阅读说明：本技术 一种基于水热炭肥的养分控释方法 (Nutrient controlled-release method based on hydrothermal carbon fertilizer ) 是由 钟磊 孙于茹 陈冠益 田静楠 武文竹 颜蓓蓓 马文超 宋英今 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于水热炭肥的养分控释方法。取水热炭肥与不同浓度的盐酸溶液混合振荡不同时间,结束后洗至中性过滤,烘干后可得到具有不同养分控释效果的水热炭肥,该方法可使得水热炭肥中的主要养分氮缓慢释放。同时,解析其控释原理,并且基于Matlab-2018b,将相关数据通过多项式模型拟合,建立了一个养分控释方程。该方法可以有效延缓水热炭肥中氮素的溶出速率,提高养分利用率；并且该方法操作简单,设备及工艺要求低,易于工业化生产,在生产中应用前景广阔；通过该方法得到的水热炭肥缓释效果好,一次性施用即可,可提升作物产量；并且该养分控释方程可根据不同作物的养分需求,预测最佳养分控释的处理条件。(The invention discloses a nutrient controlled release method based on a hydrothermal carbon fertilizer. Mixing the hydrothermal carbon fertilizer with hydrochloric acid solutions with different concentrations, oscillating for different times, washing to be neutral after finishing, filtering, and drying to obtain the hydrothermal carbon fertilizer with different nutrient controlled release effects. Meanwhile, the controlled release principle is analyzed, and based on Matlab-2018b, the related data are fitted through a polynomial model, so that a nutrient controlled release equation is established. The method can effectively delay the dissolution rate of nitrogen in the hydrothermal carbon fertilizer and improve the nutrient utilization rate; the method is simple to operate, low in equipment and process requirements, easy for industrial production and wide in application prospect in production; the hydrothermal carbon fertilizer obtained by the method has a good slow release effect, can be applied at one time, and can improve the crop yield; and the nutrient controlled release equation can predict the optimal nutrient controlled release treatment condition according to the nutrient requirements of different crops.)

一种基于水热炭肥的养分控释方法

技术领域

本发明涉及肥料缓释控释方法，具体涉及到一种基于水热炭肥的养分控释方法。

背景技术

我国作为农业大国，化肥的大量施用在保障我国粮食安全上发挥了重要作用，值得注意的是，1980年至今的三十几年间，我国粮食产量增长了近85％，但化肥施用量却增长了4.5倍。过量施用化肥导致肥料利用率不高，我国的氮肥利用率在20％-35％左右，远低于国际水平，同时造成巨大的生态环境污染，威胁农业可持续发展。越来越多学者认为研制新型肥料，降低生产成本，提高肥料利用率是目前肥料研究亟待解决的问题，因此，“缓释化肥”提供了新的思路。

缓释肥中传统生物炭材料利用方法比较成熟，但大多作为控释材料及改良材料与有机和/或无机肥料配合使用，是由于大多生物炭自身保留的营养元素较少，无法直接肥用。中国专利申请CN 104876679 A公开了一种粗制生物炭缓释肥料及其制备方法，该方法是将生物炭作为一种缓释剂与尿素、硫酸铵及粘结剂等物质混合，达到调控尿素等肥料在土壤中释放速率的目的，该方法得到的生物炭肥是一种混合肥料，制备方法复杂，能源消耗过大，成本较高，并且使其不能充分发挥作用；中国专利申请CN 105272389 A公开了一种基于土壤改良的猪粪炭基肥料开发方法，该发明是将猪粪通过水热炭化方法制备成猪粪炭基肥料，其中含有大量植物所需的营养元素，可直接以肥料的形式加入土壤，但是由于该肥料不具备养分缓释的效果，施入土壤后会出现养分释放过快而导致养分损失。

水热炭是指生物质在缺氧环境下，以水为反应介质，经低温(150-340℃)热解产生的一类养分含量高、具有丰富含氧官能团的富碳类物质。因此，针对高养分含量的水热炭肥，急需一种操作方法简单，不会对环境造成二次污染，且显著提升肥料利用率的养分控释方法，为将来针对不同农作物的养分需求规律，开发相匹配的控释炭肥以提升农作物的肥料利用效率，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水热炭肥的养分控释方法，以解决上述问题。通过酸处理会在水热炭肥表面引入丰富的酸性含氧官能团(如羧基、内酯基等)，这些官能团可以通过配位螯合反应而实现其限域限速释放；同时，水热炭肥通过酸处理后，出现了清晰的孔道结构，大部分营养元素被储存在孔隙和通道中，而孔隙和通道过小，水具有表面张力，无法迅速渗透进窄小的水热炭通道中，只能慢慢通过渗透压渗入，水热炭中的营养元素得以缓慢释放。

一种基于水热炭肥的养分控释方法，取水热炭肥加入到浓度为0.05-0.2mol/L的盐酸溶液中，室温下，120-200r/min条件下，振荡6-24h，结束后洗至中性过滤，在60℃-80℃烘干，通过该方法可得到具有不同养分控释效果的水热炭肥；

在步骤(1)中，水热炭肥与盐酸溶液的固液比为1:10-30(g/mL)。

在步骤(1)中，盐酸溶液浓度为0.05-0.1mol/L。

在步骤(1)中，摇床的震荡时间为8-18h。

养分控释分析：

建立关系式，首先确定其自变量为酸处理浓度(x，mol/L)和酸处理时间(y，h)，因变量为处理后水热炭肥7天氮素累积水溶出率(Y，％)，基于Matlab-2018b，通过二次模型拟合，建立了Y与x、y之间的关系式，该关系式即为养分控释方程：(多项式模型方程适用于分析和预测酸处理浓度和时间对水热炭肥控释行为的影响)

Y＝A+B·x+C·y+D·x²+E·x·y+F·y²

A、B、C、D、E、F均为该关系式中的常数系数，系数的取值可通过Matlab-2018b软件自动计算得出。。

本发明将带来以下有益效果：

本发明所述养分控释方法利用水热炭肥本身养分含量高的特点，结合酸改性方法对炭肥的主要养分氮进行控释，形成能够自主调控养分释放速率的水热炭肥控释方法。该方法可以有效延缓水热炭肥中氮素的溶出速率，提高了养分利用率，延长肥效；该方法工艺简单，易于操作，生产投资低，设备及工艺要求低，易于工业化生产，在生产中应用前景广阔；通过该方法得到的水热炭肥缓释效果好，一次性施用即可，可提升作物产量。同时，基于该方法建立的养分控释方程可根据不同农作物的养分需求规律，预测相匹配的控释炭肥的处理条件，降低养分损失，提高肥料利用率。

附图说明

图1为通过该养分控释方法处理后的水热炭肥的24小时氮素累积水溶出率图。

图2为通过该养分控释方法处理后的水热炭肥的7天氮素累积水溶出率图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明。此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，但并不限定本发明的保护范围。

实施例1：

取5g水热炭肥加入到浓度为0.05mol/L的50mL盐酸溶液中，在25℃，120r/min条件下，振荡6h，结束后洗至中性过滤，在60℃烘干，得到具有养分控释效果的水热炭肥；

水热炭肥氮素累积水溶出率：水热炭肥与蒸馏水混合后置入三角瓶中，在25℃，120r/min的条件下，振荡1-7d，每隔48h取样一次，每次取样10mL，测定全氮(Total-N)用碱性过硫酸钾方法测定(HJ 636—2012)。实验重复3次，以硝酸铵作为对照，分析结果如表1所示。

以小白菜为目标作物，以硝酸铵作为对照，对其增产效应和化肥利用效率进行评估，分析结果如表2所示。该方法处理后水热炭肥24小时初期氮素水溶出率和7天氮素累积水溶出率分别为5.63％和58.10％。该方法处理后水热炭肥的肥料利用率52.45％，小白菜产量为19.72t/hm²。

实施例2：

取5g水热炭肥加入到浓度为0.1mol/L的75mL盐酸溶液中，在25℃，140r/min条件下，振荡10h，结束后洗至中性过滤，在65℃烘干，得到具有养分控释效果的水热炭肥。

分析结果如表1和表2所示。该方法处理后水热炭肥24小时初期氮素水溶出率和7天氮素累积水溶出率分别为7.99％和57.65％。该方法处理后水热炭肥的肥料利用率55.72％，小白菜产量为20.85t/hm²。

实施例3：

取5g水热炭肥加入到浓度为0.15mol/L的100mL盐酸溶液中，在25℃，160r/min条件下，振荡14h，结束后洗至中性过滤，在70℃烘干，得到具有养分控释效果的水热炭肥。

分析结果如表1和表2所示。该方法处理后水热炭肥24小时初期氮素水溶出率和7天氮素累积水溶出率分别为3.57％和62.48％。该方法处理后水热炭肥的肥料利用率58.37％，小白菜产量为22.65t/hm²。

实施例4：

取5g水热炭肥加入到浓度为0.2mol/L的125mL盐酸溶液中，在25℃，180r/min条件下，振荡18h，结束后洗至中性过滤，在75℃烘干，得到具有养分控释效果的水热炭肥。

分析结果如表1和表2所示。该方法处理后水热炭肥24小时初期氮素水溶出率和7天氮素累积水溶出率分别为2.02％和59.33％。该方法处理后水热炭肥的肥料利用率57.84％，小白菜产量为21.45t/hm²。

实施例5：

取5g水热炭肥加入到浓度为0.05mol/L的150mL盐酸溶液中，在25℃，200r/min条件下，振荡24h，结束后洗至中性过滤，在80℃烘干，得到具有养分控释效果的水热炭肥。

分析结果如表1和表2所示。该方法处理后水热炭肥24小时初期氮素水溶出率和7天氮素累积水溶出率分别为3.40％和59.96％。该方法处理后水热炭肥的肥料利用率59.74％，小白菜产量为23.78t/hm²。

养分控释方程的建立：基于Matlab-2018b，通过多项式模型拟合，建立了通过实施例1-5处理后水热炭肥的7天氮素累积水溶出率(Y，％)与酸处理浓度(x，mol/L)、酸处理时间(y，h)之间的关系式，即为水热炭肥的养分控释方程，优化了方程中的系数范围：

Y＝A+B·x+C·y+D·x²+E·x·y+F·y²

A、B、C、D、E、F均为该关系式中的常数系数。

A＝77.17(73.84-80.50)；B＝-47.38(-225.5-130.7)；C＝-1.883(-3.419--0.3483)；

D＝1466(-160.1-3093)；E＝-20.8(-47.57-5.967)；F＝0.1421(0.01863-0.2656)。

方差分析用于评估上述模型方程，评估了相关系数R(0.6751)和调整后的R(0.6420)；在该实验中，多项式模型非常重要，因为Y的p值<0.0001(P>0.05)。该方程适用于分析和预测酸处理浓度和时间对水热炭肥控释行为的影响，同时，基于该方法建立的养分控释方程可根据不同农作物的养分需求规律，得出相匹配的控释炭肥的处理条件，降低养分损失，提高肥料利用率。

实施例1-5养分控释方法处理前后水热炭肥的氮素累积水溶出率及肥效评估如表1、表2。

表1：本发明方法处理前后水热炭肥的氮素累积水溶出率

表2：本发明方法处理前后水热炭肥肥效评估

综合表1和图1可以看出，未经处理的水热炭肥24小时初期氮素水溶出率可达33.83％，高于15％，而通过本发明方法处理后的水热炭肥在24小时初期氮素水溶出率显著降低，范围为2.02％-7.99％，均低于欧洲标准委员会对缓释肥料所规定的15％的标准，比对照降低了26.04％-31.81％。同时，通过表1可以看出未经处理的水热炭肥7天氮素累积水溶出率均高于80％；而通过本发明方法处理后的水热炭肥7天氮素累积水溶出率范围为57.65％-62.48％，比对照降低了15.69％-20.52％。

通过图2可以看出未处理的水热炭肥在前期氮素释放过多，造成大部分氮素损失，并且随着时间的推移，水热炭肥的氮素累积水溶出率在第7天的变化量小于1％，基本不再释放氮素，不能达到长期提供肥力的效果。而通过本发明方法处理后的水热炭肥可延缓水热炭肥中氮素的释放且能延长肥效，可以表明本发明方法可有效延缓水热炭肥中氮素的释放。

从表2可以看出经由本发明方法处理后的水热炭肥的利用率较对照肥料分别提高23.66％、26.93％、29.58％、29.05％和30.95％，小白菜产量分别提高5.07％、6.20％、8.00％、6.80％和9.13％。表明本发明方法可有效提高水热炭肥的肥料利用率，从而更好地满足作物生长的需要，同时提高了作物产量，达到省工减肥的效果。

本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。