CN105461369A - 一种生物碳菌肥的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物碳菌肥的制备方法，包含生物碳制备：将原料在厌氧条件下进行碳化，对生产出的生物碳、木醋液分别存储备用；2、碳解酶及生物菌群制备：在土壤中封埋培养基，历春夏秋三季，得到碳解酶与生物菌种群；对得到的碳解酶与生物菌种群进行扩群繁育，得到碳解酶与生物菌干载体；3、生物碳菌肥制备：将得到的生物碳100重量份破碎、10-30重量份的碳解酶与生物菌干载体，5-10份木醋液，加水至含水量50-60％，厌氧发酵10-30天，把生物碳中的稳定的单质碳分解成10-50％的水溶性有效碳；制得的肥料颗粒过8-10目筛，取筛上物，包装即可。本发明水溶性有效碳含量是普通有机肥5-10倍，缓释速效相结合，肥效是普通有机肥的3-5倍。

Description

一种生物碳菌肥的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及有机肥料，更具体的说，涉及一种生物碳菌肥的制备方法及其应用。

背景技术

碳是植物必须的6种大量元素之首，占植物干物质的35%，传统理论认为植物通过光合作用从空气中获得碳素营养，而植物新陈代谢每时每刻都在“燃烧”碳，所以每株植物一生所需的碳远远大于其所积累的干物质中的碳。但CO₂只能经叶片吸收和光合作用才能被利用。且研究表明：植物利用CO₂（在阳光充足时）最佳浓度是0.1%，而自然界空气中的CO₂平均浓度只有0.03%。可见农作物一般都缺碳。阴雨天和夜间没有光合作用，农作物缺碳更严重。如果土壤不能有效地向作物供给有效碳，农作物就得“缺碳病”。

农作物“缺碳病”的直接表现是农作物缺碳病主要表现：

1、根系衰弱：作物根系少，对水肥吸收能力差，发育慢，株势弱、低产。

2、黄叶病或失绿症：这在大棚作物或长时间阴雨天最常见。

3、亚健康：作物没明显病症，但却萎顿慢长、纤薄虚长或易倒伏。

4、防病抗逆机能低：作物失去自身正常状态下具备的对逆境的抵御机能，抗寒、抗旱、抗涝、抗病虫害功能低，易造成严重失收。

5、农作物种质退化。

与农作物其他病害不同的是，农作物缺碳病具有如下三种特性：

1、全局性——不论东西南北几乎所有农作物都可能发生缺碳病。

2、***性——不但造成农作物直接病害，还间接发生更多病害，这导致农药用量增加，带来新的经济损失和食品不安全。缺碳病还导致化肥利用率下降，带来生产成本上升和土壤、环保一系列问题。因为缺了一个“碳”，生出一大堆环境问题、社会问题和民生问题。

3、长期性——引起生态循环链条的破坏，农业环境恶化，种质资源退化等问题，都是难以修复和不断延续的。

所以农作物缺碳病造成的损失和危害，是农作物其他病害所不能相比的，是当今“当之无愧”的农作物壹号病！正视并根治缺碳病，就抓住了解决土壤、肥料和农作物一系列问题的开门钥匙。可以说“缺碳病”不但是农作物百病之首，而且是百病之源。缺碳病是制约当今农作物增产、抗病、提质的首要问题。抓住“缺碳病”这个“源首”，根治缺碳病，就是牵住了农作物病害防治的“牛鼻子”。这是有战略重要性的技术措施。

一些新的理论研究认为化学植物营养学最重大的失误是对植物碳营养吸收途径的误判，认为CO₂被吸收和光合转化是植物唯一的碳源，即“一通道说”。实际上植物还必须有并确实存在由根部吸收小分子水溶有机碳（有效碳EC）的另一“碳通道”。CO₂是无机物，进入植物内部必须转化为有机物才能被利用，而根吸有效碳的碳转化比CO₂的碳转化更节能，无须光合作用。碳对植物，既是营养物质，又是能源物质。植物出现“碳饥饿”，用化学植物营养学的观点，叫做碳“短板”，这仅仅是影响植物的营养积累，从能源物质的角度看，缺碳还造成植物能量透支，消耗营养积累，造成植物处于“亚健康”。

大量实验证明：植物还可以通过根系吸收有机碳肥，通过对土壤施碳肥‘增强叶绿素的光合作用，可以迅速提高土壤有机质，改善土壤团粒结构和果园土壤微生物生长环境，为植物提供有机碳素，提高果品品质。同时，若能将大量的未经氧化变成二氧化碳的碳素作为肥料施入土壤，可以大幅度减少温室气体排放，为低碳生活提供最为根本性的改变。长期以来理论界普遍将CO₂作为植物的唯一碳源，不注意土壤中水溶有机碳是植物另一重要碳源的客观事实，从而实际上形成了忽视有机营养的“阳盛阴衰”的施肥路线，导致大量农作物经常处于“碳饥饿”状态，这就是缺碳。缺碳还造成土壤板结和化肥利用率低。这一切是农作物病害和农业环境问题的重要根源。

生活在巴西亚马逊河流域的人们长期使用一种特殊的肥料。这种肥料来源于当地，具有极强的恢复贫瘠土壤肥力的能力。当地人把它称为“印第安人的黑土壤”。它多产、肥沃，与当地稀疏、贫瘠的土壤形成鲜明的对比。现代研究证明，黑土壤是2500年，甚至6000年以前由生活在亚马逊流域的人们制造的。一般认为，他们使用的材料包括动物粪便，鱼，动物骨头和植物废物。但是生产黑土壤最关键的原料，也是黑土壤之所以呈现黑色的原因，是生物碳的使用。

黑土壤中的生物碳可以使土壤肥力维持一个世纪之久。几个世纪以来，生活在南美亚马逊流域的人们都靠这些原生态材料制造“黑土壤”来肥沃土地。几千年过去了，那儿的土壤不需耕耘灌溉，依旧十分肥沃。

生物碳是在限氧或隔绝氧的环境条件下，通过高温裂解，将小薪柴、农作物秸秆、杂草。动物粪便等生物质经碳化而形成的，是一种碳含量极其丰富的碳。这种由植物形成的，以固定碳元素为目的的碳被科学家们称为“生物碳”。生物碳的生产工艺相对简单，原材料来源广泛且价格低廉，生物碳施入土壤中以后：一是可以增加土壤的碳汇，缓解气候危机；二是可以提升土壤肥力，增加作物产量。

生物质原料在裂解炉限氧的环境下燃烧发生裂解反应，产生的烟气在真空泵的抽引下经过冷却分离设备可以得到生物油、木醋液和可燃气体三种产品，裂解反应的剩余物就是生物碳。一吨生物质原料可以产出300kg左右的生物碳、250kg左右的木醋液、50kg左右生物油和近700m3的可燃气体。该技术与其它生物质能利用技术相比，一是对原料的适应性强，二是自热式裂解反应不需耗费其它能源，三是能源转化效率高，达70%左右。

生物碳主要组成是碳、氢、氧、氮和灰分。其中含有大量的高分子、高密度的碳水化合物，灰分的含量与生产生物碳的原料来源和种类有直接关系。生物碳多孔，容重小，比表面积大，吸水、吸气能力强，带负电荷多，能形成电磁场；生物碳具有高度的芳香化、物理的热稳定性和生物化学抗分解性。

生物碳是一种多孔体，通气性和透水性特别好；容重小，表面积大，吸水、吸气能力强，有利于保水保肥；除含有大量的高分子碳水化合物之外，还含有多种矿物质营养，可提供作物所需的营养元素，提高土壤肥力；生物碳可以调节土壤的PH值和水、肥、气、热状况；生物碳还可以改善微生物生存环境，为许多重要微生物的生长和繁殖提供了有利的条件。微生物呼吸释放的CO₂可以提高作物附近的CO₂浓度，在白天增强光合作用，增加有机物的积累，在夜里抑制呼吸作用，减少有机物的消耗，从而达到作物增产的效果。微生物的代谢可为作物的生长提供氮肥，减少氮肥的使用量。这对整个环境的影响是巨大的，因为氮肥释放的N₂O对温室效应的影响要比CO₂高出300多倍。生物碳施入土壤以后利用自身超强的吸附性像海绵一样把土壤中作物生长所需要的营养元素吸附在它周围，一是可以防止流失，二是可以达到缓释的效果，这对作物的生长极为有利。生物碳的副产品——木醋液，呈弱酸性，有机质含量丰富，渗透性很强，与叶面肥或农药混合使用可提高两者的利用率，减少使用量，从而减少化肥和农药的残留，使农产品的品质有所提高。生物碳与木醋液的这些功能和特点，决定它在农业上应用的广阔前景。同时木醋液对解决盐碱地有极其优良效果。

土壤重金属污染是由于废弃物中重金属在土壤中过量沉积而引起的土壤污染。污染土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。主要来自农药、废水、污泥和大气沉降等，如汞主要来自含汞废水，镉、铅污染主要来自冶炼排放和汽车废气沉降，砷则被大量用作杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。过量重金属可引起植物生理功能紊乱、营养失调，镉、汞等元素在作物籽实中富集系数较高，即使超过食品卫生标准，也不影响作物生长、发育和产量，此外汞、砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大。大量的生物碳施入被污染的土壤后，利用生物碳的强吸附性，可以将土壤中的重金属离子有效固持，降低重金属的有效态含量，减少重金属对微生物的胁迫。

中国是一个农业大国，长期以来化肥、农药的大量使用，造成了大量的土壤板结和环境污染等问题。我国政府在2010哥本哈根会议做出的减排承诺使我国的农业也面临着节能减排的巨大压力，在此大背景下，我国农业和农村在节能减排中应有所作为。生物碳可以有效降低农业生产过程中能源的消耗，可以利用生物碳发展低碳安全农业。

我国是农业大国，每年的农作物秸秆等废弃物产量巨大；同时我国又是林木资源生产和消费大国，产量仅次于美国居世界第二位。木材加工业是我国少有的消费量增长大于生产量增长的行业之一。因而植物秸秆和林木副产品资源非常丰富且利用率低。

生物碳是采用废弃木材（下脚料、废料、枝桠材等）、农业秸秆、动物粪便为主要原料经过高温裂解过的生物质。裂解过程不仅可以产生用于能源生产的气体，还有碳的一种稳定形式——生物碳。生物碳富含微孔，不但可以补充土壤的有机物含量，还可以有效地保存水分和养料，提高土壤肥力。事实上，之所以肥沃的土壤大都呈现黑色，就是因为含碳量高的缘故。

有专家指出，生物碳是减轻灾难性气候变化的唯一希望。同时，生物碳也能提高农业生产率，减少对碳密集肥料的需求。生物碳碎料的孔洞结构十分容易聚集营养物质和有益微生物，从而使土壤变得肥沃，利于植物生长，实现增产的同时让农业更具持续性。更妙的是，它把碳锁定在生物群内，而非让它排放到空气中。

生物碳是面向未来的，低成本，可持续性的环保能源，同时，生产生物碳过程中产生的副产品，对环境保护和能源生成也是大有益处的。据权威机构统计，2000到2007年，人类排放到大气中的二氧化碳中每年有54%，约48亿吨，被陆地和海洋中的碳汇（例如森林和海洋中的浮游生物等）所吸收。然而每年仍然有大约40亿吨的剩余的碳需要我们想办法去降低或者吸收。此外，由于陆地和海洋的变暖，天然碳汇的吸收量正在下降，这就意味着我们要么付出更大的努力减少空气中的碳含量，要么停止向空气中排放碳。据美国科学家研究，如果生物碳可在全球范围内有效使用，那么大气中的二氧化碳含量可在50年内降低百万分之八。

随着人口增加和社会经济的快速发展，粮食危机、能源危机、环境危机日益加深，逐渐成为制约经济、社会、生态环境和可持续发展的“瓶颈”。如何化解这些危机，已成为世界各国政府和许多科学家关注的焦点。在全世界都努力寻求化解危机之有效途径的宏观背景下，以农林业废弃物（生物质）资源化利用为基础的“生物碳”研究应运而生，并日益受到广泛的关注。

作为农林业生产大国，我国每年都产生数量庞大的农林废弃物。这些废弃物以往多用作燃料、饲料，或采用秸秆还田、就地焚烧（约占40%）等简单粗放的传统方法进行处理，不仅造成了资源的巨大浪费，还带来了沉重的环境压力。

农业的高产、增产离不开化肥，但作物对化肥的吸收利用率是有限的，目前中国农业的科学施肥不是很普遍，由此造成的化肥流失、土壤板结和水体污染等十分严重。生物碳施入土壤后，化肥与生物碳紧紧结合在一起，可以减少化肥的流失，缓释肥效，从而提高化肥的利用率，减少化肥的用量。农田多处的田间试验表明，农田土壤施用生物碳达到1公顷20吨时，大约可以减少10%的化肥施用量；在残留化肥量较多的农田土壤中，当季甚至可以不用化肥只用生物碳就可达到高产的效果。化肥的生产需要耗费大量的煤、石油、天然气等不可再生能源，所以间接上也节约了大量的化石能源，对环境也更有利。化肥是农业生产最基础而且是最重要的物质投入，化肥在农业生产成本(物资费用加入工费用)中占25％以上，占全部物资费用(种子、肥料、农药、机械作业、排灌等费用)的50％左右。国家、地方和农民都为此付出了很大的代价：农民每年为购买化肥要支付1400亿元(按耕地面积计算，每年平均每公顷在购买化肥方面为1005元)；国家和地方每年为进口化肥支付35亿美元外汇；全国为增加化肥生产能力，每年投入160亿元；每年为生产化肥消耗能源6545万吨标煤，占全国能源生产总量的5％[7,8]。由此可见提高化肥利用率，减少化肥使用量具有重要意义，而这恰恰归功于生物碳。

生物碳的强吸附性可以吸附大气中的一部分水分和减少降雨时雨水的流失，最大量的将雨水吸附到它所在的可耕层，供作物的生长需要，使缺水干旱缺水地区的土壤能够长出植被，防止沙漠化。木醋液作为生物碳生产过程中的一种副产品，每吨生物质能够产生250kg左右，数量巨大，如不安全适当的处理，会造成二次污染。经过研究发现木醋液可以用来改良盐碱土壤。上海市农业工程学会将木醋液原液稀释50倍，对崇明地区大棚内盐碱土改良进行试验，结果表明土壤的PH值平均降低了1.84，EC值（可溶性盐含量）平均降低了0.69。据***教科文组织和粮农组织不完全统计，全世界盐碱地的面积为9.5438亿公顷，其中我国为9913万公顷，所以利用木醋液来治理盐碱土壤的前景和意义都非常巨大。

“生物碳”研究与产业化开发，是一项利国利民的朝阳产业。它取之于田，用之于民，变废为宝，良性循环。专家认为，生物碳产业潜力巨大，以生物碳为核心的多元化产品将有可能填补我国燃煤缺口的一半以上。因此，生物碳产业，对于应对气候变化、固碳减排、改善环境、缓解能源危机、保障粮食安全以及实现可持续发展，都将具有重要的战略意义，发展前景广阔。

然而目前土壤补碳的方法，存在一定的缺陷：

各种固液态农家肥：这类肥料成本低，但太粗放，没有经过微生物发酵，不但肥效不高，而且因制造条件差常常造成病源微生物传播，甚至导致对农作物的直接伤害。

工厂化生产的固体有机肥：我国现行商品有机肥的生产目标（矿化腐殖质），生产工艺（好氧、高温发酵、不断翻堆和高温烘干），把有机质由大分子分解成小分子，再由小分子分解为水和二氧化碳排掉，剩下一堆空壳，技术标准（以“有机质含量”为标准，“总养分指标”不包括“有机质营养”）都是错的！简言之就是“弃其精华，存其糟粕”。因此商品有机肥肥力低、肥效慢，普通有机肥所含水溶有机碳仅1%左右，而作物根部可直接吸收的小分子水溶有机碳（有效碳EC）仅0.5%左右，不能有效解决我国大量土地和农作物的缺碳问题。

作物秸秆还田：我国许多粮棉油产区农民素有焚烧桔杆的不良习惯，既浪费了资源又污染环境，近年来华北地区秋冬雾霾天气严重，大多与此有关。虽然各地政府花大力气制止，玉米、小麦、水稻等被粉碎还田，但是在有效解决焚烧污染问题的同时，也为虫卵顺利越冬提供了条件，长此以往随之虫害增加，农作成本提高，将减少农民收入，增加农民负担。即使虫害不计，秸秆还田之后一样要经过腐烂过程，到了土壤里得不到起爆能量（有效碳）微生物就不能繁殖，秸秆也就长时间不能分解。有机碳是有机肥料被植物根部吸收的肥力精华，也是土壤微生物的能源。微生物另一主要能源是氮。只有当C/N值在25左右，才是微生物繁殖最佳碳氮比。腐烂过程将释放大量的甲烷（甲烷是二氧化碳温室效应的27倍），同时被还原性微生物释放成大量二氧化碳，形成大量温室气体。

发明内容

本发明目的在于基于现有技术的不足，提供一种生物碳菌肥及碳基复合肥的制备方法。

本发明解决问题采用的技术方案是：

一种生物碳菌肥的制备方法，包含如下步骤：

⑴生物碳的制备：将农作物秸秆、树叶、树枝、树根、木材加工废弃物、酒糟、椰壳、畜禽粪便等原料通过连续碳化机在厌氧条件下进行高温裂解，收集碳化过程中的可燃气体直接进行燃烧，为连续碳化机提供部分能源，对生产出的碳、木醋酸分别存储备用；

⑵生物碳解酶及微生物菌群的制备：在土壤中挖出深度大于80cm的深坑，在100重量份的大米粉或玉米粉中加入7-12重量份的国产风化褐煤粉与厌氧菌群混合均匀，混合期间适量喷水，直至混合物料达到手握成坨，轻压即散的程度，然后将混合物料堆放在坑内，表面覆盖一层塑料薄膜，再填土封埋，历春夏秋三季，得到碳解酶与生物菌种群；

⑶对步骤(2)得到的碳解酶与生物菌种群进行扩群繁育，得到碳解酶与生物菌干载体；

⑷将步骤(1)得到的生物碳100重量份破碎、加入步骤（2）得到的10-30重量份的碳解酶与生物菌干载体，步骤（1)得到的5-10份木醋液，加水至含水量50-60%，厌氧发酵10-30天，把生物碳中的稳定的单质碳分解成10-50%的水溶性有效碳；

⑸最后通过造粒机制得肥料颗粒，过8-10目筛，取筛上物，包装即可。

本发明利用存在于风化褐煤及土壤中的白腐真菌和白腐真菌释放的碳解酶，白腐真菌和碳解酶能快速把生物碳的单质碳部分分解成植物和微生物可以直接吸收利用的水溶有机碳，真正起到缓控释肥料、改良土壤、吸附空气中的二氧化碳、土壤中的重金属，并能快速提供植物及微生物生长所需的碳元素的作用，缓释速效相结合，肥效是普通有机肥的3-5倍。

进一步地，在步骤(2)中还加入0.001-0.002重量份的产于美国爱达荷州西南部的风化褐煤粉。该产地的风化褐煤粉富含碳解酶。

本发明还涉及这种生物碳菌肥的制备方法在碳基复合肥上的应用，其特征在于：在上述步骤(4)中还加入氮、磷、钾肥其中的一种或多种。

本发明还涉及这种生物碳菌肥的制备方法在碳硅肥上的应用，其特征在于：在步骤(4)中还加入单硅酸粉剂。

本发明还涉及这种生物碳菌肥的制备方法在碳基土壤改良剂上的应用，其特征在于：在步骤(4)中还加入土壤改良剂。

与现有技术相比，本发明一是生产工艺要先进实用，稳定，节能，符合高效生产的要求。二是设备自动化程度高，维修方便，节能，符合环保要求。三是适应“小批量、多品种、高质量、快交货”的生产机制。四是有利于新产品开发。

具体实施方式

实施例1：一种生物碳菌肥的制备方法，包含如下步骤：

⑴生物碳的制备：将农作物秸秆、树叶、树枝、树根、木材加工废弃物、酒糟、椰壳、畜禽粪便等原料通过连续碳化机在厌氧条件下进行高温裂解，收集碳化过程中的可燃气体直接进行燃烧，为连续碳化机提供部分能源，对生产出的碳、木醋酸分别存储备用；

⑵生物碳解酶及微生物菌群的制备：在土壤中挖出深度大于80cm的深坑，在100重量份的大米粉或玉米粉中加入7-12重量份的国产风化褐煤粉与厌氧菌群混合均匀，混合期间适量喷水，直至混合物料达到手握成坨，轻压即散的程度，然后将混合物料堆放在坑内，表面覆盖一层塑料薄膜，再填土封埋，历春夏秋三季，得到碳解酶与生物菌种群；

⑶对步骤(2)得到的碳解酶与生物菌种群进行扩群繁育，得到碳解酶与生物菌干载体；

⑷将步骤(1)得到的生物碳100重量份破碎、加入步骤（2）得到的10-30重量份的碳解酶与生物菌干载体，步骤（1)得到的5-10份木醋液，加水至含水量50-60%，厌氧发酵10-30天，把生物碳中的稳定的单质碳分解成10-50%的水溶性有效碳；

⑸最后通过造粒机制得肥料颗粒，过8-10目筛，取筛上物，包装即可。

实施例2：又一种生物碳菌肥的制备方法，其他同实施例1，不同的是在步骤(2)中还加入0.001-0.002重量份的产于美国爱达荷州西南部的风化褐煤粉。该产地的风化褐煤粉富含碳解酶。

实施例3：一种生物碳基复合肥的制备方法，其他同实施例1，不同的是在上述步骤(4)中还加入氮、磷、钾肥其中的一种或多种。

实施例4：一种生物碳硅肥的制备方法，其他同实施例1，不同的是在上述步骤(4)中还加入单硅酸粉剂。

实施例5：一种生物碳基土壤改良剂的制备方法，其他同实施例1，不同的是在上述步骤(4)中还加入土壤改良剂。

Claims (5)

1.一种生物碳菌肥的制备方法，包含如下步骤：

生物碳的制备：将农作物秸秆、树叶、树枝、树根、木材加工废弃物、酒糟、椰壳、畜禽粪便等原料通过连续碳化机在厌氧条件下进行高温裂解，收集碳化过程中的可燃气体直接进行燃烧，为连续碳化机提供部分能源，对生产出的碳、木醋酸分别存储备用；

生物碳解酶及微生物菌群的制备：在土壤中挖出深度大于80cm的深坑，在100重量份的大米粉或玉米粉中加入7-12重量份的国产风化褐煤粉与厌氧菌群混合均匀，混合期间适量喷水，直至混合物料达到手握成坨，轻压即散的程度，然后将混合物料堆放在坑内，表面覆盖一层塑料薄膜，再填土封埋，历春夏秋三季，得到碳解酶与生物菌种群；

对步骤(2)得到的碳解酶与生物菌种群进行扩群繁育，得到碳解酶与生物菌干载体；

将步骤(1)得到的生物碳100重量份破碎、加入步骤（2）得到的10-30重量份的碳解酶与生物菌干载体，步骤（1)得到的5-10份木醋液，加水至含水量50-60%，厌氧发酵10-30天，把生物碳中的稳定的单质碳分解成10-50%的水溶性有效碳；

最后通过造粒机制得肥料颗粒，过8-10目筛，取筛上物，包装即可。

2.根据权利要求1所述的一种生物碳菌肥的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中还加入0.001-0.002重量份的产于美国爱达荷州西南部的风化褐煤粉。

3.权利要求1或2所述的一种生物碳菌肥的制备方法在碳基复合肥上的应用，其特征在于：在步骤(4)中还加入氮、磷、钾肥其中的一种或多种。

4.权利要求1或2所述的一种生物碳菌肥的制备方法在碳硅肥上的应用，其特征在于：在步骤(4)中还加入单硅酸粉剂。

5.权利要求1或2所述的一种生物碳菌肥的制备方法在碳基土壤改良剂上的应用，其特征在于：在步骤(4)中还加入土壤改良剂。