CN104211545B - 一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及酸性土壤的肥料领域，特别涉及一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥及其制备方法。酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，由以下原料制成：生物炭、酸度调节物质、含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉、造粒粘结剂；造粒粘结剂为凹凸棒石粉和硅酸钠。该复混肥以生物炭作为控释材料和吸附材料，与其他成分按一定的比例混合制得，各成分搭配合理，很好的满足作物生长的营养需求；缓释效果好，一次性施用即可；具有提高土壤pH值、提高土壤碳库容量、改善土壤团粒结构、孔隙度、降低重金属以及有机污染物毒性的效果，达到省工省肥、提高农产品产量和品质的效果。本发明还提供了该复混肥的制备方法，制备方法简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及酸性土壤的肥料领域，具体而言，涉及一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥及其制备方法。
背景技术
红壤、赤红壤、砖红壤等是我国南方地区的主要土壤类型，该类土壤以偏酸性为主，多数土壤pH在4.5-6.0之间。随着近年来化肥的大量施入以及有机无机配施不合理，土壤酸化有逐渐加重的趋势，并且在局部范围内严重影响了土地生产力。由土壤酸化导致的土壤微生物多样性下降、群落结构不合理、重金属毒性增强都加剧了生态环境恶化，也从一定程度上增加了食品安全的隐患。研究表明，在不影响作物产量的前提下提高耕地质量的有效方法是有机无机复混肥料配施。当前，由于市场上有机肥料质量参差不齐、农民意愿不积极以及施用配比不合理等原因，有机肥料还田仍然存在巨大的空间。
生物炭(biochar)是指生物质在绝氧条件下高温裂解形成的一种具有多孔结构、特定官能团的稳定性碳源。与普通生物质相比，生物炭具有吸附性能好、保水保肥能力强、在土壤中矿化速率慢等特点。即便如此，由于其较高的能耗，生物炭直接还田的市场前景仍然不被看好。因此，拓展生物炭在肥料的利用对生物炭技术的推广有着很大的价值。有机无机结合肥料学是近年来国内外关注的热点之一，基于生物炭基有机无机复混肥也有相关专利和文章刊出。然而不同原材料及制备条件的生物炭在pH值、孔隙度、比表面积、特殊官能团结构等方面存在着很大的差异，其差异的不同也导致了作为吸附材料效果迥异。当前申请的相关的技术产品一方面忽略了生物炭的具体表征与施用地区土壤基本性质是否合适；另一方面在制备工艺上仅仅是生物炭与氮磷钾肥料的机械混合，没有考虑生物炭的某些特殊性质需要特定工艺来扬长避短，才能获得良好的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥及其制备方法，以解决上述的问题。
在本发明的实施例中提供了一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，由以下原料制成：生物炭、酸度调节物质、含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉、造粒粘结剂；
所述造粒粘结剂为凹凸棒石粉和硅酸钠；
其中，所述生物炭、所述酸度调节物质、所述含氮物质、所述含磷物质、所述含钾物质、所述矿物粉和所述凹凸棒石粉的质量比为17-33:0.9-1.7:20-32:7-15:15-20:0-10:9-17。
优选地，所述生物炭、所述酸度调节物质、所述含氮物质、所述含磷物质、所述含钾物质、所述矿物粉、所述凹凸棒石粉和所述硅酸钠的质量比为20-30:1-1.5:25-30:10-15:18-20:6-10:15-17。
优选地，所述生物炭由花生壳、香蕉秆、甘蔗渣、玉米秸秆中的两种以上原料制成。
优选地，所述生物炭的比表面积为15-35m2/g，pH值为8.5-9.0，碳含量为930-970g/kg。
优选地，所述生物炭由以下方法制备：
将生物炭的原料切割成直径不大于2.5cm，于绝氧下450-500℃裂解2-3小时而制成。
优选地，所述生物炭制成后，粉碎过200目以上筛而得成品。
优选地，所述酸度调节物质为腐殖酸，所述腐殖酸的pH为3.8-4.0，粒度大于200目。
优选地，所述含氮物质为尿素；所述含磷物质为磷酸一铵或磷酸二铵；所述含钾物质为硫酸钾或氯化钾。
优选地，所述矿物粉为沸石粉或石灰石粉；所述矿物粉的粒度大于200目。
优选地，所述酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的粒度为3.5-5.5mm，pH值为7.0-8.0。
本发明还提供了酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的制备方法，包括以下步骤：
将所述生物炭与所述酸度调节物质混合，制得含水量为40-50％的第一混合物，室温放置22-26小时后，烘干至含水量为23-27％，得到第二混合物；
将所述含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉和凹凸棒石粉与所述第二混合物混匀，造粒，烘干即得所述酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥；
其中，造粒过程中喷洒所述硅酸钠。
优选地，所述烘干为烘干至含水量为12％以下。
本发明实施例提供的一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，以生物炭作为控释材料和吸附材料，与酸度调节物质、含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉、造粒粘结剂混合制得的有机无机复混肥各成分搭配合理，能很好的满足作物生长的营养需求；缓释效果好，一次性施用即可，兼备有机、无机双重功能，在施用中既不会造成前期烧苗，也不致引起后期脱肥等问题；并且具有提高土壤pH值、提高土壤碳库容量、改善土壤团粒结构、孔隙度、降低重金属以及有机污染物毒性的效果，很好的改善了酸性土壤，改善作物根部环境，增强根系对养分的吸收，从而达到省工省肥、提高农产品产量和品质的效果。本发明还提供了该酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的制备方法，制备方法简单易行，制得的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥施用后效果好。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子对本发明做进一步的详细描述。
在本发明的实施例中提供了一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，由以下原料制成：生物炭、酸度调节物质、含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉、造粒粘结剂；
所述造粒粘结剂为凹凸棒石粉和硅酸钠；
其中，所述生物炭、所述酸度调节物质、所述含氮物质、所述含磷物质、所述含钾物质、所述矿物粉和所述凹凸棒石粉的质量比为17-33:0.9-1.7:20-32:7-15:15-20:0-10:9-17。
本发明实施例提供的一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，以生物炭作为控释材料和吸附材料，与酸度调节物质、含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉、造粒粘结剂混合制得的有机无机复混肥各成分搭配合理，能很好的满足作物生长的营养需求；缓释效果好，一次性施用即可，兼备有机、无机双重功能，在施用中既不会造成前期烧苗，也不致引起后期脱肥等问题；并且具有提高土壤pH值、提高土壤碳库容量、改善土壤团粒结构、孔隙度、降低重金属以及有机污染物毒性的效果，很好的改善了酸性土壤，改善作物根部环境，增强根系对养分的吸收，从而达到省工省肥、提高农产品产量和品质的效果。其中，硅酸钠的用量按常规用量。
为了达到更好的改善土壤环境，其配比更符合作物的营养需求，得到的复混肥具有更好的缓释作用，以具有更好的省工省肥、提高农产品产量和品质的效果，优选地，所述生物炭、所述酸度调节物质、所述含氮物质、所述含磷物质、所述含钾物质、所述矿物粉、所述凹凸棒石粉和所述硅酸钠的质量比为20-30:1-1.5:25-30:10-15:18-20:6-10:15-17。
优选地，所述生物炭由花生壳、香蕉秆、甘蔗渣、玉米秸秆中的两种以上原料制成。选定特定的原料制备生物炭，制备的生物炭在pH值、孔隙度、比表面积、特殊官能团结构等方面很好的满足了作为酸性土壤改良剂的生物炭表征，纠正了以往对生物炭的原材料性质要求不严格，仅仅满足制备条件即可的错误观念，这是生物炭在肥料领域利用的一个重要突破。
为了制得的生物炭在pH值、孔隙度、比表面积、特殊官能团结构等方面更好的满足作为酸性土壤改良剂的生物炭表征，优选地，所述生物炭的比表面积为15-35m2/g，pH值为8.5-9.0，碳含量为930-970g/kg。具体地，所述生物炭由以下方法制备：将生物炭的原料切割成直径不大于2.5cm，于绝氧下450-500℃裂解2-3小时而制成。经多次验证，各原料按该方法制备后按一定的比例混合得到的生物炭，其参数的范围可达到：比表面积为15-35m2/g，pH值为8.5-9.0，碳含量为930-970g/kg。
为了生物炭更好的与其他原料成分混合均匀，且达到很好的缓释作用，优选地，所述生物炭制成后，粉碎过200目以上筛而得成品。
本发明基于高品质的生物质炭原料，从源头保证了有机原料的质量。同时根据有机无机复混肥料的质量要求以及南方地区土壤、作物特征界定了适宜的生物质炭的表征。在实现有机无机复混肥料配施的同时能够达到提高土壤pH值、提高土壤碳库容量、改善土壤团粒结构、孔隙度、降低重金属以及有机污染物毒性的效果。因此该产品有着广阔的应用前景，在我国南方地区可持续农业生产中发挥巨大的作用。
腐殖酸能与水中的金属离子离合，有利于营养元素向作物传送，并能改良土壤结构，利于农作物的生长。优选地，所述酸度调节物质为腐殖酸，所述腐殖酸的pH为3.8-4.0，粒度大于200目。pH为3.8-4.0更易于与生物炭实现两者酸碱平衡和养分螯合；该粒度的腐殖酸能更好的与其他成分混合，达到很好的吸附作用和缓释作用。
尿素是一种中性肥料，适用于各种土壤和植物；它易保存，使用方便，对土壤的破坏作用小；磷酸一铵或磷酸二铵很好的补充磷元素，以满足作物生长的需求；硫酸钾或氯化钾为常见的钾肥的主要成分，能很好的补充钾元素。优选地，所述含氮物质为尿素；所述含磷物质为磷酸一铵或磷酸二铵；所述含钾物质为硫酸钾或氯化钾。
优选地，所述矿物粉为沸石粉或石灰石粉；所述矿物粉的粒度大于200目。石灰石粉和沸石粉具有很好的吸附作用，以实现得到的复混肥具有更好的吸附作用，达到更好的缓释效果。
优选地，所述酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的粒度为3.5-5.5mm，pH值为7.0-8.0。该粒度和pH的复混肥易于施肥均匀，且缓释效果好。
本发明还提供了酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的制备方法，包括以下步骤：
将所述生物炭与所述酸度调节物质混合，制得含水量为40-50％的第一混合物，室温放置22-26小时后，烘干至含水量为23-27％，得到第二混合物；
将所述含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉和凹凸棒石粉与所述第二混合物混匀，造粒，烘干即得所述酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥；
其中，造粒过程中喷洒所述硅酸钠。
以往是直接利用或者利用酸洗、水洗等措施后再利用生物炭的固有模式，本发明中引入适量腐殖酸，通过生物炭与腐殖酸混合实现两者酸碱平衡和养分螯合；突破了由于生物炭碱性较强造成的肥料酸度不合格的利用瓶颈。
生物炭与腐殖酸混合后在造粒前未完全烘干，一方面保证了前期变性效果的稳定性；另一方面，又降低了彻底烘干以及二次造粒喷水的生产成本。
本发明结合肥料检测方法，充分考虑了生物炭所含磷钾成分。在生产中计算肥料养分配方时，磷肥和钾肥配量计算到临界点即可，无需再像传统肥料生产中担心总养分量不达标而刻意添加原材料。
优选地，所述烘干为烘干至含水量为12％以下。该含水量的复混肥易于保存，施肥方便。
本发明实施例提供的一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，以生物炭作为控释材料和吸附材料，与酸度调节物质、含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉、造粒粘结剂混合制得的有机无机复混肥各成分搭配合理，能很好的满足作物生长的营养需求；缓释效果好，一次性施用即可，兼备有机、无机双重功能，在施用中既不会造成前期烧苗，也不致引起后期脱肥等问题；并且具有提高土壤pH值、提高土壤碳库容量、改善土壤团粒结构、孔隙度、降低重金属以及有机污染物毒性的效果，很好的改善了酸性土壤，改善作物根部环境，增强根系对养分的吸收，从而达到省工省肥、提高农产品产量和品质的效果。本发明还提供了该酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的制备方法，制备方法简单易行，制得的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥施用后效果好。
实施例1
将花生壳、甘蔗渣分别粉碎至直径≤2.5cm，在450℃下绝氧裂解2小时，粉碎后分别过200目筛，将花生壳、甘蔗渣、玉米秆制得的生物炭按照重量比为1:1:1.5混合均匀；
将混合后的生物炭与pH为3.8、过200目筛的腐殖酸以重量比为19:1混合，调节水分至50％，室温放置24小时后烘干至水分为25％，即为第二混合物；
将第二混合物、尿素、磷酸一铵、氯化钾、凹凸棒石粉、石灰石粉以重量比为18：32：15：20：9：6混合均匀后进行圆盘造粒，造粒过程中均匀喷洒浓度为0.2％的硅酸钠溶液，烘干至含水量为12％以下，即得酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥。
该复混肥pH为7.02，粒度为5.5mm，有机质含量为16％，氮磷钾养分比例为：17：7：12，可用于南方酸性或弱酸性土壤(5.0＜pH＜6.0)的蔬菜、水稻、甜玉米的生产一次性施肥以及甘蔗施肥，达到省工增产、培肥地力的效果。
该复混肥试验以菜心(品种为油绿粗苔)为目标作物，同时以等量有机肥和复合肥作为对照，有机肥和复合肥中的氮磷钾用量分别按照170、70、120(kg·hm-2)。本产品一次性使用，对照处理中有机肥作为底肥一次性使用，复合肥作为底肥和追肥按照6:4比例使用；本产品和对照施用的肥料用量均为1000kg·hm-2。连续两季试验，结果如表1所示。
表1菜心试验结果
从表1可以看出：与对照相比，本发明提供的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥对土壤有机质、pH、CEC等理化指标有较好的效果；并且在提高产量、提高维生素C含量、降低硝酸盐含量方面也有较好的表现。
实施例2
将花生壳、甘蔗渣、玉米秆分别粉碎至直径≤2.5cm，在480℃下绝氧裂解2.5小时，粉碎后分别过300目筛，将花生壳、甘蔗渣、玉米秆制得的生物炭按照重量比为1:1:2混合均匀；
将生物炭与pH为4、过200目筛的腐殖酸以重量比为19:1混合，调节水分至40％，室温放置26小时后烘干至水分为23％，即为第二混合物；
将第二混合物、尿素、磷酸二铵、氯化钾、凹凸棒石粉以重量比为33：25：10：15：17混合均匀后进行挤压造粒，造粒过程中均匀喷洒浓度为0.2％的硅酸钠溶液，烘干至含水量为12％以下，即得酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥。
该复混肥pH为7.88，粒度为4.5mm，有机质含量为30％，氮磷钾养分比例为：13：5：9，可用于南方强酸性土壤(4.0＜pH＜5.0)、有机质含量较低、基础地力较差的种植桉树、松树、茶树、果树、甘蔗等的坡岗地，对提高酸性土壤有机质、pH、CEC等有较好的效果；提高了产量，达到省工增产、培肥地力的效果。
实施例3
将花生壳、香蕉秆、玉米秆分别粉碎至直径≤2.5cm，在500℃下绝氧裂解2.5小时，粉碎后分别过250目筛，将花生壳、香蕉秆、玉米秆制得的生物炭按照重量比为1:0.8:1.2混合均匀；
将生物炭与pH为3.8、过200目筛的腐殖酸以重量比为19:1混合，调节水分至45％，室温放置24小时后烘干至水分为25％，即为第二混合物；
将第二混合物、尿素、磷酸一铵、硫酸钾、凹凸棒石粉(过200目筛)、沸石粉(过200目筛)以重量比为30：20：7：18：15：10混合均匀后进行挤压造粒，造粒过程中均匀喷洒浓度为0.2％的硅酸钠溶液，烘干至含水量为12％以下，即得酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥。
该复混肥pH为7.6，粒度为5mm，有机质含量为27％，氮磷钾养分比例为：10：3：9；可用于南方强酸性土壤(4.0＜pH＜5.0)、地力水平较高、板结较为严重的老菜地、香蕉园、果树以及花生、冬种马铃薯等。
该复混肥试验以芥菜(品种为香港竹芥)为目标作物，同时以等量有机肥和复合肥作为对照，有机肥和复合肥中的氮磷钾用量按照150、45、135(kg·hm-2)。本产品一次性使用，对照处理中有机肥作为底肥一次性使用，复合肥作为底肥和追肥按照6:4比例使用；本产品和对照施用的肥料用量均为1500kg·hm-2。连续两季试验结果如表2所示。
表2芥菜试验结果
从表2可以看出，与对照相比，本发明提供的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥对提高酸性土壤有机质、pH、CEC等有较好的效果；并且在提高产量、维生素C含量、可溶性糖含量方面也有很好的效果。
实施例4
将花生壳、香蕉秆、玉米秆分别粉碎至直径≤2.5cm，在500℃下绝氧裂解2.5小时，粉碎后分别过400目筛，将花生壳、香蕉秆、玉米秆制得的生物炭按照重量比为1:1.2:1混合均匀；
将生物炭与pH为4.0、过200目筛的腐殖酸以重量比为19:1混合，调节水分至45％，室温放置22小时后烘干至水分为27％，即为第二混合物；
将第二混合物、尿素、磷酸一铵、氯化钾、凹凸棒石粉(过200目筛)、石灰石粉(过200目筛)以重量比为34：22：12：15：17：10混合均匀后进行挤压造粒，造粒过程中均匀喷洒浓度为0.2％的硅酸钠溶液，烘干至含水量为12％以下，即得酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥。
该复混肥pH为8.0，粒度为3.5mm，有机质含量为30％，氮磷钾养分比例为：12：6：9；可用于南方严重酸性土壤(pH＜4.0)、如基础地力水平一般的拓荒地、坡岗地等，用于种植桉树、松树、茶树、油茶、果树、甘蔗等，对提高酸性土壤有机质、pH、CEC等有较好的效果，以达到提升土壤pH和肥力，并且能够提高产量，达到省工增产的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
Claims (8)
1.一种酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，其特征在于，由以下原料制成：生物炭、酸度调节物质、含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉、造粒粘结剂；
所述造粒粘结剂为凹凸棒石粉和硅酸钠；
其中，所述生物炭、所述酸度调节物质、所述含氮物质、所述含磷物质、所述含钾物质、所述矿物粉和所述凹凸棒石粉的质量比为20-30:1-1.5:25-30:10-15:18-20:6-10:15-17；
所述生物炭由花生壳、香蕉秆、甘蔗渣、玉米秸秆中的两种以上原料制成；
所述生物炭的比表面积为15-35m2/g，pH值为8.5-9.0，碳含量为930-970g/kg；
所述酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥通过以下方法制备：
将所述生物炭与所述酸度调节物质混合，制得含水量为40-50％的第一混合物，室温放置22-26小时后，烘干至含水量为23-27％，得到第二混合物；
将所述含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉和凹凸棒石粉与所述第二混合物混匀，造粒，烘干即得所述酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥；
其中，造粒过程中喷洒所述硅酸钠。
2.根据权利要求1所述的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，其特征在于，所述生物炭由以下方法制备：
将生物炭的原料切割成直径不大于2.5cm，于绝氧下450-500℃裂解2-3小时而制成。
3.根据权利要求1所述的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，其特征在于，所述酸度调节物质为腐殖酸，所述腐殖酸的pH为3.8-4.0，粒度大于200目。
4.根据权利要求1所述的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，其特征在于，所述含氮物质为尿素；所述含磷物质为磷酸一铵或磷酸二铵；所述含钾物质为硫酸钾或氯化钾。
5.根据权利要求1所述的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，其特征在于，所述矿物粉为沸石粉或石灰石粉；所述矿物粉的粒度大于200目。
6.根据权利要求1所述的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥，其特征在于，所述酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的粒度为3.5-5.5mm，pH值为7.0-8.0。
7.权利要求1-6任一项所述的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述生物炭与所述酸度调节物质混合，制得含水量为40-50％的第一混合物，室温放置22-26小时后，烘干至含水量为23-27％，得到第二混合物；
将所述含氮物质、含磷物质、含钾物质、矿物粉和凹凸棒石粉与所述第二混合物混匀，造粒，烘干即得所述酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥；
其中，造粒过程中喷洒所述硅酸钠。
8.根据权利要求7所述的酸性土壤专用生物炭基有机无机复混肥的制备方法，其特征在于，所述烘干为烘干至含水量为12％以下。
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