一种长效缓释生物炭基有机肥的制备方法

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1.本发明涉及一种长效缓释生物炭基有机肥的制备方法。

背景技术：

2.目前，生物炭基有机肥通常采用农作物秸秆生物炭作为原料，在缺氧和高温条件下热解，形成高度芳香化的固态物质。其主要特点是碳素富含量较高，可以达到75％～95％左右。将生物炭基有机肥应用在农业种植中，可以长期保持稳定结构和多种特性，对土壤环境起到改良作用。生物炭基有机肥可以从多个方面改善土壤环境，使土壤环境更加有利于植物生长。同时可以通过使用生物炭基有机肥提高土壤的肥料养分利用率，从而控制肥料使用量，满足节约成本和环保需求。
3.施氮肥是目前提高农作物产量最直接有效的途径，然而生产中，氮肥的过量施用，氮素释放过快与作物需求不同步，造成了氮素损失和环境污染等问题。因此，开发高肥效、低污染的新型缓释氮肥是多年来肥料研究领域的热点。将施氮肥技术和生物炭基有机肥的结合能够制成生物炭基缓释肥，既降低肥料养分损失过快，提高肥料利用率达到缓释的效果，又能够降低成本，改良上壤。
4.生物炭基有机肥的制作除了需要经过长时间的发酵外，还需要经过混合、造粒、烘干、等工艺，工艺环节多，并且发酵过程的建堆、翻堆难度大，整体工艺时间长，易发生发酵不均匀。

技术实现要素：

5.本发明为了解决上述技术问题，提出一种长效缓释生物炭基有机肥的制备方法。
6.本发明长效缓释生物炭基有机肥的制备方法按照以下步骤进行：
7.步骤一：称取原料：草炭土10～15份、畜禽粪便60～70份、腐殖酸5～10份、秸秆15～20份、粘土5～10份、生物炭5～10份和微量元素1-3份；
8.步骤二：将称取的原料置于发酵池中，再加入原料质量0.15～2％的生物菌剂，然后加入与原料等体积的水，使原料完全浸没在水中，封闭发酵池，进行发酵；发酵过程中保证发酵池中物料始终浸没在水中，发酵5～7天后，物料变为咖啡或黑，发酵结束；发酵过程中，当温度升高于65℃时，打开发酵池，利用曝气装置向发酵池底部曝气，曝气能够对发酵池内物料进行搅拌并降温，温度降至30℃以下时停止曝气；
9.步骤三：向发酵池内补充水至原水位高度的1.2～1.3倍，然后向发酵池内加入黏土，混合均匀后，静置3～5天，期间维持水位高度不变；
10.所述黏土加入量为发酵池内全部物料体积的25～30％；
11.步骤四：向发酵池内加入化学肥料、硬脂酸钙、黄原胶和生物菌剂，混合均匀后，封闭发酵池，进行发酵3～5天，然后打开发酵池静置至发酵池内物料固化成固体；
12.所述化学肥料中含有：碳酸氢铵30-45份、尿素80-105份、硫酸钾45-80份、氯化铵70-95份、氯化钾25-55份、磷酸钾10-35份、钙镁磷肥45-65份；
13.所述化学肥料的添加量为步骤一中生物炭质量的80～90％，硬脂酸钙的添加量为黏土质量的2～2.5％，黄原胶的添加量为黏土质量的2～3％，生物菌剂的添加量为步骤一中原料质量的0.05～1％；
14.步骤五：将发酵池内固化的物料取出，破碎成颗粒，得到生物炭基有机肥。
15.本发明原理及有益效果为：
16.1、本发明进行了两次发酵，第一次发酵完成并向发酵池内加入黏土，黏土在陈化过程中与发酵物料混匀形成浆料，然后再次加入生物菌剂进行二次发酵，二次发酵产生的气体在浆料形成大量气泡，同时加入的硬脂酸钙作为表面活性剂能够降低气泡的表面张力，起到稳定气泡的作用，黄原胶加入后形成的溶液渗入土壤孔隙时，溶液中水分通过蒸发和被土壤颗粒吸附而逐渐散失，导致溶液粘度上升，随着水分的进一步散失，粘度越来越高的黄原胶会促进颗粒胶结，最终固化，形成具有丰富孔隙结构的有机肥固体。肥料中尿素、腐殖酸等物质通过化学键合或者物理吸附方式固定于多孔体系内，在施用后在土壤微生物、土壤离子交换的作用下黄原胶降解，多孔体系内物质释放，具有丰富孔隙结构的有机肥不仅保持了原有的生物炭基有机肥的优点，还具有更长的营养元素缓释周期，稳定的营养元素释放速度；同时由于丰富的孔隙结构使得有机肥具有更好的蓄水保水能力，进一步使得营养物质的释放更加稳定，土壤稳定性和改良土壤的效果更加长效；经监测，本发明有机肥的氮释放期在500天以上，因此能够减少追肥和施氮量。
17.2、本发明长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，发酵池内能够完成全部工艺，不需要进行物料转移，不需要进行翻堆，不采用其他装置，工艺环节少，整体工艺时间短。
18.3、本发明有机肥制备过程中使原料完全浸没在水中，并且采用了曝气搅拌方式，与传统的半固态发酵相比，液态发酵更加均匀、彻底，且能够显著缩短发酵时间。
具体实施方式
19.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
20.具体实施方式一：本实施方式长效缓释生物炭基有机肥的制备方法按照以下步骤进行：
21.步骤一：称取原料：草炭土10～15份、畜禽粪便60～70份、腐殖酸5～10份、秸秆15～20份、粘土5～10份、生物炭5～10份和微量元素1-3份；
22.步骤二：将称取的原料置于发酵池中，再加入原料质量0.15～2％的生物菌剂，然后加入与原料等体积的水，使原料完全浸没在水中，封闭发酵池，进行发酵；发酵过程中保证发酵池中物料始终浸没在水中，发酵5～7天后，物料变为咖啡或黑，发酵结束；发酵过程中，当温度升高于65℃时，打开发酵池，利用曝气装置向发酵池底部曝气，曝气能够对发酵池内物料进行搅拌并降温，温度降至30℃以下时停止曝气；
23.步骤三：向发酵池内补充水至原水位高度的1.2～1.3倍，然后向发酵池内加入黏土，混合均匀后，静置3～5天，期间维持水位高度不变；
24.所述黏土加入量为发酵池内全部物料体积的25～30％；
25.步骤四：向发酵池内加入化学肥料、硬脂酸钙、黄原胶和生物菌剂，混合均匀后，封闭发酵池，进行发酵3～5天，然后打开发酵池静置至发酵池内物料固化成固体；
26.所述化学肥料中含有：碳酸氢铵30-45份、尿素80-105份、硫酸钾45-80份、氯化铵70-95份、氯化钾25-55份、磷酸钾10-35份、钙镁磷肥45-65份；
27.所述化学肥料的添加量为步骤一中生物炭质量的80～90％，硬脂酸钙的添加量为黏土质量的2～2.5％，黄原胶的添加量为黏土质量的2～3％，生物菌剂的添加量为步骤一中原料质量的0.05～1％；
28.步骤五：将发酵池内固化的物料取出，破碎成颗粒，得到生物炭基有机肥。
29.本实施方式具备以下有益效果：
30.1、本实施方式进行了两次发酵，第一次发酵完成并向发酵池内加入黏土，黏土在陈化过程中与发酵物料混匀形成浆料，然后再次加入生物菌剂进行二次发酵，二次发酵产生的气体在浆料形成大量气泡，同时加入的硬脂酸钙作为表面活性剂能够降低气泡的表面张力，起到稳定气泡的作用，黄原胶加入后形成的溶液渗入土壤孔隙时，溶液中水分通过蒸发和被土壤颗粒吸附而逐渐散失，导致溶液粘度上升，随着水分的进一步散失，粘度越来越高的黄原胶会促进颗粒胶结，最终固化，形成具有丰富孔隙结构的有机肥固体。肥料中尿素、腐殖酸等物质通过化学键合或者物理吸附方式固定于多孔体系内，在施用后在土壤微生物、土壤离子交换的作用下黄原胶降解，多孔体系内物质释放，具有丰富孔隙结构的有机肥不仅保持了原有的生物炭基有机肥的优点，还具有更长的缓释周期，稳定的释放速度；同时由于丰富的孔隙结构使得有机肥具有更好的蓄水保水能力，进一步使得营养物质的释放更加稳定，土壤稳定性和改良土壤的效果更加长效；经监测，本实施方式有机肥的氮释放期在500天以上，因此能够减少追肥和施氮量。
31.2、本实施方式长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，发酵池内能够完成全部工艺，不需要进行物料转移，不需要进行翻堆，不采用其他装置，工艺环节少，整体工艺时间短。
32.3、本实施方式有机肥制备过程中使原料完全浸没在水中，并且采用了曝气搅拌方式，与传统的半固态发酵相比，发酵更加均匀、彻底，且能够显著缩短发酵时间。
33.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一称取原料：草炭土15份、畜禽粪便60份、腐殖酸10份、秸秆18份、粘土10份、生物炭5份。
34.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述秸秆的粒径为1～5cm。
35.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述生物炭的制备方法为：将玉米秸秆粉碎，然后在400～500℃和无氧条件下热解24～36h，最后粉碎至粒径为0.3～1cm。
36.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二所述生物菌剂为em原液。
37.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二发酵过程中，当温度升高于65℃时，打开发酵池，利用曝气装置向发酵池底部曝气，曝气能够对发酵池内物料进行搅拌并降温，温度降至25℃时停止曝气。
38.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三所述黏土加入量为发酵池内全部物料体积的25％。
39.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三所述
黏土加入量为发酵池内全部物料体积的28％。
40.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四所述生物菌剂为em原液。
41.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一所述微量元素为氯化锌、氯化铜、氯化镁、氯化铁、氯化亚铁、氯化锰、硝酸铵、硝酸亚铁、硝酸铁、硝酸钾、硝酸锌、硝酸铜、硝酸铈铵、硝酸镁、硝酸锰、硫酸铜、硫酸镁、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸锰、硫酸二氢钾、硫酸锌、磷酸锌、磷酸铜、磷酸氢二钾、过磷酸钙、磷酸锰、磷酸亚铁、磷酸铁、钼酸铵、钼酸钠、碳酸钙、碳酸钾、高锰酸钾中的一种或几种的组合物。
42.实施例1：
43.本实施例长效缓释生物炭基有机肥的制备方法按照以下步骤进行：
44.步骤一：称取原料：草炭土15份、新鲜的畜禽粪便65份、腐殖酸10份、玉米秸秆20份、粘土10份、生物炭10份和微量元素2份；所述微量元素为氯化锌。
45.所述秸秆的粒径为3～5cm；新鲜的畜禽粪便的含水率为40％；
46.所述生物炭的制备方法为：将玉米秸秆粉碎，然后在500℃和无氧条件下热解24h，最后粉碎至粒径为0.5～1cm；
47.步骤二：将称取的原料置于发酵池中，再加入原料质量0.15％的生物菌剂，然后加入与原料等体积的水，使原料完全浸没在水中，封闭发酵池，进行发酵；发酵过程中保证发酵池中物料始终浸没在水中，发酵5天后，物料变为咖啡或黑，发酵结束；
48.发酵过程中，当温度升高于65℃时，打开发酵池，利用曝气装置向发酵池底部曝气，曝气能够对发酵池内物料进行搅拌并降温，温度降至30℃以下时停止曝气；
49.所述生物菌剂为em原液；
50.步骤三：向发酵池内补充水至原水位高度的1.2倍，然后向发酵池内加入黏土(耕作层土壤)，混合均匀后，静置4天，期间维持水位高度不变；加入黏后静置能够使黏土充分陈化，颗粒均化、疏解，进一步湿化和塑化，从而使其成型性能和分散性得到很大提高。
51.所述黏土加入量为发酵池内全部物料体积的25％；
52.步骤四：向发酵池内加入化学肥料、硬脂酸钙、黄原胶和生物菌剂，混合均匀后，封闭发酵池，进行发酵4天，然后打开发酵池静置至发酵池内物料固化成固体；
53.所述化学肥料中含有：碳酸氢铵40份、尿素90份、硫酸钾70份、氯化铵85份、氯化钾35份、磷酸钾25份、钙镁磷肥50份；
54.所述化学肥料的添加量为步骤一中生物炭质量的90％，硬脂酸钙的添加量为黏土质量的2％，黄原胶的添加量为黏土质量的3％，生物菌剂的添加量为步骤一中原料质量的0.05％；
55.所述生物菌剂为em原液；
56.步骤五：将发酵池内固化的物料取出，破碎成颗粒，得到生物炭基有机肥。
57.本实施例长效缓释生物炭基有机肥中肥料中尿素、腐殖酸等物质通过化学键合或者物理吸附方式固定于多孔体系内，在施用后在土壤微生物、土壤离子交换的作用下黄原胶降解，多孔体系内物质释放，具有丰富孔隙结构的有机肥不仅保持了原有的生物炭基有机肥的优点，还具有更长的缓释周期，稳定的释放速度；同时由于丰富的孔隙结构使得有机肥具有更好的蓄水保水能力，进一步使得营养物质的释放更加稳定，土壤稳定性和改良土
壤的效果更加长效。
58.实施例2：
59.本实施例长效缓释生物炭基有机肥的制备方法按照以下步骤进行：
60.步骤一：称取原料：草炭土15份、新鲜的畜禽粪便70份、腐殖酸10份、玉米秸秆20份、粘土10份、生物炭10份；草炭土的有机质含量为70％～80％，秸秆的粒径为3～5cm；新鲜的畜禽粪便的含水率为42％；
61.所述生物炭的制备方法为：将玉米秸秆粉碎，然后在500℃和无氧条件下热解24h，最后粉碎至粒径为0.5～1cm；
62.步骤二：将称取的原料置于发酵池中，再加入原料质量0.15％的生物菌剂，然后加入与原料等体积的水，使原料完全浸没在水中，封闭发酵池，进行发酵；发酵过程中保证发酵池中物料始终浸没在水中，发酵6天后，物料变为咖啡或黑，发酵结束；
63.发酵过程中，当温度升高于65℃时，打开发酵池，利用曝气装置向发酵池底部曝气，曝气能够对发酵池内物料进行搅拌并降温，温度降至30℃以下时停止曝气；所述生物菌剂为em原液；
64.步骤三：向发酵池内补充水至原水位高度的1.2倍，然后向发酵池内加入黏土，黏土为耕作层土壤，混合均匀后，静置4天，期间维持水位高度不变；加入黏后静置能够使黏土充分陈化，颗粒均化、疏解，进一步湿化和塑化，从而使其成型性能和分散性得到很大提高。所述黏土加入量为发酵池内全部物料体积的25％；
65.步骤四：向发酵池内加入化学肥料、硬脂酸钙、黄原胶和生物菌剂，混合均匀后，封闭发酵池，进行发酵4天，然后打开发酵池静置至发酵池内物料固化成固体；
66.所述化学肥料中含有：碳酸氢铵40份、尿素90份、硫酸钾70份、氯化铵85份、氯化钾35份、磷酸钾25份、钙镁磷肥50份；
67.所述化学肥料的添加量为步骤一中生物炭质量的90％，硬脂酸钙的添加量为黏土质量的2％，黄原胶的添加量为黏土质量的3％，生物菌剂的添加量为步骤一中原料质量的0.08％；所述生物菌剂为em原液；所述尿素为硫包衣尿素，n≥31.0％,硫≥8.0％；
68.步骤五：将发酵池内固化的物料取出，破碎成颗粒，得到生物炭基有机肥。
69.种植验证试验：设置实验组和对照组，两组施用肥料不同，其余相同。
70.试验地：吉林省长春市中国科学院东北地理与农业生态研究所2号温室进行，设置实验组和对照组在同一场地进行栽培。
71.试验地土壤及理化性质：取自吉林省长春市万宝镇的粘土土壤；试验地0-30cm土壤理化性质如下：ph为7.4、有机质19.8g/kg、全氮0.50g/kg、碱解氮77.6mg/kg、速效磷20.4mg/kg和速效钾152mg/kg。
72.供试作物品种：吉农大778。
73.播种及管理：连续两年(2020年，2021年)，每年5月2日播种，亩种植密度4100株，播种面积分别为2000m2。病虫草害防治按照常规大田统一管理，生育期内无明显病虫害和杂草发生，收获时间9月28日。
74.施肥：对照组施用玉米专用肥，含氮18％，五氧化二磷10％，氧化钾12％，用量45kg/667m2，播种时一次性施用，期间不进行追肥。实验组第一年施用本实施例长效缓释生物炭基有机肥，用量340kg/667m2，实验组第二年施用本实施例长效缓释生物炭基有机肥，
用量340kg/667m2。
75.实验结果：实验组的玉米产量大幅提高，平均亩产920千克；对照组平均亩产814千克，实验组的试验地土壤的理化性质(每年9月28日测量，取平均值)：有机质32.8g/kg、全氮0.92g/kg、碱解氮128.1mg/kg、速效磷55.4mg/kg和速效钾237mg/kg，第三年中土壤中的氮素含量仍然高于原始土壤。能够看出本实施例有机肥的氮等营养元素释放期长达两年多，且与对照组相比，施用本实施例长效缓释生物炭基有机肥的土壤中放线菌增加了65倍，固氮菌增加了20倍，土壤总空隙平均增加4.8％，自然含水平均增加7.1g/kg，土壤更加的保水、保肥、通气。

技术特征：

1.一种长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：长效缓释生物炭基有机肥的制备方法按照以下步骤进行：步骤一：称取原料：草炭土10～15份、畜禽粪便60～70份、腐殖酸5～10份、秸秆15～20份、粘土5～10份、生物炭5～10份和微量元素1-3份；步骤二：将称取的原料置于发酵池中，再加入原料质量0.15～2％的生物菌剂，然后加入与原料等体积的水，使原料完全浸没在水中，封闭发酵池，进行发酵；发酵过程中保证发酵池中物料始终浸没在水中，发酵5～7天后，物料变为咖啡或黑，发酵结束；发酵过程中，当温度升高于65℃时，打开发酵池，利用曝气装置向发酵池底部曝气，曝气能够对发酵池内物料进行搅拌并降温，温度降至30℃以下时停止曝气；步骤三：向发酵池内补充水至原水位高度的1.2～1.3倍，然后向发酵池内加入黏土，混合均匀后，静置3～5天，期间维持水位高度不变；所述黏土加入量为发酵池内全部物料体积的25～30％；步骤四：向发酵池内加入化学肥料、硬脂酸钙、黄原胶和生物菌剂，混合均匀后，封闭发酵池，进行发酵3～5天，然后打开发酵池静置至发酵池内物料固化成固体；所述化学肥料中含有：碳酸氢铵30-45份、尿素80-105份、硫酸钾45-80份、氯化铵70-95份、氯化钾25-55份、磷酸钾10-35份、钙镁磷肥45-65份；所述化学肥料的添加量为步骤一中生物炭质量的80～90％，硬脂酸钙的添加量为黏土质量的2～2.5％，黄原胶的添加量为黏土质量的2～3％，生物菌剂的添加量为步骤一中原料质量的0.05～1％；步骤五：将发酵池内固化的物料取出，破碎成颗粒，得到生物炭基有机肥。2.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤一称取原料：草炭土15份、畜禽粪便60份、腐殖酸10份、秸秆18份、粘土10份、生物炭5份。3.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤一所述秸秆的粒径为1～5cm。4.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤一所述生物炭的制备方法为：将玉米秸秆粉碎，然后在400～500℃和无氧条件下热解24～36h，最后粉碎至粒径为0.3～1cm。5.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤二所述生物菌剂为em原液。6.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤二发酵过程中，当温度升高于65℃时，打开发酵池，利用曝气装置向发酵池底部曝气，曝气能够对发酵池内物料进行搅拌并降温，温度降至25℃时停止曝气。7.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤三所述黏土加入量为发酵池内全部物料体积的25％。8.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤三所述黏土加入量为发酵池内全部物料体积的28％。9.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤四所述生物菌剂为em原液。10.根据权利要求1所述的长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，其特征在于：步骤一
所述微量元素为氯化锌、氯化铜、氯化镁、氯化铁、氯化亚铁、氯化锰、硝酸铵、硝酸亚铁、硝酸铁、硝酸钾、硝酸锌、硝酸铜、硝酸铈铵、硝酸镁、硝酸锰、硫酸铜、硫酸镁、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸锰、硫酸二氢钾、硫酸锌、磷酸锌、磷酸铜、磷酸氢二钾、过磷酸钙、磷酸锰、磷酸亚铁、磷酸铁、钼酸铵、钼酸钠、碳酸钙、碳酸钾、高锰酸钾中的一种或几种的组合物。

技术总结

一种长效缓释生物炭基有机肥的制备方法，涉及一种生物炭基有机肥的制备方法。为了解决生物炭基有机肥的制作除了需要经过长时间的发酵外，还需要经过混合、造粒、烘干、等工艺，工艺环节多，并且发酵过程的建堆、翻堆难度大，整体工艺时间长，易发生发酵不均匀的问题。方法：称取原料：草炭土、畜禽粪便、腐殖酸、秸秆、粘土、生物炭，发酵池内发酵，向发酵池内加入黏土、化肥、硬脂酸钙、黄原胶和生物菌剂，封闭发酵池进行发酵，然后静置至物料固化成固体，破碎成颗粒。本发明获得的有机肥具有致密孔隙结构，具有更长的缓释周期，稳定的释放速度和蓄水保水能力，工艺环节少，工艺时间短。采用液态发酵更加均匀彻底，且能够显著缩短发酵时间。且能够显著缩短发酵时间。