一种基于沙化土壤改良的水热碳基肥及其制备方法

技术领域

本发明涉及沙化土壤改良治理技术领域，具体涉及一种基于沙化土壤改良的水热碳基肥及其制备方法。

背景技术

土地沙化是新疆重大环境问题之一，导致扬尘天气发生频率增加、加重旱灾、土壤盐渍化的发生、草地退化及质量下降，增加病虫害的发生，使农作物产量下降，严重影响部分地区的生产、生活，使得人类生存和发展的空间范围不断缩减。沙化土壤由于有机质含量低，加之当地干旱或半干旱的气候条件，加剧植物根系周围的养分亏缺，而使植物较难定植，土地生产力下降。沙化土壤改良剂可以有效改善土壤理化性质以及养分元素生物可利用性，对土壤微生态环境产生作用，进而提高退化土壤的生产力。土壤改良剂的应用对防治土壤退化，提高土地生产力具有重要的理论和现实意义。

应用农牧固废进行土壤改良，是将农业残余物质秸秆、畜牧业残余粪便肥料等直接施加土壤，或者经过简单的加工处理后施加，发挥其改善土壤结构、提升土壤肥力、增强植物存活等改良作用的过程。然而，单独施加农牧废弃物可能会形成营养元素供应不稳定的问题。一方面农牧废弃物包含速效营养成分容易随着降雨，灌溉等进入河流或者地下水，不仅降低了对土壤养分的供给和利用效率，更会随着地表或者地下径流迁移出土壤植物体系，加剧天然水体的人为富营养化，造成二次污染。另一方面，难以分解的营养成分在分解过程中需要消耗一定的营养成分以及能量，会在土壤中与本就贫瘠的营养供应造成更紧张的关系。此外，土壤中使用不稳定的有机肥可能导致植物毒害和产生环境负效应。

通常，秸秆粗纤维含量较高，而禽畜粪便则主要以未消化的粗纤维和粗蛋白为主。秸秆和禽畜粪便中的粗蛋白在单独汽爆碳化过程中难以成碳且易脱氮，造成碳化后残余水相溶液中水溶性蛋白质和无机氮含量偏高。秸秆和禽畜粪便中的粗纤维在汽爆碳化过程中也会发生水解生成可溶性糖，如不能完全成炭同样会残留于水相。如能将秸秆和禽畜粪便混合汽爆碳化，秸秆中的粗纤维水解得到的多糖便可与禽畜粪便蛋白水解所得氨基酸发生美拉德反应继而成碳，显著提升有机质碳化率。因此，秸秆和禽畜粪便混合汽爆碳化，可解决二者单独水热碳化的不足。水热碳可进行好氧发酵快速腐质化制备水热碳基肥，用于沙化土壤性能调控。

本发明建立一种基于水热碳改良沙化土壤的水热碳基肥制备方法，先把农用废弃秸秆(棉花秸秆)、牛羊粪便和复合辅料(市政污泥、蒙脱土)采用蒸汽爆破技术处理，制备水热碳，然后复配复合微生物菌剂进行短期好氧发酵进行基于沙化土壤改良的水热碳基肥的制备。可为将棉花秸秆、牛羊粪污资源化利用和复合高效菌的应用研究扩展到更多的领域提出一个新思路。该土壤改良剂成本低、易操作、不造成二次污染，具有广阔的应用前景。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于沙化土壤改良的水热碳基肥及其制备方法；将农用废弃秸秆(粉碎棉花秸秆)和牛羊粪便和复合辅料(市政污泥含水率60％—75％、蒙脱土)，均匀混合后，在蒸汽爆破处理装置内进行蒸汽爆破处理，随后与复合微生物菌剂复配，好氧发酵后制备基于水热碳改良沙化土壤的水热碳基肥。本发明意在提供一种可改良土壤沙化程度的方法，以提高土壤改良效果。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于沙化土壤改良的水热碳基肥，该有机肥由棉花秸秆、牛羊粪污、市政生活污泥和蒙脱土为原料经复配复合微生物菌剂好氧发酵制得，以重量份计各组分如下：粉碎棉花秸秆25—45份，牛羊粪污25—45份，市政生活污泥20—30份，蒙脱土为10—30份，微生物菌剂为0.05—0.1份，以确保物料湿度控制在35％—45％之间，确保蒸汽爆破处理后的水热碳中碳氮比控制在(25-35:1)之间。有研究表明，C/N对发酵产品的腐熟及臭气排放有重要影响，C/N过低，氨气大量挥发，会导致臭气浓度升高及氮元素大量损失，腐熟期滞后；C/N过高，则微生物分解缓慢，导致发酵周期延长；C/N为25-35:1时则有利于微生物的生长繁殖，促进好氧发酵进程。因此，通过调配棉花秸秆、牛羊粪污和市政生活污泥比例确保整体复合原料碳氮比控制在(25-35:1)之间。

进一步地，微生物菌剂为由固氮菌剂TS300811(Azotobacter，来源于甘肃省科学院生物研究所)和胶质芽孢杆菌TS341559(Bacillus mucilaginosus，来源于中国农业科学院农业资源与农业区划研究所)混合的复合菌剂，复配比例为(1～2:1～3)。

本发明还提供了一种基于沙化土壤改良的水热碳基肥制备方法，将棉花秸秆、牛羊粪污、市政生活污泥和蒙脱土，以重量份计各组分如下：粉碎棉花秸秆25—45份，牛羊粪污20—30份，市政生活污泥15—25份，蒙脱土为10—30份，在蒸汽爆破装置中控制压力(1—3.5MPa)，并在180—240℃热蒸汽处理下处理5min—30min后，迅速将压力降至大气压制备水热碳。然后与0.05—0.1份复合微生物菌剂混合后，在发酵槽中进行覆膜式好氧发酵，发酵温度控制在50℃—60℃，氧气浓度控制在大于10％—20％左右，物料湿度35％-45％，堆置高度150—175cm，通气速率3-5m

进一步地，微生物菌剂为由固氮菌剂(azotobacter)和胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginosus)混合的复合菌剂。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)棉花秸秆可作为培养基对复合微生物菌提供营养，从而避免复合微生物菌缺失营养。同时还能补充土壤的有机质，同时秸秆粉末与氧气反应之后可形成腐质酸。

(2)牛羊粪内的有机质也可以为土壤和复合微生物菌提供营养，从而避免复合微生物菌缺失营养。牛羊粪与含水市政生活污泥混合具有一定的粘性，能够将秸秆粉末粘附一起，起到稳固作用，避免营养物质快速分散在土壤内。

(3)市政生活污泥中含有30％的有机质及一定量的氮、磷、钾，利用蒸汽爆破技术将市政生活污泥进行无害化处理，堆肥发酵、生产复合微生物肥料，可以满足农业种植对肥料的需求，更重要的是解决市政生活污泥对环境的污染问题，降低废弃物处理成本，变废为宝。

(4)蒙脱土由于其特别的晶体结构而具有较好的吸水膨胀性、分散悬浮性、触变性、粘结性、可塑性、离子交换性、有机物吸附性、稳定性等性能增加水热碳基肥的保水性，增加沙化土壤粘土含量，同时也可为土壤微生物提供聚集和繁殖场所。

(5)将粉碎棉花秸秆、牛羊粪便和市政生活污泥混合汽爆碳化，秸秆中的粗纤维水解得到的多糖便可与牛羊粪便和市政生活污泥中蛋白水解所得氨基酸发生美拉德反应继而成碳，显著提升有机质碳化率。同时，以粉碎棉花秸秆、牛羊粪污、市政生活污泥和蒙脱土为原料，按不同比例复配协同碳化制备的水热碳，兼具生物碳和有机肥的功效。

(6)复合微生物菌剂(固氮菌：胶质芽孢杆菌1～2:1～3)中的固氮菌可以通过土壤中有机碳化物作为原料，并且单独把空气中的分子态氮变成有机态氮从而有效增加土壤中所含氮素的量，能够提供氮素营养来供作物的生长。并且，固氮菌(azotobacter)的代谢产物包含一些维生素类物质，能够非常有效地促进植物生长。复配具有溶磷、释钾和固氮功能的胶质芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus)，能在生长繁殖过程中产生有机酸、氨基酸、多糖、激素等有利于植物吸收和利用的物质来缩短农作物的生长周期。同时，胶质芽孢杆菌生长代谢过程中常分泌出的一类黏液多糖可有效固定沙化土壤中的细小沙粒。

(7)针对牛羊粪便单独汽爆碳化过程中有机质不能完全碳化的特性，提出基于美拉德反应原理，增加多糖含量(秸秆)强化有机质碳化，同实现秸秆、牛羊粪便和市政生活污泥有机质高效协同碳化。②针对常规好氧发酵腐熟只能达到50～70℃，对于大肠菌及蛔虫卵的杀灭效能很低，先用先采用汽爆处理秸秆、牛羊粪便和市政生活污泥获得水热碳，继而将水热碳再好氧发酵快速腐质化制备水热碳基肥，实现资源化综合利用，并对沙化土壤进行改良具有显著效果。

附图说明

图1为基于沙化土壤改良的水热碳基肥制备方法步骤图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：

如图1所示，一种基于沙化土壤改良的水热碳基肥，该有机肥由棉花秸秆、牛羊粪污、市政生活污泥和蒙脱土为原料经复配复合微生物菌剂好氧发酵制得，以重量份计各组分如下：粉碎棉花秸秆25—45份，牛羊粪污25—45份，市政生活污泥20—30份，蒙脱土为10—30份，微生物菌剂为0.05—0.1份。

进一步地，微生物菌剂为由固氮菌剂TS300811(Azotobacter，来源于甘肃省科学院生物研究所)和胶质芽孢杆菌TS341559(Bacillus mucilaginosus，来源于中国农业科学院农业资源与农业区划研究所)混合的复合菌剂，复配比例为(1～2:1～3)。

本发明还提供了一种基于沙化土壤改良的水热碳基肥制备方法，将棉花秸秆、牛羊粪污、市政生活污泥和蒙脱土，以重量份计各组分如下：粉碎棉花秸秆25—45份，牛羊粪污20—30份，市政生活污泥15—25份，蒙脱土为20—30份，在蒸汽爆破装置中控制压力在(1—3.5MPa)之间，并在180—240℃热蒸汽处理10min—30min后，迅速将压力降至大气压制备水热碳。然后与0.05—0.1份复合微生物菌剂混合后，在发酵槽中进行覆膜式好氧发酵，发酵温度控制在50℃—60℃，氧气浓度控制在大于10％—20％左右，物料湿度35％—45％，堆置高度150—175cm，通气速率3—5m

进一步地，微生物菌剂为由固氮菌剂(azotobacter)和胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginosus)混合的复合菌剂。

物料配比：实施例一～实施例三中各组分原料(单位：kg)如表1：

表1

实施例一

蒸汽爆破：在蒸汽爆破装置中控制压力1.2MPa，并在185℃热蒸汽处理下处理20min后，迅速将压力降至大气压制备水热碳。

好氧发酵：固氮菌剂与胶质芽孢杆菌1:2混合后，在发酵槽中进行覆膜式好氧发酵，发酵温度控制在50℃，氧气浓度控制在大于10％左右，物料湿度40％，堆置高度172cm，通气速率3m

实施例二

蒸汽爆破：在蒸汽爆破装置中控制压力2.0MPa，并在215℃热蒸汽处理下处理10min后，迅速将压力降至大气压制备水热碳。

好氧发酵：固氮菌剂与胶质芽孢杆菌1:2混合后，在发酵槽中进行覆膜式好氧发酵，发酵温度控制在55℃，氧气浓度控制在大于15％左右，物料湿度40％，堆置高度160cm，通气速率4m

蒸汽爆破：在蒸汽爆破装置中控制压力(3.0MPa)，并在235℃热蒸汽处理下处理5min后，迅速将压力降至大气压制备水热碳。

好氧发酵：固氮菌剂与胶质芽孢杆菌2:3混合后，在发酵槽中进行覆膜式好氧发酵，发酵温度控制在60℃，氧气浓度控制在大于20％左右，物料湿度45％，堆置高度160cm，通气速率5m

表2

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。