一种荷叶炭基肥料及其制备方法与流程

本发明属于生物质炭基肥料制备技术领域，尤其涉及一种基于土壤培肥的荷叶炭基肥料及其制备方法。

背景技术：

目前农业生产中，我国单位面积化肥使用量是世界平均水平的1.6倍，全年总用量高达一亿多吨。近10年，我国化肥总量增加了90％以上，而对于粮食总产量增加仅为9％左右，氮、磷和钾肥利用率低，造成了经济损失和资源浪费的同时，也造成了生态环境污染和土壤质量严重恶化。因此，科学合理的使用肥料，改善土壤理化性质，提高土壤肥力，对于农业可持续发展至关重要。

生物炭基肥料主要成分为生物质炭，具有较大的比表面积和较多的孔，含有丰富的有机碳以及矿物营养元素，作为土壤改良剂和肥料施加于土壤，增加土壤有机质、营养元素，提高土壤微生物活性，提高农产品产量，减缓温室效应。此外，生物炭特殊的物质组成和结构使其具有吸附无机和有机污染物的能力，对改善产地环境，提高农产品质量安全具有重要意义。生物炭施用可改变土壤物理化学性质，增加土壤保水保肥性能，且能增加土壤肥力。生物炭的轻质多孔结构可直接降低土壤容重，增加总孔隙率，能提高土壤肥力并增加土壤有机质的稳定性和含量，与秸秆、绿肥、堆肥等其他增肥措施比，生物炭的稳定性更强，在土壤里面的存留时间更长。生物炭产生的电荷以及巨大的比表面积对土壤和植物所需的营养元素具有较强的吸附作用，减少养分流失，增加土壤保肥性能。同时，生物炭本身含有一定的C、N、P、K等养分，在与土壤生态环境的交互作用下缓慢释放一些营养元素供作物吸收利用，增加土壤肥力。由于生物炭具有这些良好的理化和生物学特性，合理开发和研究以废弃生物质为原料的炭基肥料是农村经济和生态循环农业发展的重要途径之一。

现有生物炭制备中，热解炭化方法存在温度过高、能源消耗过大等缺点，而水热炭化是指生物质在低氧环境下，通过高温裂解得到的碳含量极其丰富的炭。且现有技术中没有报道过将废弃荷叶为原料的水热炭化，水热炭化更适用于废弃荷叶的处理，因此，本领域亟待一种处理废弃荷叶的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题之一是提供一种水热炭化制备废弃荷叶生物炭基专用肥料的方法，为了实现本发明的目的，所采取的技术方案如下：

一种荷叶炭基肥料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

A.将新鲜荷叶清洗干净，得到生物质材料；

B.将生物质材料置入密封的水热炭化反应釜中，加入一定比例的水，密闭无氧条件下，进行炭化；其中生物质材料按干重计与水质量比为1：5～1：20；搅拌转速为100～800r·min^-1；温度为180～260℃；反应压强为1.0～4.0MPa，反应时间为2～8h；

C.反应完成后冷却至室温，用蒸馏水洗涤，干燥，即得到荷叶生物炭。

进一步地，步骤B中生物质材料按干重计与水质量比为1：12～15。

步骤B中水热炭化反应温度优选为200～220℃；反应压强优选为2-3MPa。

在本发明的一个优选实施方式中，隔绝空气条件下，搅拌速度为200r·min^-1；温度为200℃；时间为6h；比表面积为32.0034m²/g，有机碳含量为510g/kg，全氮含量为9570mg/kg，总磷为2100mg/kg，总钾含量为3780mg/kg。

本发明另一个目的是提供一种荷叶炭基肥料，其特征在于：所述荷叶炭基肥料的比表面积为1.9642-32.0034m²/g，有机碳含量为402-510g/kg，全氮含量为9100-10500mg/kg，总磷含量为258-2100mg/kg，总钾含量为3210-4690mg/kg；由以下步骤制备而成：

A.将新鲜荷叶清洗干净，得到生物质材料；

B.将生物质材料置入密封的水热炭化反应釜中，加入一定比例的水，密闭无氧条件下，进行炭化；其中生物质材料按干重计与水质量比为1：5～1：20；搅拌转速为100～800r·min^-1；温度为180～260℃；反应压强为1.0～4.0MPa，反应时间为2～8h；

C.反应完成后冷却至室温，用蒸馏水洗涤，干燥，即得到荷叶生物炭。

步骤B中生物质材料按干重计与水质量比为1：12～15。

步骤B中水热炭化反应温度优选为200～220℃；反应压强优选为2-3MPa。

本发明的荷叶炭基肥料可应用于土壤培肥中，可提高土壤有机碳含量、氮、磷和钾含量，促进作物增产，提高莲藕淀粉和蛋白质含量。

本发明的具有如下优点：

1.本发明采用水热炭化技术制备的用于土壤培肥和改良的荷叶生物炭基肥料，比热解炭化反应条件更温和，能耗低。

2.采用水热炭化制备土壤改良生物炭工艺更为简单，操作容易，更有利于废弃生物质资源化利用的推广和应用。

3.以废弃荷叶为原材料，有利于资源的循环利用，实现农业节能减排，显著地改善生态环境。

4.以废弃荷叶为原料的水热炭含有丰富的莲藕生长所需的营养元素，且有较高的比表面积，作为莲藕专用肥，有利于促进莲藕的生长和增产增收。

5.以废弃荷叶为原料的水热炭基肥料，比直接还田增肥增产作用更明显，同时也降低了土壤病菌增加和作物病害的风险。

附图说明

图1是本发明荷叶生物炭基肥料微观形态的扫描电镜图。

图2是实施例1～4获得的荷叶炭基肥料在研究基地进行模拟试验中，收获期土壤理化性质示意图。

具体实施方式

若未特别说明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

基于土壤培肥和改良的荷叶生物炭专用肥制备方法，包括以下步骤：

1.将新鲜荷叶清洗干净、切成<2cm²大小、晒干，得到干燥的原材料；

2.将原材料与水按1：12混合，置入密封的水热炭化反应釜中，混匀使水充分浸没生物质原料。反应釜反应条件为：搅拌转速200r·min^-1、以10℃/min升温至200℃恒温反应6h。待反应结束后，冷却至室温，用蒸馏水洗涤，在80℃下干燥；研磨，过10目筛，得到荷叶生物炭基肥料，其微观形态见图1。

本实例得到的荷叶炭基肥料产率为65.83％，比表面积为32.0034m²/g，有机碳含量为510g/kg，全氮含量为9570mg/kg，总磷为2100mg/kg，总钾含量为3780mg/kg。

其中，荷叶炭基肥产率＝(固相产物干物质质量/原料干物质质量)×100％

实施例2

基于土壤培肥和改良的荷叶生物炭专用肥制备方法，包括以下步骤：

1.将新鲜荷叶清洗干净、切成<2cm²大小，得到生物质原材料；

2.将生物质原材料按干重计与水质量比为1：12混合，置入密封的水热炭化反应釜中，混匀使水充分浸没生物质原料。反应釜反应条件为：搅拌转速300r·min^-1、以10℃/min升温至240℃恒温反应6h。待反应结束后，冷却至室温，用蒸馏水洗涤，在80℃下干燥；研磨，过10目筛，得到荷叶生物炭基肥料。

本实例得到的荷叶炭基肥料产率为59.56％，比表面积为11.4321m²/g，有机碳含量为484g/kg，全氮含量为9420mg/kg，总磷为1420mg/kg，总钾含量为3590mg/kg。

实施例3

基于土壤培肥和改良的荷叶生物炭专用肥制备方法，包括以下步骤：

1.将新鲜荷叶清洗干净、切成<2cm²大小、晒干，得到干燥的原材料；

2.将原材料与水按1：5混合，置入密封的水热炭化反应釜中，混匀使水充分浸没生物质原料。反应釜反应条件为：搅拌转速200r·min^-1、以10℃/min升温至200℃恒温反应6h。待反应结束后，冷却至室温，用蒸馏水洗涤，在80℃下干燥；研磨，过10目筛，得到荷叶生物炭基肥料。

本实例得到的荷叶炭基肥料产率为68.67％，比表面积为6.528m²/g，有机碳含量为499g/kg，全氮含量为9830mg/kg，总磷为1940mg/kg，总钾含量为3920mg/kg。

实施例4

基于土壤培肥和改良的荷叶生物炭专用肥制备方法，包括以下步骤：

1.将新鲜荷叶清洗干净、切成<2cm²大小，得到生物质原材料；

2.将生物质原材料按干重计与水质量比为1：20混合，置入密封的水热炭化反应釜中，混匀使水充分浸没生物质原料。反应釜反应条件为：搅拌转速200r·min^-1、以10℃/min升温至200℃恒温反应6h。待反应结束后，冷却至室温，用蒸馏水洗涤，在80℃下干燥；研磨，过10目筛，得到荷叶生物炭基肥料。

本实例得到的荷叶炭基肥料产率为64.15％，比表面积为15.7682m²/g，有机碳含量为512g/kg，全氮含量为9458mg/kg，总磷为1880mg/kg，总钾含量为3690mg/kg。

实施例5

将实施例1～实施例4制得的荷叶炭基肥料在研究基地进行模拟试验。

试验模拟盆栽试验如下：试验用缸：200L陶瓷缸；试验用土：安徽铜陵土；每缸60kg风干土；莲藕品种：鄂莲6号。供试土壤性质为：酸碱度pH为6.25，阳离子交换量为11.05cmol(+)/kg，有机碳含量为13.1g/kg；全氮含量为850mg/kg；全磷含量为298mg/kg；全钾含量为1.58*10⁴mg/kg；碱解氮含量为65.8mg/kg；有效磷含量为6.5mg/kg，速效钾含量为65.7mg/kg。栽种前(基肥)、莲藕立叶期、花果期每缸各施入20g复合肥(N：P₂O₅：K₂O≥60％，N：P₂O₅：K₂O＝20：20：20)。实施例1～实施例4制得的荷叶炭基肥料均匀撒施后翻耕入土，用量为300g/缸。收获期土壤和莲藕性质见图2和表1。

表1收获期莲藕产量和品质

施用荷叶炭基肥后，使土壤pH、阳离子交换量、有机碳含量、全氮含量、总磷、总钾含量均有提高，且有效磷和速效钾含量增加较为明显，同时提高了莲藕产量以及淀粉和蛋白质含量，说明荷叶炭基肥具有改善土壤性质、保肥增肥和提高作物产量和质量的性能。

以上所述是本发明的优选实施例，在不脱离本发明所述原理的前提下的改进和润饰也应视为本发明的保护范围。