本發明涉及有機肥制備技術領域，尤其涉及一種根際有益微生物-生物炭復合有機肥及其制備方法。
背景技術：
肥料是農業生產的物質基礎之一。世界綠色革命之前，有機肥是肥料的主流。綠色革命之后，化肥替代了有機肥，雖然提高了產量，但也造成土壤肥力退化和環境問題。
一方面，無機肥的大量使用造成土壤肥力的退化和環境的污染。我國正面臨土壤肥力退化、化肥利用效率低、土壤重金屬和抗生素污染的局面。造成這一惡果的原因在于大量化肥的使用、施肥不均衡、不施有機肥或者施用不當。化肥施用不合理之處在于：長期過量偏施氮肥、不注重鉀肥，不注重土壤肥力的保護，造成氮肥和磷肥的流失、環境污染和土壤肥力退化。另一方面，由于大量秸稈和尾菜還田后不能短時間腐熟，導致大量秸稈焚燒現象。尾菜到處丟棄，造成環境污染。而這些有機物質，事實上是有機肥的主要材料，是一種可利用和可再生資源。
傳統的有機肥，包括廄肥、蚯蚓肥、堆肥等，均被認為是一類改良土壤和提供植物營養的可持續優質肥料。但農作物秸稈、包括尾菜可能含有農藥殘留，廄肥也存在重金屬和抗生素殘留污染的風險。而且，由于礦質營養釋放需要土壤微生物降解過程，因而肥效較緩慢。在傳統有機肥自然堆制過程中，通常高達30％的氮素營養以銨態氮的形式流失，營養元素的利用率低。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種根際有益微生物-生物炭復合有機肥及其制備方法，該方法通過將有機質制成生物炭，一方面可生產出清潔的有機肥；另一方面還可提高土壤肥力，增加土壤內C的固定量和植物的養分可利用量；與根際有益微生物的配合使用，還可以有效提高植物根系的生長能力，以及根系對N，P的吸收能力，并能夠催化有機質降解和礦化過程。即滿足作物生長需要，最大程度地促進吸收，減少浪費，同時也達到保持土壤肥力和環境友好的目的。
本發明的第一個目的是提供一種有機肥及其制備方法。
本發明提供的一種有機肥的制備方法，包括如下步驟：(1)將有機質和生物炭混合，得到預混料；(2)對步驟(1)中所述預混料進行堆制發酵，發酵完畢即可得到所述有機肥。
上述的制備方法中，步驟(1)中，所述生物炭可占所述有機質和所述生物炭的混合物的質量的10％～90％，如20％。
本發明中，所述有機質是指來源于生命的物質。所述有機質可為下述a)-c)中的任一種：a)植物源有機質；b)動物源有機質；c)質量比為1：(1～10)(如1：2)的植物源有機質和動物源有機質。所述植物源有機質包括但不限于：農作物秸稈、尾菜、豆餅、沼渣、甘蔗渣、枯枝落葉等農業以及農產品加工業的有機廢料。所述動物源有機質包括但不限于：來自動物飼養的畜禽糞便和廄肥。所述有機質在所述混合之前還包括對其進行粉碎的步驟。
所述生物炭(biochar)是指所述有機質在缺氧、相對溫度“較低”(<700℃)時熱解而產生的一類含碳量較高的高度芳香化惰性固態物質。優選地，制備所述生物炭的有機質為需無害化處理的有機質，從而避免抗生素、農藥殘留等的危害，降低重金屬活性，為有機肥的制備提供清潔的有機肥原料。所述需無害化處理的有機質可為下述1)-3)中的至少一種：
1)含有重金屬和/或有機農藥污染的植物源有機質；
2)含有農膜、塑料等非天然有機質污染物質的植物源有機質；
3)不含或者含有較低量抗生素和重金屬的動物源有機質。
需要注意的是，對于上述2)中的有機質，在進行碳化處理前需要先對非天然有機質污染進行過篩，剔除外來污染物質。在一個或多個具體的實施例中，所述需無害化處理的有機質可為含有重金屬和/或有機農藥污染的植物源有機質(如秸稈)。
所述生物炭的制備方法為本領域技術人員公知的方法，步驟如下：將有機質粉碎后送入含氧量為2～8％(如5％)的密閉容器中進行在300～750℃(如400℃)下燒制30～200分鐘(如30分鐘)，即可得到所述生物炭。
上述的制備方法中，步驟(2)中，所述堆制發酵之前還包括如下步驟：2-1)控制所述預混料的含水量為50％～80％(如75％)；2-2)在經步驟2-1)處理的預混料中添加土壤水解酶；所述土壤水解酶的添加量為所述預混料的質量的0.5～3％(如1％)，折合酶活比為(150萬～900萬)IU/kg(如300萬IU/kg)(酶活比為每公斤原料添加的酶的活性；酶活性指在特定的條件下，1min能轉化1μmol底物的酶量，即1IU＝1μmol/min)；2-3)在步驟2-2)中得到的混合料中添加生物降解劑；所述生物降解劑為蚯蚓和發酵微生物，所述蚯蚓的添加量為0.5～2kg/M3預混料(如1kg/M3預混料)；所述發酵微生物的添加量為5～15億ufc/M3預混料(如10億ufc/M3預混料)。
步驟2-2)中，所述土壤水解酶是催化土壤中各種底物發生水解反應的酶類，通過裂解有機化合物中糖苷鍵、脂鍵、肽鍵、酸酐鍵以及其它鍵，直接參與土壤中有機物的轉化，所述土壤水解酶包括但不限于纖維素水解酶、蛋白水解酶、果膠水解酶等，如植物蛋白水解酶。
步驟2-3)中，所述發酵微生物包括但不限于：芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌、光合細菌、放線菌、固氮菌、解磷細菌和解鉀細菌中的一種或幾種，如ufc比為1:1:1的芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌。所述芽孢桿菌具體可為枯草芽孢桿菌。
上述的制備方法中，步驟(2)中，所述堆制發酵時，堆制高度可為20～200cm(如150cm)；和/或，所述堆制發酵的溫度可為50～80℃(如70℃)，時間可為10～50天(如10天)。
由上述的制備方法制備得到的有機肥料，也在本發明的保護范圍內。該有機肥料中生物炭的添加，一方面可生產出清潔的有機肥；另一方面還可提高土壤肥力，增加土壤內C的固定量和植物的養分可利用量。
本發明的第二個目的是提供一種根際有益微生物-生物炭復合有機肥及其制備方法。
本發明提供的一種根際有益微生物-生物炭復合有機肥的制備方法，包括如下步驟：在上述任一項所述的有機肥料中添加根際有益微生物，即可得到所述根際有益微生物-生物炭復合有機肥。
上述的制備方法中，所述根際有益微生物(plant growth promoting rhizobacteria，簡寫為：PGPR)為根際有益細菌(簡寫為：細菌PGPR)或根際有益真菌(簡寫為：真菌PGPR)，添加量控制在每公斤所述復合肥中含有1×105～2×1013cfu(如2×1013cfu)的根際有益細菌或1×104～2×1013cfu的根際有益真菌。
所述根際有益微生物包括但不限于：枯草芽孢桿菌、根瘤菌、解磷、解鉀微生物；所述解磷、解鉀微生物可為土壤桿菌屬Agrobacterium,節桿菌屬Arthrobacter,固氮菌屬Azotobacter,固氮螺菌屬Azospirillum,芽孢桿菌屬Bacillus,伯克赫爾德氏菌屬Burkholderia,柄桿菌屬Caulobacter,色桿菌屬Chromobacterium,歐文氏菌屬Erwinia,黃桿菌屬Flavobacterium,微球菌屬Micrococcous,假單胞桿菌屬Pseudomonas和沙雷氏菌屬Serratia等。(Bhattacharyya and Jha,2012).詳見Munees Ahemad和Mulugeta Kibret 2013.Mechanisms and applications of plant growth promoting rhizobacteria:Current perspective.Journal of King Saud University–Science(2014)26,1–20。
所述根際有益真菌包括但不限于：主要包括青霉屬(Penicillium)、根霉屬(Rhizopus)、曲霉屬(Asper-gillus)、小菌核菌屬(Sclerotium)、鐮刀菌屬(Fusarium)和菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza)等中的任一種。
由上述的制備方法制備得到的根際有益微生物-生物炭復合有機肥，也在本發明的保護范圍內。該根際有益微生物-生物炭復合有機肥中，有機肥料與根際有益微生物的配合使用，可以有效提高植物根系的生長能力，以及根系對N，P的吸收能力，并能夠催化有機質降解和礦化過程。即滿足作物生長需要，最大程度地促進吸收，減少浪費，同時也達到保持土壤肥力和環境友好的目的。
本發明首次提出在植物源和動物源有機質進行無害化處理，燒結形成生物炭，避免了抗生素、農藥殘留的危害，降低了重金屬活性，形成清潔的有機肥原料。并提出不同來源和處理方式的有機質按比例混合。可以最大程度地減少普通有機肥堆制過程的氮素損失，通常在有機肥自然堆制過程中，高達30％的氮素營養以銨態氮的形式流失，本方法的氮素流失率不高于5％，還減少NH3和其他危害環境的氣體(如NOx強溫室效應氣體)的排放。本技術避免了秸稈焚燒和實際操作性較差的傳統秸稈還田技術，而采用工業化的低溫、低氧燃燒過程來替代秸稈還田的自然腐解過程，采用生物炭還田技術替代目前的秸稈直接還田技術。
所述生物有機肥有效提高營養元素利用率的原因在于：1、有機物穩定性更強，同時能夠更緩慢地從有機改良劑中釋放，這是由于(1)營養元素被物理地固定在非結晶炭合物的適宜的孔隙中；(2)緩慢的生物氧化產生羧基，結合到生物炭結構上縮合的芳香族主鏈的末端，從而提高陽離子交換能力(CEC)；2、生物炭比其他任何形式的有機改良劑更穩定。而利用生物炭提高土壤肥力、同時增加土壤內C的固定量和植物的養分可利用量；3、微生物菌肥有效提高植物根系的生長能力，以及根系對N，P的吸收能力，并能夠催化有機質降解和礦化過程。
本發明具有如下有益效果：
1)將植物源、動物源有機質混合發酵，并將原料進行無害化處理，形成生物炭，發揮其吸附作用，生產出清潔的有機肥；
2)肥料成品中添加了促進植物生長的根際微生物，催化有機質降解和礦化過程，在施入土壤后仍具備之一活性，提高了有機質的礦化效率和土壤磷的降解；微生物菌肥有效提高植物根系的生長能力，以及根系對N，P的吸收能力；
3)按照不同來源有機質進行氮磷鉀肥平衡合理配方，達到肥效的最大化；本產品可補充由農產品產出而帶出田間的氮、磷、鉀等營養元素；避免傳統有機肥的重金屬污染風險；
4)本發明生產的復合肥料將化肥利用效率提高20-30％，同時滿足土壤肥力的恢復和作物營養的需求。該有機生物有機肥的使用提高了氮素使用效率，同時減少淋熔等各類損耗，可以大幅度減少氮肥、磷肥和鉀肥等化肥的使用量；
5)本發明避免了傳統有機肥的抗生素、重金屬、農藥殘留的風險，以及化肥利用效率低的缺點，是清潔高效的復合肥料；
6)本發明復合肥及其制備方法具有如下特點：1、具有良好的物理結構，良好的透氣性，滿足植物根系生長的需要，保水和保肥能力為土壤的10-15倍；2、植物營養元素的速效供應，避免了傳統有機肥肥效緩慢的缺點；3、極大地提高了化肥的利用效率；4、操作簡易、沒有異味、性狀相對穩定；4、無病蟲害源、雜草種子、污染物；5、適合植物生長，符合供貨商向消費者對產品的描述；
7)本發明產品符合感官質量：1、原料來源清潔；2、衛生的、穩定的、腐熟的；3、褐色至黑色，并具有土壤氣息；4、散碎，不干不濕，沒有灰塵；5、容重低，為0.6-0.8g/ml。
8)本發明方法將普遍采用焚燒方式處理的農業廢棄物秸稈，轉化為具有巨大利益價值的生物炭，極大地保護了環境，并為土壤肥力恢復和化肥利用效率提供了有效途徑；與此同時，避免堆制過程的溫室效應氣體排放和氮素損失，同時解決秸稈焚燒和土壤肥力退化兩個問題。
具體實施方式
下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。
下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。
下述實施例中制備生物炭的原料均為需無害化處理的含有重金屬和/或有機農藥污染的植物源有機質植物源有機質，來自玉米、枯枝落葉和尾菜，生物炭的制備步驟具體如下：
1)有機質粉碎和壓縮：將需無害化處理的有機質粉碎。
2)燒制：將上述粉碎后的有機質運到燒制車間，裝入密閉容器中，使密閉容器的含氧量為5％，其中，密閉容器可以是磚混或者泥土結構的窯，也可以是高溫爐。燒制通常采用明火點燃，并保留通氣口和出煙口，出煙口應當配備過濾設備，保障排放不造成空氣污染。燒制過程要根據燃燒情況控制通氣口的大小，避免有氧燃燒，可在含氧量為5％，于400℃下燃燒30min。
3)出爐：燒制完成后，待溫度降到常溫，從出煙口往炭堆適當噴水，以避免生物炭出爐時排放黑色煙塵。
下述實施例中的枯草芽孢桿菌隸屬芽孢桿菌科(Bacillaceae)芽孢桿菌屬(Bacillus)的細菌B.subtilis，在文獻“Nakamura et al，1999”中公開過，公眾可從滄州旺發生物技術研究所有限公司購買得到，產品名稱為“枯草芽孢桿菌”。
乳酸菌Lactic Acid Bacteria，為滄州旺發生物技術研究所有限公司生產的產品，產品名稱為“植物乳酸菌”。
釀酒酵母Saccharomycescerevisiae，為滄州旺發生物技術研究所有限公司生產的產品，產品名稱為“高活性飼料酵母”。
植物蛋白水解酶，為東恒華道生物科技有限責任公司生產的產品，產品名稱為植物蛋白水解酶，產品目錄號為I5032423。
細菌PGPR為假單胞桿菌(Pseudomonas sp.DSMZ 13134)，在文獻“Buddrus-Schiemann等Microb Ecol.2010 Aug；60(2):381-93.Root colonization by Pseudomonas sp.DSMZ 13134 and impact on the indigenous rhizosphere bacterial community of barley.”中公開過，公眾可以從德國SOURCON-PADENA GmbH&Co KG公司處購買得到。
實施例1、制備植物源生物有機肥(生物炭+植物材料(尾菜))
按照如下步驟制備植物源生物有機肥：
(1)將植物有機質尾菜進行機械粉碎，然后與生物炭混合，得到預混料；其中，生物炭的質量為預混料的總質量為的20％。
(2)對步驟(1)中的預混料進行堆制發酵；
堆制發酵之前還包括如下步驟：
2-1)在步驟1)中得到的預混料中添加水，控制混合物的含水量為75％。
2-2)在經上述2-1)處理的預混料中添加有機質降解酶(植物蛋白水解酶)，添加量為預混料的質量的1％(即300萬IU/kg預混料)。
2-3)在上述2-2)中得到的混合料中添加生物降解劑：蚯蚓和發酵微生物(芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌按照ufc比為1:1:1的比例混合)，其中，蚯蚓添加量為1kg/M3預混料；發酵微生物添加量為10億ufc/M3預混料。
堆制發酵的步驟如下：
將步驟2-3)中的混合物制成肥堆(堆制高度為150cm)后，在肥堆表面覆蓋稻草和塑料薄膜，以保持濕度，而稻草的目的是防治生物炭被風吹、流失，并再次吸附銨態氮，避免臭氣和溫室效應氣體的排放。在70℃下堆制10天，如果堆制時氣溫較低，達不到60℃的要求，可以適當延長堆制時間，或者搭建塑料拱棚加溫。堆制車間溫度維持在15-28℃，避光。經過一個高溫堆制周期后，有機質得以充分發酵腐熟，回到常溫一段時間(4個月)，就可以將堆制好的腐熟的有機肥過篩，過2mm的細篩，過篩后的腐熟有機肥(內含生物炭)疏松散碎、富含腐殖質、有益微生物。經檢測無污染、無有害物質。
(3)在步驟(2)中堆制發酵后的產物中添加根際微生物(細菌PGPR)，即可得到根際有益微生物-生物炭復合有機肥。添加量控制在每公斤復合有機肥含細菌PGPR為每公斤2*1013cfu。
感官質量：1、原料來源清潔；2、衛生的、穩定的、腐熟的；3、褐色至黑色，并具有土壤氣息；4、散碎，不干不濕，沒有灰塵；5、容重低，為0.6-0.8g/ml。
成品包裝上市，可用于各種農業生產用的優質有機肥料。每畝建議用肥量800-2000公斤。
實施例2、制備植物源/動物源生物有機肥(生物炭+尾菜+廄肥)
按照如下步驟制備植物源/動物源生物有機肥：
(1)將動物源有機質牛糞、雞糞和豬糞等廄肥中的大塊打碎，過5cm的大孔篩，植物有機質尾菜進行機械粉碎；然后將粉碎后的動物源有機質、植物源有機質與生物炭混合，得到預混料；其中，動物源有機質與植物源有機質的質量比為1：2，生物炭的質量為預混料的總質量的20％。
(2)對步驟(1)中的預混料進行堆制發酵；
堆制發酵之前還包括如下步驟：
2-1)在步驟1)中得到的預混料中添加水，控制混合物的含水量為75％。
2-2)在經上述2-1)處理的預混料中添加有機質降解酶(植物蛋白水解酶)，添加量預混料的質量的1％(即300萬IU/kg預混料)。
2-3)在上述2-2)中得到的混合料中添加生物降解劑：蚯蚓和發酵微生物(芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌按照ufc比為1:1:1的比例混合)，其中，蚯蚓添加量為1kg/M3預混料；發酵微生物添加量為10億ufc/M3預混料。
堆制發酵的步驟如下：
將步驟2-3)中的混合物制成肥堆(堆制高度為150cm)后，在肥堆表面覆蓋稻草和塑料薄膜，以保持濕度，而稻草的目的是防治生物炭被風吹、流失，并再次吸附銨態氮，避免臭氣和溫室效應氣體的排放。在70℃下堆制10天，如果堆制時氣溫較低，達不到60℃的要求，可以適當延長堆制時間，或者搭建塑料拱棚加溫。堆制車間溫度維持在15-28℃，避光。經過一個高溫堆制周期后，有機質得以充分發酵腐熟，回到常溫一段時間(3個月)，就可以將堆制好的腐熟的有機肥過篩，過2mm的細篩，過篩后的腐熟有機肥(內含生物炭)疏松散碎、富含腐殖質、有益微生物。經檢測無污染、無有害物質。
(3)在步驟(2)中堆制發酵后的產物中添加根際微生物(細菌PGPR)，即可得到根際有益微生物-生物炭復合有機肥。添加量控制在每公斤有機肥含細菌PGPR為每公斤2*1013cfu接種單位。
感官質量：1、原料來源清潔；2、衛生的、穩定的、腐熟的；3、褐色至黑色，并具有土壤氣息；4、散碎，不干不濕，沒有灰塵；5、容重低，為0.6-0.8g/ml。
成品包裝上市，可用于各種農業生產用的優質有機肥料。每畝建議用肥量800～1500公斤。
實施例3、制備動物源為主的生物有機肥(生物炭+廄肥)
按照如下步驟制備動物源生物有機肥：
(1)將動物源有機質牛糞、雞糞和豬糞等廄肥中的大塊打碎，過5cm的大孔篩，然后與生物炭混合，得到預混料；其中，生物炭的質量為預混料的總質量的20％。
(2)對步驟(1)中的預混料進行堆制發酵；
堆制發酵之前還包括如下步驟：
2-1)在步驟1)中得到的預混料中添加水，控制混合物的含水量為55％。
2-2)在經上述2-1)處理的預混料中添加有機質降解酶(植物蛋白水解酶)，添加量為預混料的質量的1％(即300萬IU/kg預混料)。
2-3)在上述2-2)中得到的混合料中添加生物降解劑：蚯蚓和發酵微生物(芽孢桿菌、乳酸菌和酵母菌按照ufc比為1:1:1的比例混合)，其中，蚯蚓添加量為1kg/M3預混料；發酵微生物添加量為10億ufc/M3預混料。
堆制發酵的步驟如下：
將步驟2-3)中的混合物制成肥堆(堆制高度為150cm)后，在肥堆表面覆蓋稻草和塑料薄膜，以保持濕度，而稻草的目的是防治生物炭被風吹、流失，并再次吸附銨態氮，避免臭氣和溫室效應氣體的排放。在70℃下堆制10天，如果堆制時氣溫較低，達不到60℃的要求，可以適當延長堆制時間，或者搭建塑料拱棚加溫。堆制車間溫度維持在15-28℃，避光。經過一個高溫堆制周期后，有機質得以充分發酵腐熟，回到常溫一段時間(2個月)，就可以將堆制好的腐熟的有機肥過篩，過2mm的細篩，過篩后的腐熟有機肥(內含生物炭)疏松散碎、富含腐殖質、有益微生物。經檢測無污染、無有害物質。
(3)在步驟(2)中堆制發酵后的產物中添加根際微生物(細菌PGPR)，即可得到根際有益微生物-生物炭復合有機肥。添加量控制在每公斤有機肥含細菌PGPR為每公斤2*1013cfu接種單位。
感官質量：1、原料來源清潔；2、衛生的、穩定的、腐熟的；3、褐色至黑色，并具有土壤氣息；4、散碎，不干不濕，沒有灰塵；5、容重低，為0.6-0.8g/ml。
成品包裝上市，可用于各種農業生產用的優質有機肥料。每畝建議用肥量500～1200公斤。
實施例4、根際有益微生物-生物炭復合有機肥的肥效試驗
一、芹菜肥效試驗
1.1材料
供試材料為芹菜。
1.2試驗方法
本試驗于2015年3月14日至2015年5月12日在中國農業大學科學園日光溫室進行。選取大小長勢一致的幼苗移栽到花盆中，每盆兩株。設定兩個P水平，低P為正常合理P施肥量的50％，高P為合理施肥量。
肥效試驗分為兩組，一組為對照組(CK)，為傳統的普通施肥方式：施用N 120mg/100株，P 80mg/100株，K 150mg/株；另一組為試驗組(處理)，按照實例1、2生產的根際有益微生物-生物炭復合有機肥，按照1:1混合，施肥方式為將2％實例1,2的混合復合有機肥肥加入基質。生長期6周，分別觀察對照組和實驗組的生長狀況和產量。
通過數據統計表中誤差線為SD(n＝7)，采用生物統計ANOVA方法，LSD顯著性水平為p＝0.05：如下表1-表2。
表1、不同處理在兩個磷肥水平下對無土栽培芹菜生物量的影響
注：生物量結果用平均值±標準偏差表示(mean±SE)，不同字母表示在p＝0.05水平上的顯著差異。
表2、不同處理對無土栽培芹菜NPK吸收的影響
注：養分吸收結果用平均值±標準偏差表示(mean±SE)，不同字母表示在p＝0.05水平上的顯著差異。
二、黃瓜肥效試驗
2.1材料
供試材料為黃瓜。
2.2試驗方法
本試驗于2015年3月14日至2015年5月12日在中國農業大學科學園日光溫室進行。選取大小長勢一致的幼苗移栽到花盆中，每盆兩株。肥效試驗分為兩組，一組為對照組(CK)，為傳統的普通施肥方式：施用N 120mg/100株，P 80mg/100株，K 150mg/株；另一組為試驗組(處理)，按照實例3生產的根際有益微生物-生物炭復合有機肥，施肥方式為將3％實例3的復合有機肥肥加入基質。生長期8周，分別觀察對照組和實驗組的生長狀況和產量。
通過數據統計表中誤差線為SD(n＝7)，采用生物統計ANOVA方法，LSD顯著性水平為p＝0.05：如下表3。
表3、不同處理在無土栽培黃瓜NPK吸收的影響
注：養分吸收結果用平均值±標準偏差表示(mean±SE)，不同字母表示在p＝0.05水平上的顯著差異。