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一种改良酸性土壤的有机无机复混肥及其制备方法

花匠小妙招
2024-11-29 12:18

1.本发明涉及农业肥料领域，具体涉及一种改良酸性土壤的有机无机复混肥及其制备方法。

背景技术：

2.当前，酸性土壤约占世界总土地面积的30％，占潜在耕地的50％以上，并随着人为活动的加剧，土壤酸化速率正在逐年增加。土壤酸化后加速土壤板结、养分流失严重，还会使土壤固相中的铝或重金属活化并释放进入土壤溶液中，对作物根系产生毒害，影响作物生长。土壤酸化已对全球陆地生态系统造成严重威胁，限制集约化农业生产和发展，成为值得注意的重要环境问题之一。
3.改良酸性土壤的常用方法是施用石灰等碱性物质直接中和土壤酸度，这种方法是改良酸性土壤的传统有效方法，但同时存在一些问题。长期大量施用化肥会导致土壤板结和养分不平衡，因为石灰仅提供养分钙，而大量的钙会导致土壤中其他养分元素含量下降。土壤酸化伴随着土壤肥力退化，改善土壤酸化需与土壤肥力提升同步改良。单一施用某种改良剂具有短时见效快特点，但长期施用会造成土壤养分不均衡，土壤质量下降。因此将石灰等无机碱性物质与有机肥改良剂配合施用是当前有效的酸性土壤改良剂。
4.相比于石灰等碱性物质，有机肥含有大量的有机质和缓冲物质，可改善酸性土壤，提高土壤的缓冲性能。但由于土壤类型、ph值、种植作物等不同，酸性土壤改良剂的持久有效性存在差异。目前市场上的有机肥质量参差不齐，较多采用简单的兼性堆肥，存在病原菌消灭不完全、重金属和抗生素等污染物残留等安全风险，施用到农田会对土壤、作物和环境造成不良影响。
5.改良酸性土壤的有机无机复混肥是酸性土壤调理剂的一类，通过调控养分快速改善酸性土壤，提高土壤肥力，促进作物生长发育，提高作物产量和品质，应用范围十分广泛。中国发明专利(专利号：cn202110570365.8，授权公告日2021-07-27)公开了一种鸽子蛋粪源炭基有机无机复混肥及其制备方法与应用，通过鸽子粪便与稻壳、蘑菇渣共同发酵的产物鸽子粪、鸽子羽毛与鸡毛、鸭毛共同炭化的生物炭、尿素、磷酸一铵和硫酸钾按比例混合，粉碎过筛，烘干造粒得到有机无机复混肥，施用至5年树龄的沙糖橘，显著提高果树的开花率、坐果率、成品率、果重和可溶性固形物，却未表明对土壤的改良效果。并且，该有机无机复混肥原料产量较少，生产周期复杂，无机肥料添加种类较多，对酸性土壤的改良远不能达到规模化应用和要求。

技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种改良土壤酸性、提高土壤肥力、增加作物产量和质量的有机无机复混肥。
7.第一方面，本发明提供了一种有机无机复混肥的制备方法，在羊粪中添加内源调控添加剂进行高温好氧堆肥，获得有机肥；按照有机肥与无机肥质量比为(8～9)：1的比例
混合，得到有机无机复混肥。
8.在本发明提供的制备方法中，所述内源调控添加剂为秸秆生物炭；所述无机肥为钙镁磷肥。
9.在本发明提供的制备方法中，所述秸秆生物炭的制备方法为：绝氧制备温度400-600℃，热解时间为1.5-2.5h，ph值为9-11。
10.本发明采用玉米秸秆生物炭与羊粪进行高温好氧发酵获得有机肥，在堆肥过程中，玉米秸秆生物炭所起的作用是调节羊粪结构、调节羊粪ph值，固定堆体中氮素，提高堆肥产品中碳含量。
11.在本发明提供的制备方法中，所述秸秆生物炭的添加量为羊粪湿重的8-12％，秸秆生物炭低量添加无法实现氮素固定作用，秸秆生物炭高量添加会增加成本，也会使堆体ph太高，不利于发酵。
12.在本发明提供的制备方法中，所述高温好氧堆肥的周期为14-21天，每3-7天进行一次翻堆。一般堆肥周期较长，已报道的文献中羊粪堆肥周期为35天左右，本研究中通过内源调控，包括功能材料和通风调控，使羊粪堆肥可以在14天内达到腐熟，并且最大程度保留有机质和养分。
13.在本发明提供的制备方法中，所述高温好氧堆肥中，堆肥温度大于55℃的时间在7天以上。
14.在本发明提供的制备方法中，堆肥温度大于55℃的时间在5天以上，可以实现对羊粪中有害微生物的杀灭作用，达到畜禽粪便无害化要求。
15.在本发明提供的制备方法中，所述高温好氧堆肥过程中，采用间歇式通风，通10-20min暂停20-40min，通风速率为0.06-0.12l
·
kg-1
dm
·
min-1
。这种通风方式为一种最大程度节约能耗的微好氧通风方式，高温期所通入的氧气可以100％被微生物利用，同时减少热量损失，达到75℃的超高温。
16.现有技术在堆肥过程中，如果想要达到75℃左右的超高温，需要加入大量的秸秆、木屑等碳源辅料，并且需要采用0.4l
·
kg-1
dm
·
min-1
的强制连续通风，来保证羊粪发酵。本发明在低通风不添加任何辅料的情况下通过微好氧实现了羊粪快速发酵。
17.第二方面，本发明提供一种有机无机复混肥，由上述的有机无机复混肥制备方法，制备得到。
18.根据本领域技术人员的理解，本发明还请求保护上述的有机无机复混肥在提高酸性土壤ph、有机质含量、速效养分中的应用。本发明针对的改良效果是土壤ph为3.72-4.5的强酸性贫瘠土壤。
19.本发明还请求保护上述的有机无机复混肥在提高作物生物量、可溶性糖含量、维生素c含量中的应用。
20.本发明针对土壤ph值为3.72-4.5的强酸性贫瘠土壤，重点改良土壤酸度和有机质，提供一种持续供给养分并改善土壤结构的有机无机复混肥制备方法。
21.本发明基于羊粪堆肥过程内源调控措施，将羊粪高温堆肥形成的高养分和腐熟的堆肥产品，进一步与低成本的钙镁磷肥等无机调理剂进行复配，形成有机无机复混肥。该肥料制备方法简单、易操作、成本低廉。该复混肥养分含量高，可显著提高土壤ph值和有机质，同时促进作物生长，提高作物品质，兼具提质增效和抑病促生效果。
22.更具体地，本发明的有益效果至少在于：
23.(1)本发明的堆肥装置简单，包括通气装置和足够的容积；堆肥过程操作简单，无需辅料添加，通风速率低(低于0.1l
·
kg-1
dm
·
min-1
)形成微好氧环境，添加生物炭内源调控减少堆肥过程碳氮损失，形成弱碱性(ph＝7.8)、碳氮含量高(总碳＝38.42％、总氮＝1.82％)、有机质丰富(79.14％)、腐熟度高(种子发芽指数》70％)、其他指标均达标的有机肥产品。
24.(2)本发明所提供的有机无机复混肥中，有机肥生产周期短(14天)，可直接与商用磷肥复配形成有机无机复混肥，复配材料种类单一成本低廉，配比方式简便易操作，无需较长生产周期。
25.(3)本发明通过室内土壤试验和盆栽试验，证实了所提供的有机无机复混肥，可将土壤ph从4以下提高至5.8，土壤有机质36.56g
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kg-1
提高至65.31-85.37g
·
kg-1
，速效养分从8.33-59.82mg
·
kg-1
提高至10.09-100.21mg
·
kg-1
；作物生物量从0.01g/株提高至1.69-1.98g/株，叶绿素含量和可溶性糖含量从1.46-3.10mg
·
g-1
提高至3.25-10.50mg
·
g-1
，显著提高土壤的ph值和养分含量，改善土壤结构，促进作物生长发育，提高作物产量和品质，兼具提质增效和促生效果。
附图说明
26.图1为本发明羊粪堆肥过程中的温度变化。
27.图2为本发明添加秸秆生物炭后，羊粪堆肥获得的有机肥的种子发芽指数变化。
28.图3为制备得到的有机无机复混肥的产品实物照片。
29.图4为有机无机复混肥施用在酸性土壤后娃娃菜生长情况。
具体实施方式
30.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。
31.若未特别指明，本发实施例中所用的实验材料、试剂、仪器等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所有的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
32.实施例1有机无机复混肥的制备方法
33.本发明提供有机无机复混肥的制备方法，步骤如下：
34.在羊粪中添加湿重10％的秸秆生物炭联合进行高温好氧堆肥，经14天堆肥后产生的堆肥产品风干经粉碎后，按照8～9(有机肥)：1(钙镁磷肥)比例混合得到有机无机复混肥。
35.试验中所用的羊粪取自北京市奥鑫牧业有限公司，羊粪理化性质为：含水率45％～60％，容重350～550kg/m3，ph值7～9，总氮含量1.8～2.5％，总碳35～40％；
36.生物炭为玉米秸秆生物炭，购于河南立泽环保科技有限公司。玉米秸秆生物炭的制备方法为：绝氧制备温度为400-600℃，热解时间为1.5-2.5h，ph值为9-11。
37.堆肥原料初始性状如表1所示。
38.表1初始物料物理化学性质
[0039][0040][0041]
注：a基于湿重；b基于干重
[0042]
实验过程采用的双层不锈钢发酵罐，体积约为60l，罐内径为0.36m，罐厚0.05m，高度0.6m。容器顶部有气体采集口，容器底部有通风进入口和渗滤液收集口，通风口上2cm处设置不锈钢筛板，具有支撑物料、均匀通风的双重目的。发酵罐带有设定程序自动显示温度和控制曝气，通过自动控制系统记录温度数据。
[0043]
添加秸秆生物炭后，羊粪堆肥过程中的温度变化，见图1。图1表明，添加生物炭至羊粪堆肥中，第2d温度上升至70℃，从第4d后温度显著高于对照处理，最高温度为75.1℃，并延长堆肥高温期，温度保持在70℃维持10d以上，有效杀灭羊粪中的病原菌、蛔虫卵等有害物质，满足堆肥无害化标准。表明添加生物炭可促进堆肥升温，延长高温期。
[0044]
本发明在14天可以实现堆肥的完全腐熟，本发明缩短了发酵周期，显著提高了羊粪堆肥腐熟的效率。
[0045]
试验过程中采用通气10分钟，停20分钟的间歇通气方式，通风速率为0.1l
·
kg-1
dm
·
min-1
，实验周期为14d，第3天和第7天进行翻堆。
[0046]
分别在0、3、7和14d时采集固体样，固体样选取混合样，混合样样品一式三份，一份样品用烘箱在105℃条件下烘干，测定含水率；另一部分自然风干，粉粹后过0.5mm筛，用于测定挥发性固体(vs)、总碳(tc)、总氮(tn)、总养分含量和重金属含量。固相挥发性固体(vs)含量采用马弗炉灼烧法，在550℃灼烧6h至恒重；剩下的样品用于测定腐熟度指标和无害化指标，包括ph值，电导率(ec)、种子发芽指数(gi)和粪大肠菌群。各个指标测定方法：ph值、电导率(ec)、总养分和重金属含量采用ny/t 525-2021有机肥料标准方法测定；发芽率指数测定方法参考文献；tc和tn测定采用元素分析仪测定(elementar analysensysteme，hanau，德国)。粪大肠菌群按照gb/t 19524.1-2004的规定方法进行测定。
[0047]
添加秸秆生物炭后，羊粪堆肥获得的有机肥的种子发芽指数变化，见图2，图2表明，添加生物炭至羊粪堆肥中，显著提高种子发芽指数，堆肥结束时添加生物炭处理gi值为86％，显著高于对照处理(65％)，满足有机肥gi》70％标准，表明添加生物炭有利于提高堆肥腐熟度。
[0048]
羊粪堆肥产品(有机肥)通过14天微好氧堆肥形成，达有机肥料要求标准(ny525-2021)。具体性质为：种子发芽指数(gi)≥70％，有机质含量为75％-80％，ph值为7-8，病原菌(粪大肠菌群)未检出，重金属均低于标准值(铅≤50mg
·
kg-1
、汞≤2mg
·
kg-1
、镉≤3mg
·
kg-1
、砷≤15mg
·
kg-1
、铬≤150mg
·
kg-1
)。
[0049]
将堆肥结束的样品风干粉碎后，按照8～9(有机肥)：1(钙镁磷肥)比例混合得到有机无机复混肥(见图3)，本发明得到的有机无机复混肥颜色为黑色，呈粉末状。
[0050]
依据我国《有机无机复混肥料》(gb/t 18877-2020)标准，分析有机无机复混肥的品质，该产品各项指标均满足有机无机复混肥料标准，各项指标如表2所示。
[0051]
通过好氧堆肥制备的有机肥与钙镁磷肥复配形成的有机无机复混肥，有机质和养分含量高，ph为弱碱性，重金属(砷、汞、铅、镉、铬)含量显著低于标准，氯离子和钠离子含量未超标，是养分丰富的优质复混肥产品。
[0052]
表2有机无机复配肥性质和养分含量
[0053][0054][0055]
对比例1不同内源调控添加剂制备有机肥的效果
[0056]
本对比例提供，采用不同内源调控添加剂与羊粪进行高温好氧堆肥制备有机肥的效果。
[0057]
采用与实施例1中相同的方法，对磷石膏和过磷酸钙作为内源调控添加剂时，有机肥堆肥中温度的变化及种子发芽指数的变化进行检测。
[0058]
结果表明：在采用磷石膏和过磷酸钙作为内源调控添加剂时，在堆肥14天周期内，所获得的有机肥温度较低，不能起到杀菌羊粪中有害微生物的效果，也会限制有机质降解，对种子发芽指数没有提升作用。同时堆肥产物ph较低，不能起到改良酸性土壤的作用，堆肥产物的碳含量也较低，不能更好的实现对贫瘠土壤的培肥改土效果。
[0059]
并且，本对比例所得的有机肥不能满足有机肥料要求标准(ny525-2021)，在与无机肥进行9:1的组配后，不能起到改良酸性土壤的作用。
[0060]
对比例2秸秆生物炭不同添加比例
[0061]
本对比例提供，高温好氧堆肥制备有机肥时，秸秆生物炭的不同比例所得到的有机肥。
[0062]
采用与实施例1中相同的方法，对秸秆生物炭不同添加比例制备有机肥过程中，肥料温度的变化及种子发芽指数的变化进行检测。
[0063]
结果表明，当所用秸秆生物炭过多时(大于羊粪湿重的12％)，会导致堆体ph过高，不利于氮素保存，更多以氨气形式形式，导致有机肥氮养分下降。
[0064]
当所用秸秆生物炭过少时(小于羊粪湿重的8％)，制得的有机肥有机质含量较低，也无法通过吸附作用固定较高的氮损失，同时堆肥产品的ph值较低，不利于后续对酸性土壤的改良。
[0065]
对比例3有机肥与无机肥用量比例
[0066]
本对比例对有机肥与无机肥的用量进行探究，结果表明，当有机肥的用量过多(仅使用有机肥)时，由于有机肥对于酸性土壤改良效果较慢且提升土壤ph的能力有限，不能对酸性极低土壤起到快速改良作用。
[0067]
但有机肥的用量过少时(有机肥：无机肥为7:3时)，无机改良剂尽管可以快速的改良酸性土壤的ph，但是改良效果不持久，且有机质含量会降低，直接影响对酸性土壤培肥改土的效果。同时，有机肥的用量过少时，肥料中npk等养分含量会降低，直接影响作为对养分的吸收，影响作物生长。
[0068]
对比例4不同高温好氧堆肥条件
[0069]
本对比例提供，采用不同温度条件好氧堆肥制备有机肥时，不同温度条件下所得到的有机肥。
[0070]
采用与实施例1中相同的方法，对不同温度条件下制备有机肥过程中，肥料温度的变化及种子发芽指数的变化进行检测。
[0071]
结果表明，当温度低于55℃以下，不能有效灭活羊粪中病原菌、蛔虫卵、杂草种子等风险物质，农田利用会导致病原菌传播；另一方面，较低的堆肥温度会延长堆肥腐熟周期，一般低于55℃的传统兼性堆肥的发酵时间需大于45天。
[0072]
实施例2有机无机复混肥的应用
[0073]
试验例1：将有机无机复混肥与土壤均匀混合后，放入恒温培养箱中进行为期30天的土壤培养实验，添加量为1％，试验条件为环境温度25℃，相对湿度为70％。供试土壤为浙江省湖州市长兴县和平镇马家边村茶园表层土壤，土壤基本理化性质如表3所示，测定指标采用土壤农化常规分析方法：ph值为电位法(土水质量比为1:2.5)；有机质用重铬酸钾容量法测定；全氮用半微量开氏法测定；速效钾用火焰光度法测定；速效磷用0.05mol
·
l-1
hcl-0.025mol
·
l-1
(1/2h2so4)法进行测定；土壤阳离子交换量(cec)采用乙酸铵交换法进行测定。本实验分为对照组和施肥组。
[0074]
施肥组1：按照8.5(有机肥)：1(钙镁磷肥)混合形成的有机无机复混肥；
[0075]
施肥组2：按照8(有机肥)：1(钙镁磷肥)混合形成的有机无机复混肥。
[0076]
表3供试土壤的基本理化性质
[0077][0078]
培养结束后对土壤的ph、ec、有机质、速效磷、速效钾等进行测定。ph值为电位法
(土水质量比为1:2.5)；有机质用重铬酸钾容量法测定；全氮用半微量开氏法测定；速效钾用火焰光度法测定；速效磷用0.05mol
·
l-1
hcl-0.025mol
·
l-1
(1/2h2so4)法进行测定；土壤阳离子交换量(cec)采用乙酸铵交换法进行测定。
[0079]
表4对照组和施肥组土壤理化性质的变化
[0080][0081]
从表4的培养结果可以看出，通过土壤培养实验表明，在复配比例在(8-9)：1时，不同复配组分的有机无机复混肥均可显著提高土壤的ph和养分含量。土壤ph值从3.72至5.20～5.79；ec值从131.50μs
·
cm-1
提高至741～1123.67μs
·
cm-1
；土壤cec从17.47cmol
·
kg-1
提高至83.84～117.88cmol
·
kg-1
；土壤有机质从36.56g
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kg-1
提高至65.31～85.37g
·
kg-1
；土壤总氮从22.00g
·
kg-1
提高至51.89～59.77g
·
kg-1
；土壤速效磷从59.82mg
·
kg-1
提升至130.54～174.13mg
·
kg-1
；土壤速效钾从20.87mg
·
kg-1
提升至69.68～97.60mg
·
kg-1
，不同复配组分的有机无机复混肥综合提升土壤肥力和缓冲能力无显著差异。充分表明有机无机复混肥提高土壤ph和养分含量，调整土壤结构，促进土壤吸收转化和释放有机物质改善土壤主动性。
[0082]
试验例2：将适用于土壤改良的有机无机复混肥在温室大棚中进行为期30天的盆栽试验，供试土壤同试验例1，供试作物为娃娃菜和小油菜，购自京研益农(北京)种业科技有限公司。具体的设计如下：试验分为对照组和处理组，处理组施用8(有机肥)：1(钙镁磷肥)混合形成的有机无机复混肥，对照组和处理组均施加0.02g/kg的尿素作为基肥，每个处理平行试验3次，结果见图4。
[0083]
图4表明，与对照处理相比，酸性土壤施用有机无机复混肥后，所种植的作物，叶片大而均匀，颜色饱满有色泽，表明施用有机无机复混肥改善土壤结构，提高土壤肥力，促进植株生长发育，有利于提高作物产量和品质。
[0084]
分析本发明有机无机复混肥对土壤ph、土壤有机质的含量、土壤速效养分以及娃娃菜和小油菜的生物量和叶绿素、可溶性糖、维生素c等品质指标。土壤基本理化指标的测定方法同试验例1，叶绿素用比色法进行测定；可溶性糖采用蒽酮比色法进行测定；维生素c采用红菲咯啉比色法测定。结果如表5所示。
[0085]
表5对照组和处理组的土壤理化性质以及娃娃菜和小油菜生长量以及品质指标
[0086]
[0087][0088]
从以上的结果表明，盆栽试验进一步验证有机无机复混肥对土壤及作物的改良效果。有机无机复混肥增加娃娃菜和小油菜的生物量从0.01g/株提高至1.69-1.98g/株；叶绿素含量和可溶性糖含量从1.46-3.10mg
·
g-1
提高至3.25-10.50mg
·
g-1
；土壤ph值从4.05提高至5.81-5.89；土壤有机质从35.74g
·
kg-1
提高至66.51-79.82g
·
kg-1
；速效磷和速效钾含量从8.33-34.76mg
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kg-1
提高至10.09-100.21mg
·
kg-1
，表明有机无机复混肥改善土壤酸度，增添土壤养分，提高土壤主动性，促进作物吸收和生长，提升土壤肥力和作物产量。综合反映有机无机复混肥对土壤改良和不同作物生长均有显著效果。
[0089]
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，可以对之作一些修改或改进，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。