秸秆炭基肥料挤压造粒成型优化及主要性能--《农业工程学报》2014年05期
秸秆炭基肥料挤压造粒成型优化及主要性能
【摘要】：炭基肥料是以生物炭为基质与其他肥料复合而成的新型肥料,能有效提高土壤的肥力和透气能力,同时具有对肥料的缓释效果等。为了炭基肥料成型工艺优化及工业化生产,该文以复混肥料的国家标准为参考,尿素、过磷酸钙、磷酸氢二铵、氯化钾作为提供氮磷钾元素的基础肥料,并以秸秆炭为基质,着重讨论了成型前加水量、有无添加胶黏剂和成型前物料粒度对炭基肥料成型的影响。研究成型炭基肥料的较佳工艺为基础肥料质量分数占70.36%,总养分的质量分数为28%,其中N:P2O5:K2O养分质量比为10:8:10,秸秆炭质量分数16.64%,不加研磨,配以13%的水,搅拌均匀常温造粒成型;并对在此条件下成型后的炭基肥料养分含量、含水率、溶水性、强度、pH值和对土壤化学性质的影响等性能进行表征,指标如下:氮质量分数为10.07%,水溶性磷质量分数5.47%,有效磷质量分数8.38%,水溶性磷占有效磷65.27%,钾质量分数10.45%,水分质量分数3.24%,机械强度85%以上,pH值为6.41。实测结果符合国家相应标准,工艺设计简单可行,进而为炭基肥料的工业生产提供参考。
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【分类号】：TQ440.6
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┃FOHOTA┃标准研究┃一批肥料行业标准4月起实施（涉及农林保水剂、土壤调理剂、缓释肥料、生物炭基...
14项肥料产品国家标准变更代号　　经农业部批准，自日起，农林保水剂、土壤调理剂通用要求、缓释肥料通用要求、生物炭基肥料、测土配方施肥技术规程等12项与肥料相关的农业行业标准正式实施。　　国务院发布的农业部“三定”方案规定，农业部负责肥料的登记管理工作。对于列入登记管理目录的肥料（含土壤调理剂等）的质量要求、检测方法以及肥料使用准则等，农业部根据管理需要归口制定相应的农业行业标准。　　农林保水剂是一种合成聚合型、淀粉接枝聚合型或纤维素接枝聚合型等吸水性树脂产品，用于农林业土壤保水、种子包衣、苗木移栽或肥料添加剂等。目前，农业部将农林保水剂列入肥料登记管理目录。NY 886《农林保水剂》标准是2004年首次制定的，2010年第一次修订，此次是第二次修订（并按国务院强制性标准清理要求变更为推荐性标准）。　　土壤调理剂是指加入土壤中具有改善其物理性质、化学性质、生物活性中至少一种功效的物料。土壤调理剂可能会同时提供植物养分，但不是其主要功效。土壤调理剂属于农业部肥料登记管理的范围。此次农业部修订了2012年版《土壤调理剂 效果试验和评价要求》行业标准，并首次发布实施《土壤调理剂 通用要求》、《土壤调理剂 铝、镍含量的测定》《肥料和土壤调理剂 水分含量、粒度、细度的测定》行业标准，为推进土壤调理剂的登记管理提供了技术支撑。　　农业部登记管理的缓释肥料是指通过添加特殊材料和经特殊工艺制成的使氮、磷、养分在设定时间内缓慢释放的肥料。农业部2012年首次发布了NY 《缓释肥料 登记要求》标准，此次修订后标准名称变更为《缓释肥料 通用要求》，按国务院标准化改革方案将标准性质变更为推荐性标准，并同时发布了《缓释肥料 养分释放率的测定》检测方法标准。 农业部准予登记的肥料增效剂主要涉及脲酶抑制剂、硝化抑制剂类。此次农业部批准发布了2-氯-6-三氯甲基吡啶含量、正丁基硫代磷酰三胺（NBPT）和正丙基硫代磷酰三胺（NPPT）类肥料增效剂产品含量测定标准。　　生物炭基肥料是指以农林废弃物制成的生物炭为载体，根据土壤和作物需求添加适量氮、磷、钾及中微量元素制成的肥料。目前，农业部已经批准登记的肥料中没有这类产品。此次是农业部首次发布这类肥料的产品标准。&------------------------------------------------FOHOTA = For Hot Data人不牛，但资讯真的New !
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炭基肥是按照国家有机农产品生产的规范要求，采用国际先进的复合生物肥料技术，将高活性生物菌群，速效氮磷钾养分，优质有机肥、中微量元素、复合土壤调理成分和生物防治成分等合理配比生产出的一种多维营养复合型肥料。
炭基肥复合肥26-3-3+TE-金壳化肥 壳牌炭基肥 壳牌炭基肥系列采用优质竹制生物炭为主要原料精制而成。竹制生物炭选用3年生 高山孟宗竹，在缺氧的情况下，经500-600℃高温热解产生的一类难熔的、稳定的、高 度芳香化的、富含碳素的固态物质。竹制生物炭富含75%-95%（wt）的碳，其次是灰分 ，包括钾、镁、钙、硅、锰、锌等金属的氧化物和少量挥发分。 竹制生物炭施入土壤中能长期保持稳定的结构以及独有的多种特性，使其在土壤改 良和农业种植上具有巨大的应用价值。 （1）竹制生物炭具有由洋葱状富勒烯（C60）和展开的碳纳米管组成的特殊孔隙（ 如图1）以及大量的表面含氧基团等特征，这一特殊结构使其具有良好的吸附性能。竹 制生物炭的表面积是木炭的2.5-3倍，吸附能力是木炭的10倍以上。 （2）竹制生物炭大多呈碱性，因其灰分中含有很多的盐基离子，比如钙、镁、钾等（ 如图2），这些盐基离子可以降低土壤中氢离子及交换性铝离子的含量，提高酸性土壤 pH值（如图3）。同时，也可增加土壤中矿质养分含量。 （3）竹制生物炭具有多孔结构、比表面积大等特性，可改善土壤持水能力 （4）竹制生物炭具有高的吸附能力、阳离子交换量（CEC）及化学反应性（如图5）， 其可作为肥料缓释载体，可延缓肥料养分在土壤中的释放，提高肥料养分利用率（如氮 、磷、钾）。 （5）竹制生物炭的孔隙结构及贮存水分和养分的作用，使其成为土壤微生物的良 好栖息环境，为土壤有益微生物提供保护，特别是菌根真菌，促进有益微生物繁殖及活 性。竹制生物炭可作为微生物肥料接种菌的载体，增加接种菌在土壤中存活率。 （6）竹制生物炭具有的吸附性、呈碱性及表面富含碱性基团，可以改变土壤中重 金属（镉、砷、铬等）的形态，使离子形态的重金属形成难溶的盐类。因此具有钝化重 金属的功能 金壳公司通过多年的研究，整合国内外研发团队的科研成果，采用经特殊处理的优 质生物炭-竹制生物炭为主要原料，并结合优质有机原料（腐殖酸、氨基酸等）或多功 能有益菌群等，经先进工艺配制获得炭基肥系列产品，包括竹炭有机肥、竹炭生物有机 肥和竹炭复合微生物肥料等系列产品。 壳牌炭基肥在具有恢复土壤活力、钝化土壤重金属、保水保肥等功能的同时，还能 促进增产增收，改善作物品质。
炭基缓释肥（高氮高钾配方）15-15-10-憨农-拜尔福生物炭基肥料是一种以生物质碳化产物生物黑炭为有机基质，配之一定比例化学肥料加工而成的有机无机复混肥。特点：与化肥和普通有机无机复混肥相比，炭基肥料具有以下特点：1.炭基肥料能有效改善土壤结构，调节土壤PH，增加土壤有机质，提升地力。2.炭基肥料的炭基为深黑色多孔性有机物质，基友极好的吸光增温和隔热保温特性，能够有效改善土壤结构，调节土壤PH，增加土壤有机质，提高土壤增温保温性能。对于解决早春低温造成的水稻，玉米，大豆出苗及生长缓慢问题基友重要作用。3.炭基的大比表面积和高C/N特性使其具有较强的吸附作用，能有效降低化学养分的释放速度和生物矿化速度，较少淋失量，降低温室气体N2O的排放强度，延长供肥时效。炭基肥料在提高了肥料利用率的同时降低了环境风险。4.生物黑炭的疏松和多空结构使其具有较强的持水能力，这对缓解春季干旱带来的不利影响，提高田间出苗率，大有裨益。5.炭基肥料可用于盐碱化土地的改良。炭基肥料施入盐碱土壤后，通过改善土壤结构，阻抑盐分毛管运动，利用所含离子的拮抗作用减缓CL-和NA+对作物的伤害，最终达到快速改良和熟化盐碱土。6.炭基肥料可以钝化土壤中的重金属离子，降低农作物受重金属污染的风险，提高农产品品质。在酸性土种，效果特别明显。优势炭基肥料的主要优势为低碳、节肥、增产、增汇、环保。炭基复合肥能兼顾化肥的增产优势和有机肥增碳增汇优势，又能克服两者的不足
炭基微生物菌肥-儒德 儒德菌肥的四大功效： 1.以菌抑菌：融十类菌群于一体彻底消灭有害菌 2.根系发达：有效根系增加二倍以上 3.抗击病害：有效消除烂果，空洞果，畸形果，根腐，根肿，烂根，黄叶，落花等病害。能令作物起死回生。 4.修复土壤：活化土壤，调理酸碱耐旱耐涝，强防土病菌，聚集养分，激活并转化土壤中凝固的养分，构成作物的营养库。 注意事项： ●在干燥条件下储存，避免阳光直射和高温 ●本产品在保存过程中，外层会产生白色菌丝，不影响肥效， 可相对提高肥效。
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近期以来，碳肥概念已经火爆了整个市场，各种碳肥产品粉墨登场，特别是以前市场上常见的氨基酸、黄腐酸、腐植酸等产品现在也被被包装成各类碳肥产品进行销售，而生物炭基肥产品由于其推出市场时间不久，大家对其功能与特性尚不是很了解，常常与腐植酸类产品混淆。因此，碳宝在这里对这两种产品进行解读，详细谈谈其中的差别，利于消费者进行选择。
一、生物炭与腐植酸的联系与区别
首先，虽然两类产品都富含碳，但来源与制备方法以及产品性质均有差异。
生物炭（Biochar）是以作物秸秆等农林植物废弃生物质为原料，在无氧或低氧条件下，400-700℃裂解得到的稳定的固体富碳的产物。从概念中可以看出，生物炭产品在我们日常生活中并不少见。我们冬季取暖以及野外烧烤所用的木炭、竹炭、机制炭以及工业上常用的活性炭等产品，均属于生物炭的一种，它属于人为通过物理化学方法所制备的富碳产物。从组成成分上来说，生物炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，一般含有60%以上的 C 元素，含有的其它元素主要有 H、O、N、S 以及丰富的矿质元素等。生物炭长期应用在人们的生产生活中，然而把其应用到农业生产中，则是近年来才得到大家的重视。这一应用的提出源于对亚马逊流域印第安人留下的黑土地的增产效果。目前科学界普遍认为生物炭在农业上的应用对促进土壤固碳、改善土壤健康、提高作物品质具有重要的意义。
生物炭产品的品质受生物质材料、制备技术等方面的影响。一般来说，良好的生物炭制品在制备完成后，其在土壤中的应用主要的功能成分由三部分组成：稳定的支架碳、小分子的有机碳以及吸附的丰富矿质元素。其中，支架碳是生物炭的主体，主要是由单质碳或类似石墨结构的芳香碳组成。这一部分碳的可溶性极低，溶沸点极高，具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪族链状结构，因此使生物炭具备了极强的吸附能力和抗氧化能力。这一部分碳结构保留了原生物质的细微孔隙结构（如下图所示），具有较大的比表面积，因此具有强烈的吸附性，能够吸附重金属、农残等污染物，从而减少植物对这些污染物的吸收；这些孔隙还能吸附植物一时不能利用的氮素养分，后期再缓慢地释放供给植物，从而提高氮肥的利用率；同时，这部分支架碳也可以吸收水分子进入小孔中，当干旱发生时，小孔可以保护水分子不被迅速的蒸发，从而有了保持水分的效果。另外，这部分支架碳也能为一些有益菌提供生长繁殖的空间，犹如庇护所一般让有益菌免受外在环境的胁迫，从而促进有益菌在植物根系的定植，提高微生物菌肥的效果。图1 竹制生物炭扫描电子显微镜图像。
a：竹制生物炭横切面；b：竹制生物炭纵切面。
第二部分是生物炭在制备过程中的一些小分子的有机碳，这部分碳是生物炭中的活性成分。它们被吸附在支架碳上，能够被植物和微生物所利用，被植物直接吸收利用可以促进植物生长；被微生物利用可以促进微生物的繁殖。一般生物炭肥料使用后马上表现出的效果往往是由这部分小分子碳所提供的。
第三部分是生物炭中包含的矿质元素成分。由于生物炭是从植物煅烧而成的，植物中所含有的一些Ca、Mg、K、Si等大中量营养元素和Fe、Mn、Cu、Zn等微量元素均保留在生物炭中，在施入土壤后可以补充土壤中的矿物质养分。另外，由于这部分营养元素一般以碱性形式存在，因此，也具有改良土壤酸性的作用。
因此，我们从以上介绍中可以看出，生物炭产品所具有的保水保肥、改良土壤和促进植物生长的效果是由于生物炭所固有的性质所决定的。特别是在目前我国土壤面临的土壤酸化、肥料利用率低、重金属污染风险问题上，生物炭肥料产品将会发挥重要的作用。
介绍完了生物质炭产品，我们再来了解下腐植酸类产品的情况。腐植酸(Humic acid) 是植物遗骸经过微生物的分解和转化，以及地球物化反应等一系列过程形成和积累起来的一类有机物质。目前市场上常见的腐植酸类产品主要有两种来源，一种是从风化煤中提取的矿源腐植酸，一种是从秸秆类物质中提取的生化腐植酸，其中以矿源腐植酸为主。腐植酸总体上是一类大分子的含碳化合物的混合物，呈现弱酸性。但由于在提取时的工艺不同，呈现产品的pH也各有差异。其中，既能溶于碱、酸和水的组分，稀溶液呈黄色或棕黄色的物质被称为黄腐酸，又叫富里酸（Fulvic acid），其分子量比较小，具有一定的生物活性；而溶于碱但不溶于酸的，被称为腐植酸（Humic acid），其分子量要大于黄腐酸；而在酸碱中均不能溶解的部分，被称为胡敏素（Humin)。在不做特殊说明的情况下，我们把这三类物质均称为腐植酸类物质。黄腐酸类产品由于其中包含的小分子有机碳物质较多、易溶于水、活性较强、具有一定的生物刺激功能，因此常被作为功能成分开发特种肥料。而一般市场上常见的腐植酸肥料则包含了黄腐酸、腐植酸和胡敏素三种成分。
腐植酸类物质的组成元素成份和生物炭类似，也是C、H、O、N、S等元素组成，其中含碳率也较高，有的可达到60%以上。应该说，腐植酸产品与生物炭均为富碳产物，这两类产品在功能上存在一定的相似性。如两类物质都存在一定的小分子有机碳，具有刺激作物生长的功能；两类物质都具有吸附缓冲性能，可以吸附养分、增加养分利用率等等。然而它们虽然元素成分相似，但两者组成结构上存在较大差异，由此导致的功能差异也很多。
首先，我们看，腐植酸不含有单质碳成分，不具有生物炭的支架碳的孔隙结构，其对养分、水分等的吸附作用是由其含碳化合物所决定的，这些就导致腐植酸化合物的稳定性较生物炭差。一方面，微生物可以通过生物作用分解这些腐植酸类的化合物，造成腐植酸在土壤中的损失；另一方面，土壤耕作、水肥的施用也会导致腐植酸的氧化分解。而生物炭的碳支架稳定性程度极高，可以在土壤中存续几百甚至上千年，从而能保证其对土壤修复效果的长期稳定。因此，在土壤中使用腐植酸物质往往在刺激作物生长上作用显著，但在改良土壤、提高土壤有机质等改良土壤的长效性上要弱于生物炭。
另外，在矿质养分上两类产品也存在差异。由于腐植酸在生产过程中，一般采用碱溶酸析法进行提取，因此一些风化煤中的矿质元素并不能被碱溶出，纯品的腐植酸含有的矿质元素的含量较低；但生物炭完整的保留了所有植物中所含有的矿质元素，从而元素的丰富度上要高于腐植酸产品。因此，从产品性质上看，生物炭适于开发为基肥产品，长期稳定的大量施用，从而保证土壤的持续健康；而腐植酸类产品更适于作为肥料助剂与化肥产品共同配合使用，从而发挥其促进化肥肥效，刺激作物生长的作用。
另外，生物炭产品能长期促进土壤有机质的积累。这主要是由于生物炭支架碳的稳定性，以及其吸附其他有机物质的能力，从而能促进土壤中有机质的长期增加。而腐植酸产品稳定性较弱，虽然能短期促进土壤有机质的增加，但在中长期来说效果不显著。特别是一些小分子的黄腐酸物质，由于其分子量小，更容易被微生物分解利用。因此在促进土壤有机质上更弱于生物炭产品。
二、生物炭与腐植酸肥料商品种类与特点
在上文中介绍了生物炭与腐植酸的区别，这里再和大家介绍下目前市场上开发的肥料产品情况。
首先，我们来看生物炭肥料产品。由于国内生物炭的研究开发时间较短，市场上的产品种类并不多见，特别是由于生物炭原料的来源的限制、制备技术以及成本问题，商品化的产品价格一般为高端产品。目前市场上的主流生物炭肥料产品主要有二类。第一类是时科生物科技（上海）有限公司等企业开发的生物炭基有机肥类的产品。其主要是将生物炭以一定比例与高品质的生物有机肥产品进行配比，开发出的含有生物炭、腐殖质和有益微生物菌的生物肥料。这一类的生物炭基肥料产品主要的作用是修复改良土壤为其特色，兼顾了生物炭和腐植酸两类物质的优点，对目前中国主要的酸化土壤、盐渍化土壤等具有显著的修复作用。长期使用能显著提高土壤有机质，促进土壤养分平衡，降低重金属、有机污染物的吸收。这类产品在提高作物品质上的效果比较显著。但该类产品的矿质营养成分较低，需配合高含量矿质元素的化肥进行使用。 图片：时科碳基肥产品第二类产品是将生物炭与传统化肥进行复合，生产的生物炭基复合肥产品。这类产品的特点是以促进肥料的利用率为主，兼顾改良土壤的效果。这类产品在我国东北三省销售较多。今年4月1日，生物炭基肥料的行业标准（NY/T ）开始实施，助推了炭基复合肥产业的发展。然而，受限于生物炭产能问题，这类产品在市场上并不多见。 图片：沈阳生物炭联盟成立照片腐植酸类肥料产品由于其发展时间较长，产品品种较多。其中比较常见的有以腐植酸料为主的腐植酸钾、黄腐酸钠、腐植酸铵等产品。也有腐植酸铵与过磷酸钙、钾肥或微量元素混合的腐植酸复合肥料产品，或者腐植酸与尿素复配的腐植酸尿素产品等；还有一类是以黄腐酸产品与一些矿质元素复配的冲施肥和叶面肥产品等。这些产品主要是以提升肥料的功能性和养分利用率主要特点。
三、生物炭肥与有机营养
总之，无论是生物炭基肥料还是腐植酸类肥料，在产品合格的情况下，对土壤修复和作物生长均具有较好的效果。但当前部分企业为了提高产品价格，赚取超额利润，对产品进行虚假宣传、夸大功效。特别是一些黄腐酸、腐植酸肥料的厂家，常常夸大部分小分子活性碳的功能，把它们的生物刺激功能偷换概念为碳素营养，大肆炒作碳营养、有机营养等概念，引起消费者认知混乱，笔者在这里有必要进行澄清。
应该来说，无论是生物炭还是腐植酸类物质，其中均包含有大量的小分子有机碳。这类物质具有一些类激素的生物刺激功能，在提高植物根系生长、促进叶绿素合成、增加作物抗逆性上有显著功效。由于这些小分子碳的种类繁多，其对植物生长的作用功能机制在学术界尚未完全明了。但是，这类小分子有机碳其主要作用是对植物生长的调控、刺激功能，起到的是生物信号的作用，而非营养的功能。
我们知道，植物是自养生物，通过光合作用吸收空气中的CO2，合成糖类物质供给植物生长所需。因此，虽然植物组成中C确实为第一元素，但植物碳的供给主要来自于空气。而无论是黄腐酸、生物炭产品中包含的小分子碳，虽然也能被植物吸收，但作用量是极少的，并不是植物碳骨架的主要供给者，更不能称为有机碳营养。
从常识也可以看出，植物生长需要大量的碳元素，而一些黄腐酸等小分子碳类物质供给量极少，不可能提供植物整个生育期的需碳量。另外，这些小分子碳的另一个重要功能是供应土壤中微生物的生长，作为微生物的营养成分存在。而微生物生长会促进土壤理化性质的改善，进而促进了植物的生长。因此，小分子碳在土壤中的功能是多样的，其对作物直接和间接的作用都有，不能仅认为其被植物直接吸收发挥功能。
四、生物炭基肥料的市场概况
目前，由于市场上的生物炭基肥料尚处于起步阶段，市场上开发的肥料产品比较少。但随着生物炭产品市场的崛起，一些企业也开始打生物炭肥的旗号以劣充好，假冒伪劣的现象频发，这就要求我们消费者具备辨别碳肥产品的能力。笔者在这里对生物炭基肥产品的市场进行介绍，帮助消费者识别好的炭基肥产品。
生物炭基肥料的生产的第一步是生物质炭的生产。由于当前我国生物质炭收集、储运的困难，以及工业化、连续化生产生物质炭的技术尚未完全成熟，生物炭的整体产能不高，炭原料的价格也处于高位。因此，在肥料行业中使用生物炭配方的肥料产品整体上应该为高端产品。目前，一些肥料产品标“生物炭肥料”字样，但价格低端的，一般均为假冒产品。
另外，市场上也有一些企业，主要是一些生物质能源公司，把生物发电的废弃物作为生物炭肥料产品进行销售。这一类的产品主要是一些草木灰成分，含碳量较低，并不具备真正生物炭基肥料的吸附功能。因此这类产品在应用效果上并不明显，这也是值得当前市场上需要注意的。
还有，一些企业采用的炭化原料并非为生物质源，而是一些畜禽粪便，其炭化程度也不高，重金属含量常有超标风险，因此存在一些产品质量问题，这些都需要消费者进行识别。
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