一种缓释生物炭基氮肥及其制备方法和应用与流程

本发明属于肥料
技术领域：
，具体涉及一种缓释生物炭基氮肥及其制备方法和应用。
背景技术：
：据估算，中国每年有超过7亿吨的农业秸秆和超过30亿吨的畜禽粪便产生。大量的农业废弃物产生已经严重危害到全国的生态环境，对社会发展和人类健康带来了极大的影响。为了有效地解决生物质随意丢弃、堆放造成的农村人居环境劣化与立体污染问题，需要将农业废弃物从“污染源”变为“资源”。农业废弃物蕴藏着巨大的资源，但是中国的农业废弃物转化产品品种单一、质量差、利用率低、商品价值低，不能形成产业化，无论在国内还是在国际市场上都没有竞争力。农业废弃物碳基化(生物炭制备技术)是解决我国农业废弃物资源化利用的重要途径。生物炭被学术界誉为“黑色黄金”，具有改善土壤肥力和减少污染的功能。生物炭是一种可再生资源，原料来源广泛，且生物炭富含碳可为土壤补充有机碳。然而，由于生物炭脆性大，粒径分布广，密度低，因此在储存、运输和土壤应用方面也面临着巨大的挑战。生物质炭因含碳率高、疏松多孔、比表面积大、表面官能团丰富、理化性质稳定等诸多优良特性，施用于土壤可增加碳库、吸附no3-、nh4+、磷等养分，从而负载养分，进而提高土壤肥力、增加作物产量，是可作为肥料养分缓释非常理想的载体材料。将生物炭与肥料复合制得颗粒状缓释肥料(生物炭基肥料)就为解决上述困难提供了解决措施。生物炭基肥是一种以生物质炭为肥料载体，根据不同区域土壤特点、不同作物生长特点及科学施肥原理，添加有机肥料或/和速效肥料配制而成的生态环保型肥料。生物炭基肥既秉承了生物炭的诸多优良特性，又有特殊之处。可使肥料养分缓慢释放，提高养分利用率,从而对作物生长发育有更稳定的促进作用。生物炭基肥的施用可使生物炭的施用量减少到500kg/ha，提高了生物炭的利用效率。因此，在不大幅度改变常规农艺措施的情况下，生物炭基肥的施用可实现生物炭的间接还田，从而减少生物炭直接还田所带来的负面问题。考虑到经济成本的因素，生物炭基肥更适合用于高经济附加值的作物种植体系，例如设施菜地生产体系。目前我国设施蔬菜面积近400万公顷，占全球设施菜地面积的90％以上，是我国农业经济的支柱产业。设施蔬菜单位面积产值是大田作物的25倍以上，是露地蔬菜的10倍以上，投入产出比可达1:4.5。与露地体系相比，设施蔬菜体系延长了生长季，提高了蔬菜产量，需要更多农业资源的投入(化肥与农药)，是高度集约化农业系统。我国设施菜地每生长季平均总氮投入(包括化肥氮与有机肥氮)远远高于农田生态系统，但其氮肥利用率仅为19.7％。由于大量氮肥施用，导致土壤退化和环境污染问题。“蔬菜作物-土壤-环境-肥料”作为一个有机的设施体系需要可持续性健康发展。肥料的品质与性能将影响蔬菜作物的产量与品质、土壤质量及环境好坏。生物炭作为一种可再生的缓/控释肥料功能材料应用于设施菜地具有提高蔬菜产量和氮素利用效率、降低蔬菜硝酸盐含量、减缓常规肥料硝酸淋洗损失、增汇减排的优势。生物炭还含有传统肥料中不全或含量较低的中量元素(硫、钙、镁、铁、锰、锌、钾、硅)，这些元素随生物炭施入菜地能够促进植株中特定色素和酶的形成，催化植株蛋白质和维生素c的合成，进而改善蔬菜品质和增加可溶性糖含量。此外，高氮投入的菜地生态体系n2o排放量占农业生态系统总排放量的20％，而农业生态系统在降低因农业导致的全球温室气体排放量方面具有重要作用。因此，在设施蔬菜的生产上实现“低碳”极为必要，生物炭基肥料在设施菜地的应用将农作物秸秆资源充分利用，并弥补了生物炭单独施用时养分不足和添加量大的问题，使设施蔬菜生产发展可持续化，符合低碳农业发展方向。技术实现要素：本发明的第一个目的是为了解决我国设施菜地氮肥利用率低和农作物秸秆废弃物利用率低的问题，提供一种缓释生物炭基氮肥。经实地操作验证，该肥料既能提高设施蔬菜产量，又能减少氮素损失，不仅减少设施菜地过量氮肥施用所造成的环境污染问题，并对大量农作物秸秆的循环利用具有重要价值。本发明的第二个目的是提供上述缓释生物炭基氮肥的制备方法。本发明的第三个目的是提供上述缓释生物炭基氮肥的应用。本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：一种缓释生物炭基氮肥，所述生物炭基氮肥由包括氮肥、生物炭和凹凸棒土制成。进一步的，所述氮肥、生物炭和凹凸棒土的重量比为100：65:35。更进一步的，所述生物炭采用限氧升温法处理玉米秸秆制得；所述氮肥为尿素。上述缓释生物炭基氮肥的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将玉米秸秆烘干粉碎，采用限氧升温法进行处理，得生物炭；(2)凹凸棒土进行纯化处理；(3)将步骤(1)得到的生物炭、步骤(2)纯化处理后的凹凸棒土与氮肥混合，加入海藻酸钠溶液，充分搅拌均匀，然后滴加氯化钙溶液，成球，过滤，风干，得颗粒状缓释生物炭基氮肥。进一步的，所述步骤(1)中，生物炭的制备方法为：将玉米秸秆烘干，粉碎后过1mm筛，碎粉后的玉米秸秆通过60℃恒温干燥，然后置入耐超高温的反应釜中，升温从20℃到120℃，升温时间为20min，保持20min后，升温至200℃，升温时间为20min，保持20min后，升温至500℃，升温时间为60min，然后在制作温度500℃下，保持30min，然后停止加热，自然冷却降温至室温，打开反应釜，得到生物炭；所述步骤(2)中，凹凸棒土的纯化方法为：凹凸棒土原矿除砂后，粉碎原矿，用蒸馏水浸泡24h，加入0.5wt％六偏磷酸钠溶液，高速搅拌进行分散，搅拌时间60min，静置10min，分层，分离出上层悬浮液，干燥、粉碎；所述步骤(3)中，所述海藻酸钠溶液的浓度为5wt％，所述氯化钙溶液的浓度为1mol/l，生物炭、凹凸棒土和氮肥的混合物与海藻酸钠溶液的质量体积比为1:2kg/l。上述缓释生物炭基氮肥在蔬菜种植中的应用。本发明以废弃物玉米秸秆和常用氮肥尿素为原料，制作生物炭基肥，是一种具有减少设施菜地氮素损失和改善土壤质量作用的生物炭基氮肥和技术。本发明与其它材料和方法相比有如下特点：(1)玉米秸秆纤维量高，在原料处理中粉碎成大小不超过1mm，采用限氧升温法制备生物炭时，可缩短制备时间；(2)与单纯使用生物炭炭基材料相比，添加凹凸棒土可以提高生物炭基肥的比表面积与总孔容；(3)与单纯使用生物炭基材料相比，尿素与生物炭基材料、凹凸棒土按一定比例掺混制备的生物炭基肥料具有较好的氮素缓释效果；(4)制备的生物炭基肥不仅可以提高茼蒿的产量，而且提高氮肥利用率，并减少氮素淋洗损失。本发明具有以下有益效果：本发明提供的缓释生物炭基氮肥，以玉米秸秆为原料制成生物炭，与常规氮肥尿素和凹凸棒土按照一定比例掺混而成，得到的生物炭基氮肥质量好，既能提高设施蔬菜产量，又能减少氮素损失。该肥料及其制备方法值得推广，不仅减少设施菜地过量氮肥施用所造成的环境污染，并对大量玉米秸秆的循环利用具有重要价值，为进一步提升大宗农业废弃物的生态和经济价值提供技术支持。附图说明图1为本发明制备的三种生物炭基氮肥m100、m65、m65+35的水中溶出试验氮素累积释放率。具体实施方式以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。一种缓释生物炭基氮肥的制备方法和应用选取玉米秸秆作为原材料，以反应釜为制作设备，采用限氧升温法使秸秆高温裂解，制作生物炭。制作的生物炭进行碎化处理，与尿素和凹凸棒土按照一定比例掺混，制成生物炭基氮肥。以茼蒿为供试作物，对制备的生物炭基氮肥进行蔬菜盆栽试验。实验室内测试生物炭及生物炭基氮肥的理化性质。测定茼蒿产量以及氮肥利用率。采用的工具包括：反应釜、干燥箱、干燥器、研磨粉碎器，以及孔隙度、比表面积、热重参数、碳、氮、磷含量测试设备，以及土壤取样器等相关工具。具体步骤如下：(1)选择当季玉米秸秆，烘干作为制作生物炭的原材料。(2)碎化处理。由于玉米秸秆纤维含量高，烘干后的玉米秸秆经粉碎机粉碎后过1mm筛。(3)生物炭制作方法为限氧升温法。碎粉后的秸秆原料通过60℃恒温干燥，然后置入耐超高温的反应釜中，制作温度为500℃；升温从20℃到120℃，升温时间为20min，保持20min后，升温至200℃，升温时间为20min，保持20min后，升温至500℃，升温时间为60min，而后在制作温度500℃模式下，保持30min，然后停止加热。待反应釜自然冷却降温至室温，打开反应釜，将制作的生物炭放入玻璃容器内室温储存。(4)凹凸棒土的纯化。凹凸棒土除砂后，粉碎原矿，称取少量原矿，加入蒸馏水浸泡24小时，加入少量0.5wt％六偏磷酸钠溶液作为分散剂，高速搅拌方式分散凹凸棒石，搅拌时间60min，静置10min，分层，分离出上层悬浮液，干燥、粉碎。(5)生物炭基氮肥的制备方法：称取相应比例(见表1)的生物炭、凹凸棒土和尿素，以制备好的玉米秸秆生物炭为肥料载体，应用5wt％海藻酸钠(sa)溶液与1mol/l氯化钙溶液成球原理。将生物炭、凹凸棒土与普通尿素通过掺混制成颗粒状生物炭基氮肥。(6)生物炭基氮肥的制备过程：称取相应比例(见表1)的尿素、生物炭和凹凸棒土，置于塑料盆，充分混匀，称重，然后加入一定体积的5wt％海藻酸钠(sa)溶液，生物炭、凹凸棒土和尿素混合物质量与sa溶液体积比为1:2kg/l，充分搅拌均匀，然后用塑料滴管向固液混合物中滴入1mol/l氯化钙溶液，成球，过滤，自然风干，制得的生物炭基氮肥表示为m100、m65与m65+35。(7)采用ph计(phs-3c型)测定生物炭和生物炭基氮肥的ph值，结果见表2。(8)干燥生物炭基氮肥经球磨仪磨细后过18目筛，称取20～30mg，用元素分析仪在cn模式下分析测定全碳和全氮含量，结果见表2。(9)采用气体吸附bet法分析比表面积及孔径(比表面积、总孔容、微孔表面积、微孔容和平均孔隙宽度)：通过nova2200e表面积分析仪(tristar3200,micromeritics,usa)分析，结果见表2。(10)将上述三种生物炭基氮肥进行水中溶出试验。采用欧洲标准委员会规定的方法，即在25℃进行恒温培养，比较研究上述三种生物炭基氮肥在水中的溶出特点。(11)水中溶出试验具体步骤如下：准确称取5g试制的3种生物炭基氮肥放入尼龙网袋(100目)中，置于三角瓶内，按水肥比20:1的比例加入蒸馏水。然后置于恒温培养箱，分别在培养的第1d，2d，3d，4d，5d，6d，7d，将滤网袋取出，浸水液用作待测液，滤网袋则放入另一相同体积的三角瓶内并加入等体积蒸馏水，继续放入恒温培养箱中培养。(12)将上述获得的待测液过滤，零度下冰箱保存用于测定全氮含量，结果见图1。(13)生物炭基氮肥的动力学特性拟合：对25℃培养温度下三种生物碳基氮肥。全氮养分随时间变化的释放累积率分别用一级动力学方程和elovich方程进行拟合，结果见表3。表1生物炭基氮肥原料用量表2玉米秸秆生物炭与生物炭基氮肥的理化特性基本性质生物炭(mb)m100m65m65+35ph10.066.596.36.65c(％)49.6433.331.224.9n(％)4.4315.418.816.9c/n11.22.21.71.5比表面积sbet1(m2/g)9.40731.24970.25043.2432微孔表面积smicro2(m2/g)2.6422–––总孔容vt3(cm3/g)0.0134750.0043610.0013950.018118微孔容vmicro4(cm3/g)0.000602-0.0000440.000043-0.000385平均孔宽dave5(nm)5.7294613.959722.2898622.34573表325℃下生物炭基氮肥全氮养分在水介质中释放动力学参数由表2和表3，综合所制备的生物炭基氮肥的n含量、比表面积、总孔容参数以及水浸出试验累积氮素释放率和动力学参数，与其它两种生物炭基肥相比，m65+35具有较好的氮素缓释效果。肥效试验具体方法如下：(1)将m65+35生物炭基氮肥在日光温室进行肥效实验。(2)以不施肥和常规氮肥施用种类尿素为对照。(3)按照茼蒿常规氮素施肥量，确定三个氮肥施用梯度，分别为340kgnha-1(常规氮肥用量)、272kgnha-1(常规氮肥用量减少20％)与170kgnha-1(常规氮肥用量减少50％)。(4)采用微型渗漏仪装置进行蔬菜种植试验，以茼蒿为供试作物，多年种植菜地土壤为供试土壤。(5)微型渗漏计装置分3部分：内部的pvc管直径20cm，长40cm，用于取原状土柱，下部为可卸堵头，堵头内为过滤层，下部有多个小孔便于渗水；外部pvc管直径24cm，长45cm，底部为斜面，管壁粘有通到斜面底部的小管，用于取滤液；第三部分为外接抽滤装置，可采用注射器或者真空抽气泵。(6)将微型渗漏计装置埋入土壤。然后在土柱底部放一张尼龙网(100目)圆片，铺一层2cm厚的8目石英砂，再在其上放置一张尼龙网片。然后装过2mm筛的20-40cm风干土，接着将0-20cm的风干土与肥料混匀后装入土柱，按土壤田间持水率的80％调节土壤含水量，最后进行播种。(7)每次灌水后，采集渗漏计中淋洗液，并进行淋洗液体积和氮含量测定。(8)分析生物炭基氮肥施用对菜地种植体系氮素淋洗的影响。(9)在茼蒿达到商品收获指标时，进行收获，测定商品鲜重。(10)同时测定不同处理中茼蒿样品的氮素含量，计算氮素吸收量，并分析生物炭基肥的氮肥利用率。表4不同处理的茼蒿鲜重、氮素吸收量、氮肥利用率和氮素淋洗量由表4，制备的生物炭基氮肥(m65+35)不仅可以提高茼蒿的产量，而且明显提高了氮肥的吸收量利用率，并大大减少氮素淋洗损失，说明本发明的生物炭基氮肥具有良好的缓释效果。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12