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有机无机生物新型三元复合肥的研制及应用

时间:2009年08月12日来源:本站 作者:admin 点击:打印
 
有机无机生物新型三元复合肥的研制及应用
王法云1       赵跃进2 2
1.河南省科学院生物研究所有限责任公司,河南郑州4500082.河南省农业微生物工程技术研究中心,三门峡,472100
 
摘要   通过固体发酵、负压低温干燥、颗粒微孔高分子半透膜包被、两工段制粒等创新技术,将有机无机生物复合研制成的新型生物肥,解决了“三肥合一”存在的技术问题。
关键词 生物肥 包被 低温干燥 制粒
中图分类号:S 143.5     文献标识码:A
在现代肥料生产中,针对化肥、传统有机肥和生物肥的优缺点,把它们进行有机结合开发出新型三元复合肥,具有广阔的市场前景。有机无机生物复合肥以功能性生物活性菌为主体,以作物的秸秆、麸皮、鸡粪等肥料型有机质为载体,配合无机氮、磷、钾及多种中、微量元素,集微生物独特的生理调节功能、无机化肥的高效性和有机肥的长效性于一体,从而达到种养结合和农业可持续发展的效果。有机无机生物复合肥既是生物肥、有机肥和无机肥的“三肥合一”;同时也是高效、长效、增效为一身的“三效合一”。它与普通复混肥相比,具有减少化肥用量、提高化肥利用率、改善农产品品质、降低生产成本、保护生态环境和作为绿色食品生产资料等优点;具有均衡提供营养、培肥地力、增强作物的抗逆性、提高农产品品质和降低农产品中的有害物质等作用[1]
1 目前有机无机生物复合肥存在的主要问题
1.1菌种配比不合理,功能单一
目前生物肥选用的菌株相对单一,在土壤中大多形成不了优势菌群,达不到固氮、解磷、解钾、抗病、抗逆等综合效果。
1.2无机化肥对活性微生物的杀伤
微生物发酵后与有机肥混合造粒,然后与无机复合肥混合,无法避免氮、磷、钾肥料对微生物的杀伤作用,有效活性菌很难存活,尤其高氮对微生物杀伤更大[2]
1.3造粒及干燥过程温度过高
过高的温度造成微生物大量死亡,活性降低。
1.4颗粒水分含量高
水分过高易导致在存放过程中有效活菌数减少,肥料有效期缩短。
1.5发酵工艺不完善
现大多采用堆制或液体发酵,不仅需要较大的生产场地,且发酵中的温度、湿度及供氧条件很难控制,产品质量得不到保障。
1.6产品剂型不合理
粒度大、表面粗糙、商品性能差;颗粒强度低,存放、搬运过程中易破碎[2]
针对以上存在的问题,我们对菌株进行合理的配比,通过固体发酵、负压低温干燥、颗粒微孔高分子半透膜包被、两工段制粒等创新技术,基本上解决了“三肥合一”存在的技术问题。
2 有机无机生物新型三元复合肥的技术研究
2.1菌种筛选及组成
菌种筛选采用现代分子生物学方法,通过分离培养组合,研发出新型复合微生物菌群。其微生物菌群组成包括四个部分:一是用于土壤中养分或能转化被土壤固定的磷、钾为植物吸收利用的自生固氮菌、根瘤菌、释磷、解钾菌;二是防止作物病虫害功能的芽孢杆菌、放线菌等抗菌菌株;三是用于分解物料中有机物质、促进纤维素半纤维素和木质素分解、降解粗脂肪和碳水化合物、分泌多种酶的菌株以及一些除臭的酵母菌;四是改良土壤、增加土壤团粒结构、提高土壤肥力的丝状菌、乳酸菌、酵母菌等。
2.2包被、缓释及两工段造粒
氮对微生物的杀伤力较大,总氮质量分数超过10%的化学肥料与微生物直接混合存放,三个月活菌死亡率大于65%,半年活菌死亡率超过80%。通过研究,对无机养分和生物有机养分两个工段分开造粒,对两个颗粒分别采用微孔高分子半透膜覆盖于颗粒表面,阻止化学物质对微生物活菌的直接接触,微生物活菌死亡率大幅度下降。为避免施入土壤后化肥迅速分解形成的局部高盐、高渗透压对微生物的影响,在无机粒中添加了缓释剂,延缓速效化肥的分解。双颗粒包膜技术不仅解决了无机肥料化学物质对微生物的杀伤问题,而且可以根据不同地域的肥力、不同作物的需肥将生物有机粒和无机养分粒根据具体情况配比,满足测土配方施肥的需求[3]
2.3负压低温干燥及水分控制
含有一定量无机氮的生物有机肥中,如果含水量高,对微生物活性有较大的影响。(见表1)
表1 在不同含水量条件下保存半年后活菌数变化
Tab.1  The conditions change of Preservation of Living bacteria at Different water content
初值(个/克)
存放半年(个/克)
有益
细菌
线
 
有益
细菌
线
 
×106
×108
×105
×106
×108
×106
×108
×105
×106
×108
%
Ck
4.9
5.2
3.3
6.6
5.31
4.0
4.2
2.7
5.4
4.33
-18.4
1
6.5
0.82
48.0
5.7
0.939
0.35
0.55
4
0.2
0.596
-36.6
2
4.5
4.8
3.0
6.0
4.9
3.0
4.5
2.8
5.0
4.58
-6.6
注:Ck:水分含量12%;处理1水分含量12.5%,加10%的尿素;处理2水分含量6.25%,加10%的尿素。
通过表1对比来看,有机无机生物肥生产工艺中必须降低产品的含水量。目前复合微生物肥料标准NY798-2004中颗粒水分≤15%[4],单独施肥还可,与化肥同施,尤其与含氮较高的肥料同施,微生物损伤比较严重,微生物肥效大打折扣。经过研究,我们采用瞬时表面干燥与多次复苏的深层干燥相结合的办法,用低温热风引入振动流化状态的物料层,物料温度不高于55摄氏度,在负压下迫使表层水分快速蒸发,然后多次延时复苏,使深层水分沿毛孔升至表面,经数次干燥使水分控制在6%以下,既减少了对微生物杀伤,也有利于延长肥效。
2.4固体发酵
为保证畜禽粪便、麸皮和固体有机废弃物的充分发酵,我们采用自行研制开发的大型固体物料动态自控发酵装置,包括进料、出料、筒内翻料装置、自动化仪表装置及温度、湿度、氧含量控制系统。发酵周期比常规发酵缩短3-4天,物料内的有效活菌有较大幅度的提高,同时也增加了产品中有益微生物的代谢产物和次生代谢产物。
2.5工艺参数选择
2.5.1碳源物质 在发酵培养基中,添加不同碳源(浓度为2.5g/l),温度控制在30~40℃,振荡培养,测其生物量,结果见表2。
表2 不同碳源对复合菌株生长的影响
Tab.2  Strains of Different carbon sources on The growth of compound
碳源
生物量/mg.ml-1
0h              12h             24h             36h
蔗糖
5.69
7.92
9.84
10.28
甘油
8.82
9.06
8.29
4.38
可溶性
1.08
3.99
2.58
3.99
从试验结果看,蔗糖是较适宜的碳源。
2.5.2温度控制 在30~60℃范围内,恒温培养,不同时间测其生物量,其结果见表3。
表3不同温度对复合菌株生长的影响
Tab.3  Strains of Different temperatures on The growth of compound
温度/℃
生物量/mg.ml-1
0h          7h            12h          24h          36h
30
0.76
0.74
1.04
1.74
2.18
40
0.78
0.44
0.58
1.01
2.83
50
1.96
2.52
3.04
4.09
8.16
60
0.55
0.94
2.61
2.83
3.72
结果表明,在50~60℃菌株生长较好,而以50℃为最佳温度。
2.5.3 pH值选择取含最适碳源的发酵培养基,用0.1molNaOH调节PH值,于30~40℃振荡培养,测定结果见表4。
表4 不同PH值对复合菌株生长的影响
Tab.4  Strains of Different PH value on The growth of compound
PH
生物量/mg.ml-1
0h          7h            12h          24h          36h
4
0.22
0.24
0.04
0.03
1.875
6.5
0.85
0.93
3.29
5.56
6.325
8.5
0.74
0.80
3.19
6.07
5.45
10
0.52
0.57
0.86
1.66
3.025
由结果可以看出,该复合菌株生长的最适宜PH值为6.5。
小结:试验结果表明,最适发酵温度为50℃,最适PH值为6.5,蔗糖是较适合的碳源。
3 生产工艺
先将米糠、麸皮等按比例混合,蒸汽灭菌,再加入适量红糖、尿素等,充分混合;按照原菌活化—复培—扩大培养—发酵—干燥—粉碎—干燥的操作流程生产扩培菌种。将扩培菌接入有机物料中,与富含微量元素的原料(根据土壤不同而定)充分混匀,装发酵罐保温保湿供氧发酵。发酵后传送至料仓中,用切刀造粒,圆盘造粒整形,送入两级负压干燥,冷却后送入料仓混合,包膜后包装入库。将尿素蒸汽融熔,硫酸钾(或氯化钾)、乙铵按所需比例混合,传送至滚筒,喷浆造粒,通过干燥、冷却、筛分,送入料仓混合,包膜后包装入库。最后将制备好的生物有机粒和无机粒按所需比例混合包装即制成有机无机生物三元复合肥[5]
4 肥效实验
4.1提高产量,改善品质方面
同肥价综合实验结果显示,粮食作物一般比施用普通复合肥增产9%-14%(见表5),经济作物增产12%-30%。另外,籽实类作物籽实饱满,蛋白质含量提高,千粒质量增加;茄果类作物着色好,果肉密实,果实维生素增加,总酸含量降低,还原糖增加,糖酸比高(见表6)。
表5 夏玉米施用有机无机生物复合肥效果
Tab.5 Effects on Summer corn with Appling biology and organic and inorganic fertilizer
处 理
穗粒数
千粒重
产 量
增 产
有机无机生物肥50kg
482
286
6753.00kg/公顷
+12.8%
常规施肥50kg
471
274
5895.00kg/公顷
 
表6 苹果施用有机无机生物复合肥效果
Tab.6 Effects on Apple with Appling biology and organic and inorganic fertilizer
处 理
总糖
总酸
VC含量
硬度
固形物
产 量
增 产
有机无机生物肥120kg
12.19%
0.446%
30.16mg/100g
11.52
14.74%
37310kg/公顷
+9.3%
常规施肥
120kg
12.02%
0.371%
24.89mg/100g
10.49
14.23%
34135kg/公顷
4.2提高化肥利用率,减少养分流失
自2005年开始对蔬菜连续3年的定位试验土壤养分进行分析,结果为施全量化肥的比种植前水解氮减少了86mg/kg,速效磷增加153.8 mg/kg,速效钾减少177.5mg/kg;而施用有机无机生物肥的水解氮比种植前增加了7mg/kg,两者相差93mg/kg,速效磷增加92.3mg/kg,是全施化肥的60%,速效钾减少152.5mg/kg。这表明施用有机无机生物肥比施全量化肥土壤速效磷相对增加15.4mg/kg,速效钾增加25 mg/kg。
4.3改良土壤,改善土壤结构方面
有机无机生物肥中含有的有机质和大量的有益活菌体使土壤中的有益微生物增加,恢复和促使土壤微生态的改善。实验结果显示,连续两年施用有机无机生物肥与施等价的专用无机复合肥相比较,放线菌增加了80倍,固氮菌增加了36倍。同时还能起到改善土壤板结和盐碱化,培肥地力。耕地容重平均下降0.16g/cm3,总空隙平均增加4.8%,自然含水平均增加7.1g/kg,促进土壤团粒结构形成,使土壤理化指标向保水、保肥、通气等有利于农作物生长的方向转化。
4.4减少农药用量,抑制和减轻病虫害发生
在植物根部土壤形成益生功能微生物优势菌群,抑制其他杂菌的生长和繁殖,减少因菌致病的发生。如白菜施用有机无机生物肥,软腐病发病仅为2%,而施用蔬菜专用肥发病率高达12%。同时在降低有害残留、抗旱、抗逆方面作用也非常明显。
5 结论
有机无机生物三元复合肥树立了三肥结合的理念,将有机质、无机养分和功能微生物按照各自不同的功能作用,通过特定的设备和工艺加工配比而成,施用后三种肥料共同作用而又互不影响其效果;将生物肥的增效、促效作用与有机肥的稳效、长效作用和无机肥的速效作用相互结合,具有急缓相济、优势互补、养分全面、均衡持久高效等特点。实现了生物肥、有机肥、无机肥等多元肥料的良好结合,解决了“三肥合一”存在的技术难题。
生物有机粒和无机养分粒分两个工段制粒,并对两个颗粒采用微孔高分子半透膜包被,避免了在物料发酵、造粒、存放过程中对活性微生物伤害,同时也避免施入土壤后化学肥料迅速分解形成局部高盐、高渗透压对微生物的影响,提高微生物在土壤中的存活繁殖能力,大幅度提高了成品中有效活菌总数,延长了微生物肥料的有效期,解决了高氮源肥料与生物肥料同施的技术难题。
固体发酵采用动态生物反应固体发酵罐,包括进料、出料、筒内翻料装置、自动化仪表装置及温度、湿度、氧含量控制系统,有效活菌数大幅度增加,发酵周期缩短3-4天,。
采用负压低温表面瞬时干燥与两级深层复苏干燥的三级干燥技术相结合,有机无机生物肥的水分降低到6%以下,避免了肥料干燥过程中及过高的水分含量对活菌的伤害。
有机无机生物肥中氮磷钾总量及各养分配比,根据土壤和作物需求进行调配,可实现测土配方平衡配套施肥,提高化肥利用率,实现高效节约用肥。
田间试验表明:施用有机无机生物新型三元复合肥,粮食作物增产9%-14%,经济作物增产12%-30%,蔬菜平均增产20%。通过几年的肥效实验,该肥对改善施肥结构、提高化肥利用率、增强抗旱和抗病能力、改善土壤理化性状和微生态环境、减少农药用量和降低农药残留、保护环境和食品安全、促进农业可持续发展等方面显示出较强的优势,具有较好的经济、社会和生态效益。
参 考 文 献
     [1] 张 敏,王正银.生物有机肥料与农业可持续发展[J].磷肥与复肥,2006(2):58-59
[2] 葛诚.微生物肥料生产及其产业化[M].北京:化学工业出版社,2007.
[3]朱德文,陈永生.活性生物颗粒有机肥生产技术与成套设备的研究[J].农业装配技术,2007(3):4-7
[4]中华人民共和国农业部.NY/T798-2004 复合微生物肥料[S].北京:中国农业出版社,2004.
[5]张宝林.功能性复混肥料生产工艺技术[M].郑州:河南科学技术出版社,2003.
[6]曹志洪.施肥与土壤健康质量[J].土壤,2003,35(6):450-455.
 
DEVELOPMENTS AND APPLICATION Of ORGANIC INORGANIC BIOLOGICAL
 NEW THREE YUAN COMPOUND FAT
Wang Fayun1                  Zhao Yuejin2  Yi Qing2
     (1. Biology Institute Co.,Ltd, Henan Academy of Science,Zhengzhou 450008, China;
2. Henan Province Agriculture Microorganism Engineering Technology Research Center,Sanmenxia 472100,Henan China
Abstract This research will ferment, the negative pressure cold drying through the solid, the pellet pore high polymer semi-permeable membrane diaper, two construction section system grain and so on innovation technologies to be organic the new biology which the inorganic biology will carry on compound develops to be fat, solves “the three fertilizations to unite” the existence technical question.
Key words  biology fat ,diaper, cold drying ,system grain
 
 
 
 
备注:该文章发表在中国科技核心期刊《河南科学》2009年第七期(828-831)
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