专利名称：一种芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法
技术领域：
本发明涉及农业养分增效利用领域，特别涉及一种芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法。
背景技术：
氮是植物正常生长发育所必需的营养元素之一，同时又是农业生产和生态系统生长发育最受限制的营养元素之一。目前我国已是世界上化肥使用量最大的国家。但是由于不合理的农业管理措施，作物对氮肥的利用率较低。过量使用氮肥和氮肥利用率低，一般会带来两个主要问题一是造成经济和资源上的极大浪费。二是引发严重的环境问题。化肥生产过程中，会向空气会排放大量的煤粉尘、二氧化硫、一氧化碳、硫化氢和氨等有害物质及大量的温室气体二氧化碳，造成严重的大气污染问题。氮肥使用后，由于利用率低，还 会引起土壤面源污染、地下水污染和水体富营养化、硝酸盐超标、土壤酸化等严重的环境问题，对人类赖以环境和食品安全构成威胁。因此，大力开发和推广氮肥增效技术，提高氮肥利用率，是解决农业生产中氮肥利用率低而造成的环境问题的必然选择。目前，提高氮肥利用效率的方法主要分为三类一是改善施肥方法，主要包括混施、深施、因地施肥、因时施肥和加强水肥管理。然而，在我国广大农村地区推广应用科学的施肥和耕种方法，还需要做很多的基础性研究工作。二是开发推广新型肥料，主要包括缓释月巴、控释肥。然而，新型肥料目前在我国还属于新产品，有些技术难点还需要在生产和应用中进一步攻破。三是添加氮肥增效剂，可使铵、尿素的稳定性提高，从而增加氮肥肥效。目前市场上主要有含硫化合物、乙炔类气体、氰胺类等物质，但均有其副作用。因此，我国作为农业大国，研制开发高效、低毒、适应性广、成本低廉、适合我国国情的环境友好型氮肥增效剂势在必行。芦竹(Arundo donax L),又名芦荻竹,为禾本科芦竹属多年生草本植物,适应能力很强，抗旱、耐涝、耐盐碱，抗逆性强，一年种植多年生长，且产量高。目前芦竹一般用来造纸，利用途径单一，经济价值较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、成本低廉、效果显著、适合我国国情的环境友好型氮肥增效剂的制备及应用方法。本发明所述氮肥增效剂的制备及应用方法为将芦竹在无氧条件下热裂解得到生物炭，再将生物炭添加至农业土壤中。为达到更好的效果，本发明的技术方案可以采取以下措施I、所述芦竹加工至2 5cm的小段，风干。这样可以使花生壳充分地进行反应，方便下一步炭化。2、所述热裂解的方式为在惰性气体保护下，逐步升温，直至芦竹被炭化为生物炭。
3、所述惰性气体的流速为200 500mL/min。4、所述热裂解温度为350 650°C。5、所述热裂解时间为加热I 6小时。6、所述热裂解的温度是通过升温速率为I 20°C /min而达到。7、所述芦竹热裂解后需在惰性气体的保护下，冷却至室温。8、所述生物炭需要与土壤以0. 1-8%的质量比混合后再一起施入农田土壤中。9、所述农田土壤含水量应保持在60 80%。本发明的原理为铵态氮肥进入土壤后会使土壤局部NH: _N浓度升高，造成土壤中高PH的微域环境，结果导致NH3的挥发。同时，在硝化作用下，NH=-N转化为NO3-N并大 量在土壤中累积。由于NO=不易被土壤胶体所吸附，因此随着容易随着灌溉水或降雨等地表径流淋失。土壤中较高_N同时会增强反硝化作用，增加队0向大气中得排放。因此，减少土壤中NH3的挥发和减少土壤中nO3-N的累积是减轻环境污染、增强氮素利用的根本途径。土壤中加入生物炭氮素增效剂，首先由于生物炭表面带有大量负电荷，可以有效吸附土壤中得NH:-N;其次，生物炭可以抑制硝化反应，减少土壤中NO3-N的累积，同时也减少了反硝化作用的底物，减少了 N2O的排放；最后，生物炭可以促进土壤微生物的增殖，可增强微生物的固氮作用。本发明提出利用芦竹生物炭减少土壤NO3淋失，提高氮肥利用效率，主要以芦竹为原料，在适当的条件下制备成生物炭，按照一定的方式将其添加到土壤中，在自然条件下培养，可抑制土壤的硝化反应，减少农田土壤淋失，削减N2O温室气体的排放，促进作 物对氮肥的吸收，减少氮肥的损失，提高作物对氮肥的利用效率，与现有农业土壤氮素增效方法相比，本发明具有以下优点I)制备生物炭的原材料来源广泛，方便易得，且产量大，生物炭制备过程还可以实现废物资源化利用。2)利用环境友好型的生物炭增强土壤氮素利用，不需投加任何化学药品，不会产
生二次污染。3)生物炭在增强土壤氮素利用的同时，可以为土壤提供其他养分如磷和钾，改善土壤肥力，增加作物产量；可以有效截留杀虫剂、除草剂等污染物的淋失，削减环境污染风险；可以实现CO2的“封存”，为CO2温室气体的减排做出贡献。4)以低价值的芦竹为原料制备生物炭，可以更有效的实现芦竹资源化利用，为这些环境生物修复技术提供技术支持。5)本发明既可以实现废物资源化利用又可以达到农业和环境协调可持续发展的目的，因而形成了以环境友好材料生物炭产品、生态建设、生物工程、环保为一体，低投入，高效率，零排放甚至负排放为特征的循环经济生产模式，对生态环境建设，能源开发利用，节能减排和全球环境问题的解决起到积极推动作用。6 )本发明方法简单，对管理要求条件低，工艺成熟，易于控制。
具体实施例方式芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法具体如下，包括两大步骤
一、制备方法，包括以下步骤I、收割成熟期的芦竹，剪至2 5cm的小段；2、将上述芦竹段风干备用；3、将芦竹段通入流速为200 500mL/min的惰性保护气体；4、以I 20°C /min的升温速率将芦竹段加热至350 650°C进行炭化；5、加热时间为I 6小时。6、炭化结束后，在惰性气体的保护下，冷却至室温，得到生物炭。二、应用方法，包括以下步骤 I、将制备好的生物炭粉碎至I 5mm颗粒；2、密封于干燥处；3、按照生物炭与土壤为0. I 8%的质量比施加到农田土壤中，充分混匀；4、土壤含水量应保持在60 80%。下面通过实施例来进一步说明本发明。实施例I利用芦竹地上茎作为原材料，将芦竹地上茎去叶，剪至2cm小段，风干，储存待用。将风干芦竹置于管式炉中，以300mL/min的速率通入高纯氮气作为保护气，以10°C /min的速率升至500°C炭化2h，在氮气的保护下，自然冷却至室温。土壤采自山东省青岛市城阳区郊区玉米田。土壤采回后，将碎石、草根等杂物清理干净，风干，过2mm的土壤筛，将粉碎至2mm的生物炭按2%的比例和土壤混合均勻，以I. IcmVg的容重装入淋溶柱。为了在高施肥量条件下研究芦竹生物炭增效剂对氮素利用的效果，土壤中按400mgN/kg 土壤的含量加入铵态氮肥。待土柱稳定后，模拟青岛年均降水量进行淋溶，为期60天。在淋溶期内定期检测淋滤液中NO3、Ng浓度，淋溶结束后，测定土壤NO3、NH=和总N含量。实验结果表明，在60天的培养期内，NO3 _N和NH= _N的淋失分别减少了 28. 6%和82. 0%，N2O的释放减少了45. 8%，土壤中NH= -N增加了 40%，X0； _N减少了 80%，土壤中的总N含量增加了 35%。实施例2利用芦竹地上茎作为原材料，将芦竹地上茎去叶，剪至0. I 2cmX2 5cm小段，风干，储存待用。将风干芦竹置于管式炉中，以300mL/min的速率通入高纯氮气作为保护气，以10°C /min的速率升至400°C炭化2h，在氮气的保护下，自然冷却至室温。土壤采自山东省青岛市城阳区郊区玉米田。土壤采回后，将碎石、草根等杂物清理干净，风干，过2mm的土壤筛，将粉碎至2mm的生物炭按5%的比例和土壤混合均勻，以I. IcmVg的容重装入淋溶柱。同时在土壤中按400mgN/kg 土壤的量加入硝态氮肥。在土柱中种植玉米，待玉米发芽后，模拟青岛年均降水量进行淋溶，为期60天。在淋溶期内定期检测淋滤液中NO3、NH；浓度和N2O的释放量，淋溶结束后，测定土壤总N含量和植物生物量及总N含量。实验结果表明，在60天的培养期内，冊:-N和MT4 -N的淋失分别减少了 42. 9%和73. 0%，土壤中的总N含量增加了 30.8%。玉米生物量增加了 26.4%，玉米茎和叶部的单位生物量含氮量分别增加了 66. 7% 和 124. 5%o实施例3利用芦竹叶作为原材料，剪至2 5cm小段，风干，储存待用。将风干芦竹叶置于管式炉中，以500mL/min的速率通入高纯氮气作为保护气，以5°C /min的速率升至500°C炭化I. 5h，在氮气的保护下，自然冷却至室温。土壤采自山东省青岛市城阳区郊区蔬菜大棚。土壤采回后，将碎石、草根等杂物清理干净，风干，过2_ 土壤筛，将粉碎至1_的生物炭按2%的比例和土壤混合均匀，装入花盆，每盆装500g，种植玉米，于25°C下培养30天，培养期间保持土壤含水量为60%。培养结束后测定土壤总N含量、植物根际参数、植物生物量及总N含量。实验结果表明玉米生物量增加了 83. 3%，总根长增加了 100%，根体积增加了 48.9%，根比表面积增加了 50. 6%，根尖数增加了 13. 6%，单 位质量生物量含氮量增加了 13. 3%。
权利要求
1.一种芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于将芦竹在无氧条件下热裂解得到生物碳，再将生物碳添加至农业土壤中。
2.根据权利要求I所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述芦竹加工至2 5cm的小段，风干。
3.根据权利要求2所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述热裂解的方式为在惰性气体保护下，逐步升温，直至芦竹被炭化为生物碳。
4.根据权利要求3所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述惰性气体的流速为200 500mL/min。
5.根据权利要求I所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述热裂解温度为350 650°C。
6.根据权利要求5所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述热裂解时间为加热I 6小时。
7.根据权利要求6所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述热裂解的温度是通过升温速率为I 20°C /min而达到。
8.根据权利要求7所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述芦竹热裂解后需在惰性气体的保护下，冷却至室温。
9.根据权利要求I至8任一所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述生物碳需要与土壤以0. 1-8%的质量比混合后再一起施入农田土壤中。
10.根据权利要求9所述的芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法，其特征在于所述农田土壤含水量应保持在60 80%。
全文摘要
本发明提供了一种芦竹生物炭氮肥增效剂的制备及应用方法收割成熟期的芦竹，剪至2～5cm的小段，风干备用；将芦竹段在流速为200～500mL/min的惰性气体的保护下，以1～20℃/min的升温速率升至350～650℃进行炭化，炭化时间为1～6h。炭化结束后，在惰性气体的保护下，冷却至室温。将制备好的生物炭粉碎至1～5mm颗粒，密封，保存于干燥处备用；将粉碎好的生物炭按照0.1～8%的比例施加到农田土壤中，充分混匀，土壤含水量保持在60～80%；其优点在于该方法操作简单、成本低廉、效果显著、适合我国国情，通过使用该方法可促进作物对氮肥的吸收，减少氮肥的损失，提高作物对氮肥的利用效率。
文档编号C05G3/08GK102701886SQ20121016064
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者宿兴华 申请人:青岛贝尔卡环境生物工程有限公司