一种生物质炭及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种生物质炭及其制备方法和应用，所述生物质炭是以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600℃下进行处理，从而得到生物质炭。本发明所公开的生物质炭在优选温度400-500℃范围内制备，最大限度降低制备过程有机碳的损失，又尽可能提高了所形成高度芳香化有机化合物的稳定性，作为单一活性成分用于改善土壤有机质含量具有非常理想的效果。
【专利说明】一种生物质炭及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种生物质炭，属于农业生物学【技术领域】。
【背景技术】
[0002]陕西黄土高原区是我国苹果的主发展区，苹果产业已成为当地主导农业产业和当地农民增收致富的区域性特色优势产业之一。黄土高原虽然为苹果的优生区，但存在以下主要问题:
[0003](I)黄土区土壤有机质偏低(多数土壤的有机质在I %以下)，导致土壤的基础肥力低，土壤营养元素普遍缺乏(钾素除外)；引起苹果的产量、尤其是品质、耐贮性明显下降，出现腐烂病、痘斑病，果树叶片黄化，落叶等严重问题，极大影响了西北黄土高原区苹果产业的持续发展。
[0004](2)黄土区土壤有机质偏低引起土壤的保水性较差，水分蒸发损失严重，再加上黄土高原本身处于干旱、半干旱地区，自然降水偏少，土壤水分缺乏严重，影响到苹果的产量和品质，也影响到肥料的吸收利用。长期栽培果树，土壤在2-3m 土层含水量锐减，得不到上下层土壤水分的有效补充出现了干层，加速果树衰老，成为限制黄土高原区果园持续发展的一个重要原因。
[0005](3)多年以来，黄土高原地区有机肥投入不足，传统的氮磷化肥过量施用，导致氮磷与钾、中量元素以及微量元素的比例失调。
[0006]尽管本申请以黄土高原为例说明目前国内果树种植中存在的问题，这种现象是普遍存在的，即便土壤有机质含量丰富的东北地区，可以预期长久也会面临此风险。
[0007]针对上述问题，直接快捷的解决方法是大量增加有机肥的使用，然而这种方法不符合国内的实际情况。现阶段我国有机肥的肥源有限，满足不了果树的需求，再加上劳动力人口的转移，有机肥施用量较大，运输等劳动成本高，阻碍了有机肥在果园的施用。
[0008]同时，由于苹果生长的特性，苹果园采用的清园管理方式不利于土壤有机质的提升。苹果树根系的分泌物和脱落物相对较少，果农为了减少病虫害的发生，每年把修建的枝条和脱落的枯枝落叶都清扫出果园，再加上果农施用有机肥的量较小，以化肥为主，导致多数果园土壤有机质一般不会随着果树年限的增加而增加，已有研究指出，农田改为果园后，土壤有机质出现下降趋势，尤其是对于老龄化的果园，随着投入肥料的减少，土壤有机质下降明显。而采用秸杆、有机肥等直接施用来提升土壤有机质，不是一朝一夕的事情，是一个长期需要大量投入的任务。因此，本领域亟待发明一种新的方法以提高农业废弃物的稳定性，提高这些物质投入农田后的残留率，快速提高土壤有机质含量，而且还对土壤对物理、化学、生物性质具有良好的调节功能。
【发明内容】
[0009]针对现有技术的需要，本发明公开了一种生物质炭，是以苹果枝条为原料制成的，该生物质炭按一定比例和措施施入果园土壤中，通过生态系统的内部循环，可以有效、快速提闻土壤有机质含量。
[0010]为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的:
[0011 ] 一种生物质炭，通过下述制备方法获得:以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600°C下进行处理，即得。
[0012]通过上述制备方法获得的生物质炭，具有如下理化参数:pH值在7.2 — 12之间，有机碳含量在45 — 75%之间，生物炭阳尚子代换量(亦称阳尚子交换能力CEC)在15 —70cmol/kg 之间。
[0013]本发明的生物质炭，通过将苹果枝条在完全或部分缺氧的条件下经热裂解、炭化产生高度芳香化的固态物质。与木炭、竹炭、秸杆炭、稻壳炭、动物粪便炭等相比，采用苹果枝条获得的生物质炭具有理想的各成分含量。
[0014]由于所用的苹果枝条品种、时节不同，所获得的生物质炭的理化参数是广泛变化的，通常都涵盖于上述所公开的范围内。
[0015]相应的，本发明公开了所述生物质炭的制备方法，即以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600°C下进行处理，即得。
[0016]在上述操作中，为了保证制备的效果和效率，将苹果枝条粉碎至3_5cm的碎节。
[0017] 申请人:通过大量实验广泛研究了不同的裂解温度对苹果枝条生物质炭中各成分含量、在土壤中的存留时间和对土壤有机碳组分的影响等多方面的影响，优选所述温度为400-500°C，更优选所述温度为500°C。
[0018]通过调节温度的高低，相应影响蒸锅处理过程所用的时间，通常的处理时间是2_5h,在最优的情形下,处理时间为3h。
[0019] 申请人:进行的实验显示本发明的生物质炭相对于传统的有机肥增碳效果更明显，因此本发明还公开了上述生物质炭作为单一活性成分用于改善土壤有机质含量的应用。
[0020]其中，具体的用量可以根据实际需要进行选择，考虑到成本和效果的平衡，生物质炭相对于每亩土壤的用量为600-2000kg/亩,优选为每年每亩施用1000kg,连续施用4_5年。
[0021]其中，生物质炭的使用方法是将生物质炭与0_20cm 土层的土壤混合均匀，具体的操作方法是多种多样的，例如将生物质炭均匀撒在果园果树树冠投影下，通过锄地、旋耕、或人工翻地等方式将生物质炭与土壤混合即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为在不同温度下处理相同的苹果枝条所得生物质炭中有机碳含量的变化；
[0023]图2为同样用量的不同温度处理的生物质炭应用到土壤中呼吸速率的变化；
[0024]图3为添加同样用量的不同温度处理的生物质炭应用到土壤中土壤总有机碳含量变化；
[0025]图4为添加同样用量的不同温度处理的生物质炭应用到土壤中土壤难氧化有机碳变化；
[0026]图5为分别使用苹果枝条原料和生物质炭后土壤中有机碳储量的变化；
[0027]图6为分别使用苹果枝条原料、化肥和生物质炭后土壤中有机碳储量的变化；
[0028]图7为以使用化肥为对照，生物质炭与有机肥应用到土壤后的增碳效果比较；[0029]图8为不同用量的生物质炭施用量增碳效果比较；
[0030]图9为生物质炭施用年数对土壤中有机碳含量的影响。
【具体实施方式】
[0031]实施例1:生物质炭制备温度的筛选
[0032]以苹果枝条为原料，粉碎至3-5cm的碎节，在厌氧裂解炉中进行不同温度300-600°C的处理，处理时间为3小时，得到不同温度下的生物质炭样品，以供对其进行理化性质和施用效果进行研究。
[0033]附图中CK代表苹果枝条原料。
[0034]I)不同温度制备下苹果枝条生物质炭的性质差异
[0035]分析项目和方法:对不同温度的生物质炭的有机碳含量、灰分、酸碱性、官能团等进行分析，比较不同温度制备生物质炭的性质差异。
[0036](I)不同温度制备下苹果枝条生物质炭的有机碳含量
[0037]不同温度制备下生物质炭的有机碳含量有一定差异，原料(粉碎的苹果枝条)的有机碳含量为75.8%，参考图1，从300-600°C，以500°C下制备的生物质炭的有机碳含量最高，达到71.9%，与600°C下制备的生物质炭(46.1 % )之间差异达到显著水平。因此，500°C下制备的生物质炭是首选材料。
[0038](2)不同温度制备下生物质炭的元素含量和官能团差异
[0039]不同温度下制备的生物质炭都显碱性(见表1)，pH值变化在7.48到11.62之间，随着制备温度的升高，碱性相对增强，这与灰分含量随温度增加相对应。生物黑炭具有较高的阳离子交换能力(CEC)。四种热解温度下，生物炭阳离子代换量(CEC)的变化值在19.02cmol/kg到67.15cmol/kg之间。400-500°C热解温度下制备生物黑炭的CEC较大。制备温度过高或过低，都使生物炭的阳离子代换量减小。生物炭主要基团包括羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等，构成了生物黑炭良好的吸附特性，这些基团可以划分为两大类，酸性基团和碱性基团。随着裂解温度升高，生物黑炭的酸性基团减少，碱性基团增加。总官能团(酸性基团+碱性基团)差异不显著。元素变化显示，随着制备温度的升高，在高温下^O(TC)下氮素略有降低，但差异不明显，P、K、Ca、Mg有增加趋势。
[0040]表1不同温度下热解苹果树枝条生物质炭的性质
[0041]
【权利要求】
1.一种生物质炭，其特征在于通过下述制备方法获得:以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600°C下进行处理，即得。
2.根据权利要求1的生物质炭，其特征在于pH值在7.2 — 12之间，有机碳含量在45 —.75%之间，生物炭阳离子代换量在15 - 70cmol/kg之间。
3.权利要求1的生物质炭的制备方法，其特征在于以苹果枝条为原料，粉碎后在厌氧裂解炉中，在温度300-600°C下进行处理，即得。
4.根据权利要求3的制备方法,其特征在于将苹果枝条粉碎至3-5cm的碎节。
5.根据权利要求3的制备方法，其特征在于所述温度为400-500°C。
6.根据权利要求3的制备方法，其特征在于所述温度为500°C。
7.根据权利要求3的制备方法，其特征在于处理时间为3小时。
8.权利要求1的生物质炭作为单一活性成分用于改善土壤有机质含量的应用。
9.根据权利要求8的应用，其特征在于生物质炭相对于每亩土壤的用量为.600-2000kg/亩。
10 .根据权利要求8的应用，其特征在于将生物质炭与0-20cm土层的土壤混合均匀。
【文档编号】C05G1/00GK104016749SQ201410203722
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】王旭东, 赵世翔 申请人:西北农林科技大学