CN119655148A - 一种生物基沉水植物纤维种植毯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物基沉水植物纤维种植毯及其制备方法，属于纤维种植毯技术领域，包括承载层和基质层，基质层包括以下质量分数的原料：生物质基质90～95％、尿素缓释粒子4～8％和矿物质1～3％；尿素缓释粒子为核壳结构，其中芯材为负载有尿素的凝胶粒子，壁材为β‑环糊精和透明质酸钠复合物。基质层的主要原料为生物质基质，具有良好的透气性和保水性，本身含有的养分也会滋养培育的沉水植物生长，为基质层提供良好的支撑结构。尿素缓释粒子的加入能够在沉水植物生长过程中缓慢释放对生长有利的养分元素，解决了传统速效化肥导致的初期过量吸收与后期缺乏的问题，提高了沉水植物的存活率，达到快速修复水体生态系统的作用。

Description

一种生物基沉水植物纤维种植毯及其制备方法

技术领域

本发明属于纤维种植毯技术领域，具体涉及一种生物基沉水植物纤维种植毯及其制备方法。

背景技术

随着工业化和城市化进程的加速，水环境污染问题日益严重，成为现在经济可持续发展的关键影响因素之一。为了改善水质、恢复水生生态系统，人们利用了很多办法，其中沉水植物由于其自身强大的自净能力以及良好的景观效果被广泛应用于湖泊、河流等水域的生态修复工程中。沉水植物不仅能够吸收水中的氮磷等营养物质，减少富营养化的发生，还可以通过水下光合作用为水体增氧，促进水体中微生物群落的发展，形成一个良性循环的生态系统。

传统的沉水植物种植通常采用直接播撒草种或者扦插的方式进行，但是这些方法由于缺少有效的固着措施，在水流的长期冲击下容易导致幼苗漂移，从而降低成活率，而且成活幼苗在初期的生长缓慢，难以快速建立起稳定的植被覆盖层，影响了生态修复的效果。

目前已经有利用附加装置增加沉水植物重力实现沉水植物的固着，或者利用基质培育沉水植物，但是这些材料多依赖人工合成纤维或者天然有机质含量较低的无纺布，不利于环境也限制了沉水植物的根系与土壤之间的物质交换。因此，得到一种绿色环保，而且可以作为优良的基质用于沉水植物栽培或修复受损生态系统的材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物基沉水植物纤维种植毯及其制备方法，以解决沉水植物难以固着、存活率低以及生长缓慢等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种生物基沉水植物纤维种植毯，包括承载层和基质层，基质层包括以下质量分数的原料：

生物质基质90～95％；

尿素缓释粒子4～8％；

矿物质1～3％；

尿素缓释粒子为核壳结构，其中芯材为负载有尿素的凝胶粒子，壁材为β-环糊精和透明质酸钠复合物。

优选的，芯材和壁材的质量比为1：(1.5～2)。

优选的，β-环糊精和透明质酸钠的质量比为(2～3)：1。

优选的，生物质基质包括泥炭土、园林废料、酒槽、农作物秸秆和腐殖质中的一种或多种的组合。

更优选的，生物质基质为质量比是(0.6～0.8)：(0.1～0.3)：(0.1～0.2)的泥炭土、农作物秸秆和腐殖质。

优选的，承载层为植物纤维密网。

通过采用上述技术方案，本发明中的生物基沉水植物纤维种植毯以植物纤维密网为承载层，能够固定基质层，而且植物纤维为原料可生物降解，其孔隙结构也方便沉水植物根系与土壤之间进行物质交换，有利于沉水植物的生长。

基质层的主要原料为生物质基质，采用的生物质材料都是二次利用材料，不仅绿色环保还实现了循环利用；并且生物质基质本身含有的养分也会滋养培育的沉水植物生长，等沉水植物生长长大后，这些生物质材料就会逐渐降解，成为水体土壤的一部分。而且生物质基质具有良好的透气性和保水性，根系通过生物质基质的孔隙不会受到阻碍，有利于沉水植物顺利成长。更优选的，生物质基质为泥炭土、农作物秸秆和腐殖质的组合物，农作物秸秆能够为基质层提供良好的支撑结构，提高基质层的机械性能，泥炭土和腐殖质有利于沉水植物扎根和生长，为根系提供一定的支撑作用，提高得到的纤维种植毯对沉水植物的固着作用，也有利于提高沉水植物的存活率。

并且基质层中还添加有尿素缓释粒子，氮原子作为植物生长过程中的重要成分，它的参与为沉水植物提供了足够的生长养分。但是若将尿素直接掺杂在生物质基质中时，沉水植物幼苗由于根系脆弱，很容易发生烧苗等现象，影响沉水植物的存活率和生长。因此，本发明提供了一种尿素缓释粒子，能够在沉水植物生长过程中缓慢释放出对生长有利的养分元素，保证沉水植物生长所需足够的养分，也能够保证在沉水植物幼苗期间不会由于养分过多而出现烧苗等问题，解决了传统速效化肥导致的初期过量吸收与后期缺乏的问题。保证了沉水植物的快速生长，提高沉水植物的存活率，达到快速修复水体生态系统的作用。

具体的，本发明的尿素缓释粒子为核壳结构，能够更好的保护内部的尿素，减少根系与尿素之间的直接接触，同时能够保证尿素能够从凝胶粒子中缓慢释放，有利于沉水植物生长。壁材主要采用的是环糊精和透明质酸钠的复合物，环糊精能够为壁材提供一定的结构支撑，而透明质酸钠中含有的大量极性基团能够提高尿素缓释粒子的亲水性和保水性，使得基质层内部始终能够保持充盈的水分，为沉水植物生长提供了良好的生长环境，并且亲水性也更有利于微生物的生长，实现良好的生态循环平衡，同时有助于后续尿素缓释粒子的有效降解。

优选的，负载有尿素的凝胶粒子按照以下方法制备得到：

将羧甲基纤维素钠溶解在质量分数为15～20％的氢氧化钠水溶液中，加入乳化剂，搅拌乳化20～30min，调节温度至40～45℃，加入有机交联剂和质量分数为30～40％的氢氧化钠水溶液，保温反应5～6h，通过洗涤和透析后得到凝胶粒子；将凝胶粒子浸渍在浓度为5～15g/L的尿素水溶液中6～8h,冷冻干燥后得到负载有尿素的凝胶粒子。

优选的，凝胶粒子与尿素水溶液的质量体积比为1g：(4～6)mL。

优选的，有机交联剂包括环氧氯丙烷、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、三聚磷酸钠和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺中的一种或多种的组合；有机交联剂的添加量为羧甲基纤维素钠质量的0.5～1.5％。

通过采用上述技术方案，本发明中先将尿素负载在羧甲基纤维素组成的凝胶粒子中，一方面形成的凝胶粒子内部孔隙多，可以提高尿素的储存量，还能够进一步控制尿素的释放速率，使其缓慢并持续地释放到环境中，减少尿素流失也提高了对氮肥的利用率；另一方面，通过将尿素负载在羧甲基纤维素凝胶粒子上能够大大减少尿素流失，从而减少氨挥发或者径流等可能造成的水体富营养化的问题，同时羧甲基纤维素作为一种天然高分子材料，在后续分解后也不会污染水体，绿色环保。

优选的，透明质酸钠为质量比是(0.7～0.8)：(0.2～0.3)的交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物。

通过采用上述技术方案，尿素缓释粒子的壁材中含有透明质酸钠，能够提高基质的保水性，有助于维持基质层的水分含量，为沉水植物根系提供持续稳定的水分供应，而且可以帮助调节尿素的释放效率，支撑沉水植物生长。并且进一步的，透明质酸钠是交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物。

交联型透明质酸钠能够提高壁材的机械强度，与环糊精结合后能够显著提升尿素缓释粒子的结构稳定性，在一定程度上能够抵抗外界环境因素的影响，而且交联型透明质酸钠的交联网络结构具有更大的空间位阻，可以更好的控制尿素释放，也能够更有效的锁住水分。而乙酰化透明质酸钠的加入会降低透明质酸钠的亲水性，可以加强壁材的物理屏障作用，防止水分过快渗透内部，减缓吸水膨胀的速度，提高整体的稳定性。

优选的，尿素缓释粒子按照以下方法制备得到：

将β-环糊精和透明质酸钠分别添加到去离子水中，升高温度至65～75℃，配置成质量分数为5～10％的水溶液，按质量比混合搅拌2～3h，加入负载有尿素的凝胶粒子，在室温下继续搅拌6～8h，最后经过离心分离和洗涤干燥得到尿素缓释粒子。

通过采用上述技术方案，以负载尿素的凝胶粒子为芯材，β-环糊精和透明质酸钠为壁材得到的核壳结构的尿素缓释粒子，能够有效地减缓尿酸从羧甲基纤维素凝胶粒子中的释放速度，β-环糊精和透明质酸钠所形成的致密但是可渗透的薄膜能够减少沉水植物根系与氮肥之间的直接接触，减少外界对内部氮肥的影响。通过双重保护机制，能够确保氮元素能够以更加可控和均匀的方式被沉水植物吸收，为沉水植物持续稳定的提供氮源，有效避免一次性过量吸收以及后期营养不足的问题，从而提高沉水植物的存活率和生长效率。

第二方面，本发明提供了一种生物基沉水植物纤维种植毯的制备方法，包括以下工艺步骤：

S1.将生物质基质、尿素缓释粒子和矿物质按相应的质量比混合后，压缩得到基质层；

S2.将得到的基质层铺设在承载层上，得到生物基沉水植物纤维种植毯。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的生物基沉水植物纤维种植毯采用的原料都是绿色环保，对生物友好的材料，可以在提供良好生存环境的同时实现绿色环保的要求。纤维种植毯中的基质层主要原料为生物质基质，能够为沉水植物提供一定的支撑和养分，帮助沉水植物生长，也有利于沉水植物扎根，为根系提供一定的支撑作用，从而提高纤维种植毯对沉水植物的固着作用，提高存活率。

2、本方面纤维种植毯的基质层中还含有尿素缓释粒子，能够大大减少氮肥与沉水植物根系的直接接触，从而减少对沉水植物根系的损伤以及烧苗等问题的出现，尿素缓慢释放能够有效解决传统速效化肥导致的初期过量吸收与后期缺乏的问题，持续稳定的为沉水植物提供氮源，提高沉水植物的存活率和生长速率；其壁材中的透明质酸钠能够提高尿素缓释粒子的保水性和亲水性，使基质层内部始终能够保持充盈的水分，为沉水植物生长提供了良好的生长环境。

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。

制备例

制备例1，一种尿素缓释粒子，按照以下方法制备得到：

将10g羧甲基纤维素钠(粘度为800～1200mpa·s)溶解在250mL质量分数为15％的氢氧化钠水溶液中，加入0.5g辛基酚聚氧乙烯醚，搅拌乳化30min，调节温度至40℃，加入0.1g环氧氯丙烷和50mL质量分数为35％的氢氧化钠水溶液，保温反应5h，通过洗涤和透析后得到凝胶粒子；取10g凝胶粒子浸渍在50g浓度为10g/L的尿素水溶液中7h,冷冻干燥后得到负载有尿素的凝胶粒子。

将18g质量比为2.5:1的β-环糊精和透明质酸钠分别添加到去离子水中，其中透明质酸钠为质量比是0.8:0.2的交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物，升高温度至70℃，配置成质量分数为10％的水溶液，混合搅拌2h，加入10g上述负载有尿素的凝胶粒子，在室温下继续搅拌6h，最后经过离心分离和洗涤干燥得到尿素缓释粒子。

制备例2，一种尿素缓释粒子，与制备例1的区别仅在于，浓度为10g/L的尿素水溶液的添加量为40g；β-环糊精和透明质酸钠的总添加量为15g。

制备例3，一种尿素缓释粒子，与制备例1的区别仅在于，浓度为10g/L的尿素水溶液的添加量为60g；β-环糊精和透明质酸钠的总添加量为20g。

制备例4，一种尿素缓释粒子，与制备例1的区别仅在于，β-环糊精和透明质酸钠的质量比为2:1；其中透明质酸钠为质量比是0.7:0.3的交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物。

制备例5，一种尿素缓释粒子，与制备例1的区别仅在于，β-环糊精和透明质酸钠的质量比为3:1。

制备例6，一种尿素缓释粒子，与制备例1的区别仅在于，用等量β-环糊精替换β-环糊精和透明质酸钠的组合物。

制备例7，一种尿素缓释粒子，与制备例1的区别仅在于，用等量交联型透明质酸钠替换质量比是0.7:0.3的交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物。

制备例8，一种尿素缓释粒子，与制备例1的区别仅在于，用等量乙酰化透明质酸钠替换质量比是0.7:0.3的交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物。

制备例9，一种尿素缓释粒子，与制备例1的区别仅在于，用等量普通透明质酸钠替换质量比是0.7:0.3的交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物。

制备例10，一种尿素缓释粒子，按照以下方法制备得到：

将10g羧甲基纤维素钠(粘度为800～1200mpa·s)溶解在250mL质量分数为15％的氢氧化钠水溶液中，加入0.5g辛基酚聚氧乙烯醚，搅拌乳化30min，调节温度至40℃，加入0.1g环氧氯丙烷和50mL质量分数为35％的氢氧化钠水溶液，保温反应5h，通过洗涤和透析后得到凝胶粒子；取10g凝胶粒子浸渍在50g浓度为10g/L的尿素水溶液中7h,冷冻干燥后得到负载有尿素的凝胶粒子即为尿素缓释粒子。

制备例11，一种尿素缓释粒子，按照以下方法制备得到：

将18g质量比为2.5:1的β-环糊精和透明质酸钠分别添加到去离子水中，其中透明质酸钠为质量比是0.8:0.2的交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物，升高温度至70℃，配置成质量分数为10％的水溶液，混合搅拌2h，加入10g尿素，在室温下继续搅拌6h，最后经过离心分离和洗涤干燥得到尿素缓释粒子。

实施例

实施例1，一种生物基沉水植物纤维种植毯，按照以下工艺步骤制备得到：

S1.将92％生物质基质、6％制备例1所制得的尿素缓释粒子和2％矿物质(磷酸盐矿粉)混合后，压缩得到基质层；其中生物质基质为质量比是0.7：0.2：0.1的泥炭土、农作物秸秆和腐殖质。

S2.将得到的基质层铺设在植物纤维密网上，得到生物基沉水植物纤维种植毯。

实施例2，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，基质层包括95％的生物质基质、4％的制备例1所制得的尿素缓释粒子和1％的矿物质。

实施例3，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，基质层包括90％的生物质基质、8％的制备例1所制得的尿素缓释粒子和2％的矿物质。

实施例4，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例2所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

实施例5，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例3所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

实施例6，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例4所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

实施例7，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例5所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

实施例8，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量泥炭土替换质量比是0.7：0.2：0.1的泥炭土、农作物秸秆和腐殖质组合得到的生物质基质。

实施例9，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例7所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

实施例10，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例8所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

实施例11，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例9所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

对比例

对比例1，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例6所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

对比例2，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例10所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

对比例3，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量制备例11所制得的尿素缓释粒子替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

对比例4，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，基质层包括96％的生物质基质、2％的制备例1所制得的尿素缓释粒子和2％的矿物质。

对比例5，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，基质层包括88％的生物质基质、10％的制备例1所制得的尿素缓释粒子和2％的矿物质。

对比例6，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，用等量尿素替换制备例1所制得的尿素缓释粒子。

对比例7，一种生物基沉水植物纤维种植毯，与实施例1的区别仅在于，基质层包括98％的生物质基质和2％的矿物质。

性能检测试验：

分别将三种沉水植物(枯草、黑藻和伊乐藻)种植在实施例以及对比例中得到的纤维种植毯中，放入河流中进行测试，其中河道流速为2.5～4m/s，经过三个月测试之后计算存活率。

以上试验结果如表一所示：

表一存活率测试结果

根据表一，结合实施例1、实施例9～实施例11，可以看出，实施例9～实施例11相较于实施例1的植株存活率有所下降，其原因在于，对实施例9～实施例11的尿素缓释粒子表面壁材的透明质酸钠种类进行了调整，其中实施例9中没有添加乙酰化透明质酸钠，壁材的物理屏障作用下降，会影响尿素缓释粒子的吸水性，导致过度膨胀尿素的释放效率受到影响。实施例10中没有添加交联型透明质酸钠，则会影响尿素缓释粒子的结构稳定性，影响对尿素的控制释放。实施例11中则采用普通的透明质酸钠，没有交联型透明质酸钠良好的锁水性，也没有乙酰化透明质酸钠良好的屏障效果，从而影响尿素的缓释效率，影响植株对营养成分的吸收。

结合实施例1、对比例1～对比例3，可以看出，对比例1～对比例3相较于实施例1的植株存活率有所下降，其原因在于，对比例1中的壁材没有添加透明质酸钠，则尿素缓释粒子的保水性显著下降，基质层的水分含量难以得到保持和稳定，无法给沉水植物根系提供稳定的水分供应，影响植株生长；对比例2中则直接采用负载尿素的凝胶粒子，则尿素的释放速度大大增加，而且植物根系会直接与尿素凝胶粒子之间接触，还是会出现烧苗等现象，影响植株的存活率。对比例3中没有将尿素先负载在凝胶粒子上，会影响尿素的缓释效率，也会造成尿素的额外流失，导致植株吸收不到应有的营养，存活率下降。

结合实施例1、对比例4、对比例5和对比例7，可以看出，对比例4、对比例5和对比例7相较于实施例1的植株存活率有所下降，其原因在于，对比例4中减少了尿素缓释粒子的添加量，则对植株的营养供应减少，保水性也下降，会影响植株生长，导致植株的存活率下降，而对比例7中没有添加尿素，则存活率下降更为明显。对比例5中增加了尿素缓释粒子的添加量，尿素含量过量也不利于植株生长，会导致植物出现烧苗等问题，存活率也会有所下降。

结合实施例1和对比例6，可以看出，对比例6相较于实施例1的植株存活率有所下降，其原因在于，对比例6中直接将尿素混合在纤维种植毯中，大量的尿素直接与植株根系相接触，会损伤脆弱的幼苗根系，而且会出现初期过量吸收与后期缺乏的问题，不利于植株生长，存活率下降。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种生物基沉水植物纤维种植毯，包括承载层和基质层，其特征在于，所述基质层包括以下质量分数的原料：

生物质基质90～95％；

尿素缓释粒子4～8％；

矿物质1～3％；

所述尿素缓释粒子为核壳结构，其中芯材为负载有尿素的凝胶粒子，壁材为β-环糊精和透明质酸钠复合物。

2.根据权利要求1所述的生物基沉水植物纤维种植毯，其特征在于，所述芯材和壁材的质量比为1：(1.5～2)。

3.根据权利要求1所述的生物基沉水植物纤维种植毯，其特征在于，所述负载有尿素的凝胶粒子按照以下方法制备得到：

将羧甲基纤维素钠溶解在质量分数为15～20％的氢氧化钠水溶液中，加入乳化剂，搅拌乳化20～30min，调节温度至40～45℃，加入有机交联剂和质量分数为30～40％的氢氧化钠水溶液，保温反应5～6h，通过洗涤和透析后得到凝胶粒子；将凝胶粒子浸渍在浓度为5～15g/L的尿素水溶液中6～8h,冷冻干燥后得到负载有尿素的凝胶粒子。

4.根据权利要求3所述的生物基沉水植物纤维种植毯，其特征在于，所述凝胶粒子与尿素水溶液的质量体积比为1g：(4～6)mL。

5.根据权利要求1所述的生物基沉水植物纤维种植毯，其特征在于，所述β-环糊精和透明质酸钠的质量比为(2～3)：1。

6.根据权利要求1所述的生物基沉水植物纤维种植毯，其特征在于，所述透明质酸钠为质量比是(0.7～0.8)：(0.2～0.3)的交联型透明质酸钠和乙酰化透明质酸钠的组合物。

7.根据权利要求1所述的生物基沉水植物纤维种植毯，其特征在于，所述尿素缓释粒子按照以下方法制备得到：

将β-环糊精和透明质酸钠分别添加到去离子水中，升高温度至65～75℃，配置成质量分数为5～10％的水溶液，按质量比混合搅拌2～3h，加入负载有尿素的凝胶粒子，在室温下继续搅拌6～8h，最后经过离心分离和洗涤干燥得到尿素缓释粒子。

8.根据权利要求1所述的生物基沉水植物纤维种植毯，其特征在于，所述生物质基质包括泥炭土、园林废料、酒槽、农作物秸秆和腐殖质中的一种或多种的组合。

9.根据权利要求1所述的生物基沉水植物纤维种植毯，其特征在于，所述承载层为植物纤维密网。

10.一种根据权利要求1～9中任一项所述的生物基沉水植物纤维种植毯的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

S1.将生物质基质、尿素缓释粒子和矿物质按相应的质量比混合后，压缩得到基质层；

S2.将得到的基质层铺设在承载层上，得到生物基沉水植物纤维种植毯。