CN107226758A - 一种园林废弃物生物质炭基沼液肥料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物质肥料，具体公开了一种园林废弃物生物质炭基沼液肥料及其制备方法与应用。所述生物质炭基沼液肥料的原料配比为：生物质炭100‑300重量份，牛粪沼液100‑300体积份，凹凸棒石黏土10‑20重量份，沸石粉20‑40重量份；所述重量份/体积份为g/mL。本发明所提供的肥料能改善土壤的理化性状，并提供植物生长所需的营养元素，促进植物生长、提高植物生物量、增强植物的抗逆性，同时该生物质肥料能有效增加植物的光合速率，提高植物的光合作用，适用于干旱/半干旱区的植被恢复与牧草种植，从而提高牧草种植的成活率和产量。

Description

一种园林废弃物生物质炭基沼液肥料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及生物质肥料，具体地说，涉及生物质炭基沼液肥料。

背景技术

近年来，随着城市化进程加快，我国在提高城乡经济发展的同时注重改善生态环境，园林绿化事业发展迅速，绿地面积不断增大，园林废弃物产生量日益增加，如何合理的处理园林废弃物已成为社会问题。传统的园林废弃物处理方式主要是填埋或露天焚烧，造成温室效应和雾霾，对生态、环境的污染严重，极大影响了农林业的可持续发展。如何将园林废弃物“变废为宝”，实现资源的循环利用成为了研究的热点和发展趋势。同样，随着我国人口急剧增长，畜牧业的快速发展，也产生了大量的畜禽养殖废弃物等农业废弃物。目前，最主要的回收利用途径是将养殖废弃物直接排放或进行厌氧发酵制成沼液沼渣等做沼肥。由于固有的废物处理方式粗放不合理，沼液，随意排放与直接作肥，使沼液的处理和利用受到较大的限制。经多年研究和应用发现，园林废弃物和沼液本身资源含量丰富易取得，且均含有大量营养元素，对植物生长和土地改良都有潜在价值。

现有技术中，多数生物质炭原料多为农作物秸秆、竹子等烧制而成，营养元素含量少，成炭率低。制成的生物质炭基肥料系由生物质炭与尿素等无机化肥混合制备，还存在或多或少的缺陷，使用量过多导致成本提高、污染土壤和水源或改良效果不全面等不同程度的负面影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种园林废弃物生物质炭基沼液肥料及其制备方法与应用。

为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：

本发明首先提供一种园林废弃物生物质炭基沼液肥料，由以下原料制成：园林废弃物400℃烧制而成的生物质炭、牛粪沼液、凹凸棒石黏土和沸石粉。

所述原料的配比为：生物质炭100-300重量份，牛粪沼液100-300体积份，凹凸棒石黏土10-20重量份，沸石粉20-40重量份。所述重量份/体积份为g/mL，即生物质炭100-300g，牛粪沼液100-300mL，凹凸棒石黏土10-20g，沸石粉20-40g，或在此基础上等比例增加或减少。

作为优选，所述原料的配比为：生物质炭100重量份，牛粪沼液300体积份，凹凸棒石黏土20重量份，沸石粉40重量份。

其中，所述生物质炭的粒径为0.1mm-1mm；所述凹凸棒石黏土的粒径为0.01mm-0.1mm；所述沸石粉末的粒径为0.03mm-0.06mm。

所述生物质炭的制备方法为：

将园林废弃物过筛，应用粉碎机粉碎，放入马弗炉中，设置热解温度为380-420℃，密封厌氧热解6h烧制而成生物炭。其中园林废弃物的成炭率为81％，碘吸附值500％，比表面积为415m²/g；烧制的生物炭具有的较大比表面积和大孔隙，使其有较强的吸附能力，为制备园林废弃物生物质炭基沼液肥料及改良土壤质地提供了有利支持。

所述牛粪沼液以牛粪为原料，经厌氧发酵后，沉淀处理所得的沼液，不溶物含量<5.48％。在本发明的具体实施方式中，所述牛粪沼液取自北京市顺义区某牛粪沼气工程厌氧发酵罐经沉淀处理后的沼液，不溶物含量<5.48％，其中所含的有毒重金属均远低于国家土地环境质量标准，与园林废弃物烧制的生物炭混合后可进一步吸附有毒物质，施入土壤不会造成土壤环境污染，牛粪沼液中富含的N、P、K等营养元素也为制备的园林废弃物生物质炭基沼液肥料提供元素基础，有利于土壤性质改良及促进植物生长。

其中，所述园林废弃物指在城市绿化及园林维护过程中产生的枯枝、落叶、草屑等有机废弃物。来源于植物，是植物进行光合作用后的产物，主要由C、H、O、N、S等元素组成，成分以有机质为主，富含纤维素、木质素；园林废弃物属于可再生资源，具有可再生性的特点；随着园林绿化面积逐步扩大，园林废弃物资源丰富，获取途径较容易。

凹凸棒石黏土是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的黏土矿，具有滑感、质轻、吸水性强、遇水不膨胀、湿时具有黏性和可塑性等特性。由于它本身的特殊结构，具有较强的吸附性、催化性、离子交换性、广泛应用于化肥、农药、食品中，用作粘结剂。

沸石粉末是一种无毒无害的天然矿物，具有很强的吸附能力和很高的阳离子交换量，可促进土壤中养分的释放。有研究发现沸石可吸附NH4⁺和P，所吸附的NH4⁺和P大部分是可解吸的。可以提高土壤的保肥能力。沸石具有贮水能力，施入土壤后可提高耕层土壤的含水量1％～2％，在干旱条件下使耕层土壤田间持水量增加5％—15％。沸石也可活化土壤难溶性P，沸石还能改善土壤供钾状况，可促进土壤中养分的释放，提高土壤保肥能力和增加土壤肥力。

牛粪沼液是牛粪经厌氧发酵过滤产生的一种成分复杂、营养全面的有机液体，含多种微量元素。生物质炭采用园林废弃物经高温限氧烧制成的固体碳化物，具有高碳、强吸附性、含多种营养物质，促进植物的有效生长，还能起到改良土壤的作用。

牛粪沼液取自北京市顺义区某牛粪沼气工程厌氧发酵罐经沉淀处理后的沼液，其重金属含量检测结果见表1，符合《土壤环境质量》标准(GB15618-2008)；生物质炭及牛粪沼液各营养物质检测结果见表2。

表1牛粪沼液重金属含量检测结果

表2生物质炭及牛粪沼液营养元素检测结果

检测项目	生物质炭	牛粪沼液
			ph	6.2	7.6
TN(g·kg-1)	0.89	4.20
			TP(g·kg-1)	11.2	0.27
TK(g·kg-1)	8.6	1.15
			AN(mg·kg-1)	-	335.6
AP(mg·kg-1)	-	982.0
			AK(mg·kg-1)	-	895.7
C(％)	70.02	-
			H(％)	3.02	-
0(％)	1.01	-
			Ash(％)	13.43	-

进一步地，本发明提供了园林废弃物生物质炭基沼液肥料的制备方法，具体为，将原料物质混合均匀，放入圆盘造粒机器中，置圆盘造粒机的倾斜角度为60°，转速为27r/min，旋转1h造粒而成的颗粒状肥料。

经过试验研究发现，本发明所提供的肥料能改善土壤的理化性状，并提供植物生长所需的营养元素，促进植物生长、提高植物生物量、增强植物的抗逆性，同时该生物质肥料能有效增加植物的光合速率，提高植物的光合作用效率，适用于干旱区与半干旱区的植被恢复与牧草种植，从而提高牧草种植的成活率和产量。

因此，所述园林废弃物生物质炭基沼液肥料在上述方面的应用均属于本发明的保护范围，例如，所述肥料在提高植物光合作用效率中的应用等。

本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。

本发明的有益效果在于：

1、本发明探索了农林废弃物资源化利用的新途径。本发明原料采用园林废弃物烧制而成的生物炭、牛粪沼液等农林废弃物，以及天然无毒无害的粘土矿物，沸石等，通过特定工艺制备成一种对植物生长有效的生物质炭基沼液肥料，原材料成本低廉，来源易得，通过脱水厌氧处理并经过高温炭化方式粉碎形成生物炭粉，炭化效果好，炭含量、炭肥成品率高，沸石粉末很强的吸附能力和很高的阳离子交换量，可促进土壤中养分的释放，且具有贮水能力，还可以提高土壤保肥能力和增加土壤肥力。本发明中园林废弃物处理新方式为限氧高温烧制成生物质炭，相关研究证明，生物质炭由于其自身具备的物理化学性质，将其单独制成肥料或者与其他肥料混合制成生物质炭基肥料，能有效改良土壤的理化性状，提高土壤的保水保肥，同时还可以促进植物对水分、养分的吸收，并对植物生长有较好的促进作用。为我国废物资源循环利用提供新的参考，展示出了园林废弃物生物质炭基沼液肥料的应用潜能和发展前景。

2、本发明所提供的肥料能有效改善土壤的物理性状，降低土壤比重，增加土壤孔隙度，提高土壤的透水性和透气性，促进植物对养分元素的吸收；同时园林废弃物生物质炭基沼液肥料中含有植物生长的主要营养元素，可显著提高土壤中碱解氮、有效磷和速效钾的含量，从而促进植物生长，提高植物生物量。

3、本发明所提供的肥料能增加植物叶片光合速率，提高植物叶片叶水势，增强植株的抗干旱能力，提高干旱、半干旱地区的牧草成活率，促进牧草增产与土壤快速恢复。

4、本发明所提供的肥料能显著促进植株株高、出苗率，提高植株总生物量。

5、本发明所述肥料的制备方法简单、生产工艺条件容易控制，产品质量稳定，生产成本低廉，具有推广价值以及显著的经济效益、环境效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明实施例中草地早熟禾株高变化曲线图；

图2为本发明实施例中草地早熟禾生物量变化柱状图；

图3为本发明实施例中草地早熟禾光合速率日变化曲线图；

图4为本发明实施例中草地早熟禾叶水势日变化曲线图；

图5为本发明实施例中草地早熟禾叶绿素含量变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

选取园林废弃物生物质炭100g，牛粪沼液100mL，凹凸棒石黏土10g，沸石粉末20g。混合均匀后，放入圆盘造粒机中，设置倾角60°，转速27r/min，造粒制成肥料1。

实施例2

选取园林废弃物生物质炭200g，牛粪沼液100mL，凹凸棒石黏土15g，沸石粉末30g。混合均匀后，放入圆盘造粒机中，设置倾角60°，转速27r/min，造粒制成肥料2。

实施例3

选取园林废弃物生物质炭100g，牛粪沼液300mL，凹凸棒石黏土20g，沸石粉末40g。混合均匀后，放入圆盘造粒机中，设置倾角60°，转速27r/min，造粒制成肥料3。

实施例4

选取园林废弃物生物质炭300g，牛粪沼液300mL，凹凸棒石黏土20g，沸石粉末40g。混合均匀后，放入圆盘造粒机中，设置倾角60°，转速27r/min，造粒制成肥料4。

实验例1土壤理化性状指标的测定

试验区概况：

试验区位于北京林业大学八家苗圃，苗圃地处北京市海淀区八家村村委会北侧，北邻八家郊野公园，地铁13号线从苗圃西侧穿过，分为西院、东院和东南院三个区域，总面积31206平方米。试验地位于东南院，其中心地理坐标为N40°00′17.81″，E116°58′48″，海拔52米。该地区处在暖温带，受季风影响，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均气温10-12℃，其中7月温度最高，1月温度最低，昼夜温差较大。年平均降水量为428mm，集中在7、8、9三个月，大约占全年降水量的70％。年平均蒸发量为1270mm，约为降水量的3倍。土壤主要是褐土，土壤容重为1.23g/cm³。

试验材料：

于5月中旬选取种子饱满，无病虫害的草地早熟禾种子作为供试植物种。供试土样来源于山西省吕梁半干旱区的黄绵土，质地均匀，土壤容重为1.32g/cm³，其中，土壤碱解氮含量为106.2mg/kg，有效磷含量为4.86mg/kg，速效钾含量为107.3mg/kg，有机质含量为1.52mg/kg，pH为7.9，电导率为0.42ms/cm。

实施例1-4制备的四种园林废弃物生物质炭基沼液肥料；对照例1：生物质炭，园林废弃物400℃限氧烧制而成，300g；对照例2：普通黄绵土。

试验方法：

试验共设6个处理，每个处理设置10个重复。将实施例1制备的园林废弃物生物质炭基沼液肥料300g、实施例2制备的园林废弃物生物质炭基沼液肥料300g、实施例3制备的园林废弃物生物质炭基沼液肥料300g、实施例4制备的园林废弃物生物质炭基沼液肥料300g、对照例1的生物质炭300g分别与黄绵土均匀混合，对照例2为空白对照，基质仅为黄绵土。选用上口径为40cm、下口径为30cm、高35cm的塑料花盆，每盆中分别加入相应的基质5kg，将草地早熟禾种子播种在塑料花盆中，并压实，使盆内土壤的容重接近自然状态(约1.30g/cm³)；适时浇水，采用Trime TDR土壤水分测定***(德国IMKO公司生产)测定土壤绝对含水量，保持土壤绝对含水率为25％左右。

土壤的理化性状：

土壤容重和孔隙度采用环刀法测定，不同实施例土壤物理性状的变化如表3所示；采用K₂Cr₂O₇容量法——外加热法测定土壤有机质含量；采用碱解扩散法测定土壤有效氮含量，不同实施例土壤化学性状的变化如表4所示。

表3不同实施例对土壤物理性状的影响

表3的检测结果表明：

添加园林废弃物生物质炭基沼液肥料的处理，其土壤比重和容重较对照例都有明显的降低，与对照例2相比，实施例3的土壤比重和容重分别降低19.9％和22.4％，与对照例1相比，实施例3的土壤比重和容重分别降低13.5％和13.2％，由于土壤孔隙度与土壤容重呈负相关，容重越小，孔隙度越大，其中实施例3的土壤孔隙度较对照例2增加27.2％。说明本发明的园林废弃物生物质炭基沼液肥料能降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤的物理性状。实施例3含水率相对对照例1、2分别增加了29.29％、60.01％。说明本发明的园林废弃物生物质炭基沼液肥料能提高土壤含水率，具有很强的保水性。实施例4相对实施例1、2、3，施加了更高量的生物质炭，土壤的各项物理性质指标均较好，优于其他各实施例，但相对实施例3对土壤物理性质改善程度相差不大，比如土壤含水率相对实施例3仅提高0.06％、土壤孔隙度仅提高0.08％。说明生物质炭的添加量的增加可以改善黄绵土土壤的物理性质，但用量过高改善程度减弱。

表4不同实施例对土壤化学性状的影响

表4的检测结果表明：

实施例1、2、3、4与对照例1和对照例2相比，土壤中有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量明显提高，其中实施例3增加量最大，说明本发明的园林废弃物生物质炭基沼液肥料能增加土壤中植物可利用的营养元素含量，改善土壤的化学性状，有利于促进植物的生长。实施例4的土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾各项化学指标均高于实施例1、2，说明制肥原料增加在一定程度上可促进土壤化学性质的改良，而相对于实施例3较低，说明在所制肥料的牛粪沼液添加量均为300mL时，增加生物质炭的量对于土壤化学性质改良并不具有促进作用，添加越多生物质炭会减弱土壤化学性质的改善。

实验例2植物生长指标的测定

草地早熟禾株高、出苗率的测定：采用人工统计方法，利用卷尺测出植物从基部至叶顶端的高度。出苗率的测量在播种10d后，根据出苗棵数计算得出，出苗率＝发芽棵数/播种总数╳100％。不同实施例对草地早熟禾出苗率的影响见表5。

图1的测定结果表明：

草地早熟禾在6-9月间株高增长迅速，添加本发明园林废弃物生物质炭基沼液肥料的处理，其株高明显大于对照例，说明本发明园林废弃物生物质炭基沼液肥料可以促进植物株高的增长，其中实施例3效果最好。实施例4相对实施例3对草地早熟禾株高的促进作用有所减弱，说明生物质炭在所制肥料中含量过高会影响肥料对植物株高的生长促进。

表5不同实施例对草地早熟禾出苗率的影响

表5的检测结果表明：

草地早熟禾在6月初计算每个处理的出苗率，添加本发明园林废弃物生物质炭基沼液肥料的处理，其植株出苗率均高于对照例，其中实施例3出苗率最高。说明本发明的园林废弃物生物质炭基沼液肥料对植物出苗率有促进作用。

植物生物量的测定：

在生长季末，将各不同处理的草地早熟禾所有地上部分沿地表面收割下来称重，将整个植株根系从塑料盆中倒出，用水冲洗、浮选、晾干、称重，并装入密封袋中备用。接着将植株所有部分置于85℃的鼓风烘箱中，烘干30min后接着将样品装入布袋中，再在65℃的鼓风烘箱中烘干24h，然后称量烘干处理后植株的总干重，换算成总生物量，草地早熟禾的生物量变化如图2所示。添加园林废弃物生物质炭基沼液肥料的处理，其生物量明显高于对照例，说明本发明的园林废弃物生物质炭基沼液肥料能有效提高植物的生物量。实施例4中草地早熟禾生物量低于实施例3，说明原料添加量的增加并不会持续促进肥料肥效作用。总之，使用本发明园林废弃物生物质炭基沼液肥料后，草地早熟禾的株高、出苗率和生物量均有显著增长，其中实施例3效果最好，而当肥料中生物质炭添加量过高时可能会抑制对植物生长的促进作用。

实验例3植物生理指标的测定

在植物生长旺季中选取晴朗天气进行，采用LI-6400型便捷式光合测定***测定植株光合速率；采用美国产的Psypro露点水势仪测量植株叶片的叶水势；从8:00-18:00时，每隔2小时测量一次。采用SPAD-502叶绿素仪测定植株的叶片叶绿素含量。草地早熟禾光合速率日变化如图3所示；草地早熟禾叶水势日变化如图4所示，草地早熟禾叶绿素含量变化曲线如图5所示。

图3的测定结果表明：

草地早熟禾光合速率日变化趋势总体呈现不规则的抛物线型变化规律，早晨光合速率较低，随着太阳有效辐射的增强，至中午12:00时光合速率达到最大值，此后随着叶片气孔的关闭及光照强度的降低，光合速率逐渐开始持续下滑，至傍晚18:00时左右光合速率下降到最低值。实施例4的光合速率较实施例3较低，但高于实施例1、2及对照例1、2，说明施用本发明园林废弃物生物质炭基沼液肥料后，草地早熟禾的光合速率明显降低，减少了植物水分损失，具有一定的抗旱效果。但添加过量的生物质炭对肥料促进植物光合作用起到了抑制作用。

图4的测定结果表明：

草地早熟禾叶水势的日变化曲线变化规律大致呈“V”型变化趋势，在早晨8:00时左右各处理的植物叶水势最高，随着气温的升高和太阳有效辐射的增强，植物蒸腾作用越趋强烈，叶水势开始持续下降，至中午12:00时五个处理的叶水势都达最低值，午后蒸腾作用随着气温的降低和太阳有效辐射的减弱而减弱，植物叶水势又逐渐升高，至傍晚18:00时叶水势达次高值。施用本发明园林废弃物生物质炭基沼液肥料之后，草地早熟禾的叶水势提高，也就说明植物体的持水能力和植物根系从土壤中吸收水分的能力增强，有利于提高植物的抗旱性。实施例4的草地早熟禾叶水势低于实施例3，说明所制的园林废弃物生物质炭基沼液肥料中生物质炭的添加量存在优选范围，并非添加越多肥料的肥效越好。

图5的测定结果表明：

施用本发明园林废弃物生物质炭基沼液肥料之后，草地早熟禾的SPAD值较对照例明显提高，表明植物的叶绿素含量增加，有利于植物进行光合作用，促进有机物质的积累。但实施例4低于实施例3，同样印证了生物质炭在肥料中的含量存在一定的限度，添加过多会影响肥料对植物叶绿素含量的合成促进。

综上，使用本发明园林废弃物生物质炭基沼液肥料后，草地早熟禾的光合速率、叶水势、叶绿素含量均有显著提高，其中实施例3的效果最好。

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。

Claims (8)

1.一种园林废弃物生物质炭基沼液肥料，其特征在于，由以下原料制成：生物质炭、牛粪沼液、凹凸棒石黏土和沸石粉；所述生物质炭由园林废弃物在380-420℃密封厌氧热解6h烧制而成。

2.根据权利要求1所述的肥料，其特征在于，所述原料的配比为：生物质炭100-300重量份，牛粪沼液100-300体积份，凹凸棒石黏土10-20重量份，沸石粉20-40重量份；所述重量份/体积份为g/mL。

3.根据权利要求2所述的肥料，其特征在于，所述原料的配比为：生物质炭100重量份，牛粪沼液300体积份，凹凸棒石黏土20重量份，沸石粉40重量份。

4.根据权利要求1～3任一项所述的肥料，其特征在于，所述的生物质炭为园林废弃物经马弗炉将热解温度设置在380-420℃，密封厌氧热解6h烧制而成；其中园林废弃物的成炭率为81％，碘吸附值500％，比表面积为415m²/g。

5.根据权利要求1～3任一项所述的肥料，其特征在于，所述牛粪沼液以牛粪为原料，经厌氧发酵后，沉淀处理所得的沼液，不溶物含量<5.48％。

6.根据权利要求1～3任一项所述的肥料，其特征在于，所述生物质炭的粒径为0.1mm-1mm；所述凹凸棒石黏土的粒径为0.01mm-0.1mm；所述沸石粉末的粒径为0.03mm-0.06mm。

7.权利要求1～6任一项所述的肥料的制备方法，其特征在于，将原料混合均匀，置于圆盘造粒机中造粒，即得。

8.权利要求1～6任一项所述的肥料在提高植物光合作用效率中的应用。