一种用于固碳减排的栽培基质及其制备方法

1.本发明涉及农业领域，尤其是园艺栽培和农业肥料领域，具体为一种用于固碳减排的栽培基质及其制备方法。


背景技术：

2.无土栽培是未来设施农业的重要形式，目前我国的无土栽培多以基质栽培为主。由于基质中的草炭为难以再生资源，因此基质的生产成本居高不下，特别是国外优良草炭的价格较高，在生产中难以利用。
3.此外，现有的栽培基质由于其组成成分等原因价格高昂，且功能单一，不具备固碳减排和作物增产的功能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：为了解决现有的栽培基质功能单一，不具备固碳减排和作物增产的作用的问题，本发明提供一种用于固碳减排的栽培基质及其制备方法，通过在栽培基质的配方中添加生物炭与硝化抑制剂，生物炭性能稳定能够减少基质的温室气体排放实现了提供一种具备固碳减排和作物增产的作用的栽培基质及其制备方法。
5.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
6.一种用于固碳减排的栽培基质，按体积百分比，包括：生物炭2-10份、泥炭40-48份、堆肥18-22份、珍珠岩14-16份、蛭石14-16份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg。
7.可选的，按体积百分比由以下原料组成：按体积百分比由以下原料组成：生物炭4份、泥炭46份、堆肥20份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg。
8.可选的，所述硝化抑制为3-甲基吡唑、双氰胺、3，4-二甲基吡唑磷酸盐中的任一种。
9.可选的，所述生物炭的碳含量为60-80％，比表面积为200-260m2/g。
10.一种用于固碳减排的栽培基质的制备方法，包括以下步骤：
11.s1、制备生物炭；
12.s2、按预设比例取生物炭及各组分得到第一原料；
13.s3、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
14.可选的，所述s1包括以下步骤：在无氧条件下，选取木质纤维质用炭化炉慢速热解，以预设速率将加热温度升高至预设温度并保温预设时间制成生物炭。
15.可选的，所述木质纤维质为木材、秸秆中的任一种。
16.可选的，所述预设速率为8.5-12℃
·
min-1
。
17.可选的，所述预设温度为200-1200℃。
18.可选的，所述保温预设时间为1-5小时。
19.与现有技术相比，本发明的优点在于：
20.1.本发明所涉及的一种用于固碳减排的栽培基质及其制备方法，通过在栽培基质
的配方中添加生物炭与硝化抑制剂，生物炭性能稳定能够减少基质的温室气体排放；生物质原料经过热解转化成生物炭之后，能够极大的提高原生物质原料中的碳抵御各种降解形式的抗性，这是由于在热解过程中形成了生物炭高凝聚的芳烃结构，使得其能够抵御化学和生物过程的降解；因此在栽培基质的配方中添加生物炭能抑制土壤排放温室气体、改善土壤条件的持续时间，解决现有的栽培基质功能单一，不具备固碳减排和农作物增产的作用的问题。
21.2.本发明所涉及的一种用于固碳减排的栽培基质及其制备方法，通过在栽培基质的配方中添加生物炭与硝化抑制剂，生物炭具有高含碳量、表面微孔结构、比表面积较大、吸附能力较强等优点，生物炭颗粒巨大的表面积和众多的微孔，使得其能够为土壤微生物提供一个良好的微环境，增加对土壤中水分和养分的保持能力；而生物炭具有较高的阳离子交换能力，添加到土壤中后能增加土壤对钾、钙、铵等养分离子的保持能力，从而能够减少农业化肥的流失，增加化肥的利用效率。
22.3.本发明所涉及的一种用于固碳减排的栽培基质及其制备方法，在栽培基质中添加堆肥，堆肥是一种富含有机碳和微生物的腐殖质，施用于土壤后会通过微生物作用进一步转化为土壤中更为稳定的碳，增强土壤作为碳汇的功能，可见在栽培基质中添加堆肥可以进一步增强固碳减排的作用。此外，添加堆肥为栽培基质添加了营养物质可有效增加作物的产量，对于提升产量有重要的意义；在栽培基质中按添加硝化抑制剂，硝化抑制剂是能够抑制铵态氮转化为硝态氮的生物转化过程的化学物质，通过减少硝态氮在土壤中的生成和累积，从而减少氮肥以硝态氮形式的损失及对生态环境的影响。可见，通过在栽培基质的配方中添加生物炭、堆肥并辅以硝化抑制剂实现了多维度固碳减排，堆肥的添加通过堆肥的微生物作用增强了生物炭减少基质的温室气体排放的作用，且微生物作用有效增长了农作物的产量，再添加硝化抑制剂可以与生物炭、堆肥形成联动效应，硝化抑制剂在抑制铵态氮转化为硝态氮的同时，促进了生物炭促进土壤团聚体的生成、堆肥的微生物作用，进一步提高了本发明所涉及的栽培基质的固碳减排的作用。
23.4.本发明所涉及的一种用于固碳减排的栽培基质及其制备方法，本发明的生物炭的碳含量为60-80％，高碳含量使得其促进土壤团聚体的生成的能力显著提升，特别是碳含量在60-80％时，使得土壤固碳的能力进一步提升，而生物炭200-260m2/g的高比表面积使得其具有更多的空隙结构，空隙结构的数量增加使得栽培基质对于大分子有机物的吸附性能显著增加，从而可以更好地改善土壤持水性，降低土壤容重。可见，施加高碳含量与高比表面积的生物炭可有效促进土壤团聚体的生成并增强其稳定性，有利于农田土壤碳固持，固碳减排的作用优越。
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式
26.一种用于固碳减排的栽培基质，按体积百分比，包括：生物炭2-10份、泥炭40-48份、堆肥18-22份、珍珠岩14-16份、蛭石14-16份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg。
27.可以理解地，生物炭具有高含碳量、表面微孔结构、比表面积较大、吸附能力较强等优点，目前被广泛的应用于生产生活的各个方面，是目前最火的研究热点之一。
28.可以理解地，生物炭具有优良的物理结构特性：生物炭颗粒具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，这样的结构可以改善土壤持水性，降低土壤容重。施加生物炭可有效促进土壤团聚体的生成并增强其稳定性，有利于农田土壤碳固持，增强其固碳减排的作用。
29.进一步的，可以理解地，生物炭具有优良的化学组分，生物炭中的碳元素含量极高，一般大于60％，且其主要以高度稳定的芳香环不规则叠层堆积存在。由于生物炭含有大量碳，且其本身的性质如低可溶性高熔沸点、强稳定性，生物炭施用于农田后抗物理、化学及生物分解能力强，可在自然环境中稳定存在数千年，表现出固碳减排。其丰富的孔隙结构与较大的比表面积，使得其能够为土壤微生物提供一个良好的微环境，增加对土壤中水分和养分的保持能力，即可以改善土壤持水性，降低土壤容重。
30.进一步的，可以理解地，施加生物炭可有效促进土壤团聚体的生成并增强其稳定性，有利于农田土壤碳固持。
31.进一步的，可以理解地，生物炭还具有另外一个重要的表面化学特性是具有较高的阳离子交换能力，添加到土壤中后能增加土壤对钾、钙、铵等养分离子的保持能力，从而能够减少农业化肥的流失，增加其利用效率。
32.进一步的，可以理解地，生物炭还具有优良的稳定性特性：生物质原料经过热解转化成生物炭之后，能够极大的提高原生物质原料中的碳抵御各种降解形式的抗性，这是由于在热解过程中形成了生物炭高凝聚的芳烃结构，使得其能够抵御化学和生物过程的降解。生物炭的稳定性能够决定生物炭在土壤中封存的时间、对土壤中温室气体排放抑制的持续时间、改善土壤条件的持续时间等，因此是影响其固碳、减排和农业生产效益获得潜力的关键因素。
33.同时，可以理解地，在栽培基质中添加堆肥，堆肥是一种富含有机碳和微生物的腐殖质，施用于土壤后会通过微生物作用进一步转化为土壤中更为稳定的碳，增强土壤作为碳汇的功能，可见在栽培基质中添加堆肥可以进一步增强固碳减排的作用。此外，添加堆肥为栽培基质添加了营养物质可有效增加作物的产量，对于提升产量有重要的意义。
34.此外，可以理解地，在栽培基质中按照1mg/kg的剂量添加硝化抑制剂，硝化抑制剂是能够抑制铵态氮转化为硝态氮的生物转化过程的化学物质，抑制了土壤中的亚硝化、硝化甚至反硝化过程，从而阻碍了nh4向no
2-、no
3-转化过程，从而提高了提高肥效。通过减少硝态氮在土壤中的生成和累积，从而减少氮肥以硝态氮形式的损失，也降低了氮肥对生态环境的影响。可见，添加硝化抑制剂能够进一步增强固碳减排的作用。
35.需要说明的是，通过在栽培基质的配方中添加生物炭、堆肥并辅以硝化抑制剂实现了多维度固碳减排，堆肥的添加通过堆肥的微生物作用增强了生物炭减少基质的温室气体排放的作用，且微生物作用有效增长了农作物的产量，再添加硝化抑制剂可以与生物炭、堆肥形成联动效应，硝化抑制剂在抑制铵态氮转化为硝态氮的同时，促进了生物炭促进土壤团聚体的生成、堆肥的微生物作用，进一步提高了本发明所涉及的栽培基质的固碳减排
的作用，解决了现有的栽培基质功能单一，不具备固碳减排和农作物增产的作用的问题。
36.在本发明的一些实施例中，具体地，按体积百分比由以下原料组成：生物炭2份、泥炭48份、堆肥17份、珍珠岩14份、蛭石14份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg。
37.在本发明的一些实施例中，具体地，按体积百分比由以下原料组成：生物炭4份、泥炭46份、堆肥20份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg。
38.在本发明的一些实施例中，具体地，按体积百分比由以下原料组成：生物炭10份、泥炭48份、堆肥22份、珍珠岩16份、蛭石16份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg。
39.在本发明的一些实施例中，所使用的硝化抑制剂可选用：3-甲基吡唑、双氰胺、3，4-二甲基吡唑磷酸盐中的一种。优选使用双氰胺。
40.在本发明的一些实施例中，所述生物炭的碳含量为60-80％，比表面积为200-260m2/g。具体的，在某些实施例中，所述生物炭的碳含量为65％，比表面积为225m2/g。
41.可以理解的是，同时生物炭中的碳元素主要以高度稳定的芳香环不规则叠层堆积存在，且其本身的性质如低可溶性高熔沸点、强稳定性，生物炭施用于农田后抗物理、化学及生物分解能力强，可在自然环境中稳定存在数千年，表现出固碳减排。
42.需要说明的是，生物炭的高碳含量使得其促进土壤团聚体的生成的能力显著提升，特别是碳含量在60-80％时，使得土壤固碳的能力进一步提升，而生物炭200-260m2/g的高比表面积使得其具有更多的空隙结构，空隙结构的数量增加使得栽培基质对于大分子有机物的吸附性能显著增加，从而可以更好地改善土壤持水性，降低土壤容重。可见，施加高碳含量与高比表面积的生物炭可有效促进土壤团聚体的生成并增强其稳定性，有利于农田土壤碳固持，固碳减排的作用优越。
43.本发明还提供一种用于固碳减排的栽培基质的制备方法，包括以下步骤：
44.s1、制备生物炭；
45.s2、按预设比例取生物炭及各组分得到第一原料；
46.s3、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
47.在本发明的一些实施例中，所述s1包括以下步骤：在无氧条件下，选取木质纤维质用炭化炉慢速热解，以预设速率将加热温度升高至预设温度并保温预设时间制成生物炭。
48.在本发明的一些实施例中，所述木质纤维质为木材、秸秆中的任一种。具体地，优选秸秆为木质纤维质。
49.在本发明的一些实施例中，所述预设速率为8.5-12℃
·
min-1
。具体地，在本发明的一些实施例中，所述预设速率优选为10min-1
。
50.在本发明的一些实施例中，所述预设温度为200-1200℃。具体地，在本发明的一些实施例中，所述预设温度优选为400℃。
51.在本发明的一些实施例中，所述保温预设时间为1-5小时。具体地，在本发明的一些实施例中，所述保温预设时间优选为3小时。
52.在本发明的一些实施例中，所述s3的混合时间为10-20min。具体地，在本发明的一些实施例中，所述混合时间优选为15min。
53.实施例1
54.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
55.s1、按生物炭2份、泥炭48份、堆肥17份、珍珠岩14份、蛭石14份、硝化抑制剂添加剂
量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
56.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
57.实施例2
58.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
59.s1、按生物炭4份、泥炭46份、堆肥20份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
60.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
61.实施例3
62.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
63.s1、按生物炭10份、泥炭48份、堆肥22份、珍珠岩16份、蛭石16份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
64.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
65.实施例4
66.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
67.s1、按生物炭8份、泥炭42份、堆肥20份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
68.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
69.实施例5
70.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
71.s1、按生物炭9份、泥炭43份、堆肥22份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
72.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
73.实施例6
74.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
75.s1、按生物炭8.5份、泥炭44份、堆肥21份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
76.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
77.实施例7
78.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
79.s1、按生物炭7份、泥炭43份、堆肥22份、珍珠岩14.5份、蛭石14.5份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
80.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
81.实施例8
82.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
83.s1、按生物炭5份、泥炭42份、堆肥22份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
84.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
85.实施例9
86.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
87.s1、按生物炭3份、泥炭46份、堆肥21.5份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
88.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
89.实施例10
90.本实施例提供一种用于固碳减排的栽培基质，具体制备过程包括以下步骤：
91.s1、按生物炭4.5份、泥炭46.5份、堆肥21.5份、珍珠岩15份、蛭石15份、硝化抑制剂添加剂量为1mg/kg的比例取各组分得到第一原料；
92.s2、将第一原料混合均匀得到栽培基质。
93.为了证明本发明所涉及的一种用于固碳减排的栽培基质具有固碳减排和增加产量的效果，因此设计如下试验。
94.1.1试验设计
95.设计5个处理组，两个对照组，各处理组的栽培基质原料的具体组成见表1。
96.表1各实验处理的栽培基质配方
[0097][0098]
以小白菜为研究对象，设置7组(对照组1、对照组2、处理组1-5)小白菜种子在育苗室育苗，10天后分别对应移栽到对照组1、对照组2、处理组1-5的栽培基质中，于温室开始养育并开始施肥，再经过31天种植后收获。整个培植的过程保持除去栽培基质外的所有条件一致。
[0099]
需要说明的是，肥料使用霍格兰营养液，总施肥量为400kgn/hm-2
。总共7个处理组，每个组设置10个重复，分别在施肥后第1，11，21，31天分别取各处理组的气体样品，共7组，再取1组空气作为空白组，用以测定温室气体浓度。
[0100]
1.2试验结果
[0101]
表2.各处理组温室气体浓度和小白菜产量平均值
[0102][0103][0104]
表3.各处理相对于对照处理温室气体和小白菜产量减增情况
[0105][0106]
1.3结果分析
[0107]
参见表2，空白组的co2排放量为754.96
±
9.58ppm，而对照组1、对照组2的co2排放量为1031.02
±
103.05ppm、916.02
±
68.94ppm，可见对照组均较大程度地增大了碳排放；与对照组1、对照组2相比，处理组1-5的co2排放量均比对照组1、对照组2低；同样的，ch4、n2o的碳排放量，也遵循这个规律，即处理组1-5明显减少了温室气体的排放，具有明显的优越性。
此外，参见单株产量，对照组1、对照组2的单株产量分别为18.07
±
0.99g、19.17
±
0.94g；而处理组1-3的单株产量均比对照组高，只有对照组4、对照组5的单株产量相对较低一些。
[0108]
参见表3的结果，可见无论相对于对照组1还是对照组2，co2,ch4和n2o三大温室气体在五大处理组中都有明显减排效果，又以处理1和处理2效果最好，而处理2小白菜产量出现减产，处理2和处理3小白菜增产明显，因此推荐使用处理2和处理3配方。
[0109]
因此，本发明的一种用于固碳减排的栽培基质确具有固碳减排和增加产量的效果，且效果明显。
[0110]
综上所述，本发明所涉及的处理组1-5具有对于减排co2，ch4和n2o三大温室气体有明显的效果，同时大部分处理组对于农作物具有增产的作用，具有优越性，通过在栽培基质的配方中添加添加生物炭、堆肥并辅以硝化抑制剂，生物炭性能稳定能够减少基质的温室气体排放；生物质原料经过热解转化成生物炭之后，能够极大的提高原生物质原料中的碳抵御各种降解形式的抗性，这是由于在热解过程中形成了生物炭高凝聚的芳烃结构，使得其能够抵御化学和生物过程的降解；因此在栽培基质的配方中添加生物炭能抑制土壤排放温室气体、改善土壤条件的持续时间，解决现有的栽培基质功能单一，不具备固碳减排和作物增产的作用的问题。
[0111]
以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。