7天进行一次翻堆混匀。
所述步骤(2)中农业副产物材料B包括香蕉杆、菠萝叶、甘蔗叶、椰糠、甘蔗渣。
所述步骤(2)中农业副产物材料B风干至水分含量小于5wt％。
所述步骤(2)中的粪肥包括牛粪和鸡粪，且二者的重量比为1.6：1。
所述步骤(2)中的加热裂解的温度为500℃。
所述生物炭材料C通过申请人单位自行研发的电磁式生物炭制备系统制备得到。
所述生物炭材料C的粒径小于2mm。
所述步骤(3)中粪肥发酵物A、农业副产物材料B和生物炭材料C的重量比为4：3.5：2.5。
所述步骤(3)中接种微生物菌剂至发酵体系的含水量30wt％。
所述步骤(3)中的微生物菌剂与步骤(1)中的发酵剂相同。
所述步骤(3)中加入农用尿素调节碳氮比为25。
所述步骤(3)中的发酵时间为12天，控制水分含量10wt％。
本实施例1所制备的双重发酵型生物炭基有机肥中生物炭的质量分数为20％，碳含量36wt％，总养分(N+P2O5+K2O)12wt％，含水量15wt％。
对比例1
本对比例为本发明中步骤(3)所制备的生物炭材料C。
对比例2
本对比例为秸秆。
对比例3
本对比例为市面上常见的有机肥。
性能测试
将实施例1制备的生物炭基有机肥和对比例1-3提供的材料分别按照115kg/亩的施用量施加在土壤中，然后移栽玉米秧苗，同时设置空白对照组(不施加任何肥料)，观察玉米在39天后的长势，并进行相关指标的测试，评价本发明所制备的生物炭基有机肥的作用效果。
1.39天后单株玉米干物重
具体测试方法：玉米生长39天后，破坏盆土，整株取出玉米，自来水冲洗干净玉米根部及地上部泥土，于105℃杀青30分钟，70℃烘干至恒重，记录重量。
结论：由图3可知，施用炭基肥、生物炭、秸秆、有机肥的单株玉米干物重均显著增加，与不施有机物料的空白对照组相比，各处理玉米生物量分别增加764.6％、465.8％、208％和341.6％。其中施用炭基肥的作用效果最好，生物炭和秸秆材料对玉米植株生长没有表现出明显差异。结果显示，生物炭基有机肥有利于玉米植株生长。
2.土壤容重变化
具体测试方法：
在取玉米植株之前，环刀取盆土，称重，记录重量，计算土壤容重变化。
结论：由图4可知，施用炭基肥、生物炭、秸秆、有机肥能够显著降低土壤容重，其中炭基肥的作用效果最为显著，各处理对土壤容重的作用效果表现为炭基肥＞有机肥＝秸秆＞生物炭＞空白对照；结果显示施用本申请生物炭基有机肥土壤孔隙度增加，结构更为疏松。
3.土壤有机碳矿化速率
具体测试方法：
采用室内恒温培养、碱液吸收法测定培养过程中土壤有机碳的矿化量。称取相当于风干土样20g的预培养全土(或团聚体分级后的土壤)，其含水量仍调节为田间饱和持水量的60％，置于500mL塑料培养瓶中平铺于底部。将装有5mL氢氧化钠(0.3mol/L)溶液的特制吸收瓶置于培养瓶内用于吸收土壤呼吸产生的CO2。同时设置装有相同体积氢氧化钠溶液的培养瓶作为空白。将培养瓶加盖密封好，置于25℃恒温培养箱中避光培养。在培养的第1、3、5、7、14、21、28、35天取出吸收瓶，将吸收瓶中的溶液全部洗至玻璃三角瓶中，加入1mol/L的氯化钡溶液2mL和2滴酚酞指示剂，然后用盐酸(0.075mol/L左右)滴至红色消失。根据消耗盐酸的体积计算气体CO2-C的释放量。
团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化的贡献，公式如下：
Figure BDA0003204838010000081
结论：由图5可知，第1天生物炭处理有机碳矿化量最大，直至培养的第7天，炭基肥的有机碳矿化量保持最高，说明施用生物炭基有机肥处理的土壤中能够被微生物利用的活性有机碳数量增加，且能够在较长时间内保持稳定。
4.土壤团聚体结构的变化
具体测试方法：
采用干土湿筛法对土壤进行团聚体粒径分组：称取100g风干土壤置于2mm、0.25mm和0.053mm分样筛上放入盆内，使盆内水淹没团聚体，浸泡5min后开动团聚体分析仪，在2min内上下摆动50次，摆幅3cm，收集各粒径团聚体土壤在60℃下烘干，称重记录重量。
结论：由图6可知，与空白对照组相比，施用炭基肥、秸秆，大于0.25mm团聚体数量增加，小于0.054mm团聚体数量显著降低，生物炭与有机肥没有表现出较明显作用效果。
5.微生物总量
具体测试方法：采用磷脂脂肪酸法测定。
结论：由图7可知，与空白对照组处理相比，单一施用生物炭对土壤微生物总量没有表现出明显影响，施用炭基肥、秸秆、有机肥均显著增加土壤总微生物量，其中以炭基肥作用效果最为突出。
6.田间玉米产量
开展生物炭基有机肥的田间试验，于玉米成熟期，每处理取样10株，称重记录重量。
结论：由图8可知，与空白对照和对比例1、对比例2、对比例3相比，施用本发明所用生物炭基有机肥(实施例1)能够显著增加玉米产量，其中通过实施例1处理的鲜食玉米产量达到3123kg/ha，对比例1、对比例2、对比例3的产量分别为1568kg/ha、2820kg/ha、1482kg/ha。
综合分析表明，施用本发明的炭基肥能够促进玉米植株生长，增加鲜食玉米产量，疏松土壤结构，激活土壤微生物，增加可利用有机碳含量，促进土壤大团聚体形成。因此，本发明的生物炭基有机肥料对促进作物生长、改良土壤结构具有明显作用效果。

Claims (10)

1.一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)粪肥一级好氧发酵：将粪肥加入到发酵剂中混合均匀，放置一天后，重新翻堆混匀，加粪水后进行发酵，发酵完成后得到粪肥发酵物A；
(2)生物炭材料制备：将农业副产物材料B风干，与等重量的粪肥混合均匀，在绝氧或缺氧的条件下加热裂解制备得到生物炭材料C；
(3)混合二级厌氧发酵：将粪肥发酵物A、农业副产物材料B、生物炭材料C以一定比例混合均匀，接种微生物菌剂，加入农用尿素，密闭发酵完成后过筛，即得到双重发酵型生物炭基有机肥。
2.根据权利要求1所述的一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中粪肥包括猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中粪肥的含水量控制在13-17wt％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的发酵剂的浓度1×103～4×103CFU/mL。
5.根据权利要求4所述的一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述发酵剂包括枯草芽孢杆菌、放线菌、乳酸菌中的至少两种。
6.根据权利要求4所述的一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中发酵的温度为50-70℃，发酵时间为15-25天。
7.根据权利要求1所述的一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中农业副产物材料B包括香蕉杆、菠萝叶、甘蔗叶、椰糠、甘蔗渣中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的加热裂解的温度为450-550℃。
9.根据权利要求1所述的一种双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中粪肥发酵物A、农业副产物材料B和生物炭材料C的重量比为(3-5)：(1-4)：(1-3)。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的双重发酵型生物炭基有机肥的制备方法在热带、亚热带作物种植中的应用。
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