CN118459271A - 一种可提高水稻产量的微藻生物肥料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可提高水稻产量的微藻生物肥料及其制备工艺，原料包括鱼腥藻、固氮发状念珠藻、复合载体、硫酸锌、聚乙烯醇、交联剂和改性壳聚糖溶液，复合载体为纳米羟基磷灰石与生物炭，生物炭是由小球藻通过水热法制得；本发明制得的微藻生物肥料通过在水稻根系以生物炭为载体，提高了水稻土壤的孔隙度和微生物丰度，并在生物炭上复合纳米羟基磷灰石，提高了生物炭对氨气的吸附能力，固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻不仅可以固定氮元素，促进水稻根系对氮元素的吸收，还促进了光合作用，提高了有机物的积累，提高了水稻苗的活性和营养吸收能力，提升了水稻的产量。

Description

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料及其制备工艺

技术领域

本发明属于肥料技术领域，具体涉及一种可提高水稻产量的微藻生物肥料及其制备工艺。

背景技术

水稻是世界上一半以上人口的主要食物来源，而在水稻种植过程中，为确保水稻产量的稳定和质量，需要大量使用化肥，在为水稻增产的同时也为土壤带来了许多负面影响，如土地酸化、重金属污染、土壤板结、硝酸盐污染等，会造成土壤肥力和作物质量不稳定，不利于土壤健康与农业绿色发展。

蓝藻和绿藻是富营养化水体中有害藻华的主要生物污染物，对水生生态系统和人类健康产生严重影响，但是这些微藻能将水、二氧化碳和无机营养素转化为动植物所需的营养物质，并且微藻转化营养物质的速度远小于肥料在土壤中的释放速度，可以缓慢转化作物所需的营养元素，促进作物的生长，提高作物的产量，因此微藻具有制备生物肥料的潜力。

专利CN115745689A公开了一种促进水稻生长的稻壳灰生物肥，通过将藻类、稻壳灰、微生物菌和草炭灰制成生物肥，使得稻壳灰中的硅更好的释放至土壤中，并与微生物菌和藻类协同作用改善土壤团粒结构，达到对水稻促生的效果。但是该方案只解决了如何促进水稻吸收硅肥的问题。

目前稻田已被证实是氨挥发和一氧化二氮排放的主要排放源，大量的排放可能会导致大气污染，而在稻田中，氮肥是必不可少的，大量施氮肥会导致大量的氨挥发，农田氨挥发量通常占氮输入总量的10%-60%，因此需要一种减少稻田氮挥发的微藻生物肥。

专利CN111955297A公开了一种钝化稻田重金属并增加氮固持量的方法，通过喷洒和添加微藻生物肥料水，来构建周丛生物群落，通过藻类的光合作用及生长代谢活动改变土壤pH，并分泌大量的胞外聚合物，提高周丛生物的重金属吸附、钝化能力及生物固氮能力。

但是该方案是增强了土壤固氮能力和对土壤结构的改良，对于水稻的增产能力较弱，因此，还没有一种微藻生物肥料，可以提高水稻产量，并且减少稻田的氨挥发。

发明内容

本发明的目的在于解决如何提高水稻产量，减少稻田氨挥发以减少氮肥的施用量的问题。

本发明通过微藻细胞提高水稻根系的营养吸收能力，通过生物炭提高水稻根系的孔隙度和生物丰度来提高水稻产量，同时微藻细胞具有氨固定能力，通过复合载体和改性壳聚糖提高微藻生物肥料的氨吸附能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，按质量份计，包括以下原料：

3-5份鱼腥藻、3-5份固氮发状念珠藻、25-35份复合载体、0.05-0.1份硫酸锌、8-15份聚乙烯醇、0.008-0.01份交联剂、80-120份改性壳聚糖溶液；

交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺。

进一步的，复合载体由如下方法制得：

将纳米羟基磷灰石与生物炭按质量比1:1-3混合均匀后，在45-50℃，150-200rpm转速下震荡8-10h，过滤后将沉淀洗涤烘干，置于马弗炉中在600-750℃温度下反应2-3h，收集沉淀得到复合载体。

进一步的，生物炭由如下方法制得：

将小球藻细胞和1-1.5wt%柠檬酸水溶液以质量比1-1.5:10-12在高压水热反应器中水热反应1-1.5h，反应温度230-260℃，离心收集固体后在50-70℃干燥，得到生物炭。

进一步的，鱼腥藻、固氮发状念珠藻和小球藻是在扩大培养至细胞数量≥10⁶个/mL后，经离心收集沉淀，真空冷冻干燥得到。

进一步的，改性壳聚糖溶液由如下方法制得：

将壳聚糖粉末按照1-2g：100mL的用量比加入5wt%的丙烯酸溶液中，40-50℃搅拌12-24h，加入丙酮使溶液产生沉淀，将溶液过滤得到沉淀后用丙酮冲洗，在35-45℃下真空干燥，然后将干燥的沉淀与去离子水按照2.4-3.6g：200-300mL的用量比混合，搅拌溶解得到改性壳聚糖溶液。

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料的制备工艺，包括如下步骤：

步骤一、在聚乙烯醇溶液中加入硫酸锌、固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻并搅拌分散，得到微藻聚乙烯醇溶液；

步骤二、将复合载体和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺加入改性壳聚糖溶液中，超声分散，得到复合载体溶液；

步骤三、将微藻聚乙烯醇溶液滴加到复合载体溶液中，滴加过程中搅拌，滴加完成后静置24-36h后冷冻喷雾干燥，得到微藻生物肥料。

进一步的，微藻聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇含量为10-15wt%。

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料的使用方法为：

将微藻生物肥料施用在水稻秧苗根部，施用量为2-3g/株，然后将秧苗栽入施过基肥的水稻田中，完成施肥。

本发明的有益效果：

（1）本发明制得的微藻生物肥料通过在水稻根系以生物炭为载体，提高了水稻土壤的孔隙度和微生物丰度，并在生物炭上复合纳米羟基磷灰石，提高了生物炭对氨气的吸附能力，固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻不仅可以固定氮元素，促进水稻根系对氮元素的吸收，还促进了光合作用，提高了有机物的积累，提高了水稻苗的活性和营养吸收能力，提升了水稻的产量。

（2）本发明的制备方法将改性壳聚糖和聚乙烯醇形成的复合膜包覆在复合载体表面，通过冷冻喷雾干燥后保证了固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻的活性，延长了微藻生物肥料的储存时间和有效性。

（3）本发明通过在生物炭表面包覆羧化改性的壳聚糖和聚乙烯醇复合膜，提升了微藻生物肥料在水稻根系的粘附能力和对氨气吸附能力，减小了施肥后的氨气挥发，为微藻提供持续不断的氮源，微藻以壳聚糖为碳源，壳聚糖表面吸附的氨气为氮源，可以很好的繁殖并固氮，在土壤中形成团聚体，稳定土壤的性质，减少水稻田的氨气挥发量。

（4）本发明通过在微藻生物肥料中添加硫酸锌，不仅为水稻根系提供了锌元素，还可以活化微藻和土壤微生物产生的壳聚糖酶的活性，提升水稻根部附近的微生物活性，使壳聚糖慢慢被分解，肥沃水稻根系附近的土壤，促进水稻的生长。

附图说明

图1为水稻栽种至收获期间氮的累计损失量柱状图；

图2为插秧后七日内氨气的日排放速率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，包括如下重量份组分：

0.3kg鱼腥藻、0.3kg固氮发状念珠藻、2.5kg复合载体、0.005kg硫酸锌、0.8kg聚乙烯醇、0.8gN,N'-亚甲基双丙烯酰胺、8kg改性壳聚糖溶液；

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将聚乙烯醇溶解在7.2kg去离子水中得到聚乙烯醇溶液，在聚乙烯醇溶液中加入硫酸锌、固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻并搅拌分散，得到微藻聚乙烯醇溶液；

步骤二、将复合载体和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺加入改性壳聚糖溶液中，超声分散，得到复合载体溶液；

步骤三、将微藻聚乙烯醇溶液滴加到复合载体溶液中，滴加过程中搅拌，滴加完成后静置24h后冷冻喷雾干燥，得到微藻生物肥料。

改性壳聚糖和聚乙烯醇交联形成的复合膜遇水溶胀后对氨气的吸附能力提高，改性壳聚糖表面的羧基可以将氨气转化为铵根离子，吸附的氨气在复合膜内部的固氮发状念珠藻的作用下被固定并被水稻根系利用，减少了水稻田氨气的挥发，提高了植物对氮元素的吸收利用；

过量施用氮肥和磷肥的土壤易缺锌，土壤中速效磷、氮、锌比过大，会阻碍水稻根系对锌元素的吸收利用，将硫酸锌吸附在复合载体表面，随着固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻对水稻根系的促生作用，有利于促进水稻根系对锌元素的吸收；

在交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的交联作用下，聚乙烯醇和复合载体表面的羟基磷灰石会发生交联反应，羟基磷灰石表面的钙离子会与改性壳聚糖表面的羧基结合，将使改性壳聚糖和聚乙烯醇形成的复合膜包覆在复合载体表面，冷冻喷雾干燥后保证了固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻的活性，延长了微藻生物肥料的储存时间。

复合载体由如下方法制得：

将2kg纳米羟基磷灰石与2kg生物炭混合均匀后，在45℃，150rpm转速下震荡8h，过滤后将沉淀洗涤烘干，置于马弗炉中在600℃温度下反应2h，收集沉淀得到复合载体。

纳米羟基磷灰石与生物炭高温活化反应后使纳米羟基磷灰石附着在生物炭表面，增加了生物炭表面的羟基含量，提升了生物炭对氨气的吸附能力，减少了水稻田氨气的挥发。

生物炭由如下方法制得：

将10kg小球藻细胞和100kg的1wt%柠檬酸水溶液在高压水热反应器中水热反应，反应温度230℃，时间1h，离心收集固体后在50℃干燥，得到生物炭。

小球藻制成的生物炭可以有效增加土壤孔隙度、提高土壤微生物丰度，添加柠檬酸可提高水热炭产率，降低生物炭pH值并通过酸水解促进蛋白质和多磷酸盐的降解，增大了生物炭的比表面积和孔径，增强生物炭的吸附能力。

小球藻、固氮发状念珠藻、球孢鱼腥藻是在市售常规BG11培养基下扩大培养至小球藻细胞数量≥10⁶个/mL后，离心收集沉淀，真空冷冻干燥得到；

本实施例所用小球藻（Chlorella）、固氮发状念珠藻（Nostoc flageliforme）和球孢鱼腥藻（Anabaena sphaerica）均来源于中国科学院淡水藻种库。

改性壳聚糖溶液由如下方法制得：

将0.2kg壳聚糖粉末加入20L5wt%的丙烯酸溶液中，40℃搅拌12h，加入丙酮使溶液产生沉淀，将溶液过滤得到沉淀后用丙酮冲洗，在35℃下真空干燥，然后将0.12kg干燥的沉淀与10L去离子水混合搅拌，搅拌溶解得到改性壳聚糖溶液。

本发明的使用方法为：

将微藻生物肥料施用在水稻秧苗根部，施用量为2g/株，然后将秧苗栽入施过基肥的水稻田中，完成施肥。

水稻秧苗栽入水稻田后，水稻田中的水缓慢浸入到微藻生物肥料中，使改性壳聚糖吸水溶胀，释放出改性壳聚糖内部的复合载体，改性壳聚糖和复合载体有助于水稻根系对氮元素的利用，同时复合载体会释放常量和微量营养素和矿物质，有助于光合作用和植物生长，有助于水稻的增产，减少水稻根系附近的氨气排放。

实施例2

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，包括如下重量份组分：

0.4kg鱼腥藻、0.4kg固氮发状念珠藻、3kg复合载体、0.0075kg硫酸锌、1.2kg聚乙烯醇、0.9gN,N'-亚甲基双丙烯酰胺、10kg改性壳聚糖溶液；

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将聚乙烯醇溶解在8.4kg去离子水中得到聚乙烯醇溶液，在聚乙烯醇溶液中加入硫酸锌、固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻并搅拌分散，得到微藻聚乙烯醇溶液；

步骤二、将复合载体和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺加入改性壳聚糖溶液中，超声分散，得到复合载体溶液；

步骤三、将微藻聚乙烯醇溶液滴加到复合载体溶液中，滴加过程中搅拌，滴加完成后静置24h后冷冻喷雾干燥，得到微藻生物肥料。

复合载体由如下方法制得：

将2kg纳米羟基磷灰石与4kg生物炭混合均匀后，在50℃，180rpm转速下震荡9h，过滤后将沉淀洗涤烘干，置于马弗炉中在700℃温度下反应2.5h，收集沉淀得到复合载体。

生物炭由如下方法制得：

将12.5kg小球藻细胞和110kg的1.2wt%柠檬酸水溶液在高压水热反应器中水热反应，反应温度245℃，时间1.25h，离心收集固体后在60℃干燥，得到生物炭。

小球藻、固氮发状念珠藻、球孢鱼腥藻是在市售常规BG11培养基下扩大培养至小球藻细胞数量≥10⁶个/mL后，离心收集沉淀，真空冷冻干燥得到。

改性壳聚糖溶液由如下方法制得：

将0.2kg壳聚糖粉末加入12.5L5wt%的丙烯酸溶液中，45℃搅拌16h，加入丙酮使溶液产生沉淀，将溶液过滤得到沉淀后用丙酮冲洗，在40℃下真空干燥，然后将0.16kg干燥的沉淀与12.5L去离子水混合搅拌，搅拌溶解得到改性壳聚糖溶液。

本发明的使用方法为：

将微藻生物肥料施用在水稻秧苗根部，施用量为2.5g/株，然后将秧苗栽入施过基肥的水稻田中，完成施肥。

实施例3

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，包括如下重量份组分：

0.5kg鱼腥藻、0.5kg固氮发状念珠藻、3.5kg复合载体、0.01kg硫酸锌、1.5kg聚乙烯醇、1gN,N'-亚甲基双丙烯酰胺、12kg改性壳聚糖溶液；

一种可提高水稻产量的微藻生物肥料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将聚乙烯醇溶解在8.5kg去离子水中得到聚乙烯醇溶液，在聚乙烯醇溶液中加入硫酸锌、固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻并搅拌分散，得到微藻聚乙烯醇溶液；

步骤二、将复合载体和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺加入改性壳聚糖溶液中，超声分散，得到复合载体溶液；

步骤三、将微藻聚乙烯醇溶液滴加到复合载体溶液中，滴加过程中搅拌，滴加完成后静置32h后冷冻喷雾干燥，得到微藻生物肥料。

复合载体由如下方法制得：

将2kg纳米羟基磷灰石与6kg生物炭混合均匀后，在50℃，150-200rpm转速下震荡10h，过滤后将沉淀洗涤烘干，置于马弗炉中在750℃温度下反应3h，收集沉淀得到复合载体。

生物炭由如下方法制得：

将15kg小球藻细胞和120kg的1.5wt%柠檬酸水溶液在高压水热反应器中水热反应，反应温度260℃，时间1.5h，离心收集固体后在70℃干燥，得到生物炭。

小球藻、固氮发状念珠藻、球孢鱼腥藻是在市售常规BG11培养基下扩大培养至小球藻细胞数量≥10⁶个/mL后，离心收集沉淀，真空冷冻干燥得到。

改性壳聚糖溶液由如下方法制得：

将0.2kg壳聚糖粉末加入10L5wt%的丙烯酸溶液中，50℃搅拌24h，加入丙酮使溶液产生沉淀，将溶液过滤得到沉淀后用丙酮冲洗，在45℃下真空干燥，然后将0.18kg干燥的沉淀与15L去离子水混合搅拌，搅拌溶解得到改性壳聚糖溶液。

本发明的使用方法为：

将微藻生物肥料施用在水稻秧苗根部，施用量为3g/株，然后将秧苗栽入施过基肥的水稻田中，完成施肥。

对比例1

为实施例1中的生物炭。

对比例2

为实施例1中的鱼腥藻和固氮发状念珠藻的培养液。

将实施例1-实施例3制得的微藻生物肥料和对比例1-对比例2按照3g/株的施用量均匀施用在水稻秧苗的营养土中，设置空白组不作处理（ck），然后用插秧机将水稻秧苗栽插在试验水稻田内进行水稻种植实验，供试水稻品种为两优6326；

水稻田位于安徽省太和县水稻试验田，一号试验田已施氮肥（尿素）96kg/公顷、磷肥（过磷酸钙）96kg/公顷，钾肥（氯化钾）192kg/公顷，水稻分蘗时追施氮肥96kg/公顷，成穗后追施氮肥48kg/公顷；

取实施例1-实施例3、对比例1-对比例2、ck试验田中的稻田样土制成土柱，水稻密度为5株/柱，在玻璃室中采用连续气流封闭法测量累计氨气挥发量，计算N累计损失量（kg/公顷），氨气吸收剂为硼酸、甲基红指示剂、溴甲酚和乙醇的混合物，结果如表1所示；

检测实施例1-实施例3和对比例1-对比例2收获的每亩水稻穗数、每穗总粒数和千粒重（取平均值），结果如表1所示：

表1

项目	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	ck
							每亩水稻穗数/万	16.58	16.73	16.85	15.35	15.42	15.21
每穗总粒数	172	176	181	162	165	158
							千粒重/g	28.6	28.8	29.1	27.3	27.6	27.2
氮累计损失量（kg/公顷）	18.64	18.36	18.75	30.52	21.07	21.35

由表1可以看出，实施例1-实施例3收获的水稻每亩穗数、每亩总粒数和千粒重都远高于对比例1-对比例2和ck，说明本发明制得的微藻生物肥料可以有效增产水稻；对比例1和对比例2说明单独施用微藻培养液和生物炭均可以提高水稻的产量，但是提高幅度较小。

由表1和图1中氮累计损失数据可以看出，实施例1-实施例3相较于ck均减少了稻田中氨气的挥发量，说明本发明制得的微藻生物肥料可以在水稻根部吸附住氨气并转化为水稻可利用的氮元素，达到对水稻的促生作用，同时减少了水稻田中氨气的排放；对比例1由于只施加生物炭，生物炭虽然对氨气具有吸附作用，但是吸附能力不强，在水稻季中排水时，由于土壤通气性改变，活性炭吸附的氨气又会被释放出去，仅仅短暂提供给了水稻根系使用，因此仅小幅度提升了水稻产量；对比例2由于只添加了微藻培养液，导致微藻培养液在水稻田中过于分散，活性较低，对于氮元素的固定作用较小，对水稻的促生效果较差。

水稻在施肥后前七天氨气释放量最大，由图2中ck组的数据可以看出，在施肥后第三天达到排放速率巅值，随后下降，对比例1仅仅使用生物炭，虽然增加了水稻对氮元素的利用，但同时也提高了水稻田的氨气排放量，对比例2仅使用了微藻培养液，仅在第一天和第二天少量减少了氨气的排放，随后便与ck组数据相同；实施例1-实施例3的折线图可以看出，本发明制得的微藻生物肥料可以有效减少施肥后七天内的氨气排放，固定氨气能力强。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，其特征在于，按质量份计，包括以下原料：

3-5份鱼腥藻、3-5份固氮发状念珠藻、25-35份复合载体、0.05-0.1份硫酸锌、8-15份聚乙烯醇、0.008-0.01份交联剂、80-120份改性壳聚糖溶液；

所述复合载体由如下方法制得：

将纳米羟基磷灰石与生物炭按质量比1:1-3混合均匀后，在45-50℃，150-200rpm转速下震荡8-10h，过滤后将沉淀洗涤烘干，置于马弗炉中在600-750℃温度下反应2-3h，收集沉淀得到复合载体；

所述交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺。

2.根据权利要求1所述的一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，其特征在于，所述生物炭由如下方法制得：

将小球藻细胞和1-1.5wt%柠檬酸水溶液以质量比1-1.5:10-12在高压水热反应器中水热反应1-1.5h，反应温度230-260℃，离心收集固体后在50-70℃干燥，得到生物炭。

3.根据权利要求1所述的一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，其特征在于，所述鱼腥藻、固氮发状念珠藻和小球藻是在扩大培养至细胞数量≥106个/mL后，经离心收集沉淀，真空冷冻干燥得到。

4.根据权利要求1所述的一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，其特征在于，所述改性壳聚糖溶液由如下方法制得：

将壳聚糖粉末按照1-2g：100mL的用量比加入5wt%的丙烯酸溶液中，40-50℃搅拌12-24h，加入丙酮使溶液产生沉淀，将溶液过滤得到沉淀后用丙酮冲洗，在35-45℃下真空干燥，然后将干燥的沉淀与去离子水按照2.4-3.6g：200-300mL的用量比混合，搅拌溶解得到改性壳聚糖溶液。

5.根据权利要求1所述的一种可提高水稻产量的微藻生物肥料的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在聚乙烯醇溶液中加入硫酸锌、固氮发状念珠藻和球孢鱼腥藻并搅拌分散，得到微藻聚乙烯醇溶液；

步骤二、将复合载体和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺加入改性壳聚糖溶液中，超声分散，得到复合载体溶液；

步骤三、将微藻聚乙烯醇溶液滴加到复合载体溶液中，滴加过程中搅拌，滴加完成后静置24-36h后冷冻喷雾干燥，得到微藻生物肥料。

6.根据权利要求5所述的一种可提高水稻产量的微藻生物肥料的制备工艺，其特征在于，所述聚乙烯醇溶液的质量分数为10-15wt%。

7.根据权利要求1所述的一种可提高水稻产量的微藻生物肥料，其特征在于，所述微藻生物肥料的使用方法为：

将微藻生物肥料施用在水稻秧苗根部，施用量为2-3g/株，然后将秧苗栽入施过基肥的水稻田中，完成施肥。