一种含水溶性碳化合物的有机水溶肥料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于水溶肥料技术领域，具体涉及一种含水溶性碳化合物的有机水溶肥料及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
有机碳营养是指水溶性高、易被植物吸收的有机碳化合物。既有含氮的有机碳营养，还包括不含氮的碳营养。包括链状、环状的各类碳架，是植物合成糖类、蛋白质、氨基酸、酶、激素、信号传递物质的基础物质。
根据国家标准GB/T6274-2016《肥料和土壤调理剂术语》和农业行业标准NY525-2012《有机肥料》，有机肥料是指主要来源于植物和(或)动物，经过发酵腐熟的含碳有机物料。施用有机肥可提高土壤有机质，但发明人发现，有机肥单位面积使用量大、机械化程度相当低，只能依靠人工操作；且人工施肥劳动强度大、用工多、撒施均匀性差导致肥料利用率和使用效率均很低，施用成本高。有机肥含有碳营养但水溶性大都小于10％，一般在2％左右，而且难以被根系直接吸收。只有连续地大量使用合格的有机肥才能保证作物根部吸收到足量的水溶性有机碳营养。
有机水溶肥是水溶性肥料的一种。根据国家标准GB/T6274-2016《肥料和土壤调理剂术语》和化工行业标准HG/T4365-2012《水溶性肥料》，水溶性肥料是指能够完全溶解于水，用于滴灌施肥和喷灌施肥的二元或三元肥料，可添加中量元素和微量元素。有机水溶肥含有丰富的有机碳营养。有机水溶肥添加的有机碳营养包括海藻提取物、深海鱼提取物、生物刺激素、芸台素、聚谷氨酸、酵母源及烟草提取液等。有机水溶肥能提高土壤的C/N，使土壤微生物获得良好繁殖条件。土壤微生物的繁殖，进一步提高了土壤N、P、K等矿质元素的利用率。使用液态有机碳肥后，土壤疏松，作物根系更发达。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述或其他潜在问题，本发明提供一种含水溶性碳化合物的有机水溶肥及其制备方法和应用，本发明所用小分子水溶性碳化合物来源于烟草浸取液，磷、钾主要来源于聚磷酸铵和聚磷酸钾，氮主要来源于尿素硝酸铵溶液。本发明有机水溶肥性价比高、生产工艺简单、增产提质效果显著，因此具有良好的实际应用之价值。
为了实现上述目的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的第一个方面，提供一种含水溶性碳化合物的有机水溶肥，所述有机水溶肥营养成分包括烟草提取液、聚磷酸铵、聚磷酸钾和尿素硝酸铵。
其中，所述烟草浸取液是烟草干物质通过高温酸解、碱解、低压浓缩后所得，其是含有机质、腐植酸、黄腐酸、氮磷钾等营养元素的水溶液。优选的，烟草提取液中有机质含量大于等于20％，黄腐酸含量大于等于5％；东莨菪内酯含量大于等于40mg/L，2-甲基丁酸和四伯三烯二醇含量总和大于等于5mg/L，还含有其他酮类、醛类、酚类等水溶性小分子物质。
优选的，烟草提取液的制备方法为：
以烟草干物质为原料，加入酸液加热煮沸活化，冷却后调节浸取液至中性；然后加碱液煮沸，冷却至室温，过滤；得烟草水提液。
优选的，所述烟草水提液经浓缩处理得淡黄色半透明浓缩液即为烟草提取液。
其中，所述烟草干物质包括但不限于废弃的烟梗、烟末和低次烟叶中的任意一种或多种。
采用本发明制备得到的烟草提取液含有丰富的水溶性碳等营养元素，如小分子水溶性醇类、酯类、酮类、酸类、醛类和酚类等，尤其含有的东莨菪素内酯，其能调节植物生长发育，并诱导植物抗性。
所述有机水溶肥还包括水溶肥领域常用辅料，如表面活性剂等，其中，所述表面活性剂包括但不限于高岭土、凹凸棒土、膨润土、黏土矿物、海藻酸钠和明胶中的任意一种或多种。
本发明的第二个方面，提供上述有机水溶肥料的制备方法，所述制备方法包括：
(1)烟草提取液浸取：以烟草干物质为原料，经过酸解、碱解浸泡提取，分离浓缩即得浸取液；
(2)磷、钾元素溶解：向烟草提取液中加入聚磷酸铵溶液和聚磷酸钾；
(3)氮元素溶解：向混合液中添加尿素硝酸铵溶液。
其中，所述制备方法还包括步骤(3)后调节溶液pH，控制pH为5.0-7.0。
本发明的第三个方面，提供上述有机水溶肥料在如下任意一种或多种中的应用：
a)补充土壤水溶性碳营养；
b)补充土壤氮磷钾；
c)提高土壤活性，改善土壤质量；
d)钝化土壤中的金属离子；
e)螯合中、微量元素；
f)促进作物生长。
其中，所述f)中，作物包括粮食作物和经济作物，如小麦、玉米、大豆、花生、白菜、苹果和大蒜等。
本发明的第四个方面，提供上述有机水溶肥料的施用方法，所述施用方法包括：在作物生长阶段，向作物和/或作物土壤中施用上述有机水溶肥料；施用具体方法包括但不限于冲施、叶面喷施、滴灌或喷灌。
以上一个或多个技术方案的有益技术效果：
烟草提取液中富含小分子水溶性醇类、酯类、酮类、酸类、醛类和酚类，其中东莨菪素内酯能调节植物生长发育，并诱导植物抗性。聚磷酸铵与聚磷酸钾需要在土壤中逐步水解成正磷酸才能被作物吸收，是一种速效与长效结合的高浓度水溶肥原料。有机水溶肥对金属离子具有螯合作用，可与普通杂质镁、铁、铝等螯合，不生成沉淀也不会损失有效磷。
含水溶性碳化合物有机水溶肥水溶性有机碳化合物养分高达20％，是传统有机肥的10倍，可有效补充土壤水溶性碳营养。能够及时补充土壤中的生物钾，促进作物生长；提高了农产品的品质和抗逆能力，具有提质增效的双重作用。可以调控土壤的水溶性碳氮比例，满足土壤微生物的增殖需要，提高土壤活性，改善土壤质量。含烟草提取液有机水溶肥营养成分均一，可通过微灌、喷灌、喷施使用，使用方法灵活。因此具有良好的实际应用和推广之价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明烟草提取液回收工艺流程。
图2是本发明FBRM法对三个实施例滴定过程在线监测图谱。
图3是本发明FT-IR法分析有机水溶肥螯合前后的结构图。
图4为本发明大蒜花芽鳞芽分化期对比图。
图5为本发明大蒜鳞茎膨大期整地对比图。
图6为本发明蒜采收期土壤pH值对比图。
图7为本发明大蒜采收期土壤情况对比图。
图8为本发明大蒜采收期蒜头对比图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明提供一种含水溶性碳化合物的有机水溶肥，所述有机水溶肥营养成分包括烟草提取液、聚磷酸铵、聚磷酸钾和尿素硝酸铵。
其中，所述烟草浸取液是烟草干物质通过高温酸解、碱解、低压浓缩后，含有机质、腐植酸、黄腐酸、氮磷钾等营养元素的水溶液。优选的烟草提取液中有机质含量大于等于20％，黄腐酸含量大于等于5％；东莨菪内酯含量大于等于40mg/L，2-甲基丁酸和四伯三烯二醇含量总和大于等于5mg/L，还含有其他酮类、醛类、酚类等水溶性小分子物质。
本发明的又一具体实施方式中，烟草提取液与其他所有营养成分体积配比为1：0-1:2.5；聚磷酸铵与其他所有营养成分体积配比为0：1-1：10；聚磷酸钾与其他所有营养成分体积配比为0：1-1：10；尿素硝酸铵与其他所有营养成分体积配比为0：1-1：10。
本发明的又一具体实施方式中，烟草提取液与其他所有营养成分体积配比为2：1-1:2；聚磷酸铵与其他所有营养成分体积配比为2：1-1：2；聚磷酸钾与其他所有营养成分体积配比为2：1-1：2；尿素硝酸铵与其他所有营养成分体积配比为2：1-1：2。
本发明的又一具体实施方式中，所述有机水溶肥还包括表面活性剂，所述表面活性剂包括但不限于高岭土、凹凸棒土、膨润土、黏土矿物、海藻酸钠和明胶中的任意一种或多种。需要说明的是，本发明有机水溶肥料可被制成适合农业使用的任意剂型，如当调制成悬浮肥时可添加上述表面活性剂。
本发明的又一具体实施方式中，烟草提取液的制备方法为：
以烟草干物质为原料，加入酸液加热煮沸活化，冷却后调节浸取液至中性；然后加碱液煮沸，冷却至室温，过滤；得烟草水提液。
本发明的又一具体实施方式中，所述烟草水提液经浓缩处理得淡黄色半透明浓缩液即为烟草提取液。
其中，所述烟草干物质包括但不限于废弃的烟梗、烟末和低次烟叶中的任意一种或多种；
所述酸液为稀盐酸，优选浓度为4-8M，进一步优选为6M；固液比为1:8-12(g/ml)，进一步优选为1:10(g/ml)；
所述碱液为氢氧化钠，优选浓度为10-14M，进一步优选为12M；；固液比为1:8-12(g/ml)，进一步优选为1:10(g/ml)；
浓缩处理为真空低压浓缩，具体条件为：温度为55-65℃，压力为0.085-0.095Mpa；
具体方法：称取干燥好的烟草叶，按固液比1：10(g/ml)的比例加入稀盐酸(6mol/L)加热煮沸活化，冷却后调节浸取液至中性；再按1：10(g/ml)的比例加入氢氧化钠(12mol/L)溶液，在100℃的沸水浴中加热并经长晃动3h，冷却至室温，离心过滤。将得烟草水提液，在55-65℃和0.085-0.095Mpa的真空条件下进行浓缩处理，得到密度较高的淡黄色半透明浓缩液。
烟草提取液控制指标如表1。
表1：烟草提取液控制指标
烟草提取液中水溶性碳营养见表2。
表2：水溶性碳营养的检测结果
所述含水溶性碳化合物的有机水溶肥还包括表面活性剂，所述表面活性剂包括但不限于高岭土、凹凸棒土、膨润土、黏土矿物、海藻酸钠和明胶中的任意一种或多种。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述有机水溶肥料的制备方法，所述制备方法包括：
(1)烟草提取液浸取：以烟草干物质为原料，经过酸解、碱解浸泡提取，分离浓缩即得浸取液；
其中，所述烟草干物质包括但不限于废弃的烟梗、烟末和低次烟叶中的任意一种或多种；
(2)磷、钾元素溶解：向烟草提取液中加入聚磷酸铵溶液，聚磷酸钾得混合液；优选的，温度控制在30-40℃，搅拌1-1.5h；有利于磷、钾元素的完全溶解；
(3)氮元素溶解：向混合液中添加尿素硝酸铵溶液；优选的，搅拌时间为20-60分钟(优选为30分钟)；
其中，所述制备方法还包括步骤(3)后调节溶液pH，控制pH为5.0-7.0。
本发明的又一具体实施方式中，调节溶液pH具体方法为：向混合液中添加柠檬酸或氢氧化钾，温度控制在30-50℃，搅拌0.5-0.8h，调节溶液pH为5.0-7.0。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述有机水溶肥料在如下任意一种或多种中的应用：
a)补充土壤水溶性碳营养；
b)补充土壤氮磷钾；
c)提高土壤活性，改善土壤质量；
d)钝化土壤中的金属离子；
e)螯合中、微量元素；
f)促进作物生长。
其中，所述f)中，作物包括粮食作物和经济作物，如小麦、玉米、大豆、花生、白菜、苹果和大蒜等。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述有机水溶肥料的施用方法，所述施用方法包括：在作物生长阶段，向作物和/或作物土壤中施用上述有机水溶肥料；施用具体方法包括但不限于冲施、叶面喷施、滴灌或喷灌。
本发明的又一具体实施方式中，所述有机水溶肥料加水稀释400-600倍后使用。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。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。其中，各实施例中烟草提取液制备方法如下：称取干燥好的烟草叶，按固液比1：10(g/ml)的比例加入稀盐酸(6mol/L)加热煮沸活化，冷却后调节浸取液至中性；再按1：10(g/ml)的比例加入氢氧化钠(12mol/L)溶液，在100℃的沸水浴中加热并经长晃动3h，冷却至室温，离心过滤。将得烟草水提液，在55-65℃和0.085-0.095Mpa的真空条件下进行浓缩处理，得淡黄色半透明浓缩液。
实施例1：有机质含量100g/L,氮含量40g/L,磷含量170g/L,钾含量170g/L.
量取10L烟草提取液、1L尿素硝酸铵溶液、1L聚磷酸铵溶液、20升聚磷酸钾溶液、1L水。按照本实施例所述的制备方法调制成有机质含量100g/L,氮含量40g/L,磷含量170g/L，钾含量170g/L有机水溶肥。
制备方法如下：向烟草提取液中加入聚磷酸铵溶液，聚磷酸钾溶液，温度控制在30℃，搅拌1.5h得混合液；向混合液中添加尿素硝酸铵溶液,搅拌30min；然后调节溶液pH值，具体的，向其中添加柠檬酸，温度控制在30℃，搅拌0.5h，调节溶液pH(1:250)为5.2。
实施例2：有机质含量150g/L,氮含量200g/L,磷含量35g/L,钾含量35g/L.
量取10L烟草提取液、10L尿素硝酸铵溶液、1L聚磷酸铵溶液、1升聚磷酸钾溶液、1L水。按照本发明所述的制备方法调制成有机质含量150g/L,氮含量200g/L,磷含量35g/L,钾含量350g/L有机水溶肥。
制备方法如下：向烟草提取液中加入聚磷酸铵溶液，聚磷酸钾溶液，温度控制在40℃，搅拌1.5h得混合液；向混合液中添加尿素硝酸铵溶液,搅拌30min；然后调节溶液pH值，具体的，向其中添加柠檬酸，温度控制在50℃，搅拌0.8h，调节溶液pH(1:250)为6.5。
实施例3：有机质含量150g/L,氮含量70g/L,磷含量240g/L,钾含量40g/L.
量取10L烟草提取液、10L聚磷酸铵溶液、1升聚磷酸钾溶液和1L水。按照本发明所述的制备方法调制成有机质含量150g/L,氮含量70g/L,磷含量240g/L，钾含量40g/L有机水溶肥。
制备方法如下：向烟草提取液中加入聚磷酸铵溶液，聚磷酸钾溶液，温度控制在40℃，搅拌1h得混合液；向混合液中添加尿素硝酸铵溶液,搅拌30min；然后调节溶液pH值，具体的，向其中添加柠檬酸，温度控制在40℃，搅拌0.6h，调节溶液pH(1:250)为6.8。
实施例1的分析测试
实施例1的检测结果，有机质含量102.2g/L,氮含量41.2g/L,磷含量171.4g/L,钾含量176.3g/L，pH(1:250)为5.2，密度为1.33g/ml，水不溶物为0.4g/L。
实施例1水溶性碳营养的检测结果如表3。
表3.实施例1水溶性碳营养的检测结果
实施例2的分析测试
实施例2水溶性碳营养的检测结果见表4。
表4.实施例2水溶性碳营养的检测结果
实施例2的检测结果，有机质含量154.2g/L,氮含量205.2g/L,磷含量37.4g/L，钾含量38.2g/L，pH(1:250)为6.5，密度为1.31g/ml，水不溶物为0.2g/L。
实施例3的分析测试
实施例3水溶性碳营养的检测结果见表5。
表5.实施例3水溶性碳营养的检测结果
实施例3的检测结果，有机质含量154.6g/L,氮含量75.4g/L,磷含量240.6g/L,钾含量41.5g/L，pH(1:250)为6.8，密度为1.36g/ml，水不溶物为0.23g/L。
螯合锌容量的测定
在30℃温度下，向以上三个实施例溶液中缓慢滴加0.01g/L的ZnSO4溶液，采用FBRM监测溶液中固体颗粒的粒度分布，以弦长≤5um的颗粒数量作为滴定终点的评判指标，当弦长≤5um的颗粒数量急剧增长时，即表明该有机水溶肥溶液中螯合锌达到饱和。取上层清液加入无水乙醇使螯合物沉淀出来，经离心分离、低温烘干，得到聚磷酸锌的螯合物固体，并进行红外分析。FT-IR测试条件：光谱分辨率为1cm-1，测量范围为400-4000cm-1。
由图2可知，溶液中的固体颗粒数量随ZnSO4溶液的滴加保持不变，当滴加时间超过一定时间后，继续滴加ZnSO4溶液，体系中出现固体颗粒，并且固体颗粒数量急剧增加。这是由于ZnSO4加入有机水溶肥后，与聚磷酸铵形成螯合物，这些螯合物可以溶于水中，因此体系中检测不到固体颗粒。随着ZnSO4滴加量的增加，聚磷酸铵的螯合容量达到饱和，多余ZnSO4与溶液反应，生成沉淀。
为证明螯合锌的存在，采用FT-IR对有机水溶肥螯合前后的结构做了分析，结果见图3。由图3可知，螯合物在3207cm-1、1640cm-1、1189cm-1、897cm-1和1092cm-1，处具有相同的吸收振动峰，说明锌螯合物的基本结构与聚磷酸盐一致。说明有机水溶肥中聚磷酸盐与Zn发生了反应，生成了聚磷酸锌螯合物。
田间应用技术试验
试验地选择在通许县竖岗镇，种植作物为大蒜，蒜种为自留种。行距25cm，播量为2.5万株/亩，采用小型播种机播种。有机水溶肥处理田面积4亩，对照田面积3亩。试验田土壤为壤土，土质偏酸。前茬为花生，产量700斤/亩。
试验田处理方案如下：
试验结果调查：
通过田间观察发现，示范田的大蒜整体长势旺盛，叶色较对照田深，且黄尖的现象较少。示范田的土壤疏松，含水量高，对照田土壤出现青苔现象，示范结果说明，使用示范田的大蒜营养供应及时，可以迅速补充地上部消耗的养分，且可以改良土壤的环境，有利于大蒜的正常生长。
在示范田和对照田中随机抽取5株长势一致的大蒜，对大蒜的叶片厚度及假茎粗进行测定，结果如表6-7所示。示范田的大蒜平均叶片厚度比对照田的大蒜叶片增加0.11mm，增厚达10％。示范田的大蒜平均假茎粗为18.42mm，对照田的大蒜平均假茎粗为17.61mm，示范田的大蒜假茎较对照田粗0.81mm，增粗达4.4％。
随机抽取3组蒜薹，每组10条测定蒜薹重量，示范田平均产量约为282.9公斤，对照田约为241.3公斤/亩，增产约为41.6公斤/亩,按照蒜薹收购价0.2元/斤计算，示范田增收16.64元/亩。
表6大蒜鳞茎膨大期叶片厚度对比数据(2019.4.26)单位：mm
表7大蒜鳞茎膨大期假茎粗对比数据(2019.4.26)单位：mm
表8大蒜鳞茎膨大期蒜薹重量(10根)对比数据(2018.4.26)单位：g
在大蒜的采收期，在示范田和对照田，分别抽取5株长势一致的大蒜，分别对大蒜的假茎粗及蒜头净重量进行测定，结果如表9-10所示。示范田的大蒜平均假茎粗为23.20mm，对照田的大蒜假茎粗21.95mm，示范田比对照田的大蒜假茎增粗1.25mm，增粗为5.4％。
分别将抽取的五株大蒜洗净，去掉假茎，计算示范田和对照田大蒜的鲜蒜理论产量，洗净后的示范田大蒜的平均蒜头重量为114.2克，对照田的大蒜平均蒜头重量为98.3克，示范田的鲜蒜理论产量为2854.5公斤/亩，对照田的鲜蒜理论产量为2456.5公斤/亩，大蒜示范田较对照田亩增产398公斤/亩。按照鲜蒜头收购价0.6元/斤计算，蒜头增收477.6元/亩。
表9大蒜采收期假茎粗对比数据单位：mm
表10大蒜采收期蒜头重量对比数据单位：g
用酸度计，分别在示范田及对照田测定土壤的Ph值，示范田土壤pH为6.2，对照田的土壤pH为5.8。示范田土壤疏松、透气性好，对照田土壤表面出现青苔，疏松程度较示范田差，充分说明使用滴灌能有明显改善土壤结构、提高肥料利用率，预防土壤酸化。
应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
