一种设施栽培水肥一体化系统及施肥方法

摘要

本发明提供一种设施栽培水肥一体化系统及施肥方法，属于农作物肥料技术领域，将水溶肥通过滴灌管网进行施肥，其中，所述水溶肥的制备方法是以农林有机质废弃物为原料，通过调节水分、pH、C/N并加入作为发酵调节剂得到发酵原料，再通过依次接种第一复合菌种和第二复合菌种并分别进行好氧发酵得到发酵液，将所述发酵液进行曝气后加入第三复合菌种并培养3‑5天，制得水溶肥；所述水溶肥具有高的有机底物利用率和发酵液固含，适于通过滴灌管网进行施用。

权利要求

1.一种设施栽培水肥一体化的施肥方法，其特征在于，将水溶肥通过滴灌管网进行施肥，其中，所述水溶肥的制备方法包括以下步骤：S1、将农林有机质废弃物粉碎至粒径不大于2mm，加水调节至固含量在10‑20%，调节pH值在6‑9，调节C/N在20‑30：1，加入发酵调节剂，搅拌均匀并静置后得到发酵原料；

S2、在所述发酵原料中加入第一复合菌种并在供气条件下进行第一次好氧发酵，发酵温度60‑70℃，发酵时间10‑15天，得到第一发酵液；

其中，所述第一复合菌种是按组成比例为4‑5：2：1：1的酵母菌、放线菌、根霉菌、光合细菌组合而成的组合菌或者为EM菌剂；

S3、在所述第一发酵液中加入第二复合菌种并在供气条件下进行第二次好氧发酵，发酵温度50‑55℃，发酵时间5‑8天，得到第二发酵液，固液分离后得到发酵液；

其中，所述第二复合菌种是按组成比例为2：1：1： 0.1‑0.2： 0.1‑0.2的芽孢杆菌、假单胞菌、霉菌、酵母菌、放线菌组合而成的组合菌；

S4、将所述发酵液进行曝气后加入第三复合菌种并培养3‑5天，制得所述水溶肥；

所述发酵调节剂包括秸秆生物炭，所述秸秆生物炭的制备方法包括以下步骤：将玉米、高粱、油菜或棉花秸秆剥去外皮并切为小段，将得到的秸秆段用去离子水和乙醇洗涤数次并干燥，经球磨粉碎后加入到饱和的吡啶二胺溶液中，搅拌过夜后滤出，干燥，入高温气氛管式炉，在100‑110sccm氩气和10‑20scm氢气的混合气氛下升温至1000‑1200℃，保温碳化60‑100min，保持混合气氛并撤去热源，待温度降至600‑800℃时，将气氛切换为100‑110氮气和10‑20sccm水蒸气的混合气氛，待温度降至500℃以下时，气氛切换为氩气，冷却至室温后得到碳化产物，将所述碳化产物浸入1‑2mol/L的盐酸溶液中去除杂质，再以去离子水洗涤至中性，干燥制得所述秸秆生物炭。

2.根据权利要求1所述的一种设施栽培水肥一体化的施肥方法，其特征在于，所述农林有机质废弃物为秸秆、木屑、蔗渣或禽畜粪便，所述秸秆为玉米、高粱、小麦、水稻、油菜、棉花的茎叶部分。

3.根据权利要求1所述的一种设施栽培水肥一体化的施肥方法，其特征在于，所述发酵调节剂还包括糖蜜发酵液、磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钾、硫酸亚铁中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种设施栽培水肥一体化的施肥方法，其特征在于，所述第三复合菌种包括固氮菌、溶磷菌、乳酸菌、硅酸盐细菌、芽孢杆菌、放线菌中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种设施栽培水肥一体化的施肥方法，其特征在于，所述秸秆生物炭的添加量为所述农林有机质废弃物质量的0.1‑2%。

6.一种应用权利要求1所述施肥方法的设施栽培水肥一体化系统，其特征在于，包括供水装置、发酵装置和灌溉装置，所述供水装置、发酵装置和灌溉装置分别与文丘里吸入装置相连接；所述供水装置包括依次以管道相连接的水泵、调节罐、过滤装置和净化装置；所述发酵装置包括依次以管道相连接的发酵罐和施肥罐；所述灌溉装置包括依次以管道相连接的流量计、加压装置和滴灌管带。

7.根据权利要求6所述的一种设施栽培水肥一体化系统，其特征在于，所述调节罐用于调节水源中可溶性离子成分和pH值。

8.根据权利要求6所述的一种设施栽培水肥一体化系统，其特征在于，所述供水装置还包括控温装置。

9.根据权利要求6所述的一种设施栽培水肥一体化系统，其特征在于，所述净化装置内置有催化杀菌剂，所述催化杀菌剂的制备方法包括以下步骤：A1、在氧化石墨烯分散液中按体积分数加入1%体积的聚乙二醇后进行超声分散处理，超声处理后以3000rpm转速离心10min，去沉淀取上层清液，加入终浓度为0.05‑0.1mol/L的钼酸铵，充分搅拌混合后，加入硫代乙酰胺的醋酸溶液使硫代乙酰胺的终浓度为0.1‑

0.2mol/L，充分搅拌混合后将缓和溶液转入具有聚四氟乙烯内衬反应釜内，在180‑200℃的自生压力下保温反应24h，滤出沉淀产物，依次以无水乙醇和去离子水洗涤，干燥得到产物A；

其中，所述氧化石墨烯分散液的浓度在5‑10 mg/mL；

A2、在聚氨酯预聚体中加入去离子水和所述产物A，搅拌混合均匀得到悬浮乳液，加入交联剂和引发剂，经聚合交联固化后制得凝胶产物，按需切割为适当大小，制得所述催化杀菌剂；

其中，所述聚氨酯预聚体与去离子水、所述产物A、所述交联剂和所述引发剂的质量比例为3： 4‑5： 1‑2： 1‑1.2： 0.1‑0.2。

说明书

一种设施栽培水肥一体化系统及施肥方法

技术领域

[0001] 本发明涉及农作物肥料技术领域，具体涉及一种设施栽培水肥一体化系统及施肥方法。

背景技术

[0002] 水肥一体化技术是一种利用灌溉系统，将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，是在压力作用下，将肥料溶液注入灌溉输水管道而实现作物在吸收水分的同时吸收养分的农
业新技术。溶有肥料的灌溉水，通过灌水器(喷头、微喷头和滴头等)，将肥料溶液通过管道
和滴头形成滴灌，可以均匀、定时、定量地浸润作物根系发育生长区域。还可根据土壤性状、
作物生长及水肥需求规律精确调控土壤水分和养分，具有节水、节能、省工、增产增收以及
便于规模化管理和标准化生产等优点。

[0003] 有机作物生产体系是现代农业可持续发展的模式之一，有机肥作为一种纯天然、多功能、高肥效、环保型的肥料，与传统化肥相比，具有易被作物吸收利用、无污染、施用简
单、便于运输等特点。现有技术中，有机肥多是有机物料经合理配比后在微生物菌剂作用下
采用固体发酵法发酵而成，其在活化土壤、保持地力、抑制病害及提高作物产量和品质等方
面的效果显著。

[0004] 由于滴灌水器流道较小，因此利用滴灌系统施肥时，需要考虑肥料的可溶性，固体发酵的有机肥料中的水溶性和可溶性物质含量较低，因此现有技术中，水肥一体化所用肥
料主要为可溶性的化学矿物质肥，以滴灌系统施用有机肥料的利用率并不高，并不适用于
有机作物栽培体系。

发明内容

[0005] 针对有机肥料发酵程度不高、可溶性物质含量较低的问题，本发明提供一种设施栽培水肥一体化系统及施肥方法。

[0006] 本发明的目的采用以下技术方案来实现：

[0007] 一种设施栽培水肥一体化的施肥方法，具体是将水溶肥通过滴灌管网进行施肥，其中，所述水溶肥的制备方法包括以下步骤：

[0008] S1、将农林有机质废弃物粉碎至粒径不大于2mm，加水调节至固含量在10‑20％，调节pH值在6‑9，调节C/N在(20‑30)：1，加入发酵调节剂，搅拌均匀并静置后得到发酵原料；

[0009] S2、在所述发酵原料中加入第一复合菌种并在供气条件下进行第一次好氧发酵，发酵温度60‑70℃，发酵时间10‑15天，得到第一发酵液；

[0010] 其中，所述第一复合菌种是按组成比例为(4‑5)：2：1：1的酵母菌、放线菌、根霉菌、光合细菌组合而成的组合菌或者为EM菌剂；

[0011] S3、在所述第一发酵液中加入第二复合菌种并在供气条件下进行第二次好氧发酵，发酵温度50‑55℃，发酵时间5‑8天，得到第二发酵液，固液分离后得到发酵液；

[0012] 其中，所述第二复合菌种是按组成比例为2：1：1：(0.1‑0.2)：(0.1‑0.2)的芽孢杆菌、假单胞菌、霉菌、酵母菌、放线菌组合而成的组合菌；

[0013] S4、将所述发酵液进行曝气后加入第三复合菌种并培养3‑5天，制得所述水溶肥；

[0014] 所述发酵调节剂包括秸秆生物炭，所述秸秆生物炭的制备方法包括以下步骤：

[0015] 将玉米、高粱、油菜或棉花秸秆剥去外皮并切为小段，将得到的秸秆段用去离子水和乙醇洗涤数次并干燥，经球磨粉碎后加入到饱和的吡啶二胺溶液中，搅拌过夜后滤出，干
燥，入高温气氛管式炉，在100‑110sccm氩气和10‑20scm氢气的混合气氛下升温至1000‑
1200℃，保温碳化60‑100min，保持混合气氛并撤去热源，待温度降至600‑800℃时，将气氛
切换为100‑110氮气和10‑20sccm水蒸气的混合气氛，待温度降至500℃以下时，气氛切换为
氩气，冷却至室温后得到碳化产物，将所述碳产物浸入1‑2mol/L的盐酸溶液中去除杂质，再
以去离子水洗涤至中性，干燥制得所述秸秆生物碳。

[0016] 优选的，所述农林有机质废弃物为秸秆、木屑、蔗渣或禽畜粪便，所述秸秆为玉米、高粱、小麦、水稻、油菜、棉花的茎叶部分。

[0017] 优选的，所述发酵调节剂还包括糖蜜发酵液、磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钾、硫酸亚铁中的一种或多种。

[0018] 优选的，所述第三复合菌种包括固氮菌、溶磷菌、乳酸菌、硅酸盐细菌、芽孢杆菌、放线菌中的一种或多种。

[0019] 优选的，所述秸秆生物炭的添加量为所述农林有机质废弃物质量的0.1‑2％。

[0020] 本发明的另一目的在于提供一种应用上述施肥方法的设施栽培水肥一体化系统，包括供水装置、发酵装置和灌溉装置，所述供水装置、发酵装置和灌溉装置分别与文丘里吸
入装置相连接；所述供水装置包括依次以管道相连接的水泵、调节罐、过滤装置和净化装
置；所述发酵装置包括依次以管道相连接的发酵罐和施肥罐；所述灌溉装置包括依次以管
道相连接的流量计、加压装置和滴灌管带。

[0021] 优选的，所述调节罐用于调节水源中可溶性离子成分和pH值。

[0022] 优选的，所述供水装置还包括控温装置。

[0023] 优选的，所述净化装置内置有催化杀菌剂，所述催化杀菌剂的制备方法包括以下步骤：

[0024] A1、在氧化石墨烯分散液中按体积分数加入加入1％体积的聚乙二醇后进行超声分散处理，超声处理后以3000rpm转速离心10min，去沉淀取上层清液，加入终浓度为0.05‑
0.1mol/L的钼酸铵，充分搅拌混合后，加入硫代乙酰胺的醋酸溶液使硫代乙酰胺的终浓度
为0.1‑0.2mol/L，充分搅拌混合后将缓和溶液转入具有聚四氟乙烯内衬反应釜内，在180‑
200℃的自生压力下保温反应24h，滤出沉淀产物，依次以无水乙醇和去离子水洗涤，干燥得
到产物A；

[0025] 其中，所述氧化石墨烯分散液的浓度在5‑10mg/mL；

[0026] A2、在聚氨酯预聚体中加入去离子水和所述产物A，搅拌混合均匀得到悬浮乳液，加入交联剂和引发剂，经聚合交联固化后制得凝胶产物，按需切割为适当大小，制得所述催
化杀菌剂；

[0027] 其中，所述聚氨酯预聚体与去离子水、所述产物A、所述交联剂和所述引发剂的质量比例为3：(4‑5)：(1‑2)：(1‑1.2)：(0.1‑0.2)。

[0028] 本发明的有益效果为：

[0029] (1)基于现有技术中有机肥料发酵程度不高、水溶出较低的问题，本发明采用多菌种复合，并通过二次发酵提高了所述农林有机废弃物的发酵程度，提高其水溶出量，同时通
过添加发酵调节剂，进一步促进发酵进程，具体的，以氧含量较高的玉米、高粱、油菜或棉花
秸秆为原料，利用秸秆本身较好的吸附性，将吡啶二胺吸附固载在秸秆内部，得到具有高氮
含的秸秆，再通过在高氮气含量的保护和还原气氛下高温碳化得到氮掺杂的多孔生物碳，
再通过水蒸气处理得到氮氧掺杂的多孔生物碳，一方面，氮氧掺杂的生物炭增强了对氧气
的吸附，可以促进好氧发酵的进行，另一方面，氮氧掺杂的生物炭可以对发酵菌进行局部富
集，改善发酵环境，提高有机底物利用率，进而提高发酵液固含。

[0030] (2)本发明所述水肥一体化系统，通过增加发酵装置，可将农林有机废弃物原位发酵，发酵液通过文丘里吸入装置随施肥系统输入田间；通过增加流量控制装置，实现按需精
准控制；通过增加加压装置，解决传统水肥一体化系统压力不平衡，一侧水压大、一侧水压
小，解决施肥不均匀的问题；通过设置调节罐装置，可以去除或降低灌溉水中如钙镁离子、
硫酸根离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子等各种离子和杂质，同时也可调节灌溉水pH，避免
灌溉水与肥料中的有关离子反应降低肥料有效性或产生沉淀堵塞过滤器；通过设置控温装
置，可以保证灌溉水温基本符合一般农作物正常生长的适宜水温(16‑30℃)，避免过高或过
低的水温影响农作物的生长。

[0031] (3)国家灌溉水标准规定大肠菌群在每升水中的个数小于1万个，且对于微生物菌肥来说，水中的杂菌还可能抑制微生物肥料中的有益功能菌，因此，滴灌用水在进入滴灌系
统前需要进行杀菌处理，但高温杀菌效率高，但耗费能源较大，加入杀菌剂则对有机菌肥中
的有益微生物同样具有广谱的杀灭作用，基于此，本发明通过设置具有催化杀菌剂的净化
装置，以异相光催化方法将水中的细菌杀灭，具体的，利用二硫化钼本身具有的可见光催化
活性，本发明通过一步水热法，以分散良好的氧化石墨烯分散液为基础，以硫代乙酰胺为硫
源，将二硫化钼原位生成在氧化石墨烯上，纳米复合结构可以提高电子空穴对的分离效率，
该复合产物可在可见光下作为催化剂用于水体杀菌，在太阳光源的激发下，具有比二氧化
钛更优的消毒杀菌效率，同时本发明利用不溶性的亲水水凝胶作为异相光催化载体，可简
易地将催化杀菌剂与水分离，不会对有机菌肥中的有益微生物造成影响。

附图说明

[0032] 利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得
其它的附图。

[0033] 图1是本发明所述设施栽培水肥一体化系统的管道连接结构示意图。

[0034] 附图标记：1‑供水装置；2‑发酵装置；3‑灌溉装置。

具体实施方式

[0035] 结合以下实施例对本发明作进一步描述。

[0036] 实施例1

[0037] 本实施例涉及一种设施栽培水肥一体化的施肥方法，具体是将水溶肥通过滴灌管网进行施肥，其中，所述水溶肥的制备方法包括以下步骤：

[0038] S1、将秸秆、蔗渣和禽畜粪便干燥后粉碎至粒径不大于2mm，加水调节至固含量在15‑16％，调节pH值在7‑8，调节C/N在25：1，加入发酵调节剂，搅拌均匀并静置后得到发酵原
料；

[0039] S2、在所述发酵原料中加入第一复合菌种并在供气条件下进行第一次好氧发酵，发酵温度60‑70℃，发酵时间10‑15天，得到第一发酵液；

[0040] 其中，所述第一复合菌种是按组成比例为4：2：1：1的酵母菌、放线菌、根霉菌、光合细菌组合而成的组合菌或者为EM菌剂；

[0041] S3、在所述第一发酵液中加入第二复合菌种并在供气条件下进行第二次好氧发酵，发酵温度50‑55℃，发酵时间5‑8天，得到第二发酵液，固液分离后得到发酵液，所述发酵
液的固含量为6.5％；

[0042] 其中，所述第二复合菌种是按组成比例为2：1：1：0.1：0.1的芽孢杆菌、假单胞菌、霉菌、酵母菌、放线菌组合而成的组合菌；

[0043] S4、将所述发酵液进行曝气后加入第三复合菌种并培养3‑5天，制得所述水溶肥；

[0044] 所述第三复合菌种包括固氮菌、溶磷菌、乳酸菌、硅酸盐细菌、芽孢杆菌和放线菌；

[0045] 所述发酵调节剂包括秸秆生物炭，所述秸秆生物炭的添加量为发酵原料固含量的1％，其制备方法包括以下步骤：

[0046] 将玉米、高粱、油菜或棉花秸秆剥去外皮并切为小段，将得到的秸秆段用去离子水和乙醇洗涤数次并干燥，经球磨粉碎后加入到饱和的吡啶二胺溶液中，搅拌过夜后滤出，干
燥，入高温气氛管式炉，在100‑110sccm氩气和10‑20scm氢气的混合气氛下升温至1000‑
1200℃，保温碳化60‑100min，保持混合气氛并撤去热源，待温度降至600‑800℃时，将气氛
切换为100‑110氮气和10‑20sccm水蒸气的混合气氛，待温度降至500℃以下时，气氛切换为
氩气，冷却至室温后得到碳化产物，将所述碳产物浸入1‑2mol/L的盐酸溶液中去除杂质，再
以去离子水洗涤至中性，干燥制得所述秸秆生物碳。

[0047] 实施例2

[0048] 一种设施栽培水肥一体化的施肥方法，具体是将水溶肥通过滴灌管网进行施肥，其中，所述水溶肥的制备方法包括以下步骤：

[0049] S1、将秸秆、蔗渣和禽畜粪便干燥后粉碎至粒径不大于2mm，加水调节至固含量在15‑16％，调节pH值在7‑8，调节C/N在25：1，加入发酵调节剂，搅拌均匀并静置后得到发酵原
料；

[0050] S2、在所述发酵原料中加入第一复合菌种并在供气条件下进行第一次好氧发酵，发酵温度60‑70℃，发酵时间10‑15天，得到第一发酵液；

[0051] 其中，所述第一复合菌种是按组成比例为4：2：1：1的酵母菌、放线菌、根霉菌、光合细菌组合而成的组合菌或者为EM菌剂；

[0052] S3、在所述第一发酵液中加入第二复合菌种并在供气条件下进行第二次好氧发酵，发酵温度50‑55℃，发酵时间5‑8天，得到第二发酵液，固液分离后得到发酵液，所述发酵
液的固含量为2.2％；

[0053] 其中，所述第二复合菌种是按组成比例为2：1：1：0.1：0.1的芽孢杆菌、假单胞菌、霉菌、酵母菌、放线菌组合而成的组合菌；

[0054] S4、将所述发酵液进行曝气后加入第三复合菌种并培养3‑5天，制得所述水溶肥；

[0055] 所述第三复合菌种包括固氮菌、溶磷菌、乳酸菌、硅酸盐细菌、芽孢杆菌和放线菌。

[0056] 实施例3

[0057] 同实施例1，所述秸秆生物炭的制备方法是：

[0058] 将玉米、高粱、油菜或棉花秸秆剥去外皮并切为小段，将得到的秸秆段用去离子水和乙醇洗涤数次并干燥，经球磨粉碎后入高温气氛管式炉，在保护气氛下升温至1000‑1200
℃，保温碳化60‑100min，冷却至室温后得到碳化产物，将所述碳产物浸入1‑2mol/L的盐酸
溶液中去除杂质，再以去离子水洗涤至中性，干燥制得所述秸秆生物碳。

[0059] 测得本实施例中所述发酵液的固含量为4.1％。

[0060] 实施例4

[0061] 本实施例涉及一种设施栽培水肥一体化系统，参照附图，所述系统包括供水装置1、发酵装置2和灌溉装置3，所述供水装置1、发酵装置2和灌溉装置3分别与文丘里吸入装置
相连接；所述供水装置1包括依次以管道相连接的水泵、调节罐、过滤装置、控温装置和净化
装置；所述发酵装置2包括依次以管道相连接的发酵罐和施肥罐；所述灌溉装置3包括依次
以管道相连接的流量计、加压装置和滴灌管带；所述调节罐用于调节水源中可溶性离子成
分和pH值；

[0062] 所述净化装置内置有催化杀菌剂，所述催化杀菌剂的制备方法包括以下步骤：

[0063] A1、在5mg/mL的氧化石墨烯分散液中按体积分数加入加入1％体积的聚乙二醇后进行超声分散处理，超声处理后以3000rpm转速离心10min，去沉淀取上层清液，加入终浓度
为0.1mol/L的钼酸铵，充分搅拌混合后，加入硫代乙酰胺的醋酸溶液使硫代乙酰胺的终浓
度为0.2mol/L，充分搅拌混合后将缓和溶液转入具有聚四氟乙烯内衬反应釜内，在180‑200
℃的自生压力下保温反应24h，滤出沉淀产物，依次以无水乙醇和去离子水洗涤，干燥得到
产物A；

[0064] A2、在30重量份的聚氨酯预聚体中加入40重量份去离子水和20重量份所述产物A，搅拌混合均匀得到悬浮乳液，加入10重量份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和1重量份四甲基乙
二胺，经聚合交联固化后制得凝胶产物，按需切割为适当大小，制得所述催化杀菌剂。

[0065] 对比例1

[0066] 同实施例4，所述催化杀菌剂的制备方法包括以下步骤：

[0067] 在30重量份的聚氨酯预聚体中加入40重量份去离子水和20重量份二硫化钼，搅拌混合均匀得到悬浮乳液，加入10重量份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和1重量份四甲基乙二胺，
经聚合交联固化后制得凝胶产物，按需切割为适当大小，制得所述催化杀菌剂。

[0068] 对比例2

[0069] 同实施例4，所述催化杀菌剂的制备方法包括以下步骤：

[0070] 在30重量份的聚氨酯预聚体中加入40重量份去离子水、5重量份氧化石墨烯和15重量份二硫化钼，搅拌混合均匀得到悬浮乳液，加入10重量份聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和1
重量份四甲基乙二胺，经聚合交联固化后制得凝胶产物，按需切割为适当大小，制得所述催
化杀菌剂。

[0071] 在太阳光下测定实施例4、对比例1‑2中所述净化装置对水体的消毒效率，具体如下：

[0072]

[0073] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应
当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实
质和范围。