一种生物质炭及包含有生物质炭的堆肥及其制备方法

摘要

本发明公开了一种生物质炭及其在堆肥中的应用，所公开的生物质炭采用下述方法制备：将植株枝条打碎，在氮气氛围下，在裂解炉中对枝条进行高温加热处理，然后冷却、粉碎过80-100目筛，得到生物质炭。本发明的生物质炭是以植株枝条为原料，在高温下加工制备的生物质炭，将其用于畜禽粪便的堆肥过程不仅减少堆肥过程氮素损失，而且还促进堆肥的发酵腐熟，提高了有机肥的施用效果；提供了一种新的畜禽粪便堆肥化过程中的保氮方法。

说明书

技术领域

本发明属于有机肥料领域，尤其涉及一种包含生物质炭的堆肥及其制作方 法。

背景技术

畜禽粪便是氮素含量相对较高的农业废弃物，在堆肥过程中，有机氮素经过 矿化会形成一些氨基酸、酰胺等中间产物，最终转为无机氮(NH₄⁺-N、N0₃-N)。 氮素的转化既关系到堆肥产品的腐熟度和臭气释放，也关系到氮素损失和堆肥产 品的肥效。

目前堆肥过程中氮素损失在40-70％，氮素损失不仅造成了堆肥肥效的下降， 而且也污染了环境。如何减少堆肥过程中氮素损失一直是人们关心的问题，已有 的畜禽粪便快速堆腐的方法很多，但这些方法过度强调腐熟速度，缺乏必要合理 的保氮措施；虽然有研究尝试加入一些矿粉等保氮材料，但此类材料一方面保氮 能力有限，另一方面也大大增加了堆肥中灰分含量，过量使用会使得堆肥无法满 足国家对有机肥的标准(45％的有机质含量)的要求。

因此，探寻既能保氮，又能促进腐熟、提高有机肥质量的材料和方法显得非 常迫切。

发明内容

本发明公开了一种生物质炭以及应用了该生物质炭的堆肥，与传统的有机肥 相比，本发明通过使用生物质炭不仅能够减少堆肥过程的氮素损失，而且还促进 堆肥的发酵腐熟，提高了有机肥的施用效果；同时，本发明的生物质炭构成了对 果树枝条、农作物秸秆等的再利用，具有极好的经济效益和社会效益。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种生物质炭，采用下述方法制备：将植株枝条打碎，在氮气氛围下，在裂 解炉中对枝条进行高温加热处理，然后冷却、粉碎过80-100目筛，得到生物质 炭。

其中，所用的植株枝条可以是常见的果树枝条，也可以是农作物枝条，包括 但不限于苹果、梨树、杏树等果树枝条、或小麦秸秆或水稻壳等农作物枝条。

优选的，所述植株枝条为苹果枝条，打碎至3-5cm长度。

其中，上述高温处理过程可以根据采用的植株枝条类型、大小等不同进行调 整，当采用苹果枝条时，优选高温处理过程为加热处理的温度为550℃，加热处 理时间为2.5小时。

由于上述生物质炭具有良好的固氮效果，因此本发明还公开了一种包含有生 物质炭的堆肥，包含有上述的生物质炭。

其中，所述生物质炭与基础原料质量和的比例为1：10-50，所述基础原料 包括畜禽粪便和菌糠。

本领域技术人员可以理解堆肥基础原料的概念，通常是采用牛粪、鸡粪、菌 糠等按照一定比例混合作为基础原料，在此基础上加入本发明所述的生物质炭进 行发酵构成了堆肥。

当采用苹果枝条制备所述生物质炭时，优选生物质炭与基础原料的质量比为 1：15-25。

进一步的，本发明还公开了上述堆肥的制备方法，首先将基础原料混合均匀， 然后加入生物质炭，调节水分含量为整个物料的50-80％，充分搅匀，在发酵罐 中进行通气(无菌空气)发酵堆肥，通气量为0.6-0.8m³·(kg·d)^-1。

当采用苹果枝条制备所述生物质炭时，优选的调节水分含量为50-65％。

在上述制备方法中，所述发酵堆肥过程包括升温阶段，高温阶段和降温阶段， 各阶段温度控制为升温阶段的温度为20-50℃，高温阶段为50-70℃，降温阶段 为70-30℃。

在上述制备方法中，发酵堆肥的总时间和每个阶段的时间可以根据实际需要 灵活调整，通常发酵堆肥总时间不低于25天，一股是30-40天。

本发明的技术方案将生物质炭作为保氮材料应用于畜禽粪便的堆肥化过程 中，不仅可以有效提高堆肥中有机氮的含量，而且能够提高堆肥高温阶段的温度， 促进腐熟；所产生的堆肥施用土壤后有利于提高土壤有机碳，能提高土壤的毛管 孔隙度和有效水分。

附图说明

图1显示了畜禽粪便堆腐过程中温度变化；

图2显示了畜禽粪便堆腐过程中全氮含量变化；

图3显示了畜禽粪便堆腐过程中氮素损失率变化；

图4显示了畜禽粪便堆腐过程中酰胺态氮占全氮比例；

图5显示了畜禽粪便堆腐过程中氨基酸态氮占全氮比例；

图6显示了畜禽粪便堆腐过程中矿质氮占全氮比例；

图7显示了畜禽粪便堆腐过程中铵态氮/硝态氮比值；

图8显示了添加生物质炭对有机肥矿化率影响；

图9显示了使用生物质炭对有机肥土壤孔隙状况的影响。

具体实施方式

实施例1：苹果枝条生物质炭的制备

将苹果枝条打碎至3-5cm长度，在氮气氛围下，在裂解炉中对苹果枝条进行 加热处理，加热处理的温度为550℃，加热处理时间为2.5小时；然后冷却、粉 碎过80-100目筛，得到苹果枝条生物质炭。

实施例2：采用生物质炭制备堆肥

以牛粪、菌糠、鸡粪等为原料，按照33.3％：33.3％：33.3％(质量比)进行混 合，然后5％的比例添加生物质炭(占上述混合物料的质量比例)。调节水分含 量为整个物料的60％，充分搅匀，在发酵罐中(100L)进行通气发酵堆肥化试验， 通气量为0.6-0.8m³·(kg·d)^-1(以有机物计)。监测发酵过程的温度变化和氮素 转化，同时做不添加生物质碳的处理作为对照。整个试验重复3次。

实施例3：堆肥理化指标测定

物料发酵开始，每3天进行一次采样，每个采样点采集堆肥的上中下3个层 次进行混合(作为一个样)，部分样品收集于塑料袋中密封，4℃冷藏保存待测， 另一部分样品自然风干后粉碎过1mm筛备用。测定样品的全氮和氮素组成等指 标。

以下为试验结果：

从图1可以看出，添加生物质炭提高了发酵温度：从图中可以看到，在堆肥 过程中温度变化经历了3个阶段即升温阶段、高温阶段、降温阶段。添加生物质 炭的处理在第4d进入高温堆肥阶段(＞50℃)，第9d达到最高温度(67.6℃)， 高温阶段维持了13天，该阶段平均温度为60.3℃。而没有添加生物质炭的堆肥 处理在第6天进入高温阶段，11d达到最高温度(65.0℃)，高温阶段也维持了 13天，高温阶段平均为度为57.5℃。所以，在畜禽粪便的堆肥化过程中，添加生 物质炭可以促进堆肥温度的快速上升，并在高温阶段保持相对较高的温度。

从图2我们可以看到，添加生物质炭提高了腐解产物的全氮含量：随着堆肥 化的进行，全氮含量有所增加，这是由于有机物料的质量减少，氮含量有所浓缩。 在堆肥过程中添加生物质炭，前期由于其稀释作用，全氮含量略有降低，后期使 腐解产物氮含量升高(和没有添加生物质炭的堆肥处理相比)。说明添加生物质 炭具有一定的保氮作用。

从图3可以看到，添加生物质炭降低了堆肥过程氮的损失率：苹果枝条在 550℃下制备的生物质炭具有一定的碱性(pH=11.6)，因此加入的初期阶段氮素 的损失率相对增大(和不添加生物质炭的相比)，但随着腐解的进行，生物质碳 对氮素具有很好的固定和吸附保护作用，可以降低氮的损失率。整个腐解过程(30 天)中添加生物质炭的堆肥，氮素损失率为37％，而没有添加生物质炭的堆肥处 理，氮素损失率为41％，氮素的损失率绝对下降4％，相对降低10％左右。

图4、5显示出添加生物质炭提高了堆肥过程酰胺态和氨基酸态有机氮的含 量：如本领域技术人员所知，畜禽粪便中的氮素以有机氮为主，占整个氮素的 98％以上，其中以蛋白质、多肽、和杂环氮等化合物存在为主。在堆肥化过程中， 这些有机氮化合物会发生水解，在微生物和酶的作用下转化为氨基酸、酰氨态氮 等，并进一步转化为无机氮(氨)。其中部分以氨气形式挥发，造成氮素的损失。 与不添加生物质炭的处理相比，在堆肥化过程中添加生物质炭，在腐解的高温阶 段可以增加酰胺态氮含量，提高酰胺态氮占全氮的比例，同时还提高了堆肥产物 的氨基酸态氮的比例。这是由于生物质炭通过分子间的范德华力、氢键、库仑力 等对酰胺态氮、氨基酸态氮的吸附、固定所致。抑制了这些成分过度快速转化为 无机氮，从而避免氮素过度挥发，降低了氮素的损失率。

在图6中我们可以看到，添加生物质炭降低了堆肥过程中矿质氮的含量：堆 肥中矿质氮即无机氮，包括铵态氮和硝态氮。矿质氮是由有机氮经过氨化作用和 硝化作用转化而来。添加生物质炭后，由于其对有机氮化合物的吸附作用等，尤 其是对氮素转化的中间产物氨基酸态氮和酰胺态氮的吸附和保持，使得无机氮 (铵态氮+硝态氮)在腐解前期有所降低，从而降低了氮素损失的风险。

图7显示出添加生物质炭有效提高了腐熟速度，堆肥过程中NH₄⁺-N、N0₃^--N 的相对变化是堆肥腐熟的重要标志，通常认为当NH₄⁺-N/NO₃^--N≤0.5堆肥已达到 腐熟。在畜禽粪便的堆肥化过程中，NH₄⁺-N/NO₃N的比值呈马鞍型变化，前期逐 渐增大，以NH₄⁺-N的形成为主，后期则以NO₃N形成为主，添加生物质炭的处理， 其NH₄⁺-N/NO₃N的比值相对较低(与不添加生物质炭的相比)，腐解至25天时， 达到腐熟标准(＜0.5)，而未添加生物质炭的处理，则在30天时达到腐熟标准。

在上述基础上，申请人研究了添加生物质炭对有机肥肥效的影响。

将添加或不添加生物质炭制备的有机肥，按一定量装入0.25mm的尼龙网袋 中，然后埋入果园土壤30cm深度土层中(2012年3月15号实施)，分别在埋入 后的180天，360天取出，测定有机物料的总量、分析有机碳的含量，计算有机 碳的矿化率。结果发现，添加生物质炭的有机肥，其有机碳的矿化率都有所降低， 分别比不添加生物质炭的有机肥降低4％和6％(绝对值)，相对降低8.1％和8.5％(见 图8)。说明，添加生物质炭的有机肥，有机碳的稳定性较高，有利于有机碳在土壤 中保存。

土壤孔隙按其大小和功能分为通气孔隙(＞0.02mm)、毛管孔隙(0.02-0.002mm) 和无效孔隙(＜0.02mm)，其中，毛管孔隙是土壤用于保水，并能提供给植物利用的 孔隙。添加生物质炭的有机肥，对土壤的通气孔隙和无效孔隙影响不大，主要增 加了土壤的毛管孔隙(见图9)，使毛管孔度相对提高了14％左右，这对增加土壤 有效水的保持具有重要作用。

申请人在实际应用中还研究了采用梨树、桃树等枝条作为生物质炭的性能和 效果，显示出与苹果枝条相近的作用。

申请人在研究过程中尝试调整了牛粪、菌糠、鸡粪的组成比例(在实验中申 请人尝试了三者的质量范围的组合：(1-3)：(1-3)：(1-3))，发现尽管 在绝对性能上出现了变化，但是生物质炭对其效果的变化是同样的，显示出无论 采用何种组成的基础原料，本发明的生物质炭都可以改善其多方面应用性能。

同时，申请人还研究了堆肥的水分含量对试验结果的影响，发现水分含量在 50-65％范围内对堆肥的性能影响是一致的，在70-80％范围内会略微降低生物质 炭的效果。