CN116082092B - 一种生物炭的制备方法、尾菜还田方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质资源化技术领域，具体涉及一种生物炭的制备方法、尾菜还田方法和应用。本发明提供的一种生物炭的制备方法，包括：对包括洋白菜废叶与松木粉的混合原料进行共热解得到生物炭。本发明的制备方法制备得到的生物炭富含钠离子、镁离子、钾离子、钙离子，营养组分丰富，碳、氮、可溶性有机物含量高。利用本发明制备得到的生物炭调节尾菜还田土壤，能够将上述营养组分施入土壤；调节土壤微生物群落，维持土壤微生物群落中的优势菌种枯草芽孢杆菌的相对丰度稳定，有助于有机组分的转化和腐解过程，从而提升了土壤可溶性有机物含量、土壤可溶性有机物分解效率和腐殖化指数，能够使尾菜在短时间内快速腐熟。
Description
技术领域
本发明属于生物质资源化技术领域，具体涉及一种生物炭的制备方法、尾菜还田方法和应用。
背景技术
尾菜是指被遗弃的残叶、残帮，以及蔬菜加工处理过程中产生的残次蔬菜。在蔬菜种植的过程中会有大量的尾菜产生。尾菜含水量高、容易腐烂，同时还含有丰富的营养物质，作为农业废弃物直接丢弃，不但污染了环境还造成了极大的资源浪费。尾菜原位还田成本较低，对于蔬菜废弃物的还田再利用可以有效调理土壤微环境。但是，尾菜直接还田效果不好，尾菜直接还田土壤中土壤可溶性有机物含量和可溶性有机物分解率低。
发明内容
本发明的目的提供一种生物炭的制备方法，制备的生物炭与尾菜共同还田腐解，可以提高土壤中可溶性有机物的腐殖化指数，土壤可溶性有机物含量和可溶性有机物分解率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种生物炭的制备方法，包括：对包括洋白菜废叶与松木粉的混合原料进行共热解得到生物炭。
优选的，所述共热解的温度为500～600℃，所述共热解的时间为2～3h。
优选的，所述洋白菜废叶与松木粉的质量比为(1～2):1。
优选的，所述洋白菜废叶为过2mm筛的碎叶。
本发明提供了一种尾菜还田方法，包括：尾菜还田后，将上述技术方案所述的制备方法得到的生物炭施用于土壤进行腐解。
优选的，尾菜还田时与土壤的质量比为1:(5～10)。
优选的，所述生物炭与土壤的质量比为3:(100～300)。
优选的，所述腐解前还包括在土壤中施用微生物菌液；所述微生物菌液与土壤的比例为1mL：20～50g。
优选的，所述尾菜包括洋白菜废叶，所述洋白菜废叶为小于1cm2的碎叶。
本发明提供了上述技术方案所述的制备方法得到的生物炭或上述技术方案所述的尾菜还田方法在提高1)～4)的一种或几种中的应用，
1)提高土壤可溶性有机物含量；
2)提高可溶性有机物的分解率；
3)提高可溶性有机物腐殖化指数；
4)维持土壤微生物群落中的枯草芽孢杆菌的相对丰度稳定。
本发明的有益效果：本发明提供的一种生物炭的制备方法，包括：对包括洋白菜废叶与松木粉的混合原料进行共热解得到生物炭。本发明的制备方法制备得到的生物炭富含钠离子、镁离子、钾离子、钙离子营养组分丰富，碳、氮、可溶性有机物含量高。利用本发明制备得到的生物炭调节尾菜还田土壤，除了能够将生物炭中的营养组分施入土壤，提高土壤可溶性有机物含量；生物炭还能对土壤微生物群落的调节，土壤微生物群落稳定特别是优势菌种枯草芽孢杆菌的相对丰度稳定，有助于有机组分的转化，有助于腐解过程，从而提升了腐殖化指数和土壤可溶性有机物分解率，从而使尾菜在短时间内快速腐熟。实施例的结果表明，共热解生物炭加入土壤后，土壤的可溶性有机物含量为61.35mg/L；共热解生物炭调控的洋白菜废叶还田腐解35天后土壤可溶性有机物的腐殖化指数(HIX)为3.41，腐殖化指数高，土壤可溶性有机物的分解率为43.95％。
具体实施方式
本发明提供了一种生物炭的制备方法，包括：对包括洋白菜废叶与松木粉的混合原料进行共热解得到生物炭。
本发明所述洋白菜废叶在进行共热解之前优选进行粉碎得到洋白菜废叶碎叶；本发明洋白菜废叶碎叶的大小优选为过2mm筛。本发明对所述粉碎的方式没有特殊限定，采用常规的方式即可。本发明所述粉碎优选为切碎后再用粉碎机粉碎。
本发明对所述松木粉的粒径没有特殊限定，采用常规的松木粉即可。本发明添加松木粉与洋白菜废叶的共热解制生物炭提升了生物炭的品质，现有技术中单一利用木材制备生物炭，本发明创造性地将松木粉与洋白菜废叶进行共热解制生物炭显著提升了生物炭的品质，提高生物炭的有机组分氮含量和可溶性有机物含量，富含钠、镁、钾、钙多种矿质元素。
得到洋白菜废叶碎叶后，本发明优选洋白菜废叶碎叶与松木粉混合后共热解得到生物炭。本发明所述洋白菜废叶与松木粉的质量比优选为(1～2):1，更优选为1：1。
在本发明中，所述共热解的温度优选为500～600℃，进一步优选为550～600℃，更优选为600℃，本发明所述共热解的时间优选为2～3h，进一步优选为2～2.5h，更优选为2h。本发明所述的共热解参数是为了使生物炭充分炭化。
得到生物炭之后，本发明优选对生物炭进行研磨后再应用。本发明所述研磨后的生物炭优选过2mm筛。本发明对所述研磨的方式没有特殊的限定，采用常规的方式即可。
本发明利用洋白菜废叶和松木粉制备生物炭，实现了对尾菜、松木粉等生物质固废的资源转化与有效利用，丰富了生物炭的营养组分。本发明制备得到的生物炭的有机组分碳、氮含量高，可溶性有机物浓度高，富含钠、镁、钾、钙多种矿质元素，菌液的使用以及生物炭的施用可以调控土壤微生物群落，维持土壤益生菌枯草芽孢杆菌的优势地位。
本发明提供了一种尾菜还田方法，包括：尾菜还田后，再将上述技术方案所述的制备方法得到的生物炭施用于土壤进行腐解。
生物炭已在上文论述，在此不再赘述。
本发明所述尾菜优选包括洋白菜废叶，洋白菜废叶还田前，本发明优选将洋白菜废叶切碎，切碎后的洋白菜废叶优选为小于1cm2的碎叶。
本发明所述尾菜还田时尾菜与土壤的质量比优选为1:(5～10)，进一步优选为1:(5～7)，更优选为1:5。
尾菜还田后，本发明将生物炭施用于土壤进行腐解。本发明所述生物炭与土壤的质量比优选为3:(100～300)，进一步优选为3:(100～150)，更优选为3:100。本发明所述生物炭的添加可以进一步提升土壤的有机质(包括可溶性有机物)的含量，调节土壤的理化性质和土壤微生物群落，促进洋白菜废叶腐熟。
本发明优选生物炭施用于土壤后进行腐解前加入微生物菌液，本发明所述微生物菌液与土壤的比例优选为1mL：20～50g，进一步优选为1mL：20～30g，更优选为1mL：20g。
本发明所述微生物菌液优选包括枯草芽孢杆菌菌液，枯草芽孢杆菌菌液的有效活菌数优选为1.5*108CFU/mL。本发明对所述枯草芽孢杆菌菌液的制备方法没有特殊限定，采用常规的方法即可。本发明对所述枯草芽孢杆菌的来源没有特殊限定，采用常规的制备方法制备。在具体实施过程中，本发明所述枯草芽孢杆菌优选购自于天津市农业科学院，保藏编号为CGMCC No.19558。
现有技术中的尾菜通常直接还田，但是由于蔬菜种植的年度安排通常较为紧凑，蔬菜种植土壤的种植间隔期较短。尾菜直接还田，前茬尾菜在短时间之内不能完全进行腐熟，仍可见尾菜残体，尾菜未充分腐熟会传导下茬蔬菜病虫害发生。本发明在尾菜还田后添加生物炭可以促进尾菜的腐熟，使尾菜在短时间之内快速腐熟，在尾菜腐熟过程中添加本发明制备的生物炭提升了土壤中有机组分的分解效率，提高了土壤中可溶性有机物的腐殖化程度。且微生物菌液的使用以及生物炭的施用可以调控土壤微生物群落，维持土壤益生菌枯草芽孢杆菌的优势地位，有利于后续种植的农作物的生长。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的生物炭、上述技术方案所述的尾菜还田方法在提高1)～4)的一种或几种中的应用，
1)提高土壤可溶性有机物含量；
2)提高可溶性有机物的分解率；
3)提高可溶性有机物腐殖化指数；
4)维持土壤微生物群落中的枯草芽孢杆菌的相对丰度稳定。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)选用洋白菜碎叶切碎后再粉碎，粉碎后的洋白菜大小为过2mm筛的粉末，洋白菜粉末与松木粉末按照质量比1：1混合均匀，得到混合原料；
(2)步骤(1)的混合原料在温度为600℃的条件下共热解2h，得到共热解生物炭；生物炭降温后研磨过2mm筛保存；
(3)将洋白菜废叶切至1cm2以下碎叶；按照质量比1:5将洋白菜废叶碎叶还田进入土壤；土壤采自天津市宁河区的农田表层土，表层土的采集深度为0～20cm；
(4)在步骤(3)洋白菜碎叶还田土壤中添加共热解生物炭并混合均匀，添加的生物炭与土壤的质量比设定为3:100，再添加微生物菌液(枯草芽孢杆菌菌液由保藏编号为CGMCC No.19558菌株制备得到，下同，枯草芽孢杆菌的有效活菌数为1.5×108CFU/mL)进行腐解，菌液添加量与土壤的比例为1mL:20g。共热解生物炭、洋白菜碎叶和微生物菌液施入土壤后，土壤可溶性有机物含量为61.35mg/L。洋白菜废叶腐解过程中保持土壤持水量为70％，在共热解生物炭调控的洋白菜废叶还田腐解35天后，即完成对土壤有机组分分解与深度腐殖化。
对比例1
(1)选用松木粉末为原料，在600℃下共热解2小时，得到松木生物炭；生物炭降温后研磨过2mm筛保存。
(2)将洋白菜废叶切至1cm2以下碎叶；按照质量比1:5将洋白菜废叶碎叶还田进入土壤；土壤采自天津市宁河区的农田表层土，表层土的采集深度为0～20cm；
(3)在步骤(2)洋白菜碎叶还田土壤中添加松木生物炭并混合均匀，添加的松木生物炭与土壤的质量比设定为3:100，再添加微生物菌液(枯草芽孢杆菌菌液，枯草芽孢杆菌的有效活菌数为1.5×108CFU/mL)进行腐解，菌液添加量与土壤的比例为1mL:20g。洋白菜碎叶、松木生物炭和微生物菌液施入土壤后，土壤可溶性有机物含量为60.87mg/L。洋白菜废叶腐解过程中保持土壤持水量为70％，松木生物炭调控的土壤还田腐解35天。
对比例2
将洋白菜废叶切至1cm2以下碎叶；按质量比1:5将洋白菜废叶还田进入土壤；土壤采自天津市宁河区的农田表层土，表层土的采集深度为0～20cm；
在混合均匀的土壤中添加微生物菌液(枯草芽孢杆菌菌液，枯草芽孢杆菌的有效活菌数为1.5×108CFU/mL)进行腐解，菌液添加量与土壤的比例为1mL:20g。洋白菜碎叶、微生物菌液与土壤混合后，土壤可溶性有机物含量为59.96mg/L。洋白菜废叶腐解过程中保持土壤持水量为70％，洋白菜废叶还田腐解35天。
对比例3
将洋白菜废叶切至1cm2以下碎叶；按质量比1:5将洋白菜废叶片还田进入土壤；土壤采自天津市宁河区的农田表层土，表层土的采集深度为0～20cm；洋白菜碎叶与土壤混合后土壤可溶性有机物含量为47.83mg/L，洋白菜废叶腐解过程中保持土壤中水分为土壤持水量的70％，土壤还田腐解35天。
对实施例1和对比例1制备的生物炭的有机组分及矿质元素进行测定，钠离子、镁离子、钾离子、钙离子测定时采用GB5009.268方法，碳含量和氮含量测定采用C/N/H/S元素分析仪，可溶性有机物含量采用有机碳(TOC)分析仪测定，结果见下表1。
表1实施例1和对比例1的生物炭的有机组分及矿质元素含量测定结果
表1中的碳含量和氮含量代表生物炭中的所有的碳氮元素含量。根据表1可知，实施例1和对比例1制备的生物炭中的碳元素含量高，加入本发明实施例1制备的共热解生物炭可以有效提升施用土壤中的氮的含量、可溶性有机物含量、钠离子含量、镁离子含量、钾离子含量和钙离子含量，改良土壤营养。
实施例1和对比例1～3中，采用有机碳(TOC)分析仪测定腐解前土壤的可溶性有机物含量；洋白菜废叶还田腐解35天后，可溶性有机物的分解率的计算公式如下：可溶性有机物的分解率＝可溶性有机物含量减少量/初始可溶性有机物含量*100％；结果见表2。
表2实施例1和对比例1～3的尾菜还田土壤可溶性有机物及其利用效率的测定结果
根据表2可知，尾菜还田时添加了本发明制备的共热解生物炭后，直接明显提高了土壤可溶性有机物含量；同时土壤可溶性有机物分解效率更高。
采用微生物多样性分析方法对实施例1和对比例1～2洋白菜废叶还田腐解第0、7、21、35天的尾菜还田土壤中的枯草芽孢杆菌的相对丰度进行测定，结果见表3。
洋白菜废叶还田腐解35天后，采用三维荧光光谱分析方法对土壤中可溶性有机物腐殖化指数(HIX)进行测定，结果见表3。
表3土壤可溶性有机物腐殖化指数与腐解过程枯草芽孢杆菌的相对丰度变化
根据表3可知，添加了实施例1制备的生物炭，在35天内尾菜还田土壤可溶性有机物腐殖化指数显著提高，对比例1和对比例2中腐殖化指数低，腐殖化指数高说明腐殖化过程更为充分，是源于生物炭对土壤微生物群落的调节，土壤微生物群落稳定特别是优势菌种枯草芽孢杆菌的相对丰度稳定，有助于有机组分的转化，有助于腐解过程，从而提升了腐殖化指数。
实施例1中共热解生物炭的施用可以维持土壤中枯草芽孢杆菌的相对丰度的稳定，35天过程中相对丰度无显著降低(p>0.05)。对比例1中生物炭的施用，35天过程中枯草芽孢杆菌相对丰度有所降低，差异显著(p＝0.04987)。对比例2中施用枯草芽孢杆菌在35天过程中相对丰度降低较明显，差异显著(p＝0.02731)。可见，本发明尾菜还田后微生物菌液的使用以及本发明制备的生物炭的施用可以调控土壤微生物群落，维持土壤益生菌枯草芽孢杆菌的优势地位。
综上，本发明制备得到的生物炭的有机组分碳、氮含量高，可溶性有机物含量高，富含钠、镁、钾、钙多种矿质元素，调控土壤微生物群落，维持土壤益生菌枯草芽孢杆菌的优势地位。
尾菜还田时添加本发明制备的生物炭还能使尾菜在短时间内快速腐熟，优化尾菜还田土壤可溶性有机物，提高可溶性有机物分解率，提高土壤中可溶性有机物的腐殖化指数。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (7)
1.一种生物炭的制备方法，其特征在于，对洋白菜废叶与松木粉的混合原料进行共热解得到生物炭；所述共热解的温度为500~600℃，所述共热解的时间为2~3h；所述洋白菜废叶与松木粉的质量比为（1~2）:1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述洋白菜废叶为过2mm筛的粉末。
3.一种尾菜还田方法，其特征在于，包括：尾菜还田后，将权利要求1或2所述的制备方法得到的生物炭施用于土壤进行腐解；腐解前还包括在土壤中施用微生物菌液；所述微生物菌液与土壤的比例为1mL：20~50g；所述微生物菌液为枯草芽孢杆菌菌液。
4.根据权利要求3所述的尾菜还田方法，其特征在于，尾菜还田时与土壤的质量比为1:（5~10）。
5.根据权利要求3所述的尾菜还田方法，其特征在于，所述生物炭与土壤的质量比为3:（100~300）。
6.根据权利要求3所述的尾菜还田方法，其特征在于，所述尾菜包括洋白菜废叶，所述洋白菜废叶为小于1cm2的碎叶。
7.权利要求3~6任一项所述的尾菜还田方法在1）~4）的一种或几种中的应用，
1）提高土壤可溶性有机物含量；
2）提高土壤可溶性有机物的分解率；
3）提高土壤可溶性有机物腐殖化指数；
4）维持土壤微生物群落中的枯草芽孢杆菌的相对丰度稳定。
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