一种荷杆生物炭基肥料及其制备方法与流程

本发明属于废弃生物质高值利用技术领域，尤其涉及一种莲藕废弃物制备生物炭基肥料和应用方法。

背景技术：

生物炭是生物质在缺氧或无氧条件下形成的稳定的富碳固体。生物炭可作为能源直接使用，也可作为功能性材料(如肥料)使用。生物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，在与土壤生态环境的交互作用下缓慢释放C、N、P、K等养分供作物吸收利用，增加土壤肥力。

作为土壤改良剂和肥料施加于土壤，可增加土壤有机质、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。生物炭肥料具有保水保肥性能，能增加土壤肥力。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。因此，合理开发和研究以废弃生物质为原料的炭基肥料可保水保肥、提高化肥利用率、降低化肥的使用，这将对农村经济和农业生态环境可持续发展具有重要意义。

随着莲藕种植面积不断扩大，产生了大量的荷杆等莲藕废弃物，这在造成农业资源浪费的同时，也给农村生态环境造成了一定的压力。其中荷杆是主要含纤维素、半纤维素和木质素，且结构疏松，是制炭的理想原料。开发莲藕废弃物荷杆生物质炭，对于促进莲藕种植业的发展、繁荣农村经济、增加农民收入以及减少生态环境压力具有十分重要的现实意义。

目前，生物质的炭化可分为热解炭化和水热炭化两种，其中水热炭化法可直接处理含水量高的原料，操作简单，能耗低，已成为生物质制炭的热门方法，比较适合废弃荷杆制炭。

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杆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：

一种荷杆生物炭基肥料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)将废弃荷杆清洗干净，用铡刀切割成2～4cm荷杆颗粒，待用；

(2)将荷杆颗粒置入水热炭化反应釜中，按荷杆颗粒干重计，加入1:5～20的水，密封水热釜，进行荷杆炭化；水热碳化反应条件：反应压强为1.0～4.0MPa；温度为200～280℃恒温；反应时间为2～8h；搅拌转速为100～800r·min^-1；

(3)反应完成后冷却至室温，用蒸馏水洗涤，干燥，即得到荷杆生物炭基肥料。

进一步地，步骤(2)中荷杆颗粒与水质量比为1:12～15。

步骤(2)中水热碳化反应压强为2.0～3.0MPa；温度为220～240℃；反应时间为4～6h；搅拌转速为200～300r·min^-1。

本发明的原料优选为废弃的新鲜荷杆。

本发明另一个目的是提供一种荷杆生物炭基肥料，其特征在于：所述荷杆生物炭基肥料的pH为7.40～9.50，有机碳含量50.8～65.4％，全氮含量为5980～6420mg/kg，总磷含量为695～908mg/kg，全钾含量为2040～3480mg/kg；由以下步骤制备而成：

(1)将废弃荷杆清洗干净，用铡刀切割成2～4cm荷杆颗粒，待用；

(2)将荷杆颗粒置入水热炭化反应釜中，按荷杆颗粒干重计，加入1:5～20的水，密封水热釜，进行荷杆炭化；水热碳化反应条件：反应压强为1.0～4.0MPa；温度为200～280℃恒温；反应时间为2～8h；搅拌转速为100～800r·min^-1；

(3)反应完成后冷却至室温，用蒸馏水洗涤，干燥，即得到荷杆生物炭基肥料。

进一步地，步骤(2)中荷杆颗粒与水质量比为1:12～15。

步骤(2)中水热碳化反应压强为2.0～3.0MPa；温度为220～240℃；反应时间为4～6h；搅拌转速为200～300r·min^-1。

本发明的荷杆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.利用废弃生物质为原材料(荷杆)来制备炭基肥料,变废为宝,提高了莲藕荷杆的应用价值，减少了资源浪费,减轻生态环境负担。

2.采用水热法制备荷杆生物炭基肥料反应温度(能耗)低、操作简单、更利于废弃生物质资源化利用推广。

3.水热炭化制备的荷杆生物炭有机碳含量高，氮、磷、钾等营养成分丰富，能改变土壤物理化学性质，增加土壤保肥性，可作为基肥应用于土壤。

附图说明

图1是本发明荷杆生物炭基肥料扫描电子显微镜SEM图。

图2是实施例1～3获得的荷杆炭基肥料在江苏荷塘土模拟试验中，收获期土壤理化性质示意图。

图3是实施例1～3获得的荷杆炭基肥料在安徽荷塘土模拟试验中，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

废弃荷杆生物炭基肥料制备方法，包括以下步骤：

1.将废弃荷杆清洗干净，晒干后，用铡刀将其切割成2-4cm荷杆颗粒；

2.将荷杆颗粒置入水热炭化反应釜中，按荷杆干重计，加入1:12的水，混匀使水充分浸没荷杆颗粒，密封水热釜。

3.反应温度为220℃；反应压强为2.5MPa，恒温反应6h；搅拌转速为300r·min^-1。

4.反应完成后冷却至室温，用蒸馏水洗涤，干燥(晒干或烘干)，即得到荷杆生物炭基肥料，其扫描电子显微镜SEM图见图1。

本实例得到的炭基肥pH值为8.55，有机碳含量58.2％，全氮含量为6420mg/kg，总磷含量为722mg/kg，全钾含量为2340mg/kg。

实施例2

废弃荷杆生物炭基肥料制备方法，包括以下步骤：

1.将废弃新鲜荷杆清洗干净，直接用铡刀将其切割成2-4cm荷杆颗粒；

2.将荷杆颗粒置入水热炭化反应釜中，按荷杆干重：水为1:20的比例加入水，混匀使水充分浸没荷杆颗粒，密封水热釜。

3.反应温度为260℃，反应压强为3.0MPa，恒温反应3h，搅拌转速为400r·min^-1。

4.反应完成后冷却至室温，用蒸馏水洗涤，干燥(晒干或烘干)，即得到荷杆生物炭基肥料。

本实例得到的炭基肥pH值为9.03，有机碳含量65.6％，全氮含量为5140mg/kg，总磷含量为1150mg/kg，全钾含量为3650mg/kg。

实施例3

废弃荷杆生物炭基肥料制备方法，包括以下步骤：

1.将废弃新鲜荷杆清洗干净，并沥干水分，然后使用铡刀将其切割成2-4cm荷杆颗粒；

2.将荷杆颗粒置入水热炭化反应釜中，按荷杆干重：水为1:20的比例加入水，混匀使水充分浸没荷杆颗粒，密封水热釜。

3.反应温度为220℃；恒温反应6h；搅拌转速为200r·min^-1。

4.反应完成后冷却至室温，用蒸馏水洗涤，干燥(晒干或烘干)，即得到荷杆生物炭基肥料。

本实例得到的炭基肥pH值为7.95，有机碳含量60.3％，全氮含量为6080mg/kg，总磷含量为699mg/kg，全钾含量为2040mg/kg。

实施例4

以江苏荷塘土作为试验土壤,将上述实施例1～3的荷杆炭基肥料分别处理试验土壤，进行荷杆炭基肥应用实验模拟：试验用缸：200L陶瓷缸；每缸60kg风干土；莲藕品种为南斯拉夫。供试土壤性质为：酸碱度pH为7.29，阳离子交换量为20.31cmol(+)/kg，有机质含量为2.46％；全氮含量为899mg/kg；总磷含量为713mg/kg；总钾含量为1.83*10⁴mg/kg；碱解氮含量为50.7mg/kg；有效磷含量为27.8mg/kg，速效钾含量为406mg/kg。荷杆炭基肥料作为基肥于栽种前施用，施用量为0.5％(荷杆炭与土壤的质量百分比)，莲藕栽种前作基肥均匀撒施后翻耕入土。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)，水分常规管理。

收获期土壤和莲藕性质见图2和表1。

表1收获期莲藕特性

实施例5

以江苏荷塘土作为试验土壤,将上述实施例1～3的荷杆炭分别处理上述土壤，进行荷杆炭基肥应用实验模拟：试验用缸：200L陶瓷缸；每缸60kg风干土；莲藕品种为鄂莲六号。供试土壤性质同实施例4。荷杆炭基肥料作为基肥于栽种前施用，施用量为0.5％(荷杆炭与土壤的质量百分比)，莲藕栽种前作基肥均匀撒施后翻耕入土。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)，水分常规管理。

收获期土壤和莲藕性质见图2、图3和表1。

实施例6

以安徽荷塘土作为试验土壤,将上述实施例1～3的荷杆炭分别处理上述土壤，进行荷杆炭基肥应用实验模拟：试验用缸：200L陶瓷缸；每缸60kg风干土；莲藕品种为鄂莲六号。供试土壤性质为：酸碱度pH为6.25，阳离子交换量为11.05cmol(+)/kg，有机质含量为2.27％；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。荷杆炭基肥料作为基肥于栽种前施用，施用量为0.5％(荷杆炭与土壤的质量百分比)，莲藕栽种前作基肥均匀撒施后翻耕入土。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)，水分常规管理。

收获期土壤和莲藕性质见图3、表2。

表2收获期莲藕特性

综上所述，借助本发明的上述技术方案，通过制备的生物炭基肥料的应用，可提高土壤肥力，促进作物生长和养分利用，提高作物产量，改善作物品质。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。