一种改善土壤理化性质和增加土壤微生物活性的生物炭基组合物及其制备方法与流程

本发明属于农业领域，具体涉及一种改善土壤理化性质和增加土壤微生物活性的生物炭基组合物及其制备方法。

背景技术：

土壤退化是制约我国农业可持续发展的主要问题，多数集中在经济较发达地区，其中华南地区酸性土壤的退化较为多见。

华南地区是我国典型的南方集约农区，人口稠密、水土资源丰富，但人均土地占有量少。在长期人多地少的集约农业发展过程中，作为农业发展载体的水土资源出现了：水土流失、土壤酸化、贫瘠化、潜育化、石漠化、土壤污染、沙化等问题，导致土壤退化现象严重。土壤生态环境恶化，各项土壤退化条件，造成土壤“蚀、浅、沙、瘦、旱”与土壤“库”容小，土壤给“源”少，土壤生产力下降，严重影响农业生产。究根结底，土壤退化现象的发生受气候因素、土壤利用情况、社会经济发展因素等因素共同影响。土壤退化致使土壤生产能力丧失、土壤生态环境功能衰竭。因此，如何对土壤改良从而增加土壤肥力已经成为迫切的需要。

土壤退化或受损会影响到土壤微生物的多样性。土壤微生物数量、种类及其组成会随土壤受污染与退化的程度发生变化，由此可以反映出一个生态系统的受损程度或恢复潜力，一般来说，土壤退化或受损对土壤微生物的数量及种类产生的是负面影响。土壤退化所产生的土壤酸化、重金属污染等问题，会使得土壤铝离子和重金属离子增多，对作物产生毒害，同时会抑制土壤微生物的活动，并对水体酸化产生极大的影响。

生物炭是一种新兴的环境修复材料，它是在缺氧条件下热裂解所形成的产物，含碳量多在70％以上。木材、畜禽粪便、植株残渣、甚至城市污泥等都可以作为生物炭的原料。研究表明，在土壤中加入生物炭可以对土壤中的碳进行固定，阻止其通过co2的形式向大气排放；对有机污染物和重金属进行吸附固定，降低其活性；改善土壤的ph；提高土壤持水能力等积极效应。

但多数研究室利用泥炭和碱渣、石灰等碱性调节剂复配制备炭基土壤调理剂，用于治理污染土壤。然而，污泥一般含有重金属和有机污染物等有害物质，存在巨大的环境风险。而且对于土壤微生物数量、种类以及组成的研究较为少见。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改善土壤理化性质和增加土壤微生物活性的生物炭基组合物。

本发明的又一目的在于提供上述生物炭基组合物的制备方法。

本发明将利用农业生产过程中产生的废弃物作为生物炭原料，添加有机肥料并进行造粒，提供一种既能改良土壤性状又能增加土壤微生物活性的生物炭基组合物。

本发明生物炭基组合物的原料为：生物炭和有机肥；两者均由农林废弃物制得。本发明还提供了一种上述生物炭基组合物在土壤改良中的应用，本发明还提供了一种上述生物炭基组合物在增加土壤微生物活性中的应用。本发明可有效增加土壤中有机碳的含量，改善土壤的ph，进一步地，提高土壤中土壤微生物的活性。本发明制备的生物炭基组合物疏松多孔、比表面积大，含有大量有机物等，在农业生产中有广大的应用前景。

本申请组合物中的丹参，其咖啡酸的含量与c循环功能菌相关，丹参酮iia含量与n循环功能菌相关，丹酚酸a含量与n/p，n/s相关功能菌的比值相关，丹参的存在可以使纤维素分解菌、与s、p元素循环相关的磷细菌、硫化菌和芳香族化合物菌群的数量和活力上升。

本发明所采取的技术方案是：

本发明提供了一种生物炭基组合物，包括以下组分：丹参、生物炭、有机肥、分散剂、粘附剂和腐殖酸。

根据本发明的实施例，有机肥包括家畜粪便、糠醛渣、豆粕、糖类。

根据本发明的实施例，按照重量份计，丹参10-16份、生物炭50-80份、家畜粪便34-36份、糠醛渣10-15份、豆粕12-16份、糖类4-7份、分散剂0.5-4份和粘附剂0.6-3份。

根据本发明的实施例，所述生物炭选自小麦秸秆、花生壳、水稻壳和木屑。

根据本发明的实施例，所述家畜粪便选自猪粪、牛粪。

根据本发明的实施例，所述糖类为植物多糖，所述植物多糖选自壳聚糖、酵母多糖的至少一种。

本发明提供了一种生物炭基组合物的制备方法，包括：

1)按照前面任一所述组分称取；

2)将有机肥、糠醛渣、豆粕、糖类和丹参混合发酵，再加入腐殖酸得到有机肥成品；

3)将生物炭、有机肥成品、分散剂和粘附剂混合，粉碎，与黏合剂混合造粒，干燥即得生物炭基组合物。

根据本发明的实施例，步骤2)发酵温度40-50℃，发酵时间34-48h。

根据本发明的实施例，步骤3)所述生物炭制备方法，将生物炭在氮气氛围400-520℃保温，研磨，使用碱性溶液活化，洗涤烘干即得。

根据本发明的实施例，所述保温时间3-4h；所述碱性溶液选自氨水、氢氧化钾、碳酸钾的至少一种。

本发明的有益效果是：

1)改良退化土壤的效果显著。本发明制备的生物炭基组合物可以增加土壤中的矿质养分含量；生物炭具有表面结构疏松多孔、比表面积大，吸附能力较强等特性，可以为土壤微生物的良好栖息环境，为土壤有益微生物提供保护；生物炭的吸附作用也能够长效、稳定钝化农田土壤中的有害重金属，减少其生物有效性；有机肥可以增加土壤中的有机质，改善土壤理化性质，增强土壤保肥保水能力。

2)生物炭基组合物的材料来源广泛，生物炭和有机肥等原料选自工农业废弃物，工艺简单，成本低廉；易于大规模工厂化生产。

3)安全环保，对环境友好。本发明采用的生物炭基组合物及其应用方法，还可以增加土壤碳汇，减少温室气体的排放。原材料经过无害化处理，在应用过程中不会产生二次污染。

4)腐植酸是土壤生命的承载者，为微生物提供碳源、氮源并伴其终身，对微生物的数量、种类、多样性具有促进作用。

5)既能充分利用中药提取后产生的废弃物，实现废物利用，又能为农业生产提供一种具有杀菌、防治病虫害，且营养成分丰富的有机肥。中药渣的加入可以增加土壤中真菌、细菌和放线菌的数量及呼吸量，效果最佳。利用丹参中药渣中功效成分丹参酮的，可以提高作物的抑菌性和抗病性。

附图说明

图1不同处理对结球甘蓝产量的影响，其中t1是实施例2中的生物炭基组合物，t2是普通商品有机肥组合(不含中药渣)的生物炭基组合物，t3是实施例2所制备的生物炭成品；t4是实施例2所制备的生物炭基组合物。

具体实施方式

实施例1(生物炭基组合物1)

将小麦秸秆进行干燥后，粉碎成生物质粉末。在氮气氛围下，以每分钟10℃的速度，在60分钟内升温至500℃，保温反应4h，然后冷却至室温，得到生物炭粗成品；生物炭粗成品经过研磨，过60目筛，再用氨水活化、洗涤并烘干，得到小麦秸秆生物炭成品80份。

猪粪18份；牛粪18份；糠醛渣15份；豆粕14份；糖类(壳聚糖)6份，中药渣(主要成分为丹参)10份。所述原料按配比混合均匀进行发酵，其中，发酵温度45℃，发酵时间36h，烘干。加入沸石粉3份，腐殖酸5份，得到有机肥料成品。

将生物炭、有机肥料成品按照100:20的质量比进行混合均匀，混匀后与分散剂4份(六偏磷酸钠)、粘附剂3份(粘土)在混合机中混合均匀，经超微气流粉碎机粉碎成800目-1000目的细粉；将所得细粉与粘附剂(粘土)的水溶液加入混合器中混合均匀，用挤压造粒机进行造粒，在60℃-80℃下干燥，干燥后即可制得所述生物炭基组合物1。

经过检测，该生物炭基组合物1的理化性质如下：ph10.07，有机质含量73.29％，速效氮17.79mg/kg，有效磷190.35mg/kg，速效钾33112.00mg/kg。

实施例2(生物炭基组合物2)

将花生壳进行干燥后，粉碎成生物质粉末。在氮气氛围下，以每分钟10℃的速度，在60分钟内升温至450℃，保温反应3.5h，然后冷却至室温，得到生物炭粗成品；生物炭粗成品经过研磨，过60目筛，再用氨水活化、洗涤并烘干，得到花生壳生物炭成品50份。

猪粪18份；牛粪16份；糠醛渣13份；豆粕12份；糖类7份，中药渣(主要成分为丹参)16份。所述原料按配比混合均匀进行发酵，其中，发酵温度42℃，发酵时间34h，烘干，加入沸石粉3份，腐殖酸5份，得到有机肥料成品。

将生物炭、有机肥料成品按照100:19的质量比进行混合均匀，将混合物与分散剂0.5份(六偏磷酸钠)、粘附剂0.6份(粘土)在混合机中混合均匀，经超微气流粉碎机粉碎成800目-1000目的细粉；将所得细粉与粘附剂(粘土)的水溶液加入混合器中混合均匀，用挤压造粒机进行造粒，在70℃-90℃下干燥，干燥后即可制得所述生物炭基组合物2。

经过检测，该生物炭基组合物2的理化性质如下：ph9.81，有机质含量76.16％，速效氮126.58mg/kg，有效磷231.89mg/kg，速效钾31000.00mg/kg。

实施例3(生物炭基组合物3)

将水稻壳进行干燥后，粉碎成生物质粉末。在氮气氛围下，以每分钟10℃的速度，在60分钟内升温至400℃，保温反应3.2h，然后冷却至室温，得到生物炭粗成品；生物炭粗成品经过研磨，过60目筛，再用氨水活化、洗涤并烘干，得到水稻壳生物炭成品60份。

猪粪16份；牛粪18份；糠醛渣14份；豆粕15份；糖类6份，中药渣(主要成分为丹参)12份。所述原料按配比混合均匀进行发酵，其中，发酵温度47℃，发酵时间48h，烘干，加入沸石粉3份，腐殖酸5份，得到有机肥料成品。

将生物炭、有机肥料成品按照100:18的质量比进行混合均匀，将混合物与分散剂2份(六偏磷酸钠)、粘附剂2份(粘土)混合机中混合均匀，经超微气流粉碎机粉碎成800目-1000目的细粉；将所得细粉与粘附剂(粘土)的水溶液加入混合器中混合均匀，用挤压造粒机进行造粒，在40℃-60℃下干燥，干燥后即可制得所述生物炭基组合物3。

经过检测，该生物炭基组合物3的理化性质如下：ph9.91，有机质含量75.16％，速效氮86.58mg/kg，有效磷201.89mg/kg，速效钾30000.00mg/kg。

实施例4(生物炭基组合物4)

将木屑进行干燥后，粉碎成生物质粉末。在氮气氛围下，以每分钟10℃的速度，在60分钟内升温至520℃，保温反应3.3h，然后冷却至室温，得到生物炭粗成品；生物炭粗成品经过研磨，过60目筛，再用氨水活化、洗涤并烘干，得到木屑生物炭成品70份。

猪粪18份；牛粪17份；糠醛渣10份；豆粕16份；糖类4份，中药渣(主要成分为丹参)13份。所述原料按配比混合均匀进行发酵，其中，发酵温度50℃，发酵时间40h，烘干，加入沸石粉3份，腐殖酸5份，得到有机肥料成品。

将生物炭、有机肥料成品按照100:18.5的质量比进行混合均匀，将混合物与分散剂1.5份(六偏磷酸钠)、粘附剂1份(粘土)混合机中混合均匀，经超微气流粉碎机粉碎成800目-1000目的细粉；将所得细粉与粘附剂(粘土)的水溶液加入混合器中混合均匀，用挤压造粒机进行造粒，在50℃-70℃下干燥，干燥后即可制得所述生物炭基组合物4。

经过检测，该生物炭基组合物4的理化性质如下：ph9.71，有机质含量70.27％，速效氮66.58mg/kg，有效磷182.89mg/kg，速效钾25000.00mg/kg。

对以上生物炭基组合物进行效果检测。

防病效果和增产差异

发明人在东莞的菜心地开展实验，将实施例2中的生物炭基组合物(t1)与普通商品有机肥组合(不含中药渣，购自广州新农科肥业科技有限公司068)的生物炭基组合物(t2)进行试验比较，施用量均为3000kg/ha。

表1本发明防虫增产效果实验统计

实验结果表明，添加了中药渣的生物炭基组合物(t1)能够增加菜心的产量，与普通商品有机肥组合(不含中药渣)的生物炭基组合物(t2)比较增产12.1％，同时防虫率增加了15个百分点。这些说明添加了中药渣(主要成分党参)的生物炭基组合物可以有效的增加菜心的产量，提高菜心的抗虫率，效果显著。

生物炭基组合物对土壤改良效果的大田试验

试验点位于广东省广州市白云区钟落潭，试验前采集该田块表层土壤(0-20cm)分析，其基本理化性质如表2。

表2试验地土壤基本理化性质

实验步骤：将各生物炭基组合物在种植结球甘蓝前均匀撒入对应小区，并并进行翻耕，将调理剂与土壤混合均匀，生物炭成品和生物炭基组合物的用量均为5000kg/ha，并于一周后播种结球甘蓝。试验共设5个处理，分别是(ck)空白对照无肥；(t1)化肥；(t2)鸡粪有机肥(21t/hm²)；(t3)实施例2所制备的花生壳生物炭成品；(t4)实施例2所制备的生物炭基组合物。每个处理3次重复，随机排列；共15个试验小区。结球甘蓝成熟后检测不同处理组中的产量、对土壤ph值、土壤中有机质的含量土壤酶活性以及微生物活性的影响。结果见图1、表2、表3和表4。

结果：如图1所示，大田条件下使用生物炭基组合物能够提高结球甘蓝的产量，其中实施例2所制备的生物炭基组合物(t4)最为显著，是对照的4.99倍；除对照外，以化肥(t1)处理的结球甘蓝产量最低，是对照的2.95倍；而单独施用有机肥与生物炭成品对产量增产效果相似，分别是对照产量的4.15和4.32倍，施用生物炭基组合物(t4)比单独使用化肥(t1)增产57.1％。

由表3可知，添加生物炭基组合物(t4)可以显著提高结球甘蓝的维生素含量和可溶糖含量，分别是对照的1.17和1.62倍，为所有处理中最佳。但是单独施加化肥(t1)和生物炭成品(t3)会使结球甘蓝中的硝酸盐含量显著增加，生物炭基组合物处理(t4)中的硝酸盐含量与对照相比没有显著差异。

表3各处理组的结球甘蓝品质

表4不同生物炭基组合物对结球甘蓝软腐病的影响

由表4可知，添加生物炭基组合物(t4)可以显著降低结球甘蓝软腐病的发病率，分别比对照和化肥处理(t1)降低了的33.6％和36.1％，为所有处理中最佳。单独施加化肥(t1)和有机肥处理(t2)，与对照相比，发病率没有明显变化，生物炭成品(t3)也降低了结球甘蓝的发病率，但是效果没有生物炭基组合物(t4)优秀。

表5不同生物炭基组合物处理对土壤性质的影响

如表5所示，生物炭基组合物(t4)和生物炭成品(t3)均对土壤性质有显著的改良，与对照相比，施用实施例2所制备的生物炭成品(t2)的土壤ph达到7.46，比对照的ph提高1.31；实施例2制备的生物炭基组合物(t4)提高了1.18，但两者之间差异不显著。施用生物炭基组合物(t4)对土壤有机质含量、速效氮、有效磷、速效钾也均有显著提高，提高效果是处理中最好(除有机质含量外)，实施例2制备的生物炭基组合物(t4)施用后土壤有机质含量、速效氮、有效磷、速效钾分别是对照ck的2.33、3.23、7.29和5.62倍。

表6不同生物炭基组合物处理对土壤微生物的影响

由表6可知，施加有机肥(t2)、生物炭成品(t3)和生物炭基组合物(t4)均可以显著增加土壤的呼吸作用，其中以生物炭基组合物(t4)对土壤呼吸作用提高最显著，是对照的3.87倍，说明其施用可以提高土壤中微生物的活性，使其代谢加快。结球甘蓝收获后，与空白(ck)和单施化肥(t1)相比较，生物炭基组合物(t4)的施加增加了土壤微生物中细菌的数量，但土壤细菌数量最高的是单施有机肥处理(t2)；同时也显著增加了真菌的数量，其中生物炭基组合物(t4)真菌数量最高，为对照的3.40倍；放线菌的数量在施用生物炭基组合物(t4)后高于对照，但显著低于单施化肥(t1)和有机肥(t2)。说明生物炭基组合物(t4)的施加主要影响的是土壤中真菌的数量。

表7不同生物炭基组合物处理对土壤酶活性的影响

由表7可知，施加有机肥(t2)、生物炭成品(t3)和生物炭基组合物(t4)均可以显著提高土壤的酶活性(包括转化酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶)，其中以生物炭基组合物(t4)对酶活性的提高最显著，分别是对照的1.28、2.33、3.23和7.29倍，说明生物炭基组合物(t4)的施用可以提高土壤中微生物的活性，增强土壤中酶的活性。

对产品1、产品3、产品4重复上述实验，得到类似的实验结果，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供了一种生物炭基组合物，所述生物炭基组合物的原料为：生物质和有机肥；所述生物质选自农林废弃物中的任意一种或多种。本发明还提供了一种上述生物炭基组合物在土壤改良中的应用，本发明还提供了一种上述生物炭基组合物在活化土壤中微生物，提高土壤酶活性的应用。经实验测定可得，本发明提供的技术方案，可有效提高土壤的ph，增加土壤有机质含量，提高土壤酶活性和微生物活性；进一步地，提高土壤所种植的农作物的产量，提高作物品质。同时，本发明提供的一种生物炭基组合物，还具有成本低廉、方便易得以及不易造成二次污染的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。