基于纳米生物质炭的双向控释型智能氮肥增效剂及其制备方法与应用

本发明涉及农业工程，更具体地说，它涉及基于纳米生物质炭的双向控释型智能氮肥增效剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、热带及亚热带地区设施菜地因高温多雨、复种指数高，普遍存在过量施肥现象。以海南为例，蔬菜作物化肥氮施用量高达470kg/ha，超出全国平均水平48%。过量施氮导致土壤酸化、氮肥利用率低下、硝态氮淋溶严重，并伴随大量氧化亚氮温室气体排放。生物质炭因其多孔结构、高比表面积和丰富的表面官能团，在土壤改良和氮素调控方面展现出潜力。然而，传统生物质炭粒径较大，比表面积有限，对氮素的吸附和缓释能力不足，且功能单一，仅能被动吸附土壤中的氮素，无法根据作物根际微环境的变化主动调控氮素的释放时机和释放速率，导致氮素供给与作物需求在时间和空间上错位，氮肥利用率仍难以进一步提升。

2、近年来，纳米生物质炭因其超大的比表面积和丰富的表面官能团，在氮素调控方面展现出优于普通生物质炭的性能。然而，现有纳米生物质炭的应用方式仍局限于简单的土壤混施，缺乏对其释放行为的精准控制手段。同时，纳米生物质炭在提高土壤硝化速率的同时，也可能导致硝态氮累积和氧化亚氮排放的增加。现有技术中尚无将纳米生物质炭与智能响应材料及硝化抑制剂协同配伍，以实现根据作物氮需求信号主动调控氮素释放并同步抑制硝化作用的技术方案公开。

3、因此，如何提供一种能够感知作物根际微环境变化、实现氮素按需供给并主动抑制硝化作用，从而同步提高氮肥利用率、促进作物增产并减少氧化亚氮温室气体排放的智能型氮肥增效剂，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于纳米生物质炭的双向控释型智能氮肥增效剂及其制备方法与应用，根据作物根际微环境变化主动调控氮素释放、同步抑制硝化作用，从而提高氮肥利用率，促进作物增产并减少氧化亚氮温室气体排放。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、第一方面，提供了基于纳米生物质炭的双向控释型智能氮肥增效剂，所述增效剂为多层复合颗粒结构，由内至外依次包括：

4、纳米生物质炭颗粒，所述纳米生物质炭颗粒的粒径小于100nm；

5、ph响应型高分子聚合物包衣层，所述ph响应型高分子聚合物包衣层包覆于所述纳米生物质炭颗粒外部，且在ph＜5.5时孔隙张开、在ph≥6.5时孔隙闭合；

6、硝化抑制剂层，所述硝化抑制剂层涂覆于所述ph响应型高分子聚合物包衣层表面。

7、优选的，所述纳米生物质炭颗粒还包含螯合态微量元素和功能性微生物菌剂。

8、优选的，所述螯合态微量元素选自edta-zn、edta-fe、edta-mn中的至少一种；所述功能性微生物菌剂选自解磷菌、抗盐菌中的至少一种。

9、优选的，所述ph响应型高分子聚合物包衣层的材质为聚丙烯酸与聚乙烯醇的共聚物，厚度为10-50μm。

10、优选的，所述硝化抑制剂层包含3,4-二甲基吡唑磷酸盐。

11、优选的，所述硝化抑制剂层还包含海藻酸寡糖；

12、所述海藻酸寡糖与所述3,4-二甲基吡唑磷酸盐的质量比为1:0.5-1:2。

13、优选的，所述纳米生物质炭颗粒由椰壳在400-600℃缺氧条件下热解后经球磨制得，比表面积≥200，表面官能团含量≥3.0mmol/g。

14、第二方面，提供了基于纳米生物质炭的双向控释型智能氮肥增效剂的制备方法，包括以下步骤：

15、将椰壳在400-600℃缺氧条件下热解得生物质炭，球磨至粒径小于100nm，得到纳米生物质炭；

16、将所得纳米生物质炭与螯合态微量元素、功能性微生物菌剂混合，喷雾干燥制成纳米生物质炭颗粒；

17、将所得纳米生物质炭颗粒置于流化床，喷涂聚丙烯酸与聚乙烯醇的共聚物溶液形成ph响应型高分子聚合物包衣层；

18、将3,4-二甲基吡唑磷酸盐与海藻酸寡糖的混合水溶液喷涂于所述ph响应型高分子聚合物包衣层表面，干燥得成品。

19、优选的，所述纳米生物质炭、所述螯合态微量元素、所述功能性微生物菌剂的质量比为100:5-15:2-8；所述共聚物溶液涂覆量为所述纳米生物质炭颗粒质量的5%-20%。

20、第三方面，提供了如第一方面中任意一项所述的增效剂在热带和/或亚热带设施菜地土壤改良中的应用，所述土壤为砖红壤或滨海盐渍土；所述增效剂作为基肥与常规氮磷钾肥沟施或穴施，施用量10-20kg/亩。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、1、本发明提供的基于纳米生物质炭的双向控释型智能氮肥增效剂，通过在纳米生物质炭颗粒外部设置ph响应型高分子聚合物包衣层，并在包衣层表面涂覆硝化抑制剂层，构建了三层复合颗粒结构。其中，纳米生物质炭颗粒作为核心载体，利用其高比表面积和丰富的表面官能团吸附并缓释氮素；ph响应型高分子聚合物包衣层能够在作物根际因吸收铵态氮而导致ph下降至5.5以下时孔隙张开，释放核心层中的养分和硝化抑制剂，并在根际ph回升至6.5以上时孔隙闭合，暂停释放。这一设计使氮素供给与作物氮需求的时空变化精准匹配，实现了按需供氮的智能调控，避免了传统缓释肥不受控持续释放导致的氮素浪费。

23、2、本发明在纳米生物质炭颗粒中还包含螯合态微量元素和功能性微生物菌剂。螯合态微量元素能够为作物提供易于吸收的微量营养元素，弥补热带土壤中微量元素匮乏的不足；功能性微生物菌剂能够活化土壤中固定的磷素并增强作物对盐胁迫的耐受能力。这些成分与纳米生物质炭共同组成核心层，在ph响应型包衣层打开时同步释放至根际，实现了氮素供给与微生态环境改良的一体化。

24、3、本发明采用聚丙烯酸与聚乙烯醇的共聚物作为ph响应型高分子聚合物包衣层的材质，并将涂层厚度控制在10-50μm。该共聚物中的聚丙烯酸含有大量羧基，在ph＜5.5时羧基质子化导致分子链收缩、孔隙张开，在ph≥6.5时羧基去质子化导致分子链伸展、孔隙闭合，从而实现对氮素释放的灵敏开关控制。同时，硝化抑制剂层中的3,4-二甲基吡唑磷酸盐在包衣层打开时随核心物质一同释放至根际，能够选择性抑制氨氧化细菌的活性，从源头阻断铵态氮向硝态氮的转化，减少硝态氮的生成和累积。

25、4、本发明在硝化抑制剂层中还包含海藻酸寡糖，并与3,4-二甲基吡唑磷酸盐按1:0.5-1:2的质量比复配。海藻酸寡糖作为生物刺激素，能够促进作物根系生长和侧根发育，增加根系与土壤的接触面积，从而增强作物对氮素的主动吸收能力。这一作用与硝化抑制剂减少硝态氮生成的抑硝作用形成协同效应：一方面通过抑制硝化减少氮素损失，另一方面通过促进根系吸收提高氮素捕获效率，两者共同作用使氮肥利用率进一步提升。同时，海藻酸寡糖还能够诱导作物产生系统抗性，增强作物对逆境胁迫的耐受能力。

26、5、本发明选用椰壳在400-600℃缺氧条件下热解后经球磨制得的纳米生物质炭作为核心颗粒，其比表面积≥200，表面官能团含量≥3.0mmol/g，确保了核心层具备优异的吸附性能和反应活性。在制备方法上，通过喷雾干燥将纳米生物质炭与螯合态微量元素、功能性微生物菌剂复合造粒，再通过流化床喷涂依次形成ph响应型包衣层和硝化抑制剂层，工艺简洁可控。