一種生物炭土壤調理劑及其製備方法與流程
2023-06-15 15:32:21 1
本發明涉及農業化學領域，特別涉及一種生物炭土壤調理劑及其製備方法。
背景技術：
：土壤是農業生產的基礎，是種植業最基本的生產資料。但是目前土地資源不足而且生產環境日益惡化，水土流失、板結、酸化、重金屬汙染、次生鹽漬化等問題加劇，對農作物生長造成了惡劣的影響。土壤調理劑(soilconditioner)是由農用保水劑及富含有機質、腐殖酸的天然泥炭或其它有機物為主要原料，輔以生物活性成分及營養元素組成，經科學工藝加工而成的產品，有極其顯著的保水、增肥、透氣三大土壤調理性能。能夠打破土壤板結、疏鬆土壤、提高土壤透氣性、降低土壤容重，促進土壤微生物活性、增強土壤肥水滲透力；具有改良土壤，治理荒漠，保水抗旱，增強農作物抗病能力，提高農作物產量，改善農產品品質，恢復農作物原生態等功能，大幅度提高植樹成活率和農產品產量；改善農林產品品質，恢復農林產品的天然風貌。完全無公害，無汙染，無生物激素，不同於國際市場上各種化肥、農藥、葉面肥和生物激素，是世界農林業種植的新型綠色生產資料。現有土壤調理劑主要是將腐殖酸進行化學提取，配製成腐殖酸類土壤改良劑，或者是通過提取礦石或禽畜糞便中的原料進行加工而成。此方法的缺點是資源利用率低，產品附加值低，市場應用面窄，有害微生物多且容易混入重金屬，對土壤造成二次汙染。目前市面上的多數土壤調理劑養分功能單一，養分不足，在改善土壤結構、提高微生物生長環境、改善土壤透氣性方面的能力欠缺，且穩定性差，肥力效果不明顯。技術實現要素：為了克服現有技術大多肥力效果差，調理效果單一，不能同時具備改良土壤理化性質，提高土壤孔隙度，提高營養成分，保水保肥，促進有益微生物繁殖，抑制病蟲害，鈍化重金屬等多重作用的問題，本發明提供了一種生物炭土壤調理劑及其製備方法。本發明採取的技術方案如下：一種生物炭土壤調理劑，由以下重量份數的原料組成：生物炭2-10份、木醋液1-5份、複合微生物菌5-10份、粘結劑3-5份和有機質4-10份。本發明的生物炭土壤調理劑主要是通過生物炭的吸附性吸附土壤中的氮磷鉀，再通過複合微生物菌解氮、解磷、解鉀，釋放營養成分，從而起到調理土壤的作用，有效解決土壤肥力流失與理化性狀不良等狀況，有效解決土壤板結酸化等現象。進一步的，所述生物炭來自於農作物秸稈、畜禽糞便、農產品加工剩餘物、林木採伐及森林撫育剩餘物、汙泥汙水或城市生活垃圾在高溫無氧或低氧條件下的熱解產物。本發明所用的生物炭原材料價格低廉、原料充足易得，且有益於環境保護。進一步的，所述複合微生物菌包括枯草芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌、矽酸鹽菌、澱粉芽胞桿菌和刺孢吸水鏈黴菌，所述枯草芽孢桿菌：膠質芽孢桿菌：矽酸鹽菌：澱粉芽胞桿菌：刺孢吸水鏈黴菌的重量比為1-5：1-5：1-5：1-5：1-5。進一步的，所述枯草芽孢桿菌的有效活菌數為1.5-2.5億cfu/g；所述膠質芽孢桿菌的有效活菌數為1-1.5億cfu/g；所述矽酸鹽菌的有效活菌數為0.3-0.6億cfu/g；所述澱粉芽胞桿菌的有效活菌數為0.6-1.2億cfu/g；所述刺孢吸水鏈黴菌的有效活菌數為0.3-0.6億cfu/g。具體的，本發明的原料中加入複合微生物菌，可以將氮磷鉀養分從生物炭中釋放到土壤中，從而起到調理土壤的作用。進一步的，所述粘結劑為膨潤土，所述有機質為羊糞、牛糞、馬糞、豬糞或雞糞中的一種或幾種。具體的，在原料中加入膨潤土，有利於土壤調理劑的造粒；添加禽畜糞便等有機質，可以提高調理劑的土壤調理功能。一種上述的生物炭土壤調理劑的製備方法，包括以下步驟：s1：將生物炭、木醋液、粘結劑、有機質按配比混合攪拌均勻、打散、造粒、烘乾、冷卻得顆粒ⅰ；s2：將顆粒ⅰ與複合微生物菌均勻混合，使複合微生物菌均勻覆蓋在顆粒ⅰ表面，得顆粒ⅱ；s3：將顆粒ⅱ送入振動篩進行篩選，粒徑在4mm以下的顆粒為合格產品，粒徑大於4mm的顆粒送回粉碎機，粉碎後再次造粒，循環步驟s3至粒徑大於4mm的顆粒的重量百分比小於步驟s2所得顆粒ⅱ的5％；s4：將步驟s3中篩選出的合格產品進行包膜，包裝出貨，得到生物炭土壤調理劑。進一步的，在步驟s1中，烘乾過程中，控制顆粒的含水量為5-10％。具體的，在烘乾過程中，控制烘乾溫度和烘乾時間，使顆粒ⅰ內的水分含量不被全部蒸發出去，控制顆粒ⅰ的含水量為顆粒重量的5-10％，使顆粒ⅰ的表面有一定的溼度，方便複合微生物菌覆蓋在顆粒ⅰ的表面。進一步的，所述生物炭的製備方法包括以下步驟：s10：將生物炭原材料進行烘乾、粉碎得粉末狀生物質原材料；其中烘乾條件為：在烘箱中110-120℃下烘烤10-20h，例如烘烤12h、14h、16h、18h、20h；所述粉末狀生物質原材料的粒徑小於10cm；具體的，本發明所用的生物炭原材料來自於農作物秸稈、畜禽糞便、農產品加工剩餘物、林木採伐及森林撫育剩餘物、汙泥汙水或城市生活垃圾，價格低廉、原料充足易得，且有益於環境保護；s20：將上述粉末狀生物質原材料在無氧條件下以第一速率從常溫升溫至第一溫度，保溫第一時間，再以第二速率升溫至第二溫度，保溫第二時間，使粉末狀生物質原材料熱解炭化，得到未活化的生物炭；其中第一速率為20-40℃/min，例如20℃/min、25℃/min、30℃/min、40℃/min，第一溫度為200-400℃，例如200℃、250℃、280℃、300℃、350℃、400℃，第一時間為0.5-2h，例如0.8h、1h、1.5h、2h，第二速率為5-15℃/min，例如5℃/min、10℃/min、12℃/min、15℃/min，第二溫度為800-900℃，例如800℃、820℃、840℃、860℃、880℃、900℃，第二時間為2-6h，例如3h、4h、5h、6h；在此步驟中，粉末狀的生物質原材料熱解後，不僅可以得到所需要的未活化的生物炭，還可以獲得焦油和木醋液，焦油和木醋液熱解除塵後可以獲得可燃氣體，可燃氣體可以用於能源化工領域，不但實現零汙染零排放，還可增加附加值，降低生產成本；s30：在上述未活化的生物炭中加入活化劑並粉碎至粒徑小於1mm，得到生物炭。此步驟通過對生物炭進行活化處理，活化後的生物炭有利於複合微生物菌劑進行發酵。進一步的，所述活化劑為酸性活化劑和/或鹼性活化劑,所述酸性活化劑為磷酸或鹽酸；所述鹼性活化劑為氨水、氫氧化鉀、磷酸氫二鉀、碳酸鉀、碳酸鈉、醋酸鉀、醋酸銨、碳酸氫鈉或硫化鈉中的任一種。具體的，在根據本發明的一實施例中，在生物炭中加入酸性活化劑或鹼性活化劑，可以使生物炭活化，再洗去多餘的酸性活化劑或鹼性活化劑以及活化後的生成物，在被刻蝕的位置出現孔洞，因此生物炭的吸附性能提高。進一步的，所述活化劑為酸性活化劑和鹼性活化劑，所述酸性活化劑的濃度為2-6mol/l，所述鹼性活化劑的濃度為0.5-2mol/l；採用酸性活化劑和鹼性活化劑活化生物炭的方法為：先在未活化的生物炭中加入鹼性活化劑，活化3-5h，經熱水、蒸餾水各洗滌至少3次，再加入酸性活化劑，活化3-5h，經熱水、蒸餾水各洗滌至少3次，烘乾、粉碎至粒徑小於1mm，得到生物炭。具體的，在根據本發明的另一實施例中，打破常規採用單一的酸性活化劑或鹼性活化劑的慣例，而採用先鹼性活化，再酸性活化的方法對生物炭進行活化，鹼性活化劑和酸性活化劑分別與活性炭中不同類型的碳反應，大大提高了活性炭的吸附性能。鹼性活化後，洗滌是一個關鍵的步驟，未洗時，產品的孔很少，採用熱水和常溫蒸餾水洗滌多次，將產品中的非本體物質洗去，並且隨後採用酸性活化劑活化時，酸性活化劑也參與了洗滌非本體物質的過程，因此使活性炭的孔洞增加，吸附性能較單一使用酸性或鹼性活化劑有了很大提高。進一步的，在步驟s1中，採用生物炭製備過程中收集的可燃氣體進行烘乾。本發明在生物炭生產過程中，還會產生可燃氣體，此可燃氣體用於烘乾過程中的燃料，降低生產成本。本發明的有益效果如下：(1)生物炭的吸附作用可以保持土壤肥力，吸附土壤中的氮磷鉀，促進土壤微生物活性並促進其分解，提高土壤孔隙度，降低土壤容重，增加土壤透氣性，解決土壤肥力流失與理化性狀不良等狀況，有效的解決土壤板結酸化等現象，改善農產品品質，促進農作物早熟，提高農作物產量；(2)生物炭的來源，可通過收集切割粉碎農作物秸稈、畜禽糞便、農產品加工剩餘物、林木採伐及森林撫育剩餘物、汙泥汙水或城市生活垃圾獲得，提高了廢棄物利用率，節約了成本；(3)通過熱解生物炭原材料不僅可以得到土壤調理劑所需要的生物炭，還可獲取焦油和木醋液，焦油和木醋液除塵後可以獲得可燃氣體，從而顯現零汙染零排放。具體實施方式以下將結合實施例來詳細說明本發明的實施方式，所舉實施例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。實施例1：生物炭的製備將生物炭原材料在烘箱中115℃下烘烤20h，粉碎得粒徑小於10cm的粉末狀生物質原材料；將粉末狀生物質原材料在無氧條件下以30℃/min的速率從常溫升溫至300℃，保溫2h，再以10℃/min的速率升溫至900℃，維持溫度3h，使粉末狀生物質原材料熱解炭化，得到未活化的生物炭；將上述未活化的生物炭中先用2mol/l的氫氧化鉀浸泡，活化3-5h，經80℃的熱水、常溫蒸餾水各洗滌至少3次，再將生物炭用4mol/l的磷酸溶液浸泡，活化3-5h，經80℃的熱水、常溫蒸餾水各洗滌至少3次，烘乾、粉碎至粒徑小於1mm，得到生物炭。實施例2：生物炭的製備將生物炭原材料在烘箱中115℃下烘烤20h，粉碎得粒徑小於10cm的粉末狀生物質原材料；將粉末狀生物質原材料在無氧條件下以30℃/min的速率從常溫升溫至300℃，保溫2h，再以10℃/min的速率升溫至900℃，維持溫度3h，使粉末狀生物質原材料熱解炭化，得到未活化的生物炭；將上述未活化的生物炭中先用1mol/l的氫氧化鉀浸泡，活化3-5h，經80℃的熱水、常溫蒸餾水各洗滌至少3次，再將生物炭用3mol/l的磷酸溶液浸泡，活化3-5h，經80℃的熱水、常溫蒸餾水各洗滌至少3次，烘乾、粉碎至粒徑小於1mm，得到生物炭。實施例3生物炭的製備將生物炭原材料在烘箱中115℃下烘烤20h，粉碎得粒徑小於10cm的粉末狀生物質原材料；將粉末狀生物質原材料在無氧條件下以30℃/min的速率從常溫升溫至300℃，保溫2h，再以10℃/min的速率升溫至900℃，維持溫度3h，使粉末狀生物質原材料熱解炭化，得到未活化的生物炭；將上述未活化的生物炭中先用0.5mol/l的氫氧化鉀浸泡，活化3-5h，經80℃的熱水、常溫蒸餾水各洗滌至少3次，再將生物炭用2mol/l的磷酸溶液浸泡，活化3-5h，經80℃的熱水、常溫蒸餾水各洗滌至少3次，烘乾、粉碎至粒徑小於1mm，得到生物炭。實施例4：生物炭的製備將生物炭原材料在烘箱中115℃下烘烤20h，粉碎得粒徑小於10cm的粉末狀生物質原材料；將粉末狀生物質原材料在無氧條件下以30℃/min的速率從常溫升溫至300℃，保溫2h，再以10℃/min的速率升溫至900℃，維持溫度3h，使粉末狀生物質原材料熱解炭化，得到未活化的生物炭；將上述未活化的生物炭中用2mol/l的氫氧化鉀浸泡，活化3-5h，經80℃的熱水、常溫蒸餾水各洗滌至少3次，烘乾、粉碎至粒徑小於1mm，得到生物炭。實施例5：土壤調理劑a的製備將生物炭：木醋液：粘結劑：有機質按照2：1：3：4的重量比混合攪拌均勻、打散、造粒、烘乾、冷卻得顆粒ⅰ，其中烘乾後顆粒ⅰ的含水量為10％，生物炭採用實施例1所得的生物炭；將顆粒ⅰ與複合微生物菌均勻混合，使複合微生物菌均勻覆蓋在顆粒ⅰ表面，得顆粒ⅱ，其中複合微生物菌中，枯草芽孢桿菌：膠質芽孢桿菌：矽酸鹽菌：澱粉芽胞桿菌：刺孢吸水鏈黴菌的重量比為1：1：1：1：1，所述枯草芽孢桿菌的有效活菌數為1.5億cfu/g；所述膠質芽孢桿菌的有效活菌數為1億cfu/g；所述矽酸鹽菌的有效活菌數為0.5億cfu/g；所述澱粉芽胞桿菌的有效活菌數為1億cfu/g；所述刺孢吸水鏈黴菌的有效活菌數為0.5億cfu/g；將顆粒ⅱ送入振動篩進行篩選，粒徑在4mm以下的顆粒為合格產品，粒徑大於4mm的顆粒送回粉碎機，粉碎後再次造粒，直至粒徑大於4mm的顆粒的重量百分比小於顆粒ⅱ的5％；篩選出的合格產品用粉體撲粉或液體包膜，包裝出貨，得到生物炭土壤調理劑。實施例6：土壤調理劑b的製備實施例6與實施例5區別在於，採用實施例2所得的生物炭，其他製備方法相同。實施例7：土壤調理劑c的製備實施例7與實施例5、實施例6的區別在於，採用實施例3所得的生物炭，其他製備方法相同。對比例1：土壤調理劑d的製備對比例1與實施例5-7的區別在於，採用實施例4所得的生物炭，其他製備方法相同。對比例2：土壤調理劑e的製備將生物炭：木醋液：粘結劑：有機質按照2：1：3：4的重量比混合攪拌均勻、打散、造粒、烘乾、冷卻得顆粒ⅰ，其中生物炭採用實施例1所得的生物炭；將顆粒ⅰ送入振動篩進行篩選，粒徑在4mm以下的顆粒為合格產品，粒徑大於4mm的顆粒送回粉碎機，粉碎後再次造粒，直至粒徑大於4mm的顆粒的重量百分比小於顆粒ⅰ的5％；篩選出的合格產品用粉體撲粉或液體包膜，包裝出貨，得到生物炭土壤調理劑。即對比例2與實施例1的區別在於，對比例2的原料中不含複合微生物菌劑。下面是本發明在模式作物番茄上的試驗效果：1、實驗樣品實驗樣品分別為土壤調理劑a+基肥(實驗組1)、土壤調理劑b+基肥(實驗組2)、土壤調理劑c+基肥(實驗組3)、土壤調理劑d+基肥(對照組1)、土壤調理劑e+基肥(對照組2)、基肥(對照組3)，其中基肥為普通氮磷鉀肥。2、實驗方法實驗選擇的土壤為潮土，質地為中壤土，肥力中等，肥力均勻，耕層土壤養分為：有機質10.3g/kg，鹼解氮63.6mg/kg，速效磷9.1mg/kg，速效鉀76.4mg/kg。前茬作物為芹菜，畝產量約為4200kg。在移栽前，以每畝40kg土壤調理劑與40kg基肥均勻施入番茄、小白菜和生菜地中，92天後測量番茄的畸果率、抗病性、單果重、單穗果樹、單穗重、畝產量以及土壤狀況，實驗結果如表1和2所示。14天後測量小白菜的產量、地上部乾重、地下部乾重、收穫指數、葉面積和小白菜中氮磷鉀的含量，實驗結果如表3和4所示；21天後測量生菜中氮磷鉀的含量，實驗結果如表5所示。3、實驗結果表1施用不同肥料後番茄的測試結果(註：表中數據為3次測量的平均值，抗病性按5級標準，5級為最強，1級為最弱)從表1可以看出，在基肥中添加本發明的土壤調理劑改善了番茄的生物學性狀，在基肥中添加土壤調理劑a、b、c、d、e均比基肥的施用效果好。並且實驗組與對照組相比，畸果率降低、抗病性增高、單果重量大、單穗果數多、單穗重量大、畝產量高。說明在基肥中添加本發明的土壤調理劑後，能夠降低畸果率，能增加番茄單果重、單穗果數和單穗重，提高番茄抗病性。當土壤調理劑採用不同的生物炭，測試結果也不同，具體為：土壤調理劑a(實驗組1)的效果好於土壤調理劑b(實驗組2)，土壤調理劑b(實驗組2)的效果好於土壤調理劑c(實驗組3)，土壤調理劑c(實驗組3)的效果好於土壤調理劑d(對照組1)，而土壤調理劑a、土壤調理劑b、土壤調理劑c和土壤調理劑d的區別在於生物炭採用了不同濃度的活化劑，土壤調理劑a、b、c均採用先鹼性活化、再酸性活化的辦法，活化程度也最高，比表面積最大，吸附性能最好，對土壤的改善程度最為理想。而土壤調理劑d只採用鹼活化，因此活化程度略差，吸附性能較土壤調理劑a、b、c差，因此施用到番茄地後的效果也降低了。此外，當土壤調理劑中不含有複合微生物菌時(對照組2)，畸果率、抗病性、單果重、單穗果重、單穗重和畝產量均下降，說明複合微生物菌的加入能將生物炭吸附的氮磷鉀解吸出來，從而起到調理土壤的作用，有效解決土壤肥力流失與理化性狀不良等狀況，有效解決土壤板結酸化等現象。表2施用不同肥料下后土壤化學性質的變化樣品有機碳(g·kg-1)氮(g·kg-1)磷(g·kg-1)有效磷(g·kg-1)實驗組122.351.050.329.19實驗組214.790.950.308.83實驗組310.610.920.297.54對照組17.810.860.267.67對照組27.100.850.236.87對照組36.320.650.175.76(註：表中數據為3次測量的平均值)從表2可以看出，施用含有土壤調理劑的肥料後，可以改善土壤化學性質，增加土壤可用營養，提供適宜生長的土壤環境，有利於土壤良性循環。同樣，生物炭與複合微生物菌對土壤化學性質的影響很大，生物炭的活化程度越高，土壤中可用營養含量越大；複合微生物菌的加入也可以提高土壤的化學性質。表3施用不同肥料後小白菜的測試結果樣品產量(g)地上部乾重(g)地下部乾重(g)收穫指數葉面積(cm2)實驗組1129.422.492.250.901174實驗組2118.916.992.210.851083實驗組3107.214.572.090.80935對照組194.612.651.980.79846對照組282.99.341.760.75782對照組373.16.881.510.72712(註：表中數據為3次測量的平均值)表4施用不同肥料後小白菜中氮、磷、鉀的含量樣品氮(mg/plant)磷(mg/plant)鉀(mg/plant)實驗組1378.315.3335.1實驗組2232.512.8326.7實驗組3206.911.7308.4對照組1175.68.1183.7對照組2111.56.4144.6對照組3108.14.8694.9(註：表中數據為3次測量的平均值)表5施用不同肥料後生菜中氮、磷、鉀的含量樣品氮(mg/plant)磷(mg/plant)鉀(mg/plant)實驗組194.44.9135.6實驗組283.94.0105.6實驗組371.23.594.5對照組165.82.778.5對照組262.12.368.7對照組353.61.856.6從表3和表4可以看出，施用含有土壤調理劑的肥料後，小白菜的產量、地上部乾重、地下部乾重、收穫指數、葉面積以及體內氮磷鉀含量均有提高。我們又將本發明施用到生菜地中，測量結果如表5所示，得到與小白菜同樣的結果，即施用含有土壤調理劑的肥料後，生菜的氮磷鉀含量均有提高。而且表3-5的結果表明，活性炭活化程度越高，小白菜的產量、地上部乾重、地下部乾重、收穫指數、葉面積以及小白菜和生菜體內的氮磷鉀含量越高。土壤調理劑中含有複合微生物菌比不含複合微生物菌獲得的農作物品質和營養水平更高。所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁12