本发明涉及一种炭基水溶肥及其制备方法，利用生物质炭和炭化过程中产生的木醋液以及无机肥料制备获得，适用于喷灌、滴灌等现代农业设施，可以提高作物产量和品质。使用简单方便，实现了水肥一体化，有益于推动农业废弃物生物质炭化产品的综合利用，属于农业废弃物资源化、新型绿色生态农业生产资料领域。
背景技术：
生物质炭是生物质废弃物限氧热裂解获得的固体产物。秸秆等农业生物质热裂解生产的生物质炭能够改善土壤结构、提升土壤肥力并增加作物产量。当前，中国的秸秆生物质炭化土壤改良与生态农业技术已推广服务于绿色农业，带动了秸秆处理为源头的生物质产业。木醋液作为秸秆热裂解的液态产物，具有对作物生长的促进作用，陈琳等(2011)提出用于作物叶面喷施调理剂。娄颖梅等(2016)采用热水浸提生物质炭得到可溶性有机质，通过lc-ocd及gc-ms等分子鉴定技术检测出其含有小分子中性物质(醇类、醛类、酮类及小分子氨基酸)、质子有机酸、腐殖质、腐殖质氧化产物等，实验证明具有显著的作物生长促进作用。生物质炭热水提取液中同时含有一定浓度的大量与中量营养元素(例如k、ca、mg、p、so42-)及少量微量营养元素(例如fe、mn、b、se、sr、zn、cu)。试验表明，将小麦和玉米秸秆的生物质炭热水提取液稀释一定倍数喷施，可显著提高小白菜产量并改善品质，且对提升小白菜维生素c含量和降低其硝酸盐含量的作用尤为显著。graber等人(2015)研究提示，生物质炭提取液激发植物对p营养的响应，可以显著促进缺p条件下拟南芥幼苗根毛生长。taek等人(2012)也报道，在高稀释倍数下，生物质炭水提取物显著促进了生菜种子的萌发和幼苗生长。因此，生物质炭提取液在作物特别是蔬菜生产的应用可能开辟生物质炭农业应用产品的新方向。
近年来，木醋液稀释应用于叶面调理已有较多研究。秸秆木醋液是秸秆热解过程产生的绿色产品，含有大量小分子有机物，在适宜的浓度下可以促进植物生长、果实发育，也可以改良土壤。李忠徽等(2014)采用木醋液灌施土壤，表明木醋液在小于5倍稀释倍数下，显著提高土壤有机碳含量，利于大团聚体发育；而稀释50倍以上可以促进辣椒生长并增产。采用木醋液稀释液喷洒，显著提高土壤中微量元素铁、锰、铜、锌含量，生长的空心菜、油麦菜和生菜等三种叶菜类作物的维生素c含量提高，硝酸盐含量降低。将木醋液稀释600倍喷施水稻叶面，水稻结实率、每穗粒数及收获稻谷产量均显著高于对照。黄文等(2010)研究了木醋液不同倍数喷施对西红柿产量及品质的影响，表明木醋液稀释100倍增产显著(达10％)。施用木醋液也能表现出对土壤的改良和肥力提升作用，其中土壤养分的提升与用量相关；木醋液通过调节土壤ph，提高有机质含量，改善土壤通气和透水性，降低土壤盐分危害，进而提高作物的产量和品质。
水溶肥是一种可以完全溶于水的多元素复合肥料，与传统的固体复合肥相比，水溶肥水溶养分易被作物吸收利用，可满足高产作物快速生长期的营养需求，且结合滴灌、喷灌等农业设施实现了水肥一体化。水溶肥在提高肥料利用率、减低肥料损失和环境污染和农业节本增效等方面具有明显优势，成为未来新肥料的发展方向。水溶肥的技术关键是根据作物种类和生育期的养分需求规律，配制养分量和配合比例，以保证养分效率和施肥效果。水溶肥可以根据不同养分物质的溶解度进行配方的灵活调整。目前我国水溶肥分为大量元素、中量元素、微量元素、含腐植酸和含氨基酸等五大类水溶肥，并制定了相应的标准。目前，尚未见有机无机复合水溶肥。但是，我国耕地土壤普遍缺乏有机质、过量无机化肥施用的危害日益显现，开发新型有机无机复合水溶肥具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种炭基水溶肥、其制备方法及其应用，利用生物质炭和炭化过程中产生的木醋液进行高温提取加工，得到富含多种有机养分的提取液，再按比例添加无机肥料，得到的水溶肥能够提高蔬菜产量和品质，整体呈液态，为深褐色，可溶性有机质(dom)含量为91g·l-1，无机养分(n+p2o5+k2o)120g·l-1，适用于喷灌、滴灌。
为了实现发明目的，本申请采用了以下技术方案：
炭基水溶肥，是采用80℃以上的木醋液浸提秸秆生物质炭的产物，经固液分离后，在液体中添加可溶性无机肥料后获得，木醋液是玉米秸秆炭化过程中产生的产物。
无机肥料选用尿素、k2so4、kh2po4，添加量分别为尿素85g·l-1、k2so425g·l-1、kh2po476g·l-1。
一种炭基水溶肥的制备方法，步骤如下：
(1)在热裂解窑炉内热裂解生产生物质炭和木醋液，经过不同出口输出后，将80℃以上的木醋液，喷淋在热生物质炭上，控制炭液比1∶20(m∶v＝1kg∶20l)，搅拌至少30min，固液分离；
(2)在步骤(1)所得液体中添加无机肥，搅拌使其充分溶解，即得，避光保存。
生物质炭是富含活性有机组分的玉米秸秆生物质炭，热裂解窑炉内生产生物质炭和木醋液时热裂解炭化温度为350～550℃，炭化时间1小时。
炭基水溶肥的施用方法，稀释后喷施与叶菜类蔬菜，该蔬菜是空心菜。具体操作是在：播种后，约3～4片叶子展开后开始喷施炭基水溶肥，按照1l·m-2的施肥量，每7d喷施一次。稀释倍数是800、1000倍。
木醋液是玉米秸秆炭化过程中产生的木醋液，含有大量的有机物质，在适宜的浓度下可以促进植物生长、果实发育，也可以改良土壤。早在2011年，本团队就注意到木醋液的性质和作用，后来又提出了浸提生物质炭得到的可提取态有机物质的生物效应，采用lc-ocd及gc-ms等分子鉴定技术，检测出小分子中性物质(醇类、醛类、酮类及小分子氨基酸)、质子有机酸、腐殖质、腐殖质氧化产物等，这些物质是作物生长的生物刺激剂。生物质炭提取液中也含有较高浓度的阳离子和阴离子(k、na、ca、mg、p、cl、so42-)和少量微量营养元素(fe、mn、b、se、sr、zn、cu)，有利于作物的生长。本团队已有研究者将小麦、玉米秸秆炭可热水提取态的物质稀释后喷施在小白菜上，显著提高小白菜产量、改善品质，其中对小白菜维生素c含量和硝酸盐含量的影响尤为显著多效有机叶面调理剂的制备方法及应用。基于木醋液和生物质炭浸提液的生物效应，本发明开创性地利用秸秆炭化木醋液浸提秸秆生物质炭，提取秸秆生物质炭中可浸提态的有机、无机化合物，经固液分离后，液体组分中根据融合规律添加可溶性的无机肥料，配制成可以全溶于水、无残渣的炭基水溶肥。
本发明具有如下优点：
1、本发明中炭基水溶肥的制备原料包括农业废弃物高温限氧条件下炭化的固体产物(生物质炭)和液体产物(木醋液)，可以缓解中国现阶段因秸秆资源过剩所带来的社会、环境、生态问题，对农作物秸秆的资源化利用具有深远意义，同时也为秸秆炭化产物的农业应用开辟了一条新途径，提高了生物质炭和木醋液的经济效益和社会效益。
2、本发明制备的炭基水溶肥，其水溶性养分易被作物吸收利用，可满足高产作物快速生长期的营养需求，且结合滴灌、喷灌等农业设施实现了水肥一体化。在提高肥料利用率、减低肥料损失和环境污染以及农业节本增效等方面具有明显优势，符合未来新肥料的发展方向。
3、本发明制备的炭基水溶肥可以根据作物种类和生育期的养分需求规律，配制养分量和配合比例，以保证养分效率和施肥效果，也可以根据不同养分物质的溶解度进行配方的灵活调整。
4、本发明制备的炭基水溶肥水溶性好、溶于水后无残渣，不易堵塞滴灌、喷灌设备，可以长期应用，无需频繁检修、更换滴灌、喷灌设备。
5、本发明制备的炭基水溶肥炭基水溶肥营养成分全面，既包含有机养分又包含无机养分，既含大量营养元素、又含中微量元素，多组分多效应协同作用，可以显著提高蔬菜的产量、改善蔬菜的品质、优化蔬菜的营养价值，提高蔬菜中维生素c、可溶性糖及可溶性蛋白质的含量，提高n、p、k以及多种微量营养元素的含量。在改善蔬菜品质的同时也可以降低硝酸盐含量，提高了蔬菜的食用安全性。
附图说明：
图1为本发明炭基水溶肥工艺流程。
具体实施方式
以下将结合实施例具体说明本发明的技术方案：
实施例1
图1为本发明炭基水溶肥工艺流程，参照图1所示：炭基水溶肥的制备过程如下：
(1)玉米秸秆炭化过程中挥发分分离得到的木醋液，温度在80℃以上，直接喷淋热的生物质炭，控制炭液比1∶20(m∶v＝1kg∶20l)，搅拌至少30min，采用离心机或者滤膜过滤的方式使得固液分离，液体组分，备用；
(2)在液体中添加无机肥料，无机肥料选用尿素、k2so4、kh2po4(添加量分别为尿素85g·l-1、k2so425g·l-1、kh2po476g·l-1，也可根据作物类型和需肥规律调入其他中、微量营养元素)，在60℃投料，搅拌至少30min使得彻底溶解，得到炭基水溶肥。
实施例2：
炭基水溶肥的施用法(空心菜大田试验)：17年7月3日播种，至9月10日共收获二茬空心菜。播种后，约3～4片叶子展开后开始喷施炭基水溶肥，按照1l·m-2的施肥量，每7d喷施一次，每喷施4次炭基水溶肥后收获一茬空心菜。并设置喷施等量清水的对照处理(ck)，各处理重复3次，随机区组排列，小区面积为12m2(3m×4m)。相邻小区间以20cm宽的田埂隔开。基肥施用参照当地农民常规施肥方式，总养分48％(n-p2o5-k2o，16-16-16，％)复合肥，施用量为1000kg/hm2，不施追肥。试验期间的播种、除草、浇水、收获，均按当地常规习惯进行。为了配合水肥一体化，在试验地安装了简易的喷灌设备，所有水溶肥处理均采用喷灌施用方式。喷施选择无风、日照弱、温度低的天气进行，一般在上午9:00前或者下午4:00后喷施，避免在雨前喷施，如若喷后遇雨，需要视情况补充喷施，结果见表1、2、3。
表1本发明炭基水溶肥喷施空心菜对其产量和品质的影响
表2本发明炭基水溶肥喷施空心菜对其全量n、p、k含量的影响
表3本发明炭基水溶肥喷施空心菜对其中、微量营养元素含量的影响
本发明对试验空心菜进行施用炭基水溶肥与喷施等量清水(ck)对照，结果显示，施用炭基水溶肥的处理同对照相比，可以显著提高空心菜的产量，提高维生素c、可溶性糖和可溶性蛋白质的含量，降低硝酸盐的含量，提高n、p、k以及多种微量营养元素的含量，在改善品质、提高营养价值的同时，还可以提高其食用的安全性。具体实验结果见表1、表2及表3(其中炭基水溶肥稀释800倍的处理用s800表示，稀释1000倍的处理用s1000表示)，具体而言：
(1)本实施例制备的炭基水溶肥稀释800、1000倍施用，对空心菜有明显的增产效果，同对照相比，空心菜产量增幅分别达68.49％、48.63％。(2)本实施例制备的炭基水溶肥可以显著提高空心菜的品质。在稀释800、1000倍的条件下施用，同对照相比空心菜维生素c含量增幅分别达到12.61％、11.46％，可溶性糖含量增幅分别达到22.33％、21.38％。其中稀释1000倍的喷施处理同对照相比还可以显著提高空心菜可溶性蛋白质的含量，增幅达30.84％；降低硝酸盐的含量，降低幅度达17.20％。(3)本实施例制备的炭基水溶肥可以显著提高空心菜中n、p、k等营养元素的含量。同对照相比，炭基水溶肥在稀释800、1000倍的条件下施用，空心菜全n的含量增幅分别达到10.78％、12.39％；空心菜全k的含量增幅分别达到30.68％、23.05％。其中稀释800倍的喷施处理同对照相比还可以显著提高空心菜全p的含量，增幅达15.04％。(4)本实施例制备的炭基水溶肥施用于空心菜，可以显著提高空心菜中多种微量元素的含量。同对照相比，炭基水溶肥在稀释800、1000倍的条件下施用，空心菜中ca的含量增幅分别达到36.67％、41.67％，fe的含量增幅分别达到21.97％、32.47％，zn的含量增幅分别达到38.20％、34.35％。其中稀释800倍的喷施处理同对照相比还可以显著提高空心菜中mg和mn的含量，增幅分别为24.04％和37.52％。