本發明屬于生物質炭基肥料制備技術領域，尤其涉及一種基于土壤培肥的荷葉炭基肥料及其制備方法。

背景技術：

目前農業生產中，我國單位面積化肥使用量是世界平均水平的1.6倍，全年總用量高達一億多噸。近10年，我國化肥總量增加了90％以上，而對于糧食總產量增加僅為9％左右，氮、磷和鉀肥利用率低，造成了經濟損失和資源浪費的同時，也造成了生態環境污染和土壤質量嚴重惡化。因此，科學合理的使用肥料，改善土壤理化性質，提高土壤肥力，對于農業可持續發展至關重要。

生物炭基肥料主要成分為生物質炭，具有較大的比表面積和較多的孔，含有豐富的有機碳以及礦物營養元素，作為土壤改良劑和肥料施加于土壤，增加土壤有機質、營養元素，提高土壤微生物活性，提高農產品產量，減緩溫室效應。此外，生物炭特殊的物質組成和結構使其具有吸附無機和有機污染物的能力，對改善產地環境，提高農產品質量安全具有重要意義。生物炭施用可改變土壤物理化學性質，增加土壤保水保肥性能，且能增加土壤肥力。生物炭的輕質多孔結構可直接降低土壤容重，增加總孔隙率，能提高土壤肥力并增加土壤有機質的穩定性和含量，與秸稈、綠肥、堆肥等其他增肥措施比，生物炭的穩定性更強，在土壤里面的存留時間更長。生物炭產生的電荷以及巨大的比表面積對土壤和植物所需的營養元素具有較強的吸附作用，減少養分流失，增加土壤保肥性能。同時，生物炭本身含有一定的C、N、P、K等養分，在與土壤生態環境的交互作用下緩慢釋放一些營養元素供作物吸收利用，增加土壤肥力。由于生物炭具有這些良好的理化和生物學特性，合理開發和研究以廢棄生物質為原料的炭基肥料是農村經濟和生態循環農業發展的重要途徑之一。

現有生物炭制備中，熱解炭化方法存在溫度過高、能源消耗過大等缺點，而水熱炭化是指生物質在低氧環境下，通過高溫裂解得到的碳含量極其豐富的炭。且現有技術中沒有報道過將廢棄荷葉為原料的水熱炭化，水熱炭化更適用于廢棄荷葉的處理，因此，本領域亟待一種處理廢棄荷葉的方法。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題之一是提供一種水熱炭化制備廢棄荷葉生物炭基專用肥料的方法，為了實現本發明的目的，所采取的技術方案如下：

一種荷葉炭基肥料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟，

A.將新鮮荷葉清洗干凈，得到生物質材料；

B.將生物質材料置入密封的水熱炭化反應釜中，加入一定比例的水，密閉無氧條件下，進行炭化；其中生物質材料按干重計與水質量比為1：5～1：20；攪拌轉速為100～800r·min^-1；溫度為180～260℃；反應壓強為1.0～4.0MPa，反應時間為2～8h；

C.反應完成后冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌，干燥，即得到荷葉生物炭。

進一步地，步驟B中生物質材料按干重計與水質量比為1：12～15。

步驟B中水熱炭化反應溫度優選為200～220℃；反應壓強優選為2-3MPa。

在本發明的一個優選實施方式中，隔絕空氣條件下，攪拌速度為200r·min^-1；溫度為200℃；時間為6h；比表面積為32.0034m²/g，有機碳含量為510g/kg，全氮含量為9570mg/kg，總磷為2100mg/kg，總鉀含量為3780mg/kg。

本發明另一個目的是提供一種荷葉炭基肥料，其特征在于：所述荷葉炭基肥料的比表面積為1.9642-32.0034m²/g，有機碳含量為402-510g/kg，全氮含量為9100-10500mg/kg，總磷含量為258-2100mg/kg，總鉀含量為3210-4690mg/kg；由以下步驟制備而成：

A.將新鮮荷葉清洗干凈，得到生物質材料；

B.將生物質材料置入密封的水熱炭化反應釜中，加入一定比例的水，密閉無氧條件下，進行炭化；其中生物質材料按干重計與水質量比為1：5～1：20；攪拌轉速為100～800r·min^-1；溫度為180～260℃；反應壓強為1.0～4.0MPa，反應時間為2～8h；

C.反應完成后冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌，干燥，即得到荷葉生物炭。

步驟B中生物質材料按干重計與水質量比為1：12～15。

步驟B中水熱炭化反應溫度優選為200～220℃；反應壓強優選為2-3MPa。

本發明的荷葉炭基肥料可應用于土壤培肥中，可提高土壤有機碳含量、氮、磷和鉀含量，促進作物增產，提高蓮藕淀粉和蛋白質含量。

本發明的具有如下優點：

1.本發明采用水熱炭化技術制備的用于土壤培肥和改良的荷葉生物炭基肥料，比熱解炭化反應條件更溫和，能耗低。

2.采用水熱炭化制備土壤改良生物炭工藝更為簡單，操作容易，更有利于廢棄生物質資源化利用的推廣和應用。

3.以廢棄荷葉為原材料，有利于資源的循環利用，實現農業節能減排，顯著地改善生態環境。

4.以廢棄荷葉為原料的水熱炭含有豐富的蓮藕生長所需的營養元素，且有較高的比表面積，作為蓮藕專用肥，有利于促進蓮藕的生長和增產增收。

5.以廢棄荷葉為原料的水熱炭基肥料，比直接還田增肥增產作用更明顯，同時也降低了土壤病菌增加和作物病害的風險。

附圖說明

圖1是本發明荷葉生物炭基肥料微觀形態的掃描電鏡圖。

圖2是實施例1～4獲得的荷葉炭基肥料在研究基地進行模擬試驗中，收獲期土壤理化性質示意圖。

具體實施方式

若未特別說明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟知的常規手段。

下面結合實施例對本發明作進一步詳細描述。

實施例1

基于土壤培肥和改良的荷葉生物炭專用肥制備方法，包括以下步驟：

1.將新鮮荷葉清洗干凈、切成<2cm²大小、曬干，得到干燥的原材料；

2.將原材料與水按1：12混合，置入密封的水熱炭化反應釜中，混勻使水充分浸沒生物質原料。反應釜反應條件為：攪拌轉速200r·min^-1、以10℃/min升溫至200℃恒溫反應6h。待反應結束后，冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌，在80℃下干燥；研磨，過10目篩，得到荷葉生物炭基肥料，其微觀形態見圖1。

本實例得到的荷葉炭基肥料產率為65.83％，比表面積為32.0034m²/g，有機碳含量為510g/kg，全氮含量為9570mg/kg，總磷為2100mg/kg，總鉀含量為3780mg/kg。

其中，荷葉炭基肥產率＝(固相產物干物質質量/原料干物質質量)×100％

實施例2

基于土壤培肥和改良的荷葉生物炭專用肥制備方法，包括以下步驟：

1.將新鮮荷葉清洗干凈、切成<2cm²大小，得到生物質原材料；

2.將生物質原材料按干重計與水質量比為1：12混合，置入密封的水熱炭化反應釜中，混勻使水充分浸沒生物質原料。反應釜反應條件為：攪拌轉速300r·min^-1、以10℃/min升溫至240℃恒溫反應6h。待反應結束后，冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌，在80℃下干燥；研磨，過10目篩，得到荷葉生物炭基肥料。

本實例得到的荷葉炭基肥料產率為59.56％，比表面積為11.4321m²/g，有機碳含量為484g/kg，全氮含量為9420mg/kg，總磷為1420mg/kg，總鉀含量為3590mg/kg。

實施例3

基于土壤培肥和改良的荷葉生物炭專用肥制備方法，包括以下步驟：

1.將新鮮荷葉清洗干凈、切成<2cm²大小、曬干，得到干燥的原材料；

2.將原材料與水按1：5混合，置入密封的水熱炭化反應釜中，混勻使水充分浸沒生物質原料。反應釜反應條件為：攪拌轉速200r·min^-1、以10℃/min升溫至200℃恒溫反應6h。待反應結束后，冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌，在80℃下干燥；研磨，過10目篩，得到荷葉生物炭基肥料。

本實例得到的荷葉炭基肥料產率為68.67％，比表面積為6.528m²/g，有機碳含量為499g/kg，全氮含量為9830mg/kg，總磷為1940mg/kg，總鉀含量為3920mg/kg。

實施例4

基于土壤培肥和改良的荷葉生物炭專用肥制備方法，包括以下步驟：

1.將新鮮荷葉清洗干凈、切成<2cm²大小，得到生物質原材料；

2.將生物質原材料按干重計與水質量比為1：20混合，置入密封的水熱炭化反應釜中，混勻使水充分浸沒生物質原料。反應釜反應條件為：攪拌轉速200r·min^-1、以10℃/min升溫至200℃恒溫反應6h。待反應結束后，冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌，在80℃下干燥；研磨，過10目篩，得到荷葉生物炭基肥料。

本實例得到的荷葉炭基肥料產率為64.15％，比表面積為15.7682m²/g，有機碳含量為512g/kg，全氮含量為9458mg/kg，總磷為1880mg/kg，總鉀含量為3690mg/kg。

實施例5

將實施例1～實施例4制得的荷葉炭基肥料在研究基地進行模擬試驗。

試驗模擬盆栽試驗如下：試驗用缸：200L陶瓷缸；試驗用土：安徽銅陵土；每缸60kg風干土；蓮藕品種：鄂蓮6號。供試土壤性質為：酸堿度pH為6.25，陽離子交換量為11.05cmol(+)/kg，有機碳含量為13.1g/kg；全氮含量為850mg/kg；全磷含量為298mg/kg；全鉀含量為1.58*10⁴mg/kg；堿解氮含量為65.8mg/kg；有效磷含量為6.5mg/kg，速效鉀含量為65.7mg/kg。栽種前(基肥)、蓮藕立葉期、花果期每缸各施入20g復合肥(N：P₂O₅：K₂O≥60％，N：P₂O₅：K₂O＝20：20：20)。實施例1～實施例4制得的荷葉炭基肥料均勻撒施后翻耕入土，用量為300g/缸。收獲期土壤和蓮藕性質見圖2和表1。

表1收獲期蓮藕產量和品質

施用荷葉炭基肥后，使土壤pH、陽離子交換量、有機碳含量、全氮含量、總磷、總鉀含量均有提高，且有效磷和速效鉀含量增加較為明顯，同時提高了蓮藕產量以及淀粉和蛋白質含量，說明荷葉炭基肥具有改善土壤性質、保肥增肥和提高作物產量和質量的性能。

以上所述是本發明的優選實施例，在不脫離本發明所述原理的前提下的改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。