一种成型栽培基质及其制备方法与流程

1.本发明属于环保技术领域，具体涉及一种利用农林废弃物制做的成型栽培基质及其制备方法。


背景技术：

2.农林废弃物主要包括：秸秆、树皮、树叶、废弃的菌菇包等。农林废弃物是农业和林业生产与加工过程中产生的副产品，数量巨大，具有可再生、再生周期短、可生物降解、环境友好等优点，是重要的生物质资源。
3.目前主要利用方式有：生物质燃烧发电、热解炭化生产木炭和生物质燃气、厌氧发酵生产沼气、直接烧锅炉、生物质颗粒燃料、泡沫装饰板原材料、有机肥或生物有机肥等。上述利用方式存在最终产品市场容量小和附加值低，而难以消化农林废弃物的产生量等问题，同时，处理与运营企业因不能赢利而难以生存。以至于农民不愿意收集，企业不愿意处理，进而造成了无序堆放或就地填埋和污染环境的严重问题。传统的农林废弃物处理方式主要是填埋或焚烧，虽然清除了大部分农林废弃物，但这些方式却带来了环境污染和资源浪费，过度清除农林废弃物还会引起土壤严重偏酸或偏碱、有机质和养分含量降低、易板结、通气性差等多方面问题，破坏土壤生态循环，使土壤肥力逐年下降。
4.现在，部分研究者们将这些有机废弃物研制无土栽培基质，不仅解决了有机废弃物的处理问题，还为无土栽培提供了优良的基质，提高了农林废弃物资源再利用的水平。现代研究表明，将农林废弃物堆肥处理，不但可以减少填埋场的面积和病原菌的繁殖场所，还具有提高土壤肥力，改善土壤物理结构，涵养水分，减少城市粉尘飞扬、土壤侵蚀和地表径流等功能，而且还能美化城市景观，降低城市绿地维护成本并带动循环经济发展；另一方面，通过园林废弃物再利用，还可使其回归到土壤或者代替泥炭充当肥料或者无土栽培基质在花卉栽培中起到重要的作用。
5.此外，通过热解的处理方式将农林废弃物再利用也逐渐被人们认知。所谓热解处理是采用干馏法，农林废弃物进行粉碎或造粒处理后，将处理好的农林废弃物颗粒放入在炭化炉内，通过烘干材料水分、热解处理及脱盐处理等得到类似泥炭的热解产物的过程。通过高温热解后的农林废弃物本身带有的菌类等物质均在高温条件下失活，具有一定的防虫效果，此外，热解后的产物具有缓效释放营养元素、吸湿膨胀性较好、尺寸稳定等特点，与泥炭和堆肥基质一起配合使用，可有效改善基质通气孔隙与持水孔隙的比例，提高基质的抗塌陷性，使得基质环境更有助于植物的生长，增加其观赏效果。但这些均不能在重复回收利用，且制备过程比较复杂。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种成型栽培基质及其制备方法，能大幅提高农林废弃物处理的附加值，彻底解决农林废弃物对环境污染的问题，同时，可以取代盆栽植物和蔬菜种植中大批量使用的塑料盆和金属盆。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种成型栽培基质的制备方法，包括以下步骤：
9.s1、将农林废弃物粉碎，得到生物质基质料；
10.s2、将畜禽粪便进行固液分离，将分离后的固体物质进行发酵，得粪便到基质料；
11.s3、将生物质基质料与粪便基质料混合，得到含水率为45％至65％的混合基质料，；
12.s4、将混合基质料与粘合剂、发泡剂、微生物菌剂混合均匀，得到总混合料；
13.s5、将总混合料进行压铸成型或挤压成型，得到多孔成型栽培基质。
14.优选的，按重量份计，混合基质料为60-70份，粘合剂为10-20份，发泡剂为1-10 份，微生物菌剂为1-10份。
15.混合基质料重量比高于70份，会减少微生物菌剂重量比例，从而不利于植物生长。混合基质料重量比少于60份，基质料中有机质和营养成份太少，不利于植物生长。
16.优选的，农林废弃物粉碎成粒径或长度小于5mm的粉碎料。
17.粒径的大小对成型有较大的影响，粒径小于5mm，粘合更牢固，而粒径过小，制备成本过高。
18.优选的，所述生物质基质料的含水率为45％至65％；粪便基质料的含水率为45％至65％。
19.二者的含水率保证了混合基质料的含水率，而只要确保混合基质料的含水率在45％至65％，才能满足后续工艺的压铸或挤压成型。水分过多或过少均不能利于成型。
20.优选的，所述农林废弃物为秸秆、树皮、树叶中的一种或多种。
21.优选的，所述粘合剂为淀粉粘合剂。
22.优选的，所述淀粉粘合剂的原料包括50-70重量份的水，25-35重量份的玉米淀粉，1-6重量份的烧碱和1-6重量份的红薯淀粉。
23.进一步优选的，所述淀粉粘合剂的原料包括60重量份的水，32重量份的玉米淀粉， 4重量份的烧碱和4重量份的红薯淀粉。所述淀粉粘合剂为市售的包括此三种原料的淀粉粘合剂。该粘合剂无毒、无味、无害、呈黄白色，全部为有机原料。
24.优选的，所述发泡剂的原料包括60-80重量份的pe树脂、10-30重量份的大豆油脂，无毒、无味、无害，呈白色。
25.优选的，s2中将分离后的固体物质进行70℃以上的高温厌氧发酵，发酵时间3-8d。
26.利用斜筛式固液分离机将畜禽粪便进行固液分离，利用厌氧发酵罐将固态物质进行高温(70℃以上)厌氧发酵处理，只有高温发酵才能较好的杀灭粪便中含有的各种病菌、虫卵，并去除90％以上的抗生素，才能用作制作成型栽培基质的主要原料之一。
27.本发明还要求保护一种成型栽培基质，所述成型栽培基质是按照上述制备方法制备，用于培植农作物。
28.优选的，所述农作物包括花草、蔬菜、瓜果、中药药材。
29.优选的，所述成型栽培基质外表面可用无纺布包裹，以方便长途运输和避免掉渣。
30.优选的，所述成型栽培基质的密度为每立方米200公斤至500公斤。
31.优选的，所述成型栽培基质在成型后再经过烘干或自然晾干，使盆的含水量控制在 10％以内，以方便搬运和存放。
32.优选的，成型栽培基质中各成分含量为：
33.含水率10％至30％；总氮(n)：2％至5％；磷(p2o5)：0.6％至2.3％；钾(k2o)： 0.5％至0.8％；总养分(n p2o5 k2o)：3.1％至8.1％；有机质50％-85％；酸碱度：6.5 至8.5；水分：30％-50％；总汞(hg)：小于0.015mg/kg；总镉(cd)：小于0.1mg/kg；总砷(as)：小于1.13mg/kg；总铅(pb)：小于4mg/kg；总铬(cr)小于3mg/kg。
34.本发明的成型栽培基质营养结构合理，便于植物吸收，满足植物生长需要。
35.下面对本发明做进一步的解释：
36.农林废弃物含有大量有机质和氮、磷、钾等营氧元素，是非常好的土壤改良剂原料，但必须经过粉碎处理后才能利用。本技术方法将农林废弃物经过粉碎处理，用于制作成型栽培基质的主要原料之一。将畜禽粪便利用斜筛式固液分离机进行固液分离，并将固态物质利用厌氧罐进行高温(70℃以上)厌氧发酵处理，以杀灭粪便中含有的各种病菌、虫卵与抗生素，用于制作成型栽培基质的主要原料之一。将农林废弃物粉碎之后的原料和畜禽粪便发酵之后的原料按一定重量比例(原则上7：3)配比好之后进行搅拌均匀，形成含水率为45％至65％的混合基质料(以下简称混合基质料)。将混合基质料、粘合剂(主要原料为淀粉与烧碱)、发泡剂(主要原料为pe树脂与大豆油脂)、微生物菌剂或微藻原生物刺激剂，按一定比例进行混合并搅拌均匀。上述四种原料按重量投入比例为：秸秆和粪便混合基料占成型栽培基质原料重量的60％至70％，粘合剂占成型栽培基质原料重量的10％至20％，发泡剂占成型栽培基质原料重量的1％至10％，微生物菌剂或微藻原生物刺激剂占成型栽培基质原料重量的1％至10％。将上述四种原料搅拌均匀后的混合料简称为成型栽培基质原料，该原料的含水率为45％至65％。将成型栽培基质原料输送到压铸机或挤压机进行压铸成型或挤压成型，然后进行自然晾干或烘干到含水率为10％以内，便得到成型栽培基质。通过模具形状与尺寸的设计，可以压铸或挤压成各种形状与大小的成型栽培基质。在成型栽培基质原料中添加了多种植物生长所需要的营养元素，可用于盆载花草、蔬菜、瓜果、中药药材等。其干物质(含水率在10％以内)密度为每立方米200公斤至500公斤，吸水性和保水性都很强，酥松柔软，结构牢固，不掉渣，可移动。可为植物提供充足的水分条件，且可减少浇水次数，节约用水、简化管理措施。成型栽培基质具有通透性，不会囤积过多的水量，影响植物根系的生长。为适应长距离运输，还可在成型栽培基质的外表包一层无纺布，这样搬运更方便和更安全。该成型栽培基质原料还可以根据各种植物生长的需要而添加各种微生物菌剂或微藻原生物刺激剂等营养元素，可根据放置的空间位置(墙壁或空挂)而设计成各种形状(长方形、正方形或圆形)与大小尺寸。同时，成型栽培基质经过多次植物栽培和利用后，其含有的氮、磷、钾、微生物菌剂或微藻原生物刺激剂等营养元素被植物吸收干净，从而失去对植物生长的营养价值而被废弃，对该废弃的成型栽培基质，可以将它晾干与粉碎而制做成土壤改良剂；或通过粉碎与成型而做成生物质颗粒燃料；或经过炭化与粉碎而做成碳粉，再将碳粉做成碳基装饰板材料等产品。碳基装饰板材料可以替代木质材料而用于建筑墙板和室内装饰等。
37.本发明的有益效果为：
38.本发明制备的成型栽培基质具有优良的吸水性和保水性以及柔软性，方便运输和移动。本发明的成型栽培基质无毒、无害、无异味、可降解，呈黑黄色或黄褐色，不影响环境。利用播种机将植物种子播散到成型栽培基质上方的孔洞内，可培育出花草、蔬菜、瓜果、中
药药材等农作物，可直接替代塑料盆或金属盆，并且无需添加泥土。必要的时候可在成型栽培基质中加入部分营养素。
39.本发明制备的成型栽培基质由于自带大量有机质和营氧元素，对植物生长具有促进作用，植株冠幅大，植株高，植株生物量积累值高，植物培养效率相比于传统的基质置于塑料盆中更高。
40.利用成型栽培基质进行农作物栽培后，将废弃的成型栽培基质进行晾干，再利用炭化窑将其进行炭化与粉碎可得到碳粉。再将碳粉与pe树脂进行混合，通过挤压成型可得到碳基装饰板材料。还可以将晾干过的成型栽培基质进行粉碎和压铸或挤压成型，可得到生物质颗粒燃料。或者将晾干过的成型栽培基质经过粉碎而制作成土壤改良剂。
附图说明
41.图1为本发明的成型栽培基质的制备工艺及后处理流程图。
具体实施方案
42.下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。但这些实施例仅限于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
43.实施例1
44.按照图1的流程，对原料进行处理制备成型栽培基质，具体过程如下：
45.1.农林废弃物的处理
46.采用粉碎机将农林废弃物(秸秆、树皮、树叶)粉碎成粒径或长度小于5mm的粉料，制得废弃物基质料。
47.2.畜禽粪便的处理
48.利用斜筛式固液分离机将畜禽粪便进行固液分离，利用厌氧发酵罐将固态物质进行高温(70℃以上)厌氧发酵处理3-8d，以杀灭粪便中含有的各种病菌、虫卵，并去除抗生素。
49.3.成型栽培基质的制备
50.将农林废弃物发酵并粉碎之后的原料和畜禽粪便发酵之后的原料按一定重量比例 (原则上7：3)配比好之后进行搅拌均匀，形成含水率为45％至65％的混合基质料(以下简称混合基质料)。将混合基质料、粘合剂(主要原料为淀粉与烧碱)、发泡剂(主要原料为pe树脂与大豆油脂)、微生物菌剂或微藻原生物刺激剂(根据每种植物所需添加，本发明用于培养水芹菜，添加的微生物菌剂为为北京九隆升微生物资源开发有限公司提供的微生物菌剂)，按一定比例进行混合并搅拌均匀。上述四种原料按重量投入比例为：秸秆和粪便混合基料占成型栽培基质原料重量的65，粘合剂占成型栽培基质原料重量的15％，发泡剂占成型栽培基质原料重量的10％，微生物菌剂或微藻原生物刺激剂占成型栽培基质原料重量的10。将上述四种原料搅拌均匀后的混合料简称为成型栽培基质原料，该原料的含水率为55％。将成型栽培基质原料输送到压铸机或挤压机进行压铸成型或挤压成型，然后进行自然晾干或烘干到含水率为10％以内，便得到成型栽培基质。通过模具形状与尺寸的设计，可以压铸或挤压成各种形状与大小的成型栽培基质。
51.成型栽培基质的干物质(含水率在10％以内)密度为每立方米200公斤至500公斤，
表明本发明的成型栽培基质通透性好，固持植株性能好；吸水性和保水性的数据见表1，吸水性和保水性都很强，酥松柔软，结构牢固，不掉渣，可移动。可为植物提供充足的水分条件，且可减少浇水次数，节约用水、简化管理措施。为适应长距离运输，本发明制备的成型栽培基质的通气性、保水性、容重等性能指标均符合植物生长基质的要求，满足无土栽培固体基质的要求。
52.本发明制备的成型栽培基质容重较小、孔隙多，通气性好，利于植物的发育和养分的转化，能满足植物生长对水、气、养分等的需求，促进其生长。
53.表1成型栽培基质的孔隙数据
[0054] 总孔隙度(％)通气孔隙(％)持水孔隙(％)实施例190.9930.3165.55
[0055]
成型栽培基质中基本化学性质为：
[0056]
含水率10％至30％；总氮(n)：2％至5％；磷(p2o5)：0.6％至2.3％；钾(k2o)： 0.5％至0.8％；总养分(n p2o5 k2o)：3.1％至8.1％；有机质50％-85％；酸碱度：6.5 至8.5；水分：30％-50％；总汞(hg)：小于0.015mg/kg；总镉(cd)：小于0.1mg/kg；总砷(as)：小于1.13mg/kg；总铅(pb)：小于4mg/kg；总铬(cr)小于3mg/kg。
[0057]
抗生素的检测根据农业农村部的关于抗生素检测的标准ny/t 3787-2020-土壤中四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类和氯霉素类抗生素含量同步检测方法-高效液相色谱法检测，结果显示，本发明的成型栽培基质中抗生素总量相比于处理前降低了 90％以上。
[0058]
本发明的成型栽培基质酸碱度呈中性，不会对植物造成毒害作用，也不会对施加于植物的营养液造成不良影响，不影响营养液的平衡。营养结构合理，便于植物吸收，满足植物生长需要。
[0059]
实施例2
[0060]
根据实施例1的方式对农林废弃物和畜禽粪便进行处理。
[0061]
然后将农林废弃物粉碎(粒径或长度小于5mm)之后的原料和畜禽粪便高温(70℃以上)厌氧发酵之后的原料按一定重量比例(原则上7：3)配比好之后进行搅拌均匀，形成含水率为45％至65％的混合基质料(以下简称混合基质料)。将混合基质料、粘合剂 (主要原料为淀粉与烧碱)、发泡剂(主要原料为pe树脂与大豆油脂)、微生物菌剂或微藻原生物刺激剂，按一定比例进行混合并搅拌均匀。上述四种原料按重量投入比例为：秸秆和粪便混合基料占原料重量的65％，粘合剂占原料重量的15％，发泡剂占原料重量的10％，微生物菌剂或微藻原生物刺激剂占原料重量的10％。将混合料加入塑料盆中，形成栽培基质。
[0062]
实施例3
[0063]
对原料进行处理制备成型栽培基质，具体过程如下：
[0064]
1.农林废弃物的处理
[0065]
采用粉碎机将农林废弃物(秸秆、树皮、树叶)粉碎成粒径或长度小于5mm的粉料，制得废弃物基质料。
[0066]
2.畜禽粪便的处理
[0067]
利用斜筛式固液分离机将畜禽粪便进行固液分离，利用厌氧发酵罐将固态物质进行高温(55℃)厌氧发酵处理3-5d，以杀灭粪便中含有的各种病菌、虫卵，去除抗生素。
[0068]
4.成型栽培基质的制备
[0069]
将农林废弃物发酵并粉碎之后的原料和畜禽粪便发酵之后的原料按一定重量比例(原则上7：3)配比好之后进行搅拌均匀，形成含水率为45％至65％的混合基质料(以下简称混合基质料)。将混合基质料、粘合剂(主要原料为淀粉与烧碱)、发泡剂(主要原料为pe树脂与大豆油脂)、微生物菌剂或微藻原生物刺激剂(根据每种植物所需添加，本发明用于培养水芹菜，添加的微生物菌剂为为北京九隆升微生物资源开发有限公司提供的微生物菌剂)，按一定比例进行混合并搅拌均匀。上述四种原料按重量投入比例为：秸秆和粪便混合基料占成型栽培基质原料重量的65％，粘合剂占成型栽培基质原料重量的15％，发泡剂占成型栽培基质原料重量的10％，微生物菌剂或微藻原生物刺激剂占成型栽培基质原料重量的10％。将上述四种原料搅拌均匀后的混合料简称为成型栽培基质原料，该原料的含水率为55％。将成型栽培基质原料输送到压铸机或挤压机进行压铸成型或挤压成型，然后进行自然晾干或烘干到含水率为10％以内，便得到成型栽培基质。通过模具形状与尺寸的设计，可以压铸或挤压成各种形状与大小的成型栽培基质。
[0070]
抗生素的检测根据农业农村部的关于抗生素检测的标准ny/t 3787-2020-土壤中四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类和氯霉素类抗生素含量同步检测方法-高效液相色谱法检测，结果显示，实施例3的成型栽培基质中抗生素总量相比于处理前降低了70％，还残余了大量的抗生素，不符合植物基质使用的标准。
[0071]
实施例4
[0072]
在实施例1和2中分别加入放入水芹菜种子20粒(购于花卉市场)，以蒸馏水为空白对照。放入25c恒温培养箱内中进行发芽试验，培养48h后取出观察，记录种子发芽数，计算发芽率。并使用电子游标卡尺测定发芽种子的根长度，根据公式计算发芽率和发芽指数：测定结果见表2
[0073]
发芽率(％)＝种子平均发芽数/种子总数
×
100％
[0074]
发芽指数(g1)＝(胚根长度平均值
×
发芽种子数)/(对照胚根长度平均值
×
发芽种子数)
[0075]
表2发芽率和发芽指数
[0076] 发芽率发芽指数实施例11001.66实施例2901.23
[0077]
1、研究表明：发芽率大于80％，说明成型栽培基质是无毒和发酵成熟的。本发明制备的成型栽培基质的发芽率达到100％，发芽指数达到1.66。与将基质置于塑料盆的理化性质比较，本发明制备的成型栽培基质的产品理化性质得到明显改善，更适于植物生长，发芽率和发芽指数提高显著。
[0078]
2、本发明制备的成型栽培基质可有效增强植物营养吸收和根系发育，促进植物种子发芽。发芽率和发芽指数高还说明本发明基质无毒、无害，适宜植物正常生长发育。
[0079]
3、未高温发酵的牲畜粪便含有植物毒性物质和抗生素，对植物的生长产生抑制作用，种子发芽试验是评价基质最具说服力的方法。据报道，本发明选取水芹菜种子检验基质毒性大小，试验结果反映本发明制备的成型栽培基质完全不含有害物质。
[0080]
实施例4
[0081]
对实施例3中的水芹菜根芽继续原地发育125d后，在各处理中分别随机调查5株植物，并将根坨从花盆中取出，分别置于水桶中洗净，进行叶片叶绿素含量、根系鲜重、总根长、根尖数、根系表面积等指标的测定。
[0082]
叶片叶绿素含量用spad-502plus便携式叶绿素测定仪测定，根系表面积等指标用 winrh1z0根系扫描仪测定，测定结果分别如表3所示。
[0083]
表3生长情况
[0084][0085]
与相应的对照例相比，采用本发明制备的成型栽培基质培养的的水芹菜根系生长粗壮，根尖数多，总根长度长，根系表面积大，植株叶片的叶绿素含量高，外观品质好。说明本发明方法制备的成型栽培基质能显著促进植物的生长。
[0086]
需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0087]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。