CN106831199A - 秸秆生物碳高持水营养土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种秸秆生物碳高持水营养土及其制备方法，其组分及含量为：粉碎发酵后的秸秆55‑68％、秸秆炭化颗粒28‑40％以及可生物降解高吸水性树脂3‑5％，其中：氮元素有效含量为200‑500g·m‑3、P2O5含量为20‑50g·m‑3、钾元素含量为100‑300g·m‑3。本发明具有解决现有农作物秸秆污染问题、实现作物秸秆资源化利用、提高培养基质的持水保水性能、具备稳定的养分保持与供给能力以及良好的种植效果等特点，可以为蔬菜、花卉、苗木提供全营养、全周期配方培养基质。

Description

秸秆生物碳高持水营养土及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种环境保护及农业科技领域的技术，具体是一种基于秸秆资源化利用的秸秆生物碳高持水营养土及其制备方法。
背景技术
农作物秸秆数量大、种类多、分布广，全世界秸秆年产量29亿多吨。我国是粮食生产大国，也是秸秆生产大国，每年可生产秸秆7亿多吨，约占全球秸秆总量的20％-30％。其中，水稻、小麦、大豆、玉米、薯类等粮食作物秸秆约5.8亿吨；花生、油菜籽、芝麻、向日葵等油料作物秸秆占总量的8％，棉花、甘蔗秸秆占总量的3％。目前，农作物秸秆处理方式主要以直接粉碎还田、工业利用(造纸、饲料、发酵清洁能源)、秸秆焚烧三种方式为主。秸秆还田有虽然具有培肥地力的作用，但在实际农业生产中常用的方法市直接粉碎在地表，方法不当，假如腐熟时间不够，也会导致土壤病菌增加、作物病害加重等不良现象。我国秸秆露天焚烧率达到20.8％，主要为稻谷、玉米和小麦，每年秸秆焚烧产生的PM2.5达到138.1×104吨。因此，秸秆的资源化利用对于实现农业可持续发展、保护环境具有重要意义。
同时，随着农业种植结构调整，传统农业向现代化农业转变，阳台农业等新型都市农业发展十分迅速，设施农业的迅速发展对种植基质(育苗营养土)提出了更高的要求。根据幼苗及作物生长需要，目前主流的基质主要利用有机、无机材料及微生物制剂配制而成，常用的育苗基质有岩棉、细蛭石、草炭、炉渣灰、种过蘑菇的棉籽壳、珍珠岩、细砂、有机肥、炭化砻糠、锯木屑等。这些基质原料生理、生化特性不同，各有优缺点，其中有机肥、细蛭石是较理想的育苗基质，而草炭、炭化砻糠、锯木屑是很好的复合育苗基质原料。综合来看，轻量化基质在育苗育种、温室栽培、盆栽作物、阳台种植、林木育苗、林木扦插等领域有着广泛应用，具有良好的应用前景。但是，传统配方基质存在持水、保湿能力不足，以及养分供给受限等问题，制约了轻量化基质的发展，继续开发新型基质材料。
作物秸秆的基质化利用不但能为育苗基质提供原料，也为作物秸秆污染问题提供了有效的解决方案，但是目前秸秆基质化利用技术尚不成熟，生产工艺与流程尚不规范，基质产品性能不稳定，且缺乏统一的科学操作标准。我国早期在进行秸秆基质化利用的初期尝试中，秸秆不经过发酵而直接或经过碾压破碎等简单处理后用于蔬菜栽培，这也是最初的秸秆基质化利用形式。由于早起的直接利用方式中秸秆原料养分利用困难、理化性状不达标等缺陷，堆肥发酵逐渐发展成为秸秆基质化的重要步骤。秸秆目前在作为栽培基质的应用过程中相对较粗放，对栽培基质所需要的重要物理性质缺乏准确数据支撑，而对作物有较大影响的化学稳定性、酸碱性、阳离子代换量、电导率和缓冲能力主要依靠经验进行调配，在育苗过程中出现缺苗与植株生长发育不良的情况，利用这些基质在扦插苗木过程中也会出现生根缓慢以及烂根等状况，需要对以前的秸秆利用方式进行研究改进。
整体上看，常规配方基质中使用的泥炭土不仅价格高，而且是短时间内不可再生的资源，其储量有限，不可能无限制的开发利用。同时，现在常用的基质保水性能较差，特别是作物株型偏大时，需要不断补充大量的水肥，极易造成基质表面板结，也会导致大量水肥流失。此外，现有轻量化基质体积过大，运输也不方便；传统配方基质中营养元素分配不均衡，也是抑制其使用的重要问题。本发明提出的作物秸秆的基质化利用可以为农作物秸秆污染治理及现代农业轻量化基质提供解决方案，作物秸秆分类收集粉碎及碳化利用，分别作为有机生态无土栽培基质的主要配方原料经济可行，其轻量化及保水性能能够满足作物正常生长发育需要，这种原材料本土化、低成本、可再生、环保型的育苗基质有广阔的发展前景。
发明内容
本发明针对现有技术所需要的原材料较多、工艺复杂且容易夹杂有害微生物导致的实用性不强、基质保水效果不好等缺点，提出一种秸秆生物碳高持水营养土及其制备方法，能有效解决现有作物秸秆污染问题，实现作物秸秆资源化利用。该发明能显著提高培养基质的持水保水性能，利用该发明制备的营养土具有稳定的养分保持能力与养分供给能力，其理化性质稳定、配方简单、实用性强，同时具备良好的种植效果，可以为蔬菜、花卉、苗木等提供全营养、全周期配方培养基质。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种秸秆生物碳高持水营养土，其组分及含量为：粉碎发酵后的秸秆55-68％、秸秆炭化颗粒28-40％以及可生物降解高吸水性树脂3-5％，其中：氮元素有效含量为200-500g·m-3、P2O5含量为20-50g·m-3、钾元素含量为100-300g·m-3。
本发明涉及上述营养土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)将无污染的作物秸秆分类收集，木质化程度低、易分解的作物秸秆机械破碎，木质化程度高的秸秆进行高温炭化造粒。
步骤2)向步骤1处理后的破碎秸秆原料中添加发酵素，进行堆肥发酵。
步骤3)发酵完成后，添加可生物降解高吸水性树脂，添加秸秆生物炭颗粒，然后充分混合均匀。
步骤4)根据适用蔬菜类别调节pH和电导率，然后抽真空包装储存。
技术效果
与现有技术相比，本发明原料来源易获得且成本低廉，同时解决了大量作物秸秆的出路，对于农作物秸秆污染防治具有重要的意义，为农作物秸秆的资源利用提供了可靠方法。同时，本发明提出的营养土配方有别于常规培养基质，主要基于作物秸秆破碎和高温炭化造粒原料，其养分持续供给能力得到了大幅提高，养分流失量大大降低。该方法提出的营养土配方简单、实用性强，解决了常规基质持水能力不足的明显缺陷，减少浇水次数。此外，该发明所生产的营养土体积较小，为运输、储存等提供了便利。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
具体实施方式
本实施例包括以下步骤:
步骤1)将无污染的作物秸秆分类收集，木质化程度低、易分解的作物秸秆机械破碎，木质化程度高的秸秆进行造粒。
所述的无污染的作物秸秆是指：产于无污染地区的农作物秸秆或其他秸秆类废弃物(包括园林绿化、木材加工废弃物等)，各类重金属及有毒有害物质未检出，农药残留达标；同时，秸秆经晒干、分拣，除去草籽、石块等杂质。
所述的分类收集是指：木质化程度低、易分解的秸秆机械破碎，包括水稻秸秆、玉米秸秆及蔬菜作物废弃物，以及树叶等；木质化化程度高的秸秆包括麦子秸秆、乔木、灌木以及木材的边角料、树木的根、枝条等。
所述的破碎，包括粉碎、过筛两个步骤，具体为:利用秸秆粉碎机将作物秸秆粉碎至2-5mm；过筛，纤维长度超过5mm的进行二次粉粹，将秸秆处理达到所需水平。
所述的炭化造粒，是指将作物秸秆在350-450℃炭化炉中进行热解炭化成秸秆生物质炭，同时压制成粒径5-8mm的颗粒。
步骤2)向步骤1处理后的营养土原料中添加发酵素，进行堆肥发酵。
所述的发酵素具体为EM菌和尿素构成，其添加量为：EM菌:尿素:营养土原料按1:500:4000的重量比混匀。
所述的EM菌是指：双岐菌、乳酸菌、芽孢杆菌(采用但不限于：地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌等)、光合细菌、酵母菌、放线菌和醋酸菌，经扩培、发酵、喷雾干燥而成的复合微生物菌种，该EM菌中每克含有益总菌数≥500亿CFU。
所述的进行堆肥发酵是指：将混匀后的秸秆物料堆放于砌墙的发酵槽中，该发酵槽的墙高1.2-1.5m，墙长宽比例为1:4；发酵温度控制为25-35℃，水分50-60％，时间控制在25-45天。
步骤3)发酵完成后，添加可生物降解高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer，SAP)以及生物炭颗粒，然后充分混合均匀。
所述的发酵完成是指：以腐熟度作为综合评价指标衡量堆肥产品的质量标准，其中：物理指标(如温度、气味、颜色等)随堆肥过程的变化比较直观，秸秆变成褐色或黑褐色，湿时用手握之柔软有弹性，干时很脆容易破碎，可以用作定性的判断标准；化学指标包括碳氮比、氨化合物、有机化合物、阳离子交换量和腐殖质含量等；生物学指标包括微生物种群和数量、酶种类及活性、植物毒性指示以及一些卫生指标。
所述的可生物降解高吸水性树脂，按照3.0％的重量比添加，以便提高营养土的持水性能，减少营养土栽培中浇水频率，为作物持续提供水分及养分。
所述的可生物降解高吸水性树脂有着良好的吸水性能和保水能力，吸水可达自身重量的数百倍甚至上千倍，且保水性强，在受热、加压条件下也不易失水，对光、热、酸碱的稳定性好，且具有良好的生物降解性能。
所述的添加生物炭颗粒，具体是指：将作物秸秆(体积在15mm以下颗粒状)充分粉粹，粉粹后直径小于1mm，然后将其造粒，颗粒直径在2-3mm，造粒后在炉内高温条件下进行干馏、无氧炭化。
以30％重量比添加尺寸在2-3mm的生物炭颗粒，并调节物料容重在0.4-0.75g·cm-3，使得混合物料总孔隙度大于60％，持水孔隙大于45％。
所述的充分混合均匀是指：采用机械手段将上述物料充分搅拌、混匀。
步骤4)根据适用蔬菜类别调节pH和电导率，然后抽真空包装储存。
所述的调节具体是指：针对叶菜类、茄果类、瓜类、根茎类等蔬菜大类，将混匀后的产品pH值调整至6.5-7.5，电导率控制在0.1-0.2mS·cm，以控制基质内可溶性盐的总浓度，便于栽培作物的根系发育及生长。
所述的叶菜类是指：青菜、甘蓝、白菜、西兰花、菠菜、芹菜等。
所述的茄果类是指：番茄、辣椒、黄瓜、茄子等。
所述的瓜类是指：甜瓜、西瓜、哈密瓜等。
所述的根茎类是指：萝卜、红薯、山药等。
所述的抽真空包装储存是指：将上述产品按照1kg装标准装袋，抽真空后进行封装，其目的在于减少营养土体积，方便储运及延长保质期。
步骤5)将营养土倒入种植容器中加入无氯水，调节含水量，播种或移栽后，按照植物进行对应常规水肥管理，实现土壤优化。
所述的营养土，依据种植容器的大小，倒入占种植容器1/3体积的营养土即可，容器底部应保留透气、排水孔。
所述的无氯水可采用但不限于：在阳光下暴晒一整天或阴凉处静止放置48小时以上的自来水、干净的河水或井水。
所述的调节含水量是指：调节营养土含水量至35-45％。
所述的播种或移栽后，按照相关作物进行常规水肥管理是指：在叶菜类、茄果类、瓜类、根茎类蔬菜种子播种或幼苗移栽后，按照对应的作物类别，按常规大田种植方法进行水肥管理，本配方营养土能满足1-2茬作物养分需求。
以下为本发明制备得到的营养土与市售基质效果比较：
表1不同基质对番茄植株生长量的影响
表2不同基质对茄子植株生长量的影响
表3不同基质对玉米植株生长量的影响
通过利用上述实施例制备的秸秆生物碳高持水营养土进行盆栽种植，结果表明:该方法为园区农业秸秆废弃物提供了很好的资源化利用途径，基于秸秆生物碳的高持水营养土种植的叶菜类、茄果类、瓜类、根茎类蔬菜长势良好，生长期比普通基质略短，发芽率提升5％，相同苗龄期内植株高度可增加10％，植株直径增加8％以上，使用此基质可以获得更粗壮的植株，培养壮苗；实施例效果表明，秸秆生物碳高持水营养土具有极好的保水效果及养分持续供给能力，浇水次数比常规营养土减少70％以上，养分流失减少50％以上。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种秸秆生物碳高持水营养土，其特征在于，其组分及含量为：粉碎发酵后的秸秆55-68％、秸秆炭化颗粒28-40％以及可生物降解高吸水性树脂3-5％，其中：氮元素有效含量为200-500g·m-3、P2O5含量为20-50g·m-3、钾元素含量为100-300g·m-3。
2.根据权利要求1所述的秸秆生物碳高持水营养土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)将无污染的作物秸秆分类收集并进行机械破碎或炭化造粒；
步骤2)向步骤1处理后的营养土原料中加入发酵素，进行堆肥发酵；
步骤3)发酵完成后，添加可生物降解高吸水性树脂，添加生物炭颗粒，然后充分混合均匀；
步骤4)根据适用蔬菜类别调节pH和电导率，然后抽真空包装储存。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述的无污染的作物秸秆是指：不含重金属及有毒有害物质、农药残留达标的秸秆，经晒干、分拣，除去杂质。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述的步骤1，具体为：将水稻秸秆、玉米秸秆及蔬菜作物废弃物进行机械破碎，将木质化化程度高的秸秆包括麦子秸秆、乔木、灌木以及木材的边角料、树木的根、枝条进行炭化造粒。
5.根据权利要求2或4所述的制备方法，其特征是，所述的炭化造粒，是指将作物秸秆在350-450℃炭化炉中进行热解炭化成秸秆生物质炭，同时压制成粒径5-8mm的颗粒。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述的发酵素具体为EM菌和尿素构成，其用量为：EM菌:尿素:营养土原料按1:500:4000的重量比混匀，其中：
所述的EM菌是指：双岐菌、乳酸菌、芽孢杆菌、光合细菌、酵母菌、放线菌和醋酸菌，经扩培、发酵、喷雾干燥而成的复合微生物菌种；该EM菌中每克含有益总菌数≥500亿CFU。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述的进行堆肥发酵是指：将混匀后的秸秆物料堆放于砌墙的发酵槽中，该发酵槽的墙高1.2-1.5m，墙长宽比例为1:4；发酵温度控制为25-35℃，水分50-60％，时间控制在25-45天。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述的可生物降解高吸水性树脂，按照1.5-3.0％的重量比添加，以便提高营养土的持水性能，减少营养土栽培中浇水频率，为作物持续提供水分及养分。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述的添加生物炭颗粒，具体是指：将作物秸秆充分粉粹后造粒，造粒后在炉内高温条件下进行干馏、无氧炭化；以30％重量比添加生物炭颗粒，并调节物料容重在0.4-0.75g·cm-3，使得混合物料总孔隙度大于60％，持水孔隙大于45％。
10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述的步骤4具体是指：针对叶菜类、茄果类、瓜类、根茎类蔬菜，将混匀后的产品pH值调整至6.5-7.5，电导率控制在0.1-0.2mS·cm，以控制基质内可溶性盐的总浓度，便于栽培作物的根系发育及生长。
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