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一种生物炭土壤调理剂及其制备方法与流程

花匠小妙招
2024-11-09 02:34

本发明涉及农业化学领域，特别涉及一种生物炭土壤调理剂及其制备方法。
背景技术：
：土壤是农业生产的基础，是种植业最基本的生产资料。但是目前土地资源不足而且生产环境日益恶化，水土流失、板结、酸化、重金属污染、次生盐渍化等问题加剧，对农作物生长造成了恶劣的影响。土壤调理剂(soilconditioner)是由农用保水剂及富含有机质、腐殖酸的天然泥炭或其它有机物为主要原料，辅以生物活性成分及营养元素组成，经科学工艺加工而成的产品，有极其显著的保水、增肥、透气三大土壤调理性能。能够打破土壤板结、疏松土壤、提高土壤透气性、降低土壤容重，促进土壤微生物活性、增强土壤肥水渗透力；具有改良土壤，治理荒漠，保水抗旱，增强农作物抗病能力，提高农作物产量，改善农产品品质，恢复农作物原生态等功能，大幅度提高植树成活率和农产品产量；改善农林产品品质，恢复农林产品的天然风貌。完全无公害，无污染，无生物激素，不同于国际市场上各种化肥、农药、叶面肥和生物激素，是世界农林业种植的新型绿色生产资料。现有土壤调理剂主要是将腐殖酸进行化学提取，配制成腐殖酸类土壤改良剂，或者是通过提取矿石或禽畜粪便中的原料进行加工而成。此方法的缺点是资源利用率低，产品附加值低，市场应用面窄，有害微生物多且容易混入重金属，对土壤造成二次污染。目前市面上的多数土壤调理剂养分功能单一，养分不足，在改善土壤结构、提高微生物生长环境、改善土壤透气性方面的能力欠缺，且稳定性差，肥力效果不明显。技术实现要素：为了克服现有技术大多肥力效果差，调理效果单一，不能同时具备改良土壤理化性质，提高土壤孔隙度，提高营养成分，保水保肥，促进有益微生物繁殖，抑制病虫害，钝化重金属等多重作用的问题，本发明提供了一种生物炭土壤调理剂及其制备方法。本发明采取的技术方案如下：一种生物炭土壤调理剂，由以下重量份数的原料组成：生物炭2-10份、木醋液1-5份、复合微生物菌5-10份、粘结剂3-5份和有机质4-10份。本发明的生物炭土壤调理剂主要是通过生物炭的吸附性吸附土壤中的氮磷钾，再通过复合微生物菌解氮、解磷、解钾，释放营养成分，从而起到调理土壤的作用，有效解决土壤肥力流失与理化性状不良等状况，有效解决土壤板结酸化等现象。进一步的，所述生物炭来自于农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工剩余物、林木采伐及森林抚育剩余物、污泥污水或城市生活垃圾在高温无氧或低氧条件下的热解产物。本发明所用的生物炭原材料价格低廉、原料充足易得，且有益于环境保护。进一步的，所述复合微生物菌包括枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、硅酸盐菌、淀粉芽胞杆菌和刺孢吸水链霉菌，所述枯草芽孢杆菌：胶质芽孢杆菌：硅酸盐菌：淀粉芽胞杆菌：刺孢吸水链霉菌的重量比为1-5：1-5：1-5：1-5：1-5。进一步的，所述枯草芽孢杆菌的有效活菌数为1.5-2.5亿cfu/g；所述胶质芽孢杆菌的有效活菌数为1-1.5亿cfu/g；所述硅酸盐菌的有效活菌数为0.3-0.6亿cfu/g；所述淀粉芽胞杆菌的有效活菌数为0.6-1.2亿cfu/g；所述刺孢吸水链霉菌的有效活菌数为0.3-0.6亿cfu/g。具体的，本发明的原料中加入复合微生物菌，可以将氮磷钾养分从生物炭中释放到土壤中，从而起到调理土壤的作用。进一步的，所述粘结剂为膨润土，所述有机质为羊粪、牛粪、马粪、猪粪或鸡粪中的一种或几种。具体的，在原料中加入膨润土，有利于土壤调理剂的造粒；添加禽畜粪便等有机质，可以提高调理剂的土壤调理功能。一种上述的生物炭土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：s1：将生物炭、木醋液、粘结剂、有机质按配比混合搅拌均匀、打散、造粒、烘干、冷却得颗粒ⅰ；s2：将颗粒ⅰ与复合微生物菌均匀混合，使复合微生物菌均匀覆盖在颗粒ⅰ表面，得颗粒ⅱ；s3：将颗粒ⅱ送入振动筛进行筛选，粒径在4mm以下的颗粒为合格产品，粒径大于4mm的颗粒送回粉碎机，粉碎后再次造粒，循环步骤s3至粒径大于4mm的颗粒的重量百分比小于步骤s2所得颗粒ⅱ的5％；s4：将步骤s3中筛选出的合格产品进行包膜，包装出货，得到生物炭土壤调理剂。进一步的，在步骤s1中，烘干过程中，控制颗粒的含水量为5-10％。具体的，在烘干过程中，控制烘干温度和烘干时间，使颗粒ⅰ内的水分含量不被全部蒸发出去，控制颗粒ⅰ的含水量为颗粒重量的5-10％，使颗粒ⅰ的表面有一定的湿度，方便复合微生物菌覆盖在颗粒ⅰ的表面。进一步的，所述生物炭的制备方法包括以下步骤：s10：将生物炭原材料进行烘干、粉碎得粉末状生物质原材料；其中烘干条件为：在烘箱中110-120℃下烘烤10-20h，例如烘烤12h、14h、16h、18h、20h；所述粉末状生物质原材料的粒径小于10cm；具体的，本发明所用的生物炭原材料来自于农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工剩余物、林木采伐及森林抚育剩余物、污泥污水或城市生活垃圾，价格低廉、原料充足易得，且有益于环境保护；s20：将上述粉末状生物质原材料在无氧条件下以第一速率从常温升温至第一温度，保温第一时间，再以第二速率升温至第二温度，保温第二时间，使粉末状生物质原材料热解炭化，得到未活化的生物炭；其中第一速率为20-40℃/min，例如20℃/min、25℃/min、30℃/min、40℃/min，第一温度为200-400℃，例如200℃、250℃、280℃、300℃、350℃、400℃，第一时间为0.5-2h，例如0.8h、1h、1.5h、2h，第二速率为5-15℃/min，例如5℃/min、10℃/min、12℃/min、15℃/min，第二温度为800-900℃，例如800℃、820℃、840℃、860℃、880℃、900℃，第二时间为2-6h，例如3h、4h、5h、6h；在此步骤中，粉末状的生物质原材料热解后，不仅可以得到所需要的未活化的生物炭，还可以获得焦油和木醋液，焦油和木醋液热解除尘后可以获得可燃气体，可燃气体可以用于能源化工领域，不但实现零污染零排放，还可增加附加值，降低生产成本；s30：在上述未活化的生物炭中加入活化剂并粉碎至粒径小于1mm，得到生物炭。此步骤通过对生物炭进行活化处理，活化后的生物炭有利于复合微生物菌剂进行发酵。进一步的，所述活化剂为酸性活化剂和/或碱性活化剂,所述酸性活化剂为磷酸或盐酸；所述碱性活化剂为氨水、氢氧化钾、磷酸氢二钾、碳酸钾、碳酸钠、醋酸钾、醋酸铵、碳酸氢钠或硫化钠中的任一种。具体的，在根据本发明的一实施例中，在生物炭中加入酸性活化剂或碱性活化剂，可以使生物炭活化，再洗去多余的酸性活化剂或碱性活化剂以及活化后的生成物，在被刻蚀的位置出现孔洞，因此生物炭的吸附性能提高。进一步的，所述活化剂为酸性活化剂和碱性活化剂，所述酸性活化剂的浓度为2-6mol/l，所述碱性活化剂的浓度为0.5-2mol/l；采用酸性活化剂和碱性活化剂活化生物炭的方法为：先在未活化的生物炭中加入碱性活化剂，活化3-5h，经热水、蒸馏水各洗涤至少3次，再加入酸性活化剂，活化3-5h，经热水、蒸馏水各洗涤至少3次，烘干、粉碎至粒径小于1mm，得到生物炭。具体的，在根据本发明的另一实施例中，打破常规采用单一的酸性活化剂或碱性活化剂的惯例，而采用先碱性活化，再酸性活化的方法对生物炭进行活化，碱性活化剂和酸性活化剂分别与活性炭中不同类型的碳反应，大大提高了活性炭的吸附性能。碱性活化后，洗涤是一个关键的步骤，未洗时，产品的孔很少，采用热水和常温蒸馏水洗涤多次，将产品中的非本体物质洗去，并且随后采用酸性活化剂活化时，酸性活化剂也参与了洗涤非本体物质的过程，因此使活性炭的孔洞增加，吸附性能较单一使用酸性或碱性活化剂有了很大提高。进一步的，在步骤s1中，采用生物炭制备过程中收集的可燃气体进行烘干。本发明在生物炭生产过程中，还会产生可燃气体，此可燃气体用于烘干过程中的燃料，降低生产成本。本发明的有益效果如下：(1)生物炭的吸附作用可以保持土壤肥力，吸附土壤中的氮磷钾，促进土壤微生物活性并促进其分解，提高土壤孔隙度，降低土壤容重，增加土壤透气性，解决土壤肥力流失与理化性状不良等状况，有效的解决土壤板结酸化等现象，改善农产品品质，促进农作物早熟，提高农作物产量；(2)生物炭的来源，可通过收集切割粉碎农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工剩余物、林木采伐及森林抚育剩余物、污泥污水或城市生活垃圾获得，提高了废弃物利用率，节约了成本；(3)通过热解生物炭原材料不仅可以得到土壤调理剂所需要的生物炭，还可获取焦油和木醋液，焦油和木醋液除尘后可以获得可燃气体，从而显现零污染零排放。具体实施方式以下将结合实施例来详细说明本发明的实施方式，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例1：生物炭的制备将生物炭原材料在烘箱中115℃下烘烤20h，粉碎得粒径小于10cm的粉末状生物质原材料；将粉末状生物质原材料在无氧条件下以30℃/min的速率从常温升温至300℃，保温2h，再以10℃/min的速率升温至900℃，维持温度3h，使粉末状生物质原材料热解炭化，得到未活化的生物炭；将上述未活化的生物炭中先用2mol/l的氢氧化钾浸泡，活化3-5h，经80℃的热水、常温蒸馏水各洗涤至少3次，再将生物炭用4mol/l的磷酸溶液浸泡，活化3-5h，经80℃的热水、常温蒸馏水各洗涤至少3次，烘干、粉碎至粒径小于1mm，得到生物炭。实施例2：生物炭的制备将生物炭原材料在烘箱中115℃下烘烤20h，粉碎得粒径小于10cm的粉末状生物质原材料；将粉末状生物质原材料在无氧条件下以30℃/min的速率从常温升温至300℃，保温2h，再以10℃/min的速率升温至900℃，维持温度3h，使粉末状生物质原材料热解炭化，得到未活化的生物炭；将上述未活化的生物炭中先用1mol/l的氢氧化钾浸泡，活化3-5h，经80℃的热水、常温蒸馏水各洗涤至少3次，再将生物炭用3mol/l的磷酸溶液浸泡，活化3-5h，经80℃的热水、常温蒸馏水各洗涤至少3次，烘干、粉碎至粒径小于1mm，得到生物炭。实施例3生物炭的制备将生物炭原材料在烘箱中115℃下烘烤20h，粉碎得粒径小于10cm的粉末状生物质原材料；将粉末状生物质原材料在无氧条件下以30℃/min的速率从常温升温至300℃，保温2h，再以10℃/min的速率升温至900℃，维持温度3h，使粉末状生物质原材料热解炭化，得到未活化的生物炭；将上述未活化的生物炭中先用0.5mol/l的氢氧化钾浸泡，活化3-5h，经80℃的热水、常温蒸馏水各洗涤至少3次，再将生物炭用2mol/l的磷酸溶液浸泡，活化3-5h，经80℃的热水、常温蒸馏水各洗涤至少3次，烘干、粉碎至粒径小于1mm，得到生物炭。实施例4：生物炭的制备将生物炭原材料在烘箱中115℃下烘烤20h，粉碎得粒径小于10cm的粉末状生物质原材料；将粉末状生物质原材料在无氧条件下以30℃/min的速率从常温升温至300℃，保温2h，再以10℃/min的速率升温至900℃，维持温度3h，使粉末状生物质原材料热解炭化，得到未活化的生物炭；将上述未活化的生物炭中用2mol/l的氢氧化钾浸泡，活化3-5h，经80℃的热水、常温蒸馏水各洗涤至少3次，烘干、粉碎至粒径小于1mm，得到生物炭。实施例5：土壤调理剂a的制备将生物炭：木醋液：粘结剂：有机质按照2：1：3：4的重量比混合搅拌均匀、打散、造粒、烘干、冷却得颗粒ⅰ，其中烘干后颗粒ⅰ的含水量为10％，生物炭采用实施例1所得的生物炭；将颗粒ⅰ与复合微生物菌均匀混合，使复合微生物菌均匀覆盖在颗粒ⅰ表面，得颗粒ⅱ，其中复合微生物菌中，枯草芽孢杆菌：胶质芽孢杆菌：硅酸盐菌：淀粉芽胞杆菌：刺孢吸水链霉菌的重量比为1：1：1：1：1，所述枯草芽孢杆菌的有效活菌数为1.5亿cfu/g；所述胶质芽孢杆菌的有效活菌数为1亿cfu/g；所述硅酸盐菌的有效活菌数为0.5亿cfu/g；所述淀粉芽胞杆菌的有效活菌数为1亿cfu/g；所述刺孢吸水链霉菌的有效活菌数为0.5亿cfu/g；将颗粒ⅱ送入振动筛进行筛选，粒径在4mm以下的颗粒为合格产品，粒径大于4mm的颗粒送回粉碎机，粉碎后再次造粒，直至粒径大于4mm的颗粒的重量百分比小于颗粒ⅱ的5％；筛选出的合格产品用粉体扑粉或液体包膜，包装出货，得到生物炭土壤调理剂。实施例6：土壤调理剂b的制备实施例6与实施例5区别在于，采用实施例2所得的生物炭，其他制备方法相同。实施例7：土壤调理剂c的制备实施例7与实施例5、实施例6的区别在于，采用实施例3所得的生物炭，其他制备方法相同。对比例1：土壤调理剂d的制备对比例1与实施例5-7的区别在于，采用实施例4所得的生物炭，其他制备方法相同。对比例2：土壤调理剂e的制备将生物炭：木醋液：粘结剂：有机质按照2：1：3：4的重量比混合搅拌均匀、打散、造粒、烘干、冷却得颗粒ⅰ，其中生物炭采用实施例1所得的生物炭；将颗粒ⅰ送入振动筛进行筛选，粒径在4mm以下的颗粒为合格产品，粒径大于4mm的颗粒送回粉碎机，粉碎后再次造粒，直至粒径大于4mm的颗粒的重量百分比小于颗粒ⅰ的5％；筛选出的合格产品用粉体扑粉或液体包膜，包装出货，得到生物炭土壤调理剂。即对比例2与实施例1的区别在于，对比例2的原料中不含复合微生物菌剂。下面是本发明在模式作物番茄上的试验效果：1、实验样品实验样品分别为土壤调理剂a+基肥(实验组1)、土壤调理剂b+基肥(实验组2)、土壤调理剂c+基肥(实验组3)、土壤调理剂d+基肥(对照组1)、土壤调理剂e+基肥(对照组2)、基肥(对照组3)，其中基肥为普通氮磷钾肥。2、实验方法实验选择的土壤为潮土，质地为中壤土，肥力中等，肥力均匀，耕层土壤养分为：有机质10.3g/kg，碱解氮63.6mg/kg，速效磷9.1mg/kg，速效钾76.4mg/kg。前茬作物为芹菜，亩产量约为4200kg。在移栽前，以每亩40kg土壤调理剂与40kg基肥均匀施入番茄、小白菜和生菜地中，92天后测量番茄的畸果率、抗病性、单果重、单穗果树、单穗重、亩产量以及土壤状况，实验结果如表1和2所示。14天后测量小白菜的产量、地上部干重、地下部干重、收获指数、叶面积和小白菜中氮磷钾的含量，实验结果如表3和4所示；21天后测量生菜中氮磷钾的含量，实验结果如表5所示。3、实验结果表1施用不同肥料后番茄的测试结果(注：表中数据为3次测量的平均值，抗病性按5级标准，5级为最强，1级为最弱)从表1可以看出，在基肥中添加本发明的土壤调理剂改善了番茄的生物学性状，在基肥中添加土壤调理剂a、b、c、d、e均比基肥的施用效果好。并且实验组与对照组相比，畸果率降低、抗病性增高、单果重量大、单穗果数多、单穗重量大、亩产量高。说明在基肥中添加本发明的土壤调理剂后，能够降低畸果率，能增加番茄单果重、单穗果数和单穗重，提高番茄抗病性。当土壤调理剂采用不同的生物炭，测试结果也不同，具体为：土壤调理剂a(实验组1)的效果好于土壤调理剂b(实验组2)，土壤调理剂b(实验组2)的效果好于土壤调理剂c(实验组3)，土壤调理剂c(实验组3)的效果好于土壤调理剂d(对照组1)，而土壤调理剂a、土壤调理剂b、土壤调理剂c和土壤调理剂d的区别在于生物炭采用了不同浓度的活化剂，土壤调理剂a、b、c均采用先碱性活化、再酸性活化的办法，活化程度也最高，比表面积最大，吸附性能最好，对土壤的改善程度最为理想。而土壤调理剂d只采用碱活化，因此活化程度略差，吸附性能较土壤调理剂a、b、c差，因此施用到番茄地后的效果也降低了。此外，当土壤调理剂中不含有复合微生物菌时(对照组2)，畸果率、抗病性、单果重、单穗果重、单穗重和亩产量均下降，说明复合微生物菌的加入能将生物炭吸附的氮磷钾解吸出来，从而起到调理土壤的作用，有效解决土壤肥力流失与理化性状不良等状况，有效解决土壤板结酸化等现象。表2施用不同肥料下后土壤化学性质的变化样品有机碳(g·kg-1)氮(g·kg-1)磷(g·kg-1)有效磷(g·kg-1)实验组122.351.050.329.19实验组214.790.950.308.83实验组310.610.920.297.54对照组17.810.860.267.67对照组27.100.850.236.87对照组36.320.650.175.76(注：表中数据为3次测量的平均值)从表2可以看出，施用含有土壤调理剂的肥料后，可以改善土壤化学性质，增加土壤可用营养，提供适宜生长的土壤环境，有利于土壤良性循环。同样，生物炭与复合微生物菌对土壤化学性质的影响很大，生物炭的活化程度越高，土壤中可用营养含量越大；复合微生物菌的加入也可以提高土壤的化学性质。表3施用不同肥料后小白菜的测试结果样品产量(g)地上部干重(g)地下部干重(g)收获指数叶面积(cm2)实验组1129.422.492.250.901174实验组2118.916.992.210.851083实验组3107.214.572.090.80935对照组194.612.651.980.79846对照组282.99.341.760.75782对照组373.16.881.510.72712(注：表中数据为3次测量的平均值)表4施用不同肥料后小白菜中氮、磷、钾的含量样品氮(mg/plant)磷(mg/plant)钾(mg/plant)实验组1378.315.3335.1实验组2232.512.8326.7实验组3206.911.7308.4对照组1175.68.1183.7对照组2111.56.4144.6对照组3108.14.8694.9(注：表中数据为3次测量的平均值)表5施用不同肥料后生菜中氮、磷、钾的含量样品氮(mg/plant)磷(mg/plant)钾(mg/plant)实验组194.44.9135.6实验组283.94.0105.6实验组371.23.594.5对照组165.82.778.5对照组262.12.368.7对照组353.61.856.6从表3和表4可以看出，施用含有土壤调理剂的肥料后，小白菜的产量、地上部干重、地下部干重、收获指数、叶面积以及体内氮磷钾含量均有提高。我们又将本发明施用到生菜地中，测量结果如表5所示，得到与小白菜同样的结果，即施用含有土壤调理剂的肥料后，生菜的氮磷钾含量均有提高。而且表3-5的结果表明，活性炭活化程度越高，小白菜的产量、地上部干重、地下部干重、收获指数、叶面积以及小白菜和生菜体内的氮磷钾含量越高。土壤调理剂中含有复合微生物菌比不含复合微生物菌获得的农作物品质和营养水平更高。所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12