本技术公开了一种基于生石灰预处理秸秆制备酸性土壤改良剂和有机肥料的方法及装置,包含反应罐、挤压造粒装置和烘干装备。反应罐上设有秸秆进料口、石灰进料口、抽气口、排气口、搅拌器、进水口、尿素加入口、出料口,出料口连接挤压造粒装置,挤压造粒装置连接烘干装备,挤压造粒装置挤出液体收集于贮存罐中。本发明首先充分利用氧化钙遇水放热过程,在高压下碱解秸秆,加快分解速率。之后,通过快速释放压力,造成爆破效应,进一步加速秸秆分解,并形成多孔的秸秆结构。最后,通过形成负压环境将尿素均匀的分布在秸秆内部,在施用到土壤后不仅不会跟植物进行争氮,还能促进秸秆在微生物的作用下快速形成土壤有机质。
背景技术
作物秸秆是农业生产过程中产生的主要废弃物,2020年全球秸秆产生量达到了52.8亿吨(FAO,2021)。秸秆主要来源于水稻、玉米和小麦三大粮食作物,占秸秆总量的84%。这些数量巨大的秸秆并没有得到充分利用,室外焚烧和随意堆放造成了严重的资源浪费、环境污染和土壤质量退化(Singh et al.2021)。此外,秸秆在土壤中分解速度慢,导致种子发芽率低、病虫害严重等问题,连年秸秆还田还会加速土壤酸化(Liu et al.2023)。因此,推进秸秆资源高效利用对培育土壤肥力和农业绿色发展具有重要意义。
传统秸秆还田(翻压、覆盖、碎混)将大量秸秆掺混在表层土壤中,导致种子发芽率低、土壤有机质矿化加剧、病虫害严重等问题。此外,秸秆尤其是小麦和水稻秸秆纤维素含量高,分解较为缓慢。因此,亟需研发成本较低的秸秆预处理方法。此外,我国大部分南方耕地面临着土壤酸化的问题,解决土壤酸化最简单有效的办法则是施用石灰,然而,近年来由于缺乏专业的石灰施用机械,农民在使用粉末状石灰时容易导致随风飘扬,施用不均,农民施用意愿不强。因此,如何将秸秆预处理和石灰施用有机结合,有望解决秸秆利用和土壤酸化的双重难题。
在申请号为CN201810251922.8的发明专利中,公布了一种氧化钙和沼液联合预处理提高稻草秸秆厌氧消化产气性能的方法,其将氧化钙溶于沼液中,在将秸秆粉碎后,与混合预处理试剂搅拌均匀,将混合物置于密闭容器内在5-35℃恒温箱预处理1-4d,接种厌氧消化污泥,加水稀释后进行中温厌氧发酵过程。其发现预处理秸秆的木质素降解率明显提高,稻草秸秆最高木质素降解率为62.13%。该方法主要是通过氧化钙调节反应pH,反应温度仅为5-35℃,难以快速分解纤维素,在秸秆快速还田中难以大规模应用。在发明号为CN201810624018.7的专利中,公开了一种爆破、氧化钙和益生菌联合处理制备秸秆微贮饲料的方法,所述方法将干燥的玉米秸秆粉碎;加入质量分数为2-5%CaO,混匀形成秸秆氧化钙混合物;将所述秸秆氧化钙混合物,在爆破机中,1-2Mpa,保压150-280s处理,在0.00875s内瞬间释放压力爆破,将爆破后混合物晾干;按照爆破后混合物乳酸菌和酵母菌溶液,密封,在温度27-30℃下,发酵3-5天,获得微贮饲料。该方法主要利用爆破反应将秸秆进行破坏,在干燥环境下氧化钙难以发挥自身碱解功能,只能用来调节pH。在发明专利号为CN202210148081.4的专利中,公开了一种氢氧化钙改性稻草秸秆生物炭的制备方法及其应用,其将稻草秸秆依序进行烘干和粉碎;在稻草秸秆中加入氢氧化钙粉末,混合后加入去离子水,将氢氧化钙和稻草秸秆的混合物在水中超声,使混合物混合均匀,然后再依序进行烘干和粉碎,得到稻草秸秆与氢氧化钙的混合物;将稻草秸秆与氢氧化钙的混合物依序经过热解和粉碎,即得氢氧化钙改性稻草秸秆生物炭。该方法仅将氢氧化钙与秸秆简单超声混合,未能有效的结合,且氢氧化钙遇水并不放热,相对反应强度较氧化钙较低。
此外,基于土壤有机质形成的研究发现,秸秆等有机物料还田后主要被微生物吸收利用,进而形成微生物残体,微生物残体与土壤矿物形成矿物结合态有机质,最终形成稳定的土壤有机质。因此,提高土壤矿物有效性也可提高土壤碳利用效率。因此,将秸秆与钙结合,不仅能提高土壤pH,促进秸秆被微生物吸收利用,还能提高秸秆中碳转变为土壤有机质的比率。
实现思路