CN117247305A - 一种促进植物根系生长的水凝胶及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水凝胶技术领域，本发明公开了一种促进植物系生长的水凝胶及其制备方法，本发明制备的水凝胶以酸性乳清蛋白凝胶为载体，再辅以生物炭‑富硒琼脂糖和天然植物成分的复配而成的促进植物系生长的水凝胶，该水凝胶不仅实现硒的植物固栽化，防止硒的流失和提高硒的利用率，而且相比于传统肥料，本发明制备的水凝胶可保水保肥，能够促进植株根系快速生长与植株增重。

Description

一种促进植物根系生长的水凝胶及制备方法

技术领域

本发明涉及水凝胶技术领域，尤其涉及一种促进植物系生长的水凝胶及制备方法。

背景技术

随着全球人口的持续增长，全球粮食系统将面临越来越大的压力，而农业也将面临巨大挑战，即在不影响环境安全的前提下为不断增长的人口提供足够粮食。肥料的使用对于维持和增加粮食产量至关重要。在化肥发展初期，人们普遍只采用单质肥料，但单质肥仅能提供的单一营养元素不能满足作物生长需求。因此，研究人员将目光聚焦于复合肥的研发，实验证明复合肥(同时含有两种或多种主要营养元素的化学肥料)可以提供N、P、K等多种养分，在多种元素的协同作用下，植物生长效果更好。但是复合肥也存在一定问题，如肥料的养分比例固定、肥料流失严重、利用率低，土壤中无法保持足够水分，作物生长水分需求与自然降雨不相协调等。为了提高肥料的利用率，则应用而生了各种类型缓释肥，但是这些缓释肥料大多数仍是传统缓释肥料，它们只能够单纯地做到对养分的缓慢释放，而无法根据作物对肥料的需求规律和生长动态而有序释放肥料。

目前传统肥料存在的这些问题不仅浪费了自然资源，也制约了我国农业的进一步发展，因此，近年来，近年来，水凝胶因为其优异的保水能力以及改善土壤理化性质的作用而受到农业领域的重点关注。水凝胶是一类具有三维交联网络状结构的高分子聚合物，凭借其大量的亲水性基团可以吸收水分，在外界环境干旱的情况下又可以缓慢释放水分，具有提高土壤持水、保水性能的作用，而且水凝胶能够与肥料结合缓慢释放，在农业上被用作土壤的保水剂和肥料的缓释剂，可以大大地节约水资源，减少肥料的使用获得了广泛的关注，显示出了其在农业生产中的巨大作用。但是，现有技术制备的水凝胶尤其在恶劣的地理环境条件下，如：盐碱地环境，则表现较差，常常因韧性差、孔道结构不够丰富而严重影响植物的生长。

发明内容

有鉴于此，针对现有水凝胶在盐碱地环境中应用时所导致的孔道结构不够丰富，韧性较差的不足而严重影响植物生长的技术问题，本发明提供了一种促进植物系生长的水凝胶及制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种促进植物系生长的水凝胶，制备原料包括酸性乳清蛋白凝胶、生物炭-富硒琼脂糖、天然植物成分以及冰醋酸。

本发明进一步技术方案中，上述制备原料，按重量份数计，包括：酸性乳清蛋白凝胶70-90份、生物炭-富硒琼脂糖10-20份、天然植物成分0.06-1份、冰醋酸20-40份。

本发明进一步技术方案中，所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料包括，酸性乳清、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、柠檬酸。

本发明进一步技术方案中，所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料按重量份数计，包括酸性乳清30-40份、羧甲基纤维素钠9-15份、羟乙基纤维素3-5份、柠檬酸4.2-6份。

本发明进一步技术方案中，所述的天然植物成分包括葛根素和凉粉草多糖。

本发明进一步技术方案中，所述的天然植物成分按重量份计，包括0.03-0.05份葛根素和0.03-0.05份凉粉草多糖。

本发明进一步技术方案中，所述的富硒琼脂糖制备方法为：

⑴将琼脂糖溶解于去离子水中，即得琼脂糖溶液，备用；

⑵将亚硒酸钠混入琼脂糖溶液中，超声处理0.5h,再加入生物炭混合均匀，再置于95℃水浴锅中，继续搅拌0.5h,即得生物炭-富硒琼脂糖。

本发明进一步技术方案中，所述的生物炭为甘蔗渣基生物炭。

本发明进一步技术方案中，上述促进植物系生长的水凝胶制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份数，将羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素混合后置于酸性乳清中，机械搅拌直至获得均匀溶液，再加入柠檬酸搅拌均匀反应1-1.5h，反应完毕后，60℃下干燥10h即得酸性乳清蛋白凝胶；

(2)将所述重量份的冰醋酸配置成10％(v/v)冰醋酸水溶液，备用；

⑶将纳米生物炭-富硒琼脂糖溶于冰醋酸水溶液中，在65℃下以150rpm磁力搅拌24h；即得生物炭-富硒琼脂糖溶液；

(4)将生物炭-富硒琼脂糖溶液和酸性乳清蛋白凝胶混合均匀，再加入天然植物成分置于在冰浴条件下进行超声处理，形成复合酸性乳清纳米溶液；

⑸将步骤⑷得到复合酸性乳清纳米溶液在室温条件下静置1-4h，得到本发明的促进植物系生长的水凝胶。

本发明进一步技术方案中，所述超声条件为超声温度0℃、超声时间10-30min。

经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种以酸性乳清蛋白凝胶为载体，再负以生物炭-富硒琼脂糖和天然植物成分的复配而成的促进植物系生长的水凝胶，该水凝胶不仅实现硒的植物固栽化，防止硒的流失和提高硒的利用率，而且相比于传统肥料，本发明制备的水凝胶不仅可保水保肥，能够促进植株根系快速生长与植株增重，而且并改善盐碱土壤的持水能力，提高土壤透气性，且对环境零污染，而且还具有如下技术效果：

本发明中天然成分葛根素的加入不仅能够提升水凝胶的热处理稳定性和贮藏稳定性，葛根素具有异黄酮的结构，显著提高水凝胶的抗菌和清除氧自由基的作用，在水凝胶在盐碱地中应用时，能够为植物根系的生长“保驾护航”促进植物种子的发芽，减少植物根系因土壤中有害物质而导致的氧化损伤，为植物根系的生长起到良好的促进作用；同时凉粉草多糖的加入，也能够进一步提升水凝胶的稳定性，能够提高水凝胶的强度和断裂应力，再辅以生物炭-富硒琼脂糖，为水凝胶构建了较好的力学性能和孔道结构，能够为水和空气进出提供充足的通道，改善土壤的透气性，进而能够补足传统水凝胶韧性差、孔道不够丰富的缺陷。

具体实施方式

本实施例公开了一种促进植物系生长的水凝胶，制备原料包括酸性乳清蛋白凝胶、富硒琼脂糖、生物炭、天然植物成分以及冰醋酸。上述制备原料，按重量份数计，包括：酸性乳清蛋白凝胶70-90份、生物炭-富硒琼脂糖10-20份、天然植物成分0.06-1份、冰醋酸20-40份。

其中，所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料包括，酸性乳清、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、柠檬酸；所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料按重量份数计，包括酸性乳清30-40份、羧甲基纤维素钠9-15份、羟乙基纤维素3-5份、柠檬酸4.2-6份。

其中，所述的天然植物成分包括葛根素和凉粉草多糖，按重量份计，0.03-0.05份葛根素和0.03-0.05份凉粉草多糖。

其中，所述的富硒琼脂糖制备方法为：

⑴将琼脂糖溶解于去离子水中，即得琼脂糖溶液，备用；

⑵将亚硒酸钠混入琼脂糖溶液中，超声处理0.5h,再加入生物炭混合均匀，再置于95℃水浴锅中，继续搅拌0.5h,即得生物炭-富硒琼脂糖。

其中，所述的生物炭为甘蔗渣基生物炭，具体的制备方法为：将甘蔗渣风干，用粉碎机粉碎，置于瓷坩埚，加盖密封，置于马弗炉，以10℃/min^-1升至200℃，灼烧2h，然后以同样升温速度升至650℃,炭化3h，冷却后取出，研磨过0.15mm筛，即得甘蔗渣基生物炭。

其中，上述促进植物系生长的水凝胶制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份数，将羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素混合后置于酸性乳清中，机械搅拌直至获得均匀溶液，再加入柠檬酸搅拌均匀反应1-1.5h，反应完毕后，60℃下干燥10h即得酸性乳清蛋白凝胶；

(2)将所述重量份的冰醋酸配置成10％(v/v)冰醋酸水溶液，备用；

⑶将生物炭-富硒琼脂糖溶于冰醋酸水溶液中，在65℃下以150rpm磁力搅拌24h；即得生物炭-富硒琼脂糖溶液；

(4)将生物炭-富硒琼脂糖溶液和酸性乳清蛋白凝胶混合均匀，再加入天然植物成分置于在冰浴条件下进行超声处理，超声温度0℃、超声时间10-30min，超声结束后形成复合酸性乳清纳米溶液；

⑸将步骤⑷得到复合酸性乳清纳米溶液在室温条件下静置1-4h，得到本发明的促进植物系生长的水凝胶。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种促进植物系生长的水凝胶，制备原料包括酸性乳清蛋白凝胶、富硒琼脂糖、甘蔗渣基生物炭、天然植物成分以及冰醋酸；按重量份数计，酸性乳清蛋白凝胶70份、生物炭-富硒琼脂糖10份、天然植物成分0.06份、冰醋酸20份；所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料按重量份数计，包括酸性乳清30份、羧甲基纤维素钠9份、羟乙基纤维素3份、柠檬酸4.2份；所述的天然植物成分按重量份计，包括0.03份葛根素和0.03份凉粉草多糖。

上述促进植物系生长的水凝胶制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份数，将羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素混合后置于酸性乳清中，机械搅拌直至获得均匀溶液，再加入柠檬酸搅拌均匀反应1h，反应完毕后，60℃下干燥10h即得酸性乳清蛋白凝胶；

(2)将所述重量份的冰醋酸配置成10％(v/v)冰醋酸水溶液，备用；

⑶将纳米生物炭-富硒琼脂糖溶于冰醋酸水溶液中，在65℃下以150rpm磁力搅拌24h；即得生物炭-富硒琼脂糖溶液；

(4)将生物炭-富硒琼脂糖溶液和酸性乳清蛋白凝胶混合均匀，再加入天然植物成分置于在冰浴条件下进行超声处理，超声温度0℃、超声时间10min，形成复合酸性乳清纳米溶液；

⑸将步骤⑷得到复合酸性乳清纳米溶液在室温条件下静置1h，得到本发明的促进植物系生长的水凝胶。

实施例2

一种促进植物系生长的水凝胶，制备原料包括酸性乳清蛋白凝胶、富硒琼脂糖、甘蔗渣基生物炭、天然植物成分以及冰醋酸；按重量份数计，酸性乳清蛋白凝胶90份、生物炭-富硒琼脂糖20份、天然植物成分1份、冰醋酸40份；所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料按重量份数计，包括酸性乳清40份、羧甲基纤维素钠15份、羟乙基纤维素5份、柠檬酸6份；所述的天然植物成分按重量份计，包括0.05份葛根素和0.05份凉粉草多糖。

上述促进植物系生长的水凝胶制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份数，将羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素混合后置于酸性乳清中，机械搅拌直至获得均匀溶液，再加入柠檬酸搅拌均匀反应1.5h，反应完毕后，60℃下干燥10h即得酸性乳清蛋白凝胶；

(2)将所述重量份的冰醋酸配置成10％(v/v)冰醋酸水溶液，备用；

⑶将纳米生物炭-富硒琼脂糖溶于冰醋酸水溶液中，在65℃下以150rpm磁力搅拌24h；即得生物炭-富硒琼脂糖溶液；

(4)将生物炭-富硒琼脂糖溶液和酸性乳清蛋白凝胶混合均匀，再加入天然植物成分置于在冰浴条件下进行超声处理，超声温度0℃、超声时间30min，形成复合酸性乳清纳米溶液；

⑸将步骤⑷得到复合酸性乳清纳米溶液在室温条件下静置4h，得到本发明的促进植物系生长的水凝胶。

实施例3

一种促进植物系生长的水凝胶，制备原料包括酸性乳清蛋白凝胶、富硒琼脂糖、甘蔗渣基生物炭、天然植物成分以及冰醋酸；按重量份数计，酸性乳清蛋白凝胶80份、生物炭-富硒琼脂糖15份、天然植物成分0.08份、冰醋酸30份；所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料按重量份数计，包括酸性乳清35份、羧甲基纤维素钠12份、羟乙基纤维素4份、柠檬酸5.5份；所述的天然植物成分按重量份计，包括0.03份葛根素和0.05份凉粉草多糖。

上述促进植物系生长的水凝胶制备方法包括以下步骤：

(1)按重量份数，将羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素混合后置于酸性乳清中，机械搅拌直至获得均匀溶液，再加入柠檬酸搅拌均匀反应1.2h，反应完毕后，60℃下干燥10h即得酸性乳清蛋白凝胶；

(2)将所述重量份的冰醋酸配置成10％(v/v)冰醋酸水溶液，备用；

⑶将纳米生物炭-富硒琼脂糖溶于冰醋酸水溶液中，在65℃下以150rpm磁力搅拌24h；即得生物炭-富硒琼脂糖溶液；

(4)将生物炭-富硒琼脂糖溶液和酸性乳清蛋白凝胶混合均匀，再加入天然植物成分置于在冰浴条件下进行超声处理，超声温度0℃、超声时间10-30min，形成复合酸性乳清纳米溶液；

⑸将步骤⑷得到复合酸性乳清纳米溶液在室温条件下静置2.5h，得到本发明的促进植物系生长的水凝胶。

实施例4

上述实施例1-3所述的富硒琼脂糖制备方法为：

⑴将琼脂糖溶解于去离子水中，即得琼脂糖溶液，备用；

⑵将亚硒酸钠混入琼脂糖溶液中，超声处理0.5h,再加入生物炭混合均匀，再置于95℃水浴锅中，继续搅拌0.5h,即得生物炭-富硒琼脂糖。

试验例

本试验例将本发明实施例3制备的水凝胶作为促进植物生长的生态凝胶肥，选用吉林省西部地区碱斑地表的0～20cm盐碱土壤；pH值为10.92；供试大豆品种为“齐黄34”。试验持续45d，终期测量大豆地上部分生长量及地下根部的生物量、根长和单株产量；采用盆栽试验，盆栽试验设置一个空白组处理、一个凝胶肥处理和一个生物有机肥组，每个处理3次重复；

将盐碱地土壤取回后过筛，与沙子等体积混匀后填充在直径20cm、高度40cm的PVC白色无底圆管内，在每个PVC管内播种5粒种子，不施任何肥料；作为空白组；

将盐碱地土壤取回后过筛，与沙子等体积混匀后填充在直径20cm、高度40cm的PVC白色无底圆管内，在每个PVC管内播种5粒种子，施入施入大豆专用复合肥(N∶P∶K为18∶46∶0)作为底肥，湖北新洋丰肥业股份有限公司生产，大豆专用复合肥25kg/亩；再拌入本发明制备的水凝胶为凝胶肥处理，每1kg大豆种子，拌入5g本发明实施例3制备的水凝胶；

将盐碱地土壤取回后过筛，与沙子等体积混匀后填充在直径20cm、高度40cm的PVC白色无底圆管内，在每个PVC管内播种5粒种子，施入施入大豆专用复合肥(N∶P∶K为18∶46∶0)作为底肥，湖北新洋丰肥业股份有限公司生产，大豆专用复合肥25kg/亩；不拌入水凝胶作为对照组。

上述空白组处理、凝胶肥处理组和对照处理组的大豆出苗后于两片真叶展平时间苗，每个PVC管仅留长势一致的幼苗两株。处理和对照的其他管理条件均一致。测定结果见表1。

表1

从表1的数据明显可以看出，在重盐碱地，不施入任何肥料的空白组的大豆种子的发芽率为0，与对照组相比，施入本发明制备的水凝胶对盐碱地土壤的理化性质起到了优化作用，显著促进了大豆根部的生长和大豆地上以及根部重量的增加，而且单株产量也显著提高，说明本发明制备的水凝胶对盐碱地大豆产量有明显的促进作用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种促进植物系生长的水凝胶，其特征在于：制备原料包括酸性乳清蛋白凝胶、生物炭-富硒琼脂糖、天然植物成分以及冰醋酸；所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料包括，酸性乳清、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、柠檬酸；所述的天然植物成分包括葛根素和凉粉草多糖；所述的生物炭为甘蔗渣基生物炭。

2.根据权利要求1所述的一种促进植物系生长的水凝胶，其特征在于：所述制备原料，按重量份数计，包括：酸性乳清蛋白凝胶70-90份、生物炭-富硒琼脂糖10-20份、天然植物成分0.06-1份、冰醋酸20-40份。

3.根据权利要求1所述的一种促进植物系生长的水凝胶，其特征在于：所述的酸性乳清蛋白凝胶制备原料按重量份数计，包括酸性乳清30-40份、羧甲基纤维素钠9-15份、羟乙基纤维素3-5份、柠檬酸4.2-6份。

4.根据权利要求1所述的一种促进植物系生长的水凝胶，其特征在于：所述的天然植物成分按重量份计，包括0.03-0.05份葛根素和0.03-0.05份凉粉草多糖。

5.根据权利要求1所述的一种促进植物系生长的水凝胶，其特征在于：所述的富硒琼脂糖制备方法为：

⑴将琼脂糖溶解于去离子水中，即得琼脂糖溶液，备用；

⑵将亚硒酸钠混入琼脂糖溶液中，超声处理0.5h,再加入生物炭混合均匀，再置于95℃水浴锅中，继续搅拌0.5h,即得生物炭-富硒琼脂糖。

6.权利要求1-5任一所述的一种促进植物系生长的水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按重量份数，将羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素混合后置于酸性乳清中，机械搅拌直至获得均匀溶液，再加入柠檬酸搅拌均匀反应1-1.5h，反应完毕后，60℃下干燥10h即得酸性乳清蛋白凝胶；

(2)将所述重量份的冰醋酸配置成10％(v/v)冰醋酸水溶液，备用；

⑶将纳米生物炭-富硒琼脂糖溶于冰醋酸水溶液中，在65℃下以150rpm磁力搅拌24h；即得生物炭-富硒琼脂糖溶液；

(4)将生物炭-富硒琼脂糖溶液和酸性乳清蛋白凝胶混合均匀，再加入天然植物成分置于在冰浴条件下进行超声处理，形成复合酸性乳清纳米溶液；

⑸将步骤⑷得到复合酸性乳清纳米溶液在室温条件下静置1-4h，得到本发明的促进植物系生长的水凝胶。

7.根据权利要求6所述的一种促进植物系生长的水凝胶的制备方法，其特征在于：所述超声条件为超声温度0℃、超声时间10-30min。