含硅生物炭基肥及其制法和施用方法
技术领域
本发明涉及肥料领域，具体涉及含硅生物炭基肥及其制法和施用方法。
背景技术
目前，世界各地现代农业生产的习惯作法多是依赖于大量的化学肥料。虽然，已证明化肥可大大增加农作物的每亩产量，但这种效果只是短期的，长期重复施用化肥会导致了费用增加并且加速了土壤的衰退。例如，在经过三至五年的集中使用化学物质后，土壤的自然肥力随着每年连续施用化学物质而显著下降。
有机肥料在农业上已应用多年，特别是在农村中有大量的各种动植物的废弃物，能就地堆积，发酵，就地施用，来源广，经济实惠，种类繁多。在我国一般利用植物秸秆、人畜粪尿，或者利用专门种植的作物如绿肥，也有利用河泥、骨粉、草木灰等。
炭基肥是一种以生物质炭为基质，根据土壤和作物的不同需求添加有机质或无机质的新型生态环保肥料。研究表明炭基肥能够改善土壤理化性状，促进土壤养分释放，降低土壤养分流失，提高作物肥料利用率，是一种新型的生态环保肥料。
虽然在农业上已经开发了一些有机肥料和炭基肥，然而，这些肥料在效力、成本等方面还难以令人满意。此外，现有的一些农用肥料无法有效实现对农林废弃物和工业硅渣进行综合利用。
综上所述，本发明迫切需要开发新的既可实现农工业废弃物的综合生态循环利用，又具有显著地促进作物生长并可有效改善土壤理化性质的农用肥料。
发明内容
本发明的目的是提供一种既可实现农工业废弃物的综合生态循环利用，又具有显著地促进作物生长并可有效改善土壤理化性质的农用肥料。
本发明的另一目的是提供本发明含硅生物炭基肥的制法和施用方法。
本发明第一方面，提供了一种生物炭基肥，所述含硅生物炭基肥包括：
20-40重量份生物质炭；30-45重量份有机肥；5-15重量份氮肥；和10-20重量份硅肥。
在另一优选例中，所述生物质炭、有机肥、氮肥、和硅肥的总重量为所述含硅生物炭基肥总重量的70-100％，较佳地80-100％，更佳地90-100％或95-100％。
在另一优选例中，所述的氮肥包括尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、或其组合。
在另一优选例中，所述的氮肥为尿素(含氮量为约46wt％)。
在另一优选例中，所述含硅生物炭基肥由以下成分构成：20-40重量份生物质炭；30-45重量份有机肥；5-15重量份氮肥；和10-20重量份硅肥。
在另一优选例中，所述生物质炭为25-35重量份，优选地为28-32重量份。
在另一优选例中，所述有机肥为35-42重量份，优选地为36-40重量份。
在另一优选例中，所述氮肥为10-15重量份，优选地为10-12重量份。
在另一优选例中，所述硅肥为10-15重量份，优选地为12-15重量份。
在另一优选例中，所述的硅肥为颗粒状。
在另一优选例中，所述的硅肥的平均粒径为50-200目，优选地为80-120目。
在另一优选例中，所述生物质炭由下述方法制备，包括步骤：
(i)将农林废弃物进行风干、粉碎；
(ii)将步骤(i)所得粉碎物在限氧条件下热解(即限氧裂解)，冷却(如自然冷却至室温)，研磨，制得生物质炭。
在另一优选例中，在步骤(ii)中，在研磨之后，还进行过筛(如30-300目，较佳地50-200目)，从而制得生物质炭。
在另一优选例中，所述的限氧条件指氧含量≤10％，较佳地≤5％，更佳地≤2％。
在另一优选例中，所述农林废弃物选自下组：水稻秸秆、稻壳、树木残枝、及其组合。
在另一优选例中，所述树木残枝选自：桃树残枝、葡萄藤残枝、及其组合。
在另一优选例中，所述热解具有选自下组的一个或多个特征：
1)所述热解的温度为300℃-600℃，优选地为500℃-600℃；
2)所述热解的时间为3-5h，优选地为3-4h。
在另一优选例中，所述生物质炭的总有机碳含量为40wt％-60wt％，优选地为50wt％-60wt％，按生物质炭的重量计。
在另一优选例中，所述生物质炭粒径为20-200目，优选地为80-120目。
在另一优选例中，所述有机肥选自：
堆肥、沤肥、沼气肥、绿肥、饼肥，或其组合。
在另一优选例中，所述有机肥为畜禽粪便和农作物秸秆经堆肥得到。
在另一优选例中，所述有机肥具有选自下组的一个或多个特征：
1)所述有机肥的有机质含量≥35wt％，优选地为≥40wt％；
2)所述有机肥的含氮量≥1wt％；
其中，各百分比按有机肥的重量计。
在另一优选例中，所述硅肥由下述方法制备，包括步骤：
(i)将工业硅渣磨碎、过筛，在NaOH水溶液中浸泡；
(ii)用蒸馏水洗涤、干燥后得到所述硅肥。
在另一优选例中，所述工业硅渣选自下组：冶金硅渣、高炉水淬渣、电厂粉煤灰、玻璃废渣、及其组合。
在另一优选例中，所述的工业硅渣选自下组：冶金硅渣、高炉水淬渣、或其组合。
在另一优选例中，在步骤(i)中，所述工业硅渣磨碎后，过筛采用50-200目，优选地为80-120目。
在另一优选例中，所述工业硅渣的总硅含量＞25wt％，优选地为＞30wt％，按工业硅渣的重量计。
在另一优选例中，所述NaOH水溶液浓度为2-10mol/L，优选地为4-8mol/L，更优选地为5-6mol/L。
在另一优选例中，所述浸泡的时间为3-6h，优选地为4-5h。
在另一优选例中，所述硅肥的pH为7.5-8.5。
本发明第二方面，提供了本发明第一方面所述的含硅生物炭基肥的制备方法，包括步骤：
(i)提供生物质炭、有机肥、氮肥、和硅肥；
(ii)将生物质炭、有机肥、氮肥、和硅肥进行混合，从而形成本发明第一方面所述的含硅生物炭基肥。
本发明第三方面，提供了本发明第一方面所述的含硅生物炭基肥的施用方法，包括步骤：
(i)将所述含硅生物炭基肥施于土壤；和
(ii)将施肥土壤表层0～20cm(较佳地2-20cm)进行翻耕，使所述含硅生物炭基肥与土壤充分混合。
在另一优选例中，所述含硅生物炭基肥的施用量为100-1000kg/公顷，较佳地200-1000kg/公顷，更佳地500-800kg/hm2，最佳地500-600kg/hm2。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，意外地发现将特定的生物质炭、特定的有机肥、氮肥(如尿素)、特定的硅肥以合适的比例混合，得到的含硅生物炭基肥。实验表明，将本发明含硅生物炭基肥施用于农作物或林业植物之后，能够协同地、更为显著促进植物的生长，从而提高水果的产量和品质。此外，本发明含硅生物炭基肥还可出乎意料地更有效地改善土壤的理化性质，尤其可显著提高土壤有机质含量。在此基础上，发明人完成了本发明。
术语
如本文所用，术语“本发明的含硅生物炭基肥”、“本发明的肥料”等可互换使用，指本发明第一方面中所述的含硅生物炭基肥。
生物质炭
生物质炭是在限氧或者无氧的条件下对生物质进行热裂解，产生的富碳固体物质。
典型地，可用于本发明的生物质炭可由下述方法制备，包括步骤：
(i)将农林废弃物进行风干、粉碎；
(ii)将步骤(i)所得粉碎物在限氧条件下热解，自然冷却至室温，研磨，过筛，制得生物质炭。
在另一优选例中，所述农林废弃物选自下组：水稻秸秆、稻壳、树木残枝、及其组合。
在另一优选例中，所述树木残枝选自：桃树残枝、葡萄藤残枝、及其组合。
在另一优选例中，所述热解具有选自下组的一个或多个特征：
1)所述热解的温度为300℃-600℃，优选地为500℃-600℃；
2)所述热解的时间为3-5h，优选地为3-4h。
在另一优选例中，所述生物质炭的总有机碳含量为40wt％-60wt％，优选地为50wt％-60wt％，按生物质炭的重量计。
在另一优选例中，所述生物质炭粒径为20-200目，优选地为80-120目。
有机肥
在本发明中，可以采用本领域常规的各种不同有机肥，这些有机肥可以市售获得或通过常规方法制备。
采用的有机肥主要来源于植物和/或动物，经生物物质、动植物废弃物、植物残体加工而来，消除了其中的有毒有害物质，富含大量有益物质，施于土壤以提供植物营养为其主要功能的含碳物料。
在另一优选例中，所述有机肥选自：堆肥、沤肥、沼气肥、绿肥、饼肥，或其组合。
在另一优选例中，所述有机肥为畜禽粪便和农作物秸秆经堆肥得到。
在另一优选例中，所述有机肥具有选自下组的一个或多个特征：
1)所述有机肥的有机质含量≥35wt％，优选地为≥40wt％；
2)所述有机肥的含氮量≥1wt％；
其中，各百分比按有机肥的重量计。
氮肥
在本发明中，可以采用本领域常规的各种氮肥，这些氮肥可以市售获得或通过常规方法制备。代表性的例子包括(但并不限于)：尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、或其组合。
在另一优选例中，所述的氮肥为尿素(含氮量为约46wt％)。
硅肥
硅肥是一种以含氧化硅(SiO2)和氧化钙(CaO)为主的、微碱性、枸溶性的中量元素矿物质肥料。
硅是植物生长所必须的重要营养元素。硅能够有效促进农作物的根系发育，提高农作物抗倒伏、抗病虫害以及抗寒抗旱的能力，同时还能调节农作物对氮、磷、钾等营养元素的吸收利用，在农作物生长过程中具有非常重要的调节作用。在本发明中，硅肥不仅能够提高农作物的产量和品质，同时对退化土壤也具有良好的改善效果。
在本发明中，添加了硅肥后的本发明含硅生物炭基肥，在肥料中有机质含量相对下降的情况下，居然出乎意料地更有利于提高土壤有机质含量。
本发明的硅肥由下述方法制备，包括步骤：
(i)将工业硅渣磨碎、过筛，在NaOH水溶液中浸泡；
(ii)用蒸馏水洗涤、干燥后得到所述硅肥。
在另一优选例中，所述工业硅渣选自下组：冶金硅渣、高炉水淬渣、电厂粉煤灰、玻璃废渣、及其组合。
在另一优选例中，所述的工业硅渣选自下组：冶金硅渣、高炉水淬渣、或其组合。
在另一优选例中，在步骤(i)中，所述工业硅渣磨碎后，过筛采用50-200目，优选地为80-120目。
在另一优选例中，所述工业硅渣的总硅含量＞25wt％，优选地为＞30wt％，按工业硅渣的重量计。
在另一优选例中，所述NaOH水溶液浓度为2-10mol/L，优选地为4-8mol/L，更优选地为5-6mol/L。
在另一优选例中，所述浸泡的时间为3-6h，优选地为4-5h。
在另一优选例中，所述硅肥的pH为7.5-8.5。
在另一优选例中，所述的硅肥为颗粒状。
在另一优选例中，所述的硅肥的平均粒径为50-200目，优选地为80-120目。
含硅生物炭基肥
本发明的含硅生物炭基肥包括：20-40重量份生物质炭；30-45重量份有机肥；5-15重量份氮肥；和10-20重量份硅肥。
在另一优选例中，所述生物质炭、有机肥、氮肥、和硅肥的总重量为所述含硅生物炭基肥总重量的70-100％，较佳地80-100％，更佳地90-100％或95-100％。
在另一优选例中，所述的氮肥包括尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、或其组合。
在另一优选例中，所述的氮肥为尿素(含氮量为约46wt％)。
在另一优选例中，所述含硅生物炭基肥由以下成分构成：20-40重量份生物质炭；30-45重量份有机肥；5-15重量份氮肥；和10-20重量份硅肥。
在另一优选例中，所述生物质炭为25-35重量份，优选地为28-32重量份。
在另一优选例中，所述有机肥为35-42重量份，优选地为36-40重量份。
在另一优选例中，所述氮肥为10-15重量份，优选地为10-12重量份。
在另一优选例中，所述硅肥为10-15重量份，优选地为12-15重量份。
其他添加剂
在本发明中，除了上述主要成分之外，还可任选地添加一种或多种其他成分，以便提供所需的一种或多种额外性能。
通常，在本发明的含硅生物炭基肥中，所述额外添加剂的总含量通常为1-100重量份，较佳地为5-50重量份。
在本发明中，可额外添加的添加剂的例子包括(但并不限于)：磷肥、钾肥、微量元素、土壤调理剂、保水剂、或其组合。
代表性的磷肥包括(但并不限于)：磷酸一铵、磷酸二铵、过磷酸钙、磷酸二氢钾、或其组合；
代表性的钾肥包括(但并不限于)：硫酸钾、氯化钾、碳酸钾、硝酸钾、或其组合。
代表性的微量元素包括(但并不限于)：钙、镁、锌、钼、铜、铁、硅、硼，均以其可溶性化合物的形式添加。
含硅生物炭基肥的制备方法
本发明还提供了本发明含硅生物炭基肥的制备方法，包括步骤：
(i)提供生物质炭、有机肥、氮肥、和硅肥；
(ii)将生物质炭、有机肥、氮肥、和硅肥进行混合，从而形成本发明第一方面所述的含硅生物炭基肥。
在本发明中，所述的混合可以采用常规的设备进行，例如干式搅拌机等。
含硅生物炭基肥的施用方法
本发明还提供了本发明含硅生物炭基肥的应用。典型地，可以将本发明含硅生物炭基肥施用于土壤的表面和/或土壤之中，从而促进植物(包括农作物、林业作物、花卉等)的生长。
典型地，在一个优选例中，所述施用方法，包括步骤：
(i)将所述含硅生物炭基肥按200-1000kg/hm2施入土壤；
(ii)将施肥土壤表层0～20cm进行翻耕，使所述含硅生物炭基肥与土壤充分混合。
在另一优选例中，所述含硅生物炭基肥的施用量为500-800kg/hm2，优选地为500-600kg/hm2。
本发明的主要优点包括：
(a)与传统生物炭基肥相比，本发明的含硅生物炭基肥实现了农林废弃物和工业硅渣的综合生态循环利用，大大降低了农工业废弃物的处置成本。
(b)本发明的含硅生物炭基肥与传统生物炭基肥相比富含营养元素硅，能够进一步提高作物的产量和品质，提高作物抗逆性。
(c)改善土壤理化性质。
(d)本发明的含硅生物炭基肥制备方法简单、安全、成本低、适合大面积推广。
综上，本发明的含硅生物炭基肥能够协同地和显著地提高农作物或林业植物的产量和品质，同时改善土壤理化性质。此外，本发明为农工业废弃物的综合生态循环利用提供了可行和有效的处置方式。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数是重量百分比和重量份数。
材料
有机肥：
“沪农肥准字0315号”(一种上海市广泛使用的有机肥)，购自上海禾笑有机肥有限公司。
实施例1
含硅生物炭基肥No.1
本实施例中含硅生物炭基肥的制备具体步骤如下：
(1)生物质炭的制备：利用水稻秸秆和桃树残枝风干、粉碎，粉碎物在550℃限氧条件下热解3.5小时，冷却后研磨过100目筛；
(2)硅肥的制备：利用冶金硅渣(总硅含量＞30wt％)磨碎过100目筛后在5mol/L的NaOH溶液中浸泡5小时进行活化，之后用蒸馏水洗净并干燥制得硅肥；
(3)含硅生物炭基肥的制备，按重量份计：取30份生物质炭、36份有机肥(购自上海禾笑有机肥有限公司)、10份尿素、12份硅肥充分混合，制成含硅生物炭基肥No.1。
此外，制备一生物炭基肥，用于研究对比。按重量份计：取30份生物质炭、36份有机肥(购自上海禾笑有机肥有限公司)、10份尿素充分混合，制成生物炭基肥No.C1。
实施例2
本实施例中含硅生物炭基肥的施用方法，具体步骤如下：
(1)将实施例1制得的含硅生物炭基肥按500kg/公顷施入葡萄园土壤，葡萄品种为巨峰，树龄10年；
(2)施肥后对土壤表层0-20cm进行翻耕，使含硅生物炭基肥与土壤充分混合；
(3)当季葡萄采收后测量葡萄产量、品质和土壤有机质含量；结果如表1所示。
对比例1
与实施例2施用方法相同(施用量500kg/公顷)，不同之处在于，所施肥料仅为有机肥。
对比例2
与实施例2施用方法相同(施用量500kg/公顷)，不同之处在于，所施肥料为生物炭基肥C1；所述生物炭基肥组成与实施例1制备的含硅生物炭基肥No.1的差别在于不添加硅肥。
表1
由表1可知，施用含硅生物炭基肥与施用有机肥和生物炭基肥相比，亩产分别提高15.13％和7.36％。
施用含硅生物炭基肥与施用有机肥相比，葡萄果实维生素C和可溶性固形物含量分别提高24.26％和6.18％，与施用生物炭基肥差异不明显。
施用含硅生物炭基肥与施用有机肥和生物炭基肥相比，土壤有机质含量分别提高14.87％和11.44％。出乎意料的是，在含硅生物炭基肥No.1中虽然有机质的相对含量低于生物炭基肥No.C1和有机肥，但是却可以更有效地提高土壤有机质含量，这提示本发明含硅生物炭基肥可协同地改善土壤的有机质含量。
实施例3
本实施例中含硅生物炭基肥的施用方法，具体步骤如下：
(1)将实施例1制得的含硅生物炭基肥按500kg/hm2施入葡萄园土壤，葡萄品种为醉金香，树龄8年；
(2)施肥后对土壤表层0-20cm进行翻耕，使含硅生物炭基肥与土壤充分混合；
(3)当季葡萄采收后测量葡萄产量、品质和土壤有机质含量；结果如表2所示。
对比例3
与实施例3施用方法相同(施用量500kg/公顷)，不同之处在于，所施肥料仅为有机肥。
对比例4
与实施例3施用方法相同(施用量500kg/公顷)，不同之处在于，所施肥料为生物炭基肥No.C1；所述生物炭基肥组成与实施例1制备的含硅生物炭基肥No.1的差别在于不添加硅肥。
表2
由表2可知，施用含硅生物炭基肥与施用有机肥和生物炭基肥相比，葡萄亩产分别提高22.99％和3.28％。
施用含硅生物炭基肥与施用有机肥相比，葡萄果实维生素C和可溶性固形物含量分别提高29.97％和11.51％。
与施用有机肥相比，施用含硅生物炭基肥后土壤有机质含量提高13.54％。出乎意料的是，在含硅生物炭基肥N0.1中虽然有机质的相对含量低于生物炭基肥No.C1和有机肥，但是却可以更有效地提高土壤有机质，这提示本发明含硅生物炭基肥可协同地改善土壤的有机质含量。
实施例4
本实施例中含硅生物炭基肥的施用方法，具体步骤如下：
(1)将实施例1制得的含硅生物炭基肥按600kg/hm2施入桃园土壤，桃树品种为锦绣黄桃，树龄8年；
(2)施肥后对土壤表层0-20cm进行翻耕，使含硅生物炭基肥与土壤充分混合；
(3)当季黄桃采收后测量黄桃产量、品质和土壤有机质含量；结果如表3所示。
对比例5
与实施例4施用方法相同(施用量600kg/公顷)，不同之处在于，所施肥料仅为有机肥。
对比例6
与实施例4施用方法相同(施用量600kg/公顷)，不同之处在于，所施肥料为生物炭基肥No.C1；所述生物炭基肥组成与实施例1制备的含硅生物炭基肥No.1的差别在于不添加硅肥。
表3
由表3可知，施用含硅生物炭基肥与施用有机肥子相比，黄桃单果重、维生素C含量和可溶性固形物含量分别提高6.94％、14.90％和15.85％。
与施用有机肥相比，施用含硅生物炭基肥土壤后有机质含量提高8.09％。出乎意料的是，在含硅生物炭基肥N0.1中虽然有机质的相对含量低于生物炭基肥No.C1和有机肥，但是却可以更有效地提高土壤有机质，这提示本发明含硅生物炭基肥可协同地改善土壤的有机质含量。
综上，从表1-3可以看出，施本发明的含硅生物炭基肥时，由于加入了硅肥，使得本发明的含硅生物炭基肥中加入的有机质含量比等重量的有机肥和生物炭基肥低，但施用后，土壤有机质却偏高，说明本发明的含硅生物炭基肥能够有效地提高土壤有机质，保持土壤肥力，改善土壤理化性质。
实施例5
与实施例1基本相同，不同之处在于，生物质炭为25重量份。
实施例6
与实施例1基本相同，不同之处在于，生物质炭为35重量份。
实施例7
实施例1基本相同，不同之处在于，有机肥为40重量份。
实施例8
与实施例1基本相同，不同之处在于，硅肥为15重量份。
实施例9
与实施例1基本相同，不同之处在于，氮肥为10重量份硝酸铵。
实施例10
与实施例1基本相同，不同之处在于，生物质炭的制备条件中热解温度为600℃，热解时间为3h。
实施例11
与实施例1基本相同，不同之处在于，生物质炭的制备条件中热解温度为300℃，热解时间为4h。
实施例12
与实施例1基本相同，不同之处在于，生物质炭的制备条件中所述农林废弃物为葡萄藤残枝。
实施例13
与实施例1基本相同，不同之处在于，硅肥的制备条件中NaOH浓度为6mol/L，浸泡时间为4h。
实施例14-22
采用与实施例2相同的施用方法，分别施用实施例5-13制备的含硅生物炭基肥。
结果表明，与仅施用有机肥相比，葡萄果实亩产(提高约5％-25％)、维生素C含量(提高约10％-30％)、可溶性固形物(提高约6％-18％)和土壤有机质(提高约8％-15％)均有所提高。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
