專利名稱：一種炭基土壤改良劑及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及作物栽培領域，具體涉及一種以農(nóng)林廢棄生物質(zhì)顆粒炭化物為基質(zhì)的土壤改良劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
土地是最重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。改革開放以來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的穩(wěn)步提升為我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展提供了強有力的支撐，但同時也在一定程度上透支了土地生產(chǎn)潛能。一方面，化學肥料的長期、大量使用造成肥效下降、土壤板結(jié)、水體污染等一系列問題；另一方面，高強度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地使用導致土壤酸化、沙化等問題日益嚴重，這些都成為制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，改良土壤、培肥地力、提高土壤綜合生產(chǎn)能力對于確保國家糧食安全、支撐國民經(jīng)濟快速發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。土壤改良劑是恢復土壤綜合生產(chǎn)能力的有效方法之一。目前，常見的改良劑有兩種，其一是天然改良劑，以腐殖酸類和多聚糖類為代表，通過烴鏈覆蓋土壤粘粒表面，改變其水合性和脹縮性，形成水穩(wěn)性團粒。其二是人工合成改良劑，包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺制劑、浙青乳劑等，通過粘結(jié)、包膜等方法穩(wěn)定土壤團粒，從而起到改良土壤結(jié)構(gòu)的作用。這些土壤改良劑的生產(chǎn)工藝相對復雜、造價較高，或?qū)儆诨ぎa(chǎn)品、易導致次生環(huán)境污染，在大規(guī)模推廣使用中均存在一定障礙。本發(fā)明提供的環(huán)保型高效炭基土壤改良劑，是以有機的生物質(zhì)顆粒炭為基質(zhì)材料的長效土壤改良劑。本發(fā)明使用的生物炭是農(nóng)林廢棄生物質(zhì)在低氧條件下不完全燃燒形成的黑色生物質(zhì)顆粒炭顆粒(炭黑)，具有良好的孔隙度和較大的比表面積，吸附和保持氮磷鉀等養(yǎng)分的能力強，保水保肥增溫效果顯著。由于其突出的生物化學穩(wěn)定性、抗降解性、以及對微生物的惰性，生物炭比通常的有機添加物更為穩(wěn)定。由此制備的土壤改良劑可以長期、有效地改善土壤團粒結(jié)構(gòu)、優(yōu)化土壤生態(tài)環(huán)境，緩解春旱、倒春寒對作物生產(chǎn)的影響，從而間接提高作物養(yǎng)分利用率和土壤可持續(xù)生產(chǎn)能力，更可將碳有效封存，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)減排，對促進土壤、作物和環(huán)境三者的協(xié)調(diào)發(fā)展和良性循環(huán)具有重要作用，應用前景廣闊。本發(fā)明提供的是一種價格相對合理，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，具有保水保肥增溫和培肥地力功能的，符合旱田耕作環(huán)境的環(huán)保型長效土壤改良劑。在酸化土壤、沙化土壤改良和受污染土壤修復治理中應用潛力巨大。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種炭基土壤改良劑，包含1)生物質(zhì)顆粒炭；和2)鈣鎂磷肥(P2O5 彡 20%，CaO 彡 50%，MgO 彡 13%，SiO2 ^20%)或生石灰(CaO)； 和3)粘結(jié)劑(粘土 )還可進一步包含其它肥料，如尿素、磷酸一銨粉、氯化鉀、硫酸鋅、硼肥、硫酸錳、鉬
3酸銨、硫酸亞鐵、硫酸銅中的一種或幾種。所述的生物質(zhì)顆粒炭為玉米芯顆粒炭、稻殼顆粒炭、花生殼顆粒炭、秸稈顆粒炭、 蘑菇盤顆粒炭中的一種或幾種。生物質(zhì)顆粒炭重量百分比含量為75-85%，優(yōu)選為80%。本發(fā)明進一步提供了炭基土壤改良劑的制備方法，將生物質(zhì)顆粒炭+(鈣鎂磷肥或生石灰)+粘結(jié)劑混合造粒，粒徑3. 35-5. Omm ；或者將生物質(zhì)顆粒炭+(鈣鎂磷肥或生石灰)+粘結(jié)劑+其它肥料混合造粒，粒徑 3. 35-5. Omm0本發(fā)明還進一步提供了炭基土壤改良劑的用途，將所述的炭基土壤改良劑一次性施入農(nóng)田中，施用量30-50公斤/畝，優(yōu)選為40公斤/畝。也可針對不同土質(zhì)調(diào)整使用量。所述的炭基土壤改良劑可在播種時與種肥、底肥配合施入，播種時機械施于種子下12-15cm處或兩穴之間5-10cm深處。與現(xiàn)有土壤改良劑相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、生產(chǎn)工藝簡單，原料易得，成本低廉。本發(fā)明生產(chǎn)的炭基土壤改良劑的基質(zhì)材料為玉米芯、花生殼、稻殼等生物質(zhì)顆粒炭，來自于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的廢棄生物質(zhì)，所用設備為常用的粉碎機、簡易炭化爐、攪拌器、圓盤造粒機等，生產(chǎn)設備簡單，成本低廉，易于產(chǎn)業(yè)化。2、保水保墑增溫、穩(wěn)定性好。本發(fā)明生產(chǎn)的炭基土壤改良劑的基質(zhì)材料為玉米芯、 花生殼、稻殼等生物質(zhì)顆粒炭，具有極強的吸附性、保水性和吸光增溫性。施入土壤以后，不但可以持肥緩釋，減少肥料淋失，而且由于在每個炭粒周圍都可形成一個小的吸光增溫保水區(qū)，可在一定程度上緩解干旱缺水、低溫對作物生長發(fā)育的影響。同時，炭基土壤改良劑理化性質(zhì)穩(wěn)定，長效性突出。3、對環(huán)境友好，安全環(huán)保。本發(fā)明所用的基質(zhì)材料為純有機生物質(zhì)顆粒炭微粒，其主要成分90%以上是穩(wěn)定的碳，理化性質(zhì)穩(wěn)定。既可以長期、持續(xù)地固碳減排，也沒有次生污染，對環(huán)境友好，安全環(huán)保。


圖1中所示為炭基土壤改良劑制成品樣品。
具體實施例方式本發(fā)明是將生物質(zhì)顆粒炭用于制備炭基土壤改良劑，以生物質(zhì)顆粒炭為基質(zhì)。該炭基土壤改良劑可單獨施用，也可與其他產(chǎn)品配合使用。利用生物質(zhì)顆粒炭微孔多、吸附能力強的特點，與鈣鎂磷肥或生石灰(CaO)等復合，并用粘土作粘結(jié)劑，制成顆粒狀炭基土壤改良劑。該土壤改良劑制備工藝簡單、經(jīng)濟環(huán)保、安全高效，有助于提高肥料利用率，降低施肥成本及能耗，適于大規(guī)模推廣應用。炭基土壤改良劑，包含1.生物質(zhì)顆粒炭2.鈣鎂磷肥(P2O5 彡 20%，CaO 彡 50%，MgO 彡 13%，SiO2 ^20%),或生石灰(CaO)3.粘結(jié)劑(粘土 )還可進一步包含肥料，如尿素、磷酸一銨粉、氯化鉀、硫酸鋅、硼肥、硫酸錳、鉬酸銨、硫酸亞鐵和硫酸銅中的一種或幾種。所述的生物質(zhì)顆粒炭為玉米芯顆粒炭、稻殼顆粒炭、花生殼顆粒炭、秸稈顆粒炭或蘑菇盤顆粒炭一種或幾種的混合物，但并不限于此。按重量比或重量百分比含量能夠改善土壤團粒結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)顆粒炭含量為 75-85%，優(yōu)選為80%。其它成分的使用量，本領域技術(shù)人員可根據(jù)公知常識自行調(diào)整。添加的肥料種類不限于上述的肥料，可根據(jù)生產(chǎn)需要，按照作物種類、土肥條件等自行調(diào)整。將生物質(zhì)顆粒炭+(鈣鎂磷肥或生石灰)+粘結(jié)劑混合造粒，粒徑3. 35-5. 0mm。將生物質(zhì)顆粒炭+(鈣鎂磷肥或生石灰)+粘結(jié)劑+肥料混合造粒，粒徑 3. 35-5. Omm0所述的炭基土壤改良劑可一次性施入農(nóng)田中，施用量30-50公斤/畝，優(yōu)選為40 公斤/畝?？舍槍Σ煌临|(zhì)按需施用。所述的炭基土壤改良劑可在播種時與種肥、底肥配合施入，播種時機械施于種子下12-15cm處，或兩穴之間5-10cm深處。所述的鈣鎂磷肥、生石灰、尿素、磷酸一銨粉、氯化鉀、硫酸鋅、硼肥、硫酸錳、鉬酸銨、硫酸亞鐵和硫酸銅在市場上均可買到，在農(nóng)資商店均有售。所述的尿素可以是大顆粒尿素(也稱之為尿素粉)。所述的粘結(jié)劑優(yōu)選為粘土。優(yōu)選的，本發(fā)明是利用專利號是ZL200710086505.4的中國發(fā)明專利所描述的半封閉式顆粒炭化爐生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒炭，正如該專利中所描述的，該半封閉式顆粒炭化爐采用亞高溫條件下缺氧干餾分解工藝生產(chǎn)農(nóng)林廢棄生物質(zhì)顆粒炭。所述的農(nóng)林廢棄生物質(zhì)可以是玉米芯、秸稈、花生殼、稻殼、生產(chǎn)用廢棄蘑菇盤等，但不限于此。通過對不同生物質(zhì)進行炭化，生產(chǎn)出玉米芯顆粒炭、稻殼顆粒炭、花生殼顆粒炭、 秸稈顆粒炭或蘑菇盤顆粒炭等，可進一步加工成粒度為80-100目。實施例1玉米芯顆粒炭示例性生產(chǎn)方法本實施例示例性的描述了利用專利號是ZL200710086505. 4的中國發(fā)明專利所描述的半封閉式顆粒炭化爐生產(chǎn)玉米芯顆粒炭的方法，包括選料、物料加工、裝爐炭化、冷卻出爐、計量包裝等步驟，但并不限于此。選料將農(nóng)副產(chǎn)品的玉米芯自然風干使其含水量降至20%以下。物料加工采用現(xiàn)有技術(shù)中任何破碎方式將上述的合格玉米芯加工粉碎，粉碎后的玉米芯顆粒直徑為2-10mm。粉碎后的玉米芯顆粒可過篩篩選，對于不符合要求的玉米芯顆粒可重新加工。裝爐炭化將加工好的玉米芯顆粒裝入爐體中，最初的物料加入量以覆蓋在燃燒器上10-25厘米為宜。將燃燒器點火盤內(nèi)引燃物點燃。所述的引燃物是柴油。物料被點燃后，持續(xù)自燃，無需外加熱源。物料在150-450°C亞高溫條件下缺氧炭化。當溫度加熱到 150°C以上時，顆粒的復雜結(jié)構(gòu)開始分解；當溫度大于260°C時分解加劇，生成焦油和氣體； 當溫度達到450°C時開始絕氧、霧化，生成黑色炭素顆粒。人工控制爐體內(nèi)缺氧條件。采用 XMT-121型數(shù)字式溫控儀進行監(jiān)測。XMT-121型數(shù)字式溫控儀是本領域的常用儀器，在市場上儀器儀表商店均可買到。當爐體內(nèi)溫度達到450°C時，及時補充物料控制氧氣供應量。 每次追加物料的厚度為6-12厘米。待全部物料添加完畢后，加上一層成品炭覆蓋，厚度為15-30厘米。冷卻出爐當最上一層的成品炭燒紅后(目測即可)，及時噴冷水熄滅爐火，自然冷卻出爐。可根據(jù)需要對出爐的玉米芯顆粒炭進一步粉碎加工成粒度為80-100目的微粒。秸稈顆粒炭、蘑菇盤顆粒炭的生產(chǎn)工藝除原料不同外，其它工藝與本實施例基本相同，可以此實施例作為參考。實施例2花生殼顆粒炭生產(chǎn)方法本實施例示例性的描述了利用專利號是ZL200710086505. 4的中國發(fā)明專利所描述的半封閉式顆粒炭化爐生產(chǎn)花生殼顆粒炭的方法，包括選料、裝爐炭化、冷卻出爐、計量包裝等步驟，但并不限于此。選料將農(nóng)副產(chǎn)品的花生殼自然風干使其含水量降至20%以下。裝爐炭化將清選好的花生殼裝入爐體中，最初的物料加入量以覆蓋在燃燒器上 10-25厘米為宜。將燃燒器點火盤內(nèi)引燃物點燃。所述的引燃物是柴油。物料被點燃后，持續(xù)自燃，無需外加熱源。物料在150-450°C亞高溫條件下缺氧炭化。當溫度加熱到150°C以上時，顆粒的復雜結(jié)構(gòu)開始分解；當溫度大于260°C時分解加劇，生成焦油和氣體；當溫度達到450°C時開始絕氧、霧化，生成黑色炭素顆粒。人工控制爐體內(nèi)缺氧條件。采用XMT-121 型數(shù)字式溫控儀進行監(jiān)測。XMT-121型數(shù)字式溫控儀是本領域的常用儀器，在市場上儀器儀表商店均可買到。當爐體內(nèi)溫度達到450°C時，及時補充物料控制氧氣供應量。每次追加物料的厚度為6-12厘米。待全部物料添加完畢后，加上一層成品炭覆蓋，厚度為15-30厘米。冷卻出爐當最上一層的成品炭燒紅后(目測即可)，及時噴冷水熄滅爐火，自然冷卻出爐。稻殼顆粒炭的生產(chǎn)工藝除原料不同外，其它工藝與本實施例基本相同，可以此實施例作為參考。將實施例1或2生產(chǎn)的顆粒炭用于生產(chǎn)炭基土壤改良劑，所使用的原料顆粒炭可以是玉米芯顆粒炭、稻殼顆粒炭、花生殼顆粒炭、秸稈顆粒炭或蘑菇盤顆粒炭中一種或幾種混合。根據(jù)需要可對出爐的顆粒炭進一步粉碎加工成粒度為80-100目的微粒。實施例3 炭基土壤改良劑生產(chǎn)工藝(1)將生石灰、80目的生物質(zhì)顆粒炭和粘結(jié)劑，按5%、85%和10%的比例混合，用 ZLC-300型攪拌機攪拌均勻。(2)將(1)用圓盤造粒機進行壓力造粒，制成含顆粒炭85%的炭基土壤改良劑。(3)計量、包裝。所述的粘結(jié)劑為粘土。實施例4 炭基土壤改良劑生產(chǎn)工藝按照下述步驟以重量比或重量百分比混合(1)將鈣鎂磷肥、100目的生物質(zhì)顆粒炭和粘結(jié)劑，按10%、80%和10%的比例混合，用ZLC-300型攪拌機攪拌均勻。(2)將(1)用圓盤造粒機進行壓力造粒，制成含顆粒炭80%的炭基土壤改良劑。(3)計量、包裝。所述的粘結(jié)劑為粘土。
實施例5 炭基土壤改良劑生產(chǎn)工藝按照下述步驟以重量比或重量百分比混合(1)將鈣鎂磷肥、80目的生物質(zhì)顆粒炭和粘結(jié)劑，按15%、75%和10%的比例混合，用ZLC-300型攪拌機攪拌均勻。(2)將(1)用圓盤造粒機進行壓力造粒，制成含顆粒炭75%的炭基土壤改良劑。(3)計量、包裝。所述的粘結(jié)劑為粘土。實施例6 炭基土壤改良劑生產(chǎn)工藝按照下述步驟以重量比或重量百分比混合(1)將鈣鎂磷肥、80目的生物質(zhì)顆粒炭和粘結(jié)劑，按10%、80%和10%的比例混
口 O(2)將(1)和硫酸錳、硫酸銅按99%、0. 5%,0. 5%的比例混合，用ZLC-300型攪拌機攪拌均勻。(3)將( 用圓盤造粒機進行壓力造粒，制成含顆粒炭約80%的炭基土壤改良劑。(4)計量、包裝。所述的粘結(jié)劑為粘土。實施例7 炭基土壤改良劑生產(chǎn)工藝按照下述步驟以重量比或重量百分比混合(1)將生石灰、100目的生物質(zhì)顆粒炭和粘結(jié)劑，按10^^80%和10%的比例混合。(2)將(1)和尿素、鉬酸銨、硫酸銅按95^^4^^0.5^^0.5%的比例混合，用 ZLC-300型攪拌機攪拌均勻。(3)將( 用圓盤造粒機進行壓力造粒，制成含顆粒炭接近80%的炭基土壤改良劑。(4)計量、包裝。所述的粘結(jié)劑為粘土。實施例8 土壤改良實驗以實施例6生產(chǎn)的炭基土壤改良劑進行土壤改良實驗。在黑龍江省嫩江縣中儲糧北方公司四場進行了該土壤改良劑試驗。試驗采用大面積示范形式，試驗設對照和改良劑兩個處理，試驗面積2000畝(每個處理1000畝)。種植作物大豆，品種為黑河52，前茬作物為大豆，耕作方式為秋季深松整地，播種方式為平播，保苗株數(shù)為4. 13萬株/畝，施肥方式為秋季整地一次性施入底肥(N P2O5 K2O = 3 4 3，氮肥為尿素；磷肥為二銨；鉀肥為氯化鉀)40公斤/畝，改良劑處理在對照基礎上加入該土壤改良劑40公斤/畝，春季播種時隨種子一起施入。田間管理同生產(chǎn)田。實驗結(jié)果表明，應用本發(fā)明生產(chǎn)的炭基土壤改良劑可使土壤pH值增加約0. 27個單位，可以有效提升應試作物的多個產(chǎn)量性狀。其中，單株癟粒莢數(shù)降為零，單株一粒莢、二粒莢、三粒莢個數(shù)增幅分別為100%、^%和18%，達到4個、22個和13個；單株總莢數(shù)增加9個/株，達到41個/株，增幅28. 1 % ；百粒重為19. 8克，高于對照8. 2%，促進綜合增產(chǎn)8. 7公斤/畝，增產(chǎn)幅度5. 2%。實施例9 土壤改良實驗
以實施例5生產(chǎn)的炭基土壤改良劑進行土壤改良實驗。在黑龍江省佳木斯市黑龍江農(nóng)墾科學院進行了該土壤改良劑試驗。試驗地為重茬地塊，所用大豆品種為墾豐16。施肥方式為播種時一次性施入底肥(N P2O5 K2O = 3 4 3，氮肥為尿素；磷肥為二銨； 鉀肥為氯化鉀)40公斤/畝，改良劑處理在對照處理基礎上加入該土壤改良劑40公斤/畝， 春季播種時隨種子一起施入，種子與肥料保持2厘米距離。種植密度1.83萬株/畝。生育期間常規(guī)管理。實驗結(jié)果表明，該土壤改良劑的應用對株高、結(jié)莢高度的影響不顯著，但能夠顯著增加莖稈直徑，達到0. 78厘米，高于對照18. 75%;分枝數(shù)達到0. 7個，顯著高于對照的0. 17 個；節(jié)數(shù)達到18. 7個，高于對照的16. 8個。該土壤改良劑的應用顯著提高了多項產(chǎn)量性狀。其中，單株一粒莢、二粒莢、三粒莢和四粒莢個數(shù)分別達到9. 9、17. 5、13. 8和3. 4個，與對照相比，增幅分別為32. 0%、 70. 0%,36. 6%和41. 7%0單株莢數(shù)最多為46個，顯著高于對照的31. 2個，增幅達47. 2%； 單株粒數(shù)達到99. 9個，高于對照的68個，增幅達46. 9%。最終產(chǎn)量為6公斤/畝，高于對照的223. 4公斤/畝，增幅17. 1%，增產(chǎn)效果顯著。
權(quán)利要求
1.一種炭基土壤改良劑，其特征在于包含1)生物質(zhì)顆粒炭；和2)鈣鎂磷肥或生石灰；和3)粘結(jié)劑所述的生物質(zhì)顆粒炭為玉米芯顆粒炭、稻殼顆粒炭、花生殼顆粒炭、秸稈顆粒炭、蘑菇盤顆粒炭中的一種或幾種的混合物；生物質(zhì)顆粒炭重量百分比含量為75-85%。
2.如權(quán)利要求1所述的炭基土壤改良劑，其特征在于還進一步含有其它肥料，所述的其它肥料為尿素、磷酸一銨粉、氯化鉀、硫酸鋅、硼肥、硫酸錳、鉬酸銨、硫酸亞鐵、硫酸銅中的一種或幾種。
3.如權(quán)利要求1-2任一所述的炭基土壤改良劑，其特征在于所述的粘結(jié)劑為粘土。
4.如權(quán)利要求1-2任一所述的炭基土壤改良劑，其特征在于生物質(zhì)顆粒炭重量百分比含量為80%。
5.如權(quán)利要求1所述的炭基土壤改良劑的制備方法，其特征在于將生物質(zhì)顆粒炭、鈣鎂磷肥與粘結(jié)劑混合造粒，或?qū)⑸镔|(zhì)顆粒炭、生石灰與粘結(jié)劑混合造粒，粒徑 3. 35-5. Omm0
6.如權(quán)利要求2所述的炭基土壤改良劑的制備方法，其特征在于將生物質(zhì)顆粒炭、鈣鎂磷肥、粘結(jié)劑與其它肥料混合造粒，或者將生物質(zhì)顆粒炭、生石灰、粘結(jié)劑與其它肥料混合造粒，粒徑3. 35-5. 0mm。
7.如權(quán)利要求1-4任一所述的炭基土壤改良劑的用途，其特征在于將所述的炭基土壤改良劑一次性施入農(nóng)田中，施用量為30-50公斤/畝。
8.如權(quán)利要求7所述的用途，其特征在于所述的炭基土壤改良劑在播種時與種肥、底肥配合施入，播種時機械施于種子下12-15cm處或兩穴之間5-lOcm深處。
9.如權(quán)利要求7或8所述的用途，其特征在于炭基土壤改良劑的施用量為40公斤/由ο
全文摘要
本發(fā)明涉及作物栽培領域，具體涉及一種以農(nóng)林廢棄生物質(zhì)顆粒炭化物為基質(zhì)的土壤改良劑及其制備方法。該炭基土壤改良劑含有生物質(zhì)顆粒炭、鈣鎂磷肥或生石灰、粘結(jié)劑，還可進一步包含其它肥料，如尿素、磷酸一銨粉、氯化鉀、硫酸鋅、硼肥、硫酸錳、鉬酸銨、硫酸亞鐵和硫酸銅等。生物質(zhì)顆粒炭是生物質(zhì)在低氧條件下不完全燃燒產(chǎn)生的黑色炭粉顆粒(炭黑)，具有類似土壤腐殖質(zhì)(酸)的多種特性，吸附和保持氮磷鉀等養(yǎng)分的能力強，保水保墑效果顯著。由此制備的土壤改良劑具有改善土壤結(jié)構(gòu)、保水保肥增溫、高效環(huán)保等特點，應用前景廣闊。
文檔編號C09K17/40GK102174330SQ20111003958
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月17日
發(fā)明者劉金, 孟軍, 徐正進, 陳溫福, 韓曉日 申請人:陳溫福