本发明涉及肥料领域，具体涉及一种玉米用生物炭基肥料制备方法及其肥料和应用。
背景技术：
玉米作为我国第二大粮食作物，在国民经济中占有重要地位。近年来，作为世界上种植面积最广的农作物，玉米的“使命”正由普通的食用消费、饲料消费，向工业加工原料等多方面转变。这导致了国内外市场对玉米需求的急剧增加。
然而，虽然我国玉米种植面积和产量呈稳步增长态势，但生产成本也在不断增加。尤其是化肥料投入增长较快，严重限制了我国玉米产品在国内外市场的竞争力。我国玉米种植过程中，农民片面追求高产而盲目过量长期施用化肥料，已导致了严重的经济问题和环境问题。例如，增肥料不增产、玉米植株扛倒伏性弱、养分利用效率偏低、籽粒品质差、土壤酸化、养分流失和水体富营养化等。这些问题反过来很大程度上又抑制了玉米产量的提高。因此，针对这些由于施加了大量化肥料而导致的生产力降低的土壤，开发具有多重效益的功能化的肥料产品，是目前我国玉米种植行业亟待解决的问题。
花生壳作为我国北方典型的农业残余物，每年产量高达500万吨，除少部分用于饲料外，大部分都被直接烧掉或任意丢弃，造成了严重的环境问题。
生物炭是指生物质在高温下形成的一种富含碳的固体材料，可以用于土壤改性。其已成为近年来环境和农业等领域的研究热点。然而，并不是所有生物炭改性的土壤对作物的生长具有促进效果，美国生物炭专家Spokas的统计中发现多数生物炭对作物生长无影响，甚至有20％的研究表现出抑制效果。并且，其氮磷钾及微量元素含量低，即便与常用化肥料简单混合，也无法与施用地区的作物养分生长需求相吻合，引起土壤和炭基板结退化，抑制玉米种植过程中作物生长和导致减产。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种玉米用生物炭基肥料制备方法，该制备方法能够实现农业废弃物资源化利用、土壤改良、促进肥料作物增产能力的多重效果，具有环保、安全和高效的特点。本发明进一步提供了一种上述制备方法制得的生物炭基肥料。本发明还提供了一种上述生物炭基肥料的应用。
提供一种玉米用生物炭基肥料制备方法，包括如下步骤：
1)将花生壳制备为花生壳生物炭；
2)将花生壳、花生壳生物炭和磷矿粉分别粉碎并分别过筛；
3)将50～120重量份生物炭、1.5～9重量份尿素、1～6重量份磷矿粉、0.1～3重量份氯化钾、0.01～0.3重量份硫酸锌、1～15重量份花生壳粉、0.3～3重量份腐植酸、0.1～3重量份蚯蚓粪和0.01～0.5重量份氨基酸聚合物混匀，得混肥料；
4)将步骤3)所得的所述混肥料加水，至其含水量达到(40～70)wt％，装入容器中堆制30～60天，得堆肥料；
5)对步骤4)所得的堆肥料风干。
优选的，在步骤1)中，所述花生壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：
a)将花生壳风干，直至其水含量为(0-10)wt％；
b)将风干后花生壳加入炭化炉，热解2～4小时；
c)将热解后花生壳密闭厌氧冷却至(19-31)℃。
本发明所述花生壳生物炭是指花生壳生物质在限氧或绝氧条件下，经一定高温阶段热解形成的一种富含碳的固体材料。本发明制备方法所得花生壳生物炭能够获得固碳和土壤改良的效果。土壤中添加本发明所制得生物炭，可以改善土壤质地，增加土壤透气性和保水性；提高土壤pH和阳离子交换量，保持土壤养分；影响土壤氮磷循环，提高土壤养分利用；促进作物生长，提高作物产量。
进一步，在花生壳生物炭制备方法的步骤c)中，所述热解的温控流程包括：以2-4℃/min速度缓慢升温至(180-260)℃，然后于40-60min内升温至630℃，炉内自然冷却降温120℃后恒温3h，氮气送风于100-130s内降温至500℃以下，然后厌氧自然冷却降温至25℃。
本发明制备方法所得生物炭基肥料中的花生壳生物炭，能够固定大气中的CO2，缓解全球温室效应。吸附土壤和水体中重金属及有机污染物，降低污染物的生物有效性和环境风险。因此，所述生物炭具有土壤改良、作物增产、固碳、污染控制和生态修复的多重功效。
同时，所述花生壳经所述温控流程热解后，所制成的生物炭能够增强孔隙率，保留原花生壳纤维素及木质素纤维骨架形貌。进一步促进其与所述生物炭基肥料其余组分的合理吸附。其不仅起缓释作用，提高肥料力效价；尤其调节了所述生物炭与氨基酸聚合物间的范德华力作用。
优选地，在步骤3)中，所采用的磷矿粉含Ca3(PO4)2；氯化钾为分析纯；硫酸锌为分析纯；腐植酸有机酸含量为(40～60)％；蚯蚓粪中有机质含量为45wt％；和/或所述混肥料中氮磷钾总元素含量为5wt％。
所述氨基酸聚合物为聚天门冬氨酸，和/或
所述氨基酸聚合物在所述混肥料中的占比为0.05-0.2重量份。
进一步，在步骤4)中，所述堆制的方法包括：保持混肥料温度高于55℃五天以上，保持混肥料含水量为40wt％～70wt％，密闭同时维持(2-8)％vol的氧气水平；在所述堆制期间翻堆1～2次。
进一步，在步骤5)中，所述风干方法包括：将所述堆肥料遮阴，自然风干，使其含水量在(4～10)wt％，然后过10～60目筛。
一种上述制备方法制得的生物炭基肥料，所用原料包括70～90重量份花生壳生物炭、2.9～8重量份尿素、2～5重量份磷矿粉、0.5～2重量份氯化钾、0.05～0.2重量份硫酸锌、3～10重量份花生壳粉、0.5～2重量份腐植酸、0.5～2重量份蚯蚓粪和0.05～0.2重量份聚天门冬氨酸。
一种上述制备方法制得的生物炭基肥料在促进玉米生长中的应用。
进一步，在生物炭基肥料中，所述生物炭的用途包括抑制玉米根系周边土壤内微生物呼吸作用，降低微生物的CO2排放量。
本发明所带来的综合效果包括：
1、以花生壳作为原材料制备生物炭，不仅拓展了生物质资源化利用途径，减少了废弃物的堆积危害和风险，而且生物炭能起“碳封存”作用，抑制微生物呼吸作用，把碳长期封存在土壤中，缓解温室效应。
2、本发明根据近年来对玉米需肥料规律的研究制定了生物炭基玉米专用肥料的配方，它不仅可以吸附污染质，改良土壤性质，增加土壤的保水保肥料性能，而且能够给玉米持续提供生长所需的各种养分，促进玉米生长，提高玉米的产量和品质。
3、本发明所述花生壳生物炭与无机、有机肥料以及其它添加剂共同堆制获得的生物炭基玉米专用肥料对玉米的增产效果显著，这主要是一方面肥料的弥补了生物炭养分低的缺陷，另一方面生物炭可将肥料中的养分吸附并长期持留于生物炭中，使养分起到了缓释的特性，减少了肥料中养分因淋溶等作用造成的损失，尤其抑制了养分对土壤的板结作用。另外，肥料中的腐植酸能够持续调节土壤pH，减少养分的挥发，促进作物对磷的吸收，提高土壤保水保肥料性能；肥料中的蚯蚓粪富含氨基酸和丰富的矿物质元素；肥料中的聚天门冬氨酸可提高化肥料利用率，促进作物对微量元素的吸收，促进植物根系生长。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步解释说明，但应理解，本发明的范围不限于此。
实施例1
一种玉米用生物炭基肥料制备方法，包括如下步骤：
1)将花生壳制备为花生壳生物炭；
2)将花生壳、花生壳生物炭和磷矿粉分别粉碎并分别过筛；
3)将90kg生物炭、5kg尿素、3kg磷矿粉、1kg氯化钾、0.05kg硫酸锌、10kg花生壳粉、1kg腐植酸、1kg蚯蚓粪和0.03kg聚天门冬氨酸混匀，得混肥料；
4)将步骤3)所得的所述混肥料加水，至其含水量达到50wt％，装入容器中堆制40天，得堆肥料；
5)对步骤4)所得的堆肥料风干。
在步骤1)中，所述花生壳生物炭的制备方法，包括如下步骤：
a)将花生壳风干，直至其水含量为6wt％；
b)将风干后花生壳加入炭化炉，热解3小时；
c)将热解后花生壳密闭厌氧冷却至25℃。
所述花生壳生物炭是指花生壳生物质在限氧或绝氧条件下，经一定高温阶段热解形成的一种富含碳的固体材料。本实施例制备方法所得花生壳生物炭能够获得固碳和土壤改良的效果。土壤中添加本发明所制得生物炭，可以改善土壤质地，增加土壤透气性和保水性；提高土壤pH和阳离子交换量，保持土壤养分；影响土壤氮磷循环，提高土壤养分利用；促进作物生长，提高作物产量。
在花生壳生物炭制备方法的步骤c)中，所述热解的温控流程包括：以3℃/min速度缓慢升温至260℃，然后于40min内升温至630℃，炉内自然冷却降温120℃后恒温3h，氮气送风于120s内降温至500℃以下，然后厌氧自然冷却降温至25℃。
本实施例制备方法所得生物炭基肥料中的花生壳生物炭，能够固定大气中的CO2，缓解全球温室效应。吸附土壤和水体中重金属及有机污染物，降低污染物的生物有效性和环境风险。因此，所述生物炭具有土壤改良、作物增产、固碳、污染控制和生态修复的多重功效。
同时，所述花生壳经所述温控流程热解后，所制成的生物炭能够增强孔隙率，保留原花生壳纤维素及木质素纤维骨架形貌。进一步促进其与所述生物炭基肥料其余组分的合理吸附。其不仅起缓释作用，提高肥料力效价；尤其调节了所述生物炭与氨基酸聚合物间的范德华力作用。
在步骤3)中，所采用的磷矿粉含Ca3(PO4)2；氯化钾为分析纯；硫酸锌为分析纯；腐植酸有机酸含量为50％；蚯蚓粪中有机质含量为45wt％；和/或所述混肥料中氮磷钾总元素含量为5wt％。
进一步，在步骤4)中，所述堆制的方法包括：保持混肥料温度高于55℃六天，保持混肥料含水量为50wt％，密闭同时维持3％vol的氧气水平；在所述堆制期间翻堆2次。
进一步，在步骤5)中，所述风干方法包括：将所述堆肥料遮阴，自然风干，使其含水量在5wt％，然后过20目筛。
采用上述制备方法制得本实施例生物炭基肥料。
将上述制备方法制得的生物炭基肥料用于促进玉米生长。进一步，在生物炭基肥料中，将所述生物炭用于抑制玉米根系周边土壤内微生物呼吸作用，降低微生物的CO2排放量。
本实施例所带来的综合效果包括：
1、以花生壳作为原材料制备生物炭，不仅拓展了生物质资源化利用途径，减少了废弃物的堆积危害和风险，而且生物炭能起“碳封存”作用，抑制微生物呼吸作用，把碳长期封存在土壤中，缓解温室效应。
2、本发明根据近年来对玉米需肥料规律的研究制定了生物炭基玉米专用肥料的配方，它不仅可以吸附污染质，改良土壤性质，增加土壤的保水保肥料性能，而且能够给玉米持续提供生长所需的各种养分，促进玉米生长，提高玉米的产量和品质。
3、本发明所述花生壳生物炭与无机、有机肥料以及其它添加剂共同堆制获得的生物炭基玉米专用肥料对玉米的增产效果显著，这主要是一方面肥料的弥补了生物炭养分低的缺陷，另一方面生物炭可将肥料中的养分吸附并长期持留于生物炭中，使养分起到了缓释的特性，减少了肥料中养分因淋溶等作用造成的损失，尤其抑制了养分对土壤的板结作用。另外，肥料中的腐植酸能够持续调节土壤pH，减少养分的挥发，促进作物对磷的吸收，提高土壤保水保肥料性能；肥料中的蚯蚓粪富含氨基酸和丰富的矿物质元素；肥料中的聚天门冬氨酸可提高化肥料利用率，促进作物对微量元素的吸收，促进植物根系生长。
实施例2
本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在所述肥料的制备过程中，每100kg生物炭基肥料的原料添加量如下：83.3kg花生壳生物炭，4.9kg尿素，3.34kg磷矿粉，1.1kg氯化钾，0.09kg硫酸锌，5.16kg花生壳，1kg腐植酸，1kg蚯蚓粪和0.1kg聚天门冬氨酸。
在花生壳生物炭制备方法的步骤c)中，所述热解的温控流程包括：以4℃/min速度缓慢升温至180℃，然后于48min内升温至630℃，炉内自然冷却降温120℃后恒温3h，氮气送风于130s内降温至500℃以下，然后厌氧自然冷却降温至25℃。
在堆制混肥料过程中，将所获得的肥料混合物装入堆肥罐中堆制60天。堆肥过程中，保持堆肥温度高于55℃七天；定期补充水分，保持相对含水量在44％，同时维持5％的氧气水平，堆肥期间翻堆2次。60天后，得到堆肥料。
在风干堆肥料过程中，过10目筛。
实施例3
本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在所述肥料的制备过程中，每100kg生物炭基肥料的原料添加量如下：90kg花生壳生物炭，2.94kg尿素，2kg磷矿粉，0.66kg氯化钾，0.052kg硫酸锌，3.09kg花生壳，0.6kg腐植酸，0.6kg蚯蚓粪和0.06kg聚天门冬氨酸。
在花生壳生物炭制备方法的步骤c)中，所述热解的温控流程包括：以2℃/min速度缓慢升温至220℃，然后于60min内升温至630℃，炉内自然冷却降温120℃后恒温3h，氮气送风于100s内降温至500℃以下，然后厌氧自然冷却降温至25℃。
在堆制混肥料过程中，将所获得的肥料混合物装入堆肥罐中堆制40天。堆肥过程中，保持堆肥温度高于55℃五天；定期补充水分，保持相对含水量在50％，同时维持5％的氧气水平，堆肥期间翻堆1次。40天后，得到堆肥料。
在风干堆肥料过程中，使其含水量为8％，过2mm筛。
实施例4
本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
本实施例生物炭基肥料的应用包括：
于青岛市崂山区一温室内进行，供试土壤选择青岛市红岛农田土，过2mm筛待用。供试作物为玉米，品种为农大108，种植前一天选择圆润饱满的玉米，先用10wt％H2O2表面消毒30min，清水洗净后，用饱和CaSO4溶液浸泡4小时，转移到用饱和CaSO4溶液浸透的纱布上，覆盖黑色塑料膜在25℃下催芽一昼夜。
试验采用50孔的育苗盆，每个孔内称取100g供试土壤，添加实施例1中的玉米专用生物炭基肥，按照所加土壤重量的1.5％的比例混合均匀后，加少量水润湿，静置过夜。设置5个重复。
2014年4月15日播种，选择发芽较好的玉米进行播种，每个孔内播种2粒种子。2014年5月22日收获，收获当天，测定玉米株高，将收获的玉米样品用自来水冲洗晾干后，置于60℃烘箱中干燥至恒重，称量其干物重。结果表明：生物炭基肥料在1.5wt％的添加量下，使玉米的株高增加了42.3％，生物量增加了57.9wt％。综合考虑玉米株高和生物量这两个因素，说明生物炭基肥料显著促进了玉米的植株生长。
本发明所述生物量为玉米植株地上部分干重总量。
实施例5
本实施例采用实施例4所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在本实施例生物炭基肥料的应用中，
试验添加实施例1中的玉米用生物炭基肥，按照所加土壤重量的3％的比例混合。生物炭基肥料在3wt％的添加量下，使玉米的株高增加了36.1％，生物量增加了78.4wt％。
实施例6
本实施例采用实施例4所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在本实施例生物炭基肥料的应用中，
试验添加实施例1中的玉米用生物炭基肥，按照所加土壤重量的5％的比例混合。生物炭基肥料在5wt％的添加量下，使玉米的株高增加了13.7％，生物量增加了27.4wt％。
实施例7
本实施例采用实施例4所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在本实施例生物炭基肥料的应用中，
试验添加实施例2中的玉米用生物炭基肥，按照所加土壤重量的1.5％的比例混合。生物炭基肥料在1.5％wt％的添加量下，使玉米的株高增加了29.9％，生物量增加了25.3％。
实施例8
本实施例采用实施例4所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在本实施例生物炭基肥料的应用中，
试验添加实施例2中的玉米用生物炭基肥，按照所加土壤重量的3％的比例混合。生物炭基肥料在3wt％的添加量下，使玉米的株高增加了28.4％，生物量增加了57.9％。
实施例9
本实施例采用实施例4所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在本实施例生物炭基肥料的应用中，
试验添加实施例2中的玉米用生物炭基肥，按照所加土壤重量的5％的比例混合。生物炭基肥料在5wt％的添加量下，使玉米的株高增加了38.9％，生物量增加了43.2％。
实施例10
本实施例采用实施例4所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在本实施例生物炭基肥料的应用中，
试验添加实施例2中的玉米用生物炭基肥，按照所加土壤重量的5％的比例混合。生物炭基肥料在5wt％的添加量下，使玉米的株高增加了38.9％，生物量增加了43.2％。
实施例11
本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
本实施例生物炭基肥料的应用包括：
于宁夏农林科学院综合实验基地内进行盆栽试验，供试土壤为宁夏淡灰钙土壤，过2mm筛待用。土壤基本理化性质为：pH 8.18，有机质8.81g·kg-1，TN 0.78g·kg-1，NH4+-N6.23mg·kg-1，TP 0.58g·kg-1，速效磷22mg·kg-1。供试作物为玉米，品种为先玉335。
试验采用20cm×20cm(直径×高)的塑料花盆，每个花盆装入2.0kg土壤。添加实施例1中的生物炭基肥料与供试土壤按照1.5％重量比例混合均匀后装盆。保持土壤含水量为土壤最大持水量的60％。设置3个重复。
2014年6月20日播种，每个花盆播种5粒，待全部出苗后，间苗，留2棵苗。玉米种植期间，始终保持土壤含水量为土壤最大持水量的60％。2014年8月16日收获，收获时，测定玉米茎粗和干生物量。结果表明：生物炭基肥的添加使玉米茎粗显著增加56.2％，且在添加量为5％时尤为显著；使玉米生物量显著增加了130wt％。综合考虑玉米茎粗和生物量因素，说明生物炭基肥料显著促进了玉米的生长。
实施例12
本实施例采用实施例11所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在本实施例生物炭基肥料的应用中，
试验添加实施例1中的玉米用生物炭基肥，按照所加土壤重量的3％的比例混合。生物炭基肥料在3wt％的添加量下，使玉米的茎粗显著增加48.1％，生物量显著增加了129wt％。
实施例13
本实施例采用实施例11所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
在本实施例生物炭基肥料的应用中，
试验添加实施例1中的玉米用生物炭基肥，按照所加土壤重量的5％的比例混合。生物炭基肥料在5wt％的添加量下，效果尤为显著，使玉米的茎粗显著增加64.5％，生物量显著增加了132wt％。
实施例14
本实施例采用实施例1所述制备方法，制备所述肥料，并应用于所述促进玉米生长，不同之处在于：
本实施例生物炭基肥料的应用包括：
于宁夏农林科学院综合实验基地内进行田间试验，供试土壤为宁夏淡灰钙土壤。土壤基本理化性质为：pH 7.82，有机质15.88g·kg-1，TN 1.08g·kg-1，NH4+-N 53.03mg·kg-1，TP 1.03g·kg-1，速效磷40.34mg·kg-1。供试植物为玉米,品种先玉335。将实施例1中的生物炭基肥料分别按照1.5wt％的比例平铺于土壤表面，然后翻入10cm土层。设置3个重复。2014年4月1日播种，株距18.2cm，行距65cm，密度5500株/亩。
玉米播种与田间管理方式均按照田间标准种植方式进行。玉米收获时间为2014年9月28日。收获时，测定玉米穗产量、籽粒产量和亩产量。结果显示：实施例1中的生物炭基肥料的施用使玉米穗产量、玉米籽粒产量和亩产量分别提高了7％、9％和7％。这表明本实施例生物炭基肥料对玉米具有显著的增产效果。
虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。