本发明涉及有机肥制备技术领域，尤其涉及一种根际有益微生物-生物炭复合有机肥及其制备方法。
背景技术：
肥料是农业生产的物质基础之一。世界绿色革命之前，有机肥是肥料的主流。绿色革命之后，化肥替代了有机肥，虽然提高了产量，但也造成土壤肥力退化和环境问题。
一方面，无机肥的大量使用造成土壤肥力的退化和环境的污染。我国正面临土壤肥力退化、化肥利用效率低、土壤重金属和抗生素污染的局面。造成这一恶果的原因在于大量化肥的使用、施肥不均衡、不施有机肥或者施用不当。化肥施用不合理之处在于：长期过量偏施氮肥、不注重钾肥，不注重土壤肥力的保护，造成氮肥和磷肥的流失、环境污染和土壤肥力退化。另一方面，由于大量秸秆和尾菜还田后不能短时间腐熟，导致大量秸秆焚烧现象。尾菜到处丢弃，造成环境污染。而这些有机物质，事实上是有机肥的主要材料，是一种可利用和可再生资源。
传统的有机肥，包括厩肥、蚯蚓肥、堆肥等，均被认为是一类改良土壤和提供植物营养的可持续优质肥料。但农作物秸秆、包括尾菜可能含有农药残留，厩肥也存在重金属和抗生素残留污染的风险。而且，由于矿质营养释放需要土壤微生物降解过程，因而肥效较缓慢。在传统有机肥自然堆制过程中，通常高达30％的氮素营养以铵态氮的形式流失，营养元素的利用率低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种根际有益微生物-生物炭复合有机肥及其制备方法，该方法通过将有机质制成生物炭，一方面可生产出清洁的有机肥；另一方面还可提高土壤肥力，增加土壤内C的固定量和植物的养分可利用量；与根际有益微生物的配合使用，还可以有效提高植物根系的生长能力，以及根系对N，P的吸收能力，并能够催化有机质降解和矿化过程。即满足作物生长需要，最大程度地促进吸收，减少浪费，同时也达到保持土壤肥力和环境友好的目的。
本发明的第一个目的是提供一种有机肥及其制备方法。
本发明提供的一种有机肥的制备方法，包括如下步骤：(1)将有机质和生物炭混合，得到预混料；(2)对步骤(1)中所述预混料进行堆制发酵，发酵完毕即可得到所述有机肥。
上述的制备方法中，步骤(1)中，所述生物炭可占所述有机质和所述生物炭的混合物的质量的10％～90％，如20％。
本发明中，所述有机质是指来源于生命的物质。所述有机质可为下述a)-c)中的任一种：a)植物源有机质；b)动物源有机质；c)质量比为1：(1～10)(如1：2)的植物源有机质和动物源有机质。所述植物源有机质包括但不限于：农作物秸秆、尾菜、豆饼、沼渣、甘蔗渣、枯枝落叶等农业以及农产品加工业的有机废料。所述动物源有机质包括但不限于：来自动物饲养的畜禽粪便和厩肥。所述有机质在所述混合之前还包括对其进行粉碎的步骤。
所述生物炭(biochar)是指所述有机质在缺氧、相对温度“较低”(<700℃)时热解而产生的一类含碳量较高的高度芳香化惰性固态物质。优选地，制备所述生物炭的有机质为需无害化处理的有机质，从而避免抗生素、农药残留等的危害，降低重金属活性，为有机肥的制备提供清洁的有机肥原料。所述需无害化处理的有机质可为下述1)-3)中的至少一种：
1)含有重金属和/或有机农药污染的植物源有机质；
2)含有农膜、塑料等非天然有机质污染物质的植物源有机质；
3)不含或者含有较低量抗生素和重金属的动物源有机质。
需要注意的是，对于上述2)中的有机质，在进行碳化处理前需要先对非天然有机质污染进行过筛，剔除外来污染物质。在一个或多个具体的实施例中，所述需无害化处理的有机质可为含有重金属和/或有机农药污染的植物源有机质(如秸秆)。
所述生物炭的制备方法为本领域技术人员公知的方法，步骤如下：将有机质粉碎后送入含氧量为2～8％(如5％)的密闭容器中进行在300～750℃(如400℃)下烧制30～200分钟(如30分钟)，即可得到所述生物炭。
上述的制备方法中，步骤(2)中，所述堆制发酵之前还包括如下步骤：2-1)控制所述预混料的含水量为50％～80％(如75％)；2-2)在经步骤2-1)处理的预混料中添加土壤水解酶；所述土壤水解酶的添加量为所述预混料的质量的0.5～3％(如1％)，折合酶活比为(150万～900万)IU/kg(如300万IU/kg)(酶活比为每公斤原料添加的酶的活性；酶活性指在特定的条件下，1min能转化1μmol底物的酶量，即1IU＝1μmol/min)；2-3)在步骤2-2)中得到的混合料中添加生物降解剂；所述生物降解剂为蚯蚓和发酵微生物，所述蚯蚓的添加量为0.5～2kg/M3预混料(如1kg/M3预混料)；所述发酵微生物的添加量为5～15亿ufc/M3预混料(如10亿ufc/M3预混料)。
步骤2-2)中，所述土壤水解酶是催化土壤中各种底物发生水解反应的酶类，通过裂解有机化合物中糖苷键、脂键、肽键、酸酐键以及其它键，直接参与土壤中有机物的转化，所述土壤水解酶包括但不限于纤维素水解酶、蛋白水解酶、果胶水解酶等，如植物蛋白水解酶。
步骤2-3)中，所述发酵微生物包括但不限于：芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌、固氮菌、解磷细菌和解钾细菌中的一种或几种，如ufc比为1:1:1的芽孢杆菌、乳酸菌和酵母菌。所述芽孢杆菌具体可为枯草芽孢杆菌。
上述的制备方法中，步骤(2)中，所述堆制发酵时，堆制高度可为20～200cm(如150cm)；和/或，所述堆制发酵的温度可为50～80℃(如70℃)，时间可为10～50天(如10天)。
由上述的制备方法制备得到的有机肥料，也在本发明的保护范围内。该有机肥料中生物炭的添加，一方面可生产出清洁的有机肥；另一方面还可提高土壤肥力，增加土壤内C的固定量和植物的养分可利用量。
本发明的第二个目的是提供一种根际有益微生物-生物炭复合有机肥及其制备方法。
本发明提供的一种根际有益微生物-生物炭复合有机肥的制备方法，包括如下步骤：在上述任一项所述的有机肥料中添加根际有益微生物，即可得到所述根际有益微生物-生物炭复合有机肥。
上述的制备方法中，所述根际有益微生物(plant growth promoting rhizobacteria，简写为：PGPR)为根际有益细菌(简写为：细菌PGPR)或根际有益真菌(简写为：真菌PGPR)，添加量控制在每公斤所述复合肥中含有1×105～2×1013cfu(如2×1013cfu)的根际有益细菌或1×104～2×1013cfu的根际有益真菌。
所述根际有益微生物包括但不限于：枯草芽孢杆菌、根瘤菌、解磷、解钾微生物；所述解磷、解钾微生物可为土壤杆菌属Agrobacterium,节杆菌属Arthrobacter,固氮菌属Azotobacter,固氮螺菌属Azospirillum,芽孢杆菌属Bacillus,伯克赫尔德氏菌属Burkholderia,柄杆菌属Caulobacter,色杆菌属Chromobacterium,欧文氏菌属Erwinia,黄杆菌属Flavobacterium,微球菌属Micrococcous,假单胞杆菌属Pseudomonas和沙雷氏菌属Serratia等。(Bhattacharyya and Jha,2012).详见Munees Ahemad和Mulugeta Kibret 2013.Mechanisms and applications of plant growth promoting rhizobacteria:Current perspective.Journal of King Saud University–Science(2014)26,1–20。
所述根际有益真菌包括但不限于：主要包括青霉属(Penicillium)、根霉属(Rhizopus)、曲霉属(Asper-gillus)、小菌核菌属(Sclerotium)、镰刀菌属(Fusarium)和菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza)等中的任一种。
由上述的制备方法制备得到的根际有益微生物-生物炭复合有机肥，也在本发明的保护范围内。该根际有益微生物-生物炭复合有机肥中，有机肥料与根际有益微生物的配合使用，可以有效提高植物根系的生长能力，以及根系对N，P的吸收能力，并能够催化有机质降解和矿化过程。即满足作物生长需要，最大程度地促进吸收，减少浪费，同时也达到保持土壤肥力和环境友好的目的。
本发明首次提出在植物源和动物源有机质进行无害化处理，烧结形成生物炭，避免了抗生素、农药残留的危害，降低了重金属活性，形成清洁的有机肥原料。并提出不同来源和处理方式的有机质按比例混合。可以最大程度地减少普通有机肥堆制过程的氮素损失，通常在有机肥自然堆制过程中，高达30％的氮素营养以铵态氮的形式流失，本方法的氮素流失率不高于5％，还减少NH3和其他危害环境的气体(如NOx强温室效应气体)的排放。本技术避免了秸秆焚烧和实际操作性较差的传统秸秆还田技术，而采用工业化的低温、低氧燃烧过程来替代秸秆还田的自然腐解过程，采用生物炭还田技术替代目前的秸秆直接还田技术。
所述生物有机肥有效提高营养元素利用率的原因在于：1、有机物稳定性更强，同时能够更缓慢地从有机改良剂中释放，这是由于(1)营养元素被物理地固定在非结晶炭合物的适宜的孔隙中；(2)缓慢的生物氧化产生羧基，结合到生物炭结构上缩合的芳香族主链的末端，从而提高阳离子交换能力(CEC)；2、生物炭比其他任何形式的有机改良剂更稳定。而利用生物炭提高土壤肥力、同时增加土壤内C的固定量和植物的养分可利用量；3、微生物菌肥有效提高植物根系的生长能力，以及根系对N，P的吸收能力，并能够催化有机质降解和矿化过程。
本发明具有如下有益效果：
1)将植物源、动物源有机质混合发酵，并将原料进行无害化处理，形成生物炭，发挥其吸附作用，生产出清洁的有机肥；
2)肥料成品中添加了促进植物生长的根际微生物，催化有机质降解和矿化过程，在施入土壤后仍具备之一活性，提高了有机质的矿化效率和土壤磷的降解；微生物菌肥有效提高植物根系的生长能力，以及根系对N，P的吸收能力；
3)按照不同来源有机质进行氮磷钾肥平衡合理配方，达到肥效的最大化；本产品可补充由农产品产出而带出田间的氮、磷、钾等营养元素；避免传统有机肥的重金属污染风险；
4)本发明生产的复合肥料将化肥利用效率提高20-30％，同时满足土壤肥力的恢复和作物营养的需求。该有机生物有机肥的使用提高了氮素使用效率，同时减少淋熔等各类损耗，可以大幅度减少氮肥、磷肥和钾肥等化肥的使用量；
5)本发明避免了传统有机肥的抗生素、重金属、农药残留的风险，以及化肥利用效率低的缺点，是清洁高效的复合肥料；
6)本发明复合肥及其制备方法具有如下特点：1、具有良好的物理结构，良好的透气性，满足植物根系生长的需要，保水和保肥能力为土壤的10-15倍；2、植物营养元素的速效供应，避免了传统有机肥肥效缓慢的缺点；3、极大地提高了化肥的利用效率；4、操作简易、没有异味、性状相对稳定；4、无病虫害源、杂草种子、污染物；5、适合植物生长，符合供货商向消费者对产品的描述；
7)本发明产品符合感官质量：1、原料来源清洁；2、卫生的、稳定的、腐熟的；3、褐色至黑色，并具有土壤气息；4、散碎，不干不湿，没有灰尘；5、容重低，为0.6-0.8g/ml。
8)本发明方法将普遍采用焚烧方式处理的农业废弃物秸秆，转化为具有巨大利益价值的生物炭，极大地保护了环境，并为土壤肥力恢复和化肥利用效率提供了有效途径；与此同时，避免堆制过程的温室效应气体排放和氮素损失，同时解决秸秆焚烧和土壤肥力退化两个问题。
具体实施方式
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。
下述实施例中制备生物炭的原料均为需无害化处理的含有重金属和/或有机农药污染的植物源有机质植物源有机质，来自玉米、枯枝落叶和尾菜，生物炭的制备步骤具体如下：
1)有机质粉碎和压缩：将需无害化处理的有机质粉碎。
2)烧制：将上述粉碎后的有机质运到烧制车间，装入密闭容器中，使密闭容器的含氧量为5％，其中，密闭容器可以是砖混或者泥土结构的窑，也可以是高温炉。烧制通常采用明火点燃，并保留通气口和出烟口，出烟口应当配备过滤设备，保障排放不造成空气污染。烧制过程要根据燃烧情况控制通气口的大小，避免有氧燃烧，可在含氧量为5％，于400℃下燃烧30min。
3)出炉：烧制完成后，待温度降到常温，从出烟口往炭堆适当喷水，以避免生物炭出炉时排放黑色烟尘。
下述实施例中的枯草芽孢杆菌隶属芽孢杆菌科(Bacillaceae)芽孢杆菌属(Bacillus)的细菌B.subtilis，在文献“Nakamura et al，1999”中公开过，公众可从沧州旺发生物技术研究所有限公司购买得到，产品名称为“枯草芽孢杆菌”。
乳酸菌Lactic Acid Bacteria，为沧州旺发生物技术研究所有限公司生产的产品，产品名称为“植物乳酸菌”。
酿酒酵母Saccharomycescerevisiae，为沧州旺发生物技术研究所有限公司生产的产品，产品名称为“高活性饲料酵母”。
植物蛋白水解酶，为东恒华道生物科技有限责任公司生产的产品，产品名称为植物蛋白水解酶，产品目录号为I5032423。
细菌PGPR为假单胞杆菌(Pseudomonas sp.DSMZ 13134)，在文献“Buddrus-Schiemann等Microb Ecol.2010 Aug；60(2):381-93.Root colonization by Pseudomonas sp.DSMZ 13134 and impact on the indigenous rhizosphere bacterial community of barley.”中公开过，公众可以从德国SOURCON-PADENA GmbH&Co KG公司处购买得到。
实施例1、制备植物源生物有机肥(生物炭+植物材料(尾菜))
按照如下步骤制备植物源生物有机肥：
(1)将植物有机质尾菜进行机械粉碎，然后与生物炭混合，得到预混料；其中，生物炭的质量为预混料的总质量为的20％。
(2)对步骤(1)中的预混料进行堆制发酵；
堆制发酵之前还包括如下步骤：
2-1)在步骤1)中得到的预混料中添加水，控制混合物的含水量为75％。
2-2)在经上述2-1)处理的预混料中添加有机质降解酶(植物蛋白水解酶)，添加量为预混料的质量的1％(即300万IU/kg预混料)。
2-3)在上述2-2)中得到的混合料中添加生物降解剂：蚯蚓和发酵微生物(芽孢杆菌、乳酸菌和酵母菌按照ufc比为1:1:1的比例混合)，其中，蚯蚓添加量为1kg/M3预混料；发酵微生物添加量为10亿ufc/M3预混料。
堆制发酵的步骤如下：
将步骤2-3)中的混合物制成肥堆(堆制高度为150cm)后，在肥堆表面覆盖稻草和塑料薄膜，以保持湿度，而稻草的目的是防治生物炭被风吹、流失，并再次吸附铵态氮，避免臭气和温室效应气体的排放。在70℃下堆制10天，如果堆制时气温较低，达不到60℃的要求，可以适当延长堆制时间，或者搭建塑料拱棚加温。堆制车间温度维持在15-28℃，避光。经过一个高温堆制周期后，有机质得以充分发酵腐熟，回到常温一段时间(4个月)，就可以将堆制好的腐熟的有机肥过筛，过2mm的细筛，过筛后的腐熟有机肥(内含生物炭)疏松散碎、富含腐殖质、有益微生物。经检测无污染、无有害物质。
(3)在步骤(2)中堆制发酵后的产物中添加根际微生物(细菌PGPR)，即可得到根际有益微生物-生物炭复合有机肥。添加量控制在每公斤复合有机肥含细菌PGPR为每公斤2*1013cfu。
感官质量：1、原料来源清洁；2、卫生的、稳定的、腐熟的；3、褐色至黑色，并具有土壤气息；4、散碎，不干不湿，没有灰尘；5、容重低，为0.6-0.8g/ml。
成品包装上市，可用于各种农业生产用的优质有机肥料。每亩建议用肥量800-2000公斤。
实施例2、制备植物源/动物源生物有机肥(生物炭+尾菜+厩肥)
按照如下步骤制备植物源/动物源生物有机肥：
(1)将动物源有机质牛粪、鸡粪和猪粪等厩肥中的大块打碎，过5cm的大孔筛，植物有机质尾菜进行机械粉碎；然后将粉碎后的动物源有机质、植物源有机质与生物炭混合，得到预混料；其中，动物源有机质与植物源有机质的质量比为1：2，生物炭的质量为预混料的总质量的20％。
(2)对步骤(1)中的预混料进行堆制发酵；
堆制发酵之前还包括如下步骤：
2-1)在步骤1)中得到的预混料中添加水，控制混合物的含水量为75％。
2-2)在经上述2-1)处理的预混料中添加有机质降解酶(植物蛋白水解酶)，添加量预混料的质量的1％(即300万IU/kg预混料)。
2-3)在上述2-2)中得到的混合料中添加生物降解剂：蚯蚓和发酵微生物(芽孢杆菌、乳酸菌和酵母菌按照ufc比为1:1:1的比例混合)，其中，蚯蚓添加量为1kg/M3预混料；发酵微生物添加量为10亿ufc/M3预混料。
堆制发酵的步骤如下：
将步骤2-3)中的混合物制成肥堆(堆制高度为150cm)后，在肥堆表面覆盖稻草和塑料薄膜，以保持湿度，而稻草的目的是防治生物炭被风吹、流失，并再次吸附铵态氮，避免臭气和温室效应气体的排放。在70℃下堆制10天，如果堆制时气温较低，达不到60℃的要求，可以适当延长堆制时间，或者搭建塑料拱棚加温。堆制车间温度维持在15-28℃，避光。经过一个高温堆制周期后，有机质得以充分发酵腐熟，回到常温一段时间(3个月)，就可以将堆制好的腐熟的有机肥过筛，过2mm的细筛，过筛后的腐熟有机肥(内含生物炭)疏松散碎、富含腐殖质、有益微生物。经检测无污染、无有害物质。
(3)在步骤(2)中堆制发酵后的产物中添加根际微生物(细菌PGPR)，即可得到根际有益微生物-生物炭复合有机肥。添加量控制在每公斤有机肥含细菌PGPR为每公斤2*1013cfu接种单位。
感官质量：1、原料来源清洁；2、卫生的、稳定的、腐熟的；3、褐色至黑色，并具有土壤气息；4、散碎，不干不湿，没有灰尘；5、容重低，为0.6-0.8g/ml。
成品包装上市，可用于各种农业生产用的优质有机肥料。每亩建议用肥量800～1500公斤。
实施例3、制备动物源为主的生物有机肥(生物炭+厩肥)
按照如下步骤制备动物源生物有机肥：
(1)将动物源有机质牛粪、鸡粪和猪粪等厩肥中的大块打碎，过5cm的大孔筛，然后与生物炭混合，得到预混料；其中，生物炭的质量为预混料的总质量的20％。
(2)对步骤(1)中的预混料进行堆制发酵；
堆制发酵之前还包括如下步骤：
2-1)在步骤1)中得到的预混料中添加水，控制混合物的含水量为55％。
2-2)在经上述2-1)处理的预混料中添加有机质降解酶(植物蛋白水解酶)，添加量为预混料的质量的1％(即300万IU/kg预混料)。
2-3)在上述2-2)中得到的混合料中添加生物降解剂：蚯蚓和发酵微生物(芽孢杆菌、乳酸菌和酵母菌按照ufc比为1:1:1的比例混合)，其中，蚯蚓添加量为1kg/M3预混料；发酵微生物添加量为10亿ufc/M3预混料。
堆制发酵的步骤如下：
将步骤2-3)中的混合物制成肥堆(堆制高度为150cm)后，在肥堆表面覆盖稻草和塑料薄膜，以保持湿度，而稻草的目的是防治生物炭被风吹、流失，并再次吸附铵态氮，避免臭气和温室效应气体的排放。在70℃下堆制10天，如果堆制时气温较低，达不到60℃的要求，可以适当延长堆制时间，或者搭建塑料拱棚加温。堆制车间温度维持在15-28℃，避光。经过一个高温堆制周期后，有机质得以充分发酵腐熟，回到常温一段时间(2个月)，就可以将堆制好的腐熟的有机肥过筛，过2mm的细筛，过筛后的腐熟有机肥(内含生物炭)疏松散碎、富含腐殖质、有益微生物。经检测无污染、无有害物质。
(3)在步骤(2)中堆制发酵后的产物中添加根际微生物(细菌PGPR)，即可得到根际有益微生物-生物炭复合有机肥。添加量控制在每公斤有机肥含细菌PGPR为每公斤2*1013cfu接种单位。
感官质量：1、原料来源清洁；2、卫生的、稳定的、腐熟的；3、褐色至黑色，并具有土壤气息；4、散碎，不干不湿，没有灰尘；5、容重低，为0.6-0.8g/ml。
成品包装上市，可用于各种农业生产用的优质有机肥料。每亩建议用肥量500～1200公斤。
实施例4、根际有益微生物-生物炭复合有机肥的肥效试验
一、芹菜肥效试验
1.1材料
供试材料为芹菜。
1.2试验方法
本试验于2015年3月14日至2015年5月12日在中国农业大学科学园日光温室进行。选取大小长势一致的幼苗移栽到花盆中，每盆两株。设定两个P水平，低P为正常合理P施肥量的50％，高P为合理施肥量。
肥效试验分为两组，一组为对照组(CK)，为传统的普通施肥方式：施用N 120mg/100株，P 80mg/100株，K 150mg/株；另一组为试验组(处理)，按照实例1、2生产的根际有益微生物-生物炭复合有机肥，按照1:1混合，施肥方式为将2％实例1,2的混合复合有机肥肥加入基质。生长期6周，分别观察对照组和实验组的生长状况和产量。
通过数据统计表中误差线为SD(n＝7)，采用生物统计ANOVA方法，LSD显著性水平为p＝0.05：如下表1-表2。
表1、不同处理在两个磷肥水平下对无土栽培芹菜生物量的影响
注：生物量结果用平均值±标准偏差表示(mean±SE)，不同字母表示在p＝0.05水平上的显著差异。
表2、不同处理对无土栽培芹菜NPK吸收的影响
注：养分吸收结果用平均值±标准偏差表示(mean±SE)，不同字母表示在p＝0.05水平上的显著差异。
二、黄瓜肥效试验
2.1材料
供试材料为黄瓜。
2.2试验方法
本试验于2015年3月14日至2015年5月12日在中国农业大学科学园日光温室进行。选取大小长势一致的幼苗移栽到花盆中，每盆两株。肥效试验分为两组，一组为对照组(CK)，为传统的普通施肥方式：施用N 120mg/100株，P 80mg/100株，K 150mg/株；另一组为试验组(处理)，按照实例3生产的根际有益微生物-生物炭复合有机肥，施肥方式为将3％实例3的复合有机肥肥加入基质。生长期8周，分别观察对照组和实验组的生长状况和产量。
通过数据统计表中误差线为SD(n＝7)，采用生物统计ANOVA方法，LSD显著性水平为p＝0.05：如下表3。
表3、不同处理在无土栽培黄瓜NPK吸收的影响
注：养分吸收结果用平均值±标准偏差表示(mean±SE)，不同字母表示在p＝0.05水平上的显著差异。