CN101607838A - 光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明发现了土壤光合微生物不能像肠道、海洋、湿地、稻田大量集碳固碳的原因，应用仿生台思路，模拟其富水特征，通过吸水保水剂给土壤光合微生物创造一个相对富水的微环境的方法，提高土壤光合微生物对空气中二氧化碳的富集捕捉能力，提高土壤光合微生物将二氧化碳更多地通过一系列的酶反应转化成碳水化合物，并将这些碳水化合物提供给植物、土壤微生物或储藏在土壤中的能力。从根本上改变植物、土壤微生物、土壤性质。即在提高植物的产量和品质(植物固碳)的同时，提高土壤品质(土壤固碳)。使土壤中生物总量增加，使有机质含量增加，从而促进土壤中物质的循环和能量流动。使土壤含碳量不断提升，使贫瘠土壤逐步转化为沃土，改善地球生态环境，根本上解决二氧化碳所形成的温室效应。

Description

光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途。

背景技术：

1、中国生物信息网(http://www.biosino.org/news-2006/200608/0683-3153.html)称：“生物固碳备受国际关注：工业革命以来，由于大量化石燃料的使用，森林过度砍伐和草地开垦等造成了温室气体特别是二氧化碳浓度明显增高，温室效应所导致的全球气候变化日渐显现。1992年5月在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展大会通过了《联合国气候变化框架公约》，缔约方于1997年12月又进一步制定了《京都议定书》，对发达国家温室气体减排设定了强制性目标。虽然发展中国家在《京都议定书》第一期行动中无需承担强制性减排义务，但中国作为温室气体排放的第二大国，随着经济的发展和人口的增加，将面临越来越大的减排压力。同时，气候变化对中国生态环境和社会经济的负面影响日渐凸现，迫切需要采取应对措施，减少温室气体排放。

中国科学院植物研究所张新时院士介绍说，以二氧化碳为主的温室气体减排，可以通过二氧化碳减排和固碳两种方式来实现。所谓固碳也叫碳封存，指的是增加除大气之外的碳库的碳含量的措施，包括物理固碳和生物固碳。物理固碳是将二氧化碳长期储存在开采过的油气井、煤层和深海里。

植物通过光合作用可以将大气中的二氧化碳转化为碳水化合物，并以有机碳的形式固定在植物体内或土壤中。生物固碳就是利用植物的光合作用，提高生态系统的碳吸收和储存能力，从而减少二氧化碳在大气中的浓度，减缓全球变暖趋势。生物固碳包括通过土地利用变化、造林、再造林以及加强农业土壤吸收等措施，增加植物和土壤的固碳能力。生物固碳是固定大气中二氧化碳最便宜且副作用最少的方法，生物固碳在减缓气候变化、实现人类可持续发展方面具有重要的意义，也因此备受国际社会关注。

专家介绍说，近年来国际已经开展了广泛的生物固碳技术开发与应用，主要包括以下三个方面：一是保护现有碳库，即通过生态系统管理技术，加强农业和林业的管理，从而保持生态系统的长期固碳能力；二是扩大碳库来增加固碳，主要是改变土地利用方式，并通过选种、育种和种植技术，增加植物的生产力，增加固碳能力；三是可持续地生产生物产品，如用生物质能替代化石能源等”。

2、有科学发现，人的肠道中含有固碳菌和固氮菌，由此可从理论上揭示了为什么避谷的人可以长时间的不进食而体力充沛，从理论上可真正实现单靠“呼吸”，让肠道微生物自行代谢空气中的氮与二氧化碳，合成碳水化合物与氨基酸。

3、生物通报道：蓝藻(Blue green algae)是一种重要的固碳菌，由于具有将二氧化碳转化为可利用的营养，因此能够在营养贫乏的水域中进行光合作用。另有报道噬蓝藻体光合基因的进化http://www.qiji.cn/eprint/abs/3254.html称：“在栖息于海洋环境中的大量微生物有机体中，蓝细菌(一种蓝绿藻)是最为丰富和常见的能够进行光合作用的物种。两种最常见的蓝细菌，原绿球藻和聚球藻的固碳量(利用CO₂和水合成糖物质的光合作用)占全球生物固碳总量的30％”。

4、湿地土壤碳循环研究进展《长江大学学报：自然科学版》，2005年2 卷8期，田应兵http://www.cqvip.com/QK/88143X/2005008/20113304.html摘要：湿地是地球上碳储量最大的陆地生态系统，其碳储量约占陆地生态圈总碳量的20％。湿地碳的90％以上储存在湿地土壤中。湿地土壤碳的循环对全球大气碳的收支平衡以及全球气候变化可能产生重大影响。概述了湿地土壤碳素变化与温室气体排放的关系、湿地土壤碳素循环过程及其影响因素等方面的研究进展，提出了进一步研究的问题。

5、光合细菌在种植业上的应用研究江西农业大学学报2004年02期吴小 平，吕川冰，陈锋。摘要：把光合细菌作为有机肥施入烟草、萝卜、大豆、地瓜等试验田中，结果显示：光合细菌能改善土壤微生物区系，促进土壤中固氮菌、根瘤菌、细菌等的生长，抑制土壤中真菌的生长；能增加大豆根瘤数；能促进作物对土壤中各养分的吸收，增加植株叶绿素含量，促进植物生长，使各植株的株高、根长、根重等都比对照有显著增加；光合细菌还能增加作物产量，改善作物品质，尤其对地瓜的产量增加明显，其增幅达78.5％，有一定的推广价值。

6、光合细菌对农田生态系统的影响山西农业科学，2002年01期，李俊 峰，王梦亮，摘要：以冬小麦-夏玉米轮作模式为例，比较了光合细菌、有机肥、无机肥及其混合使用对土壤中生物群落、土壤理化性质及土壤养分和产量的影响。结果表明，光合细菌无论是单独使用还是同其他肥混用，都会在土壤中表现出一定的增殖特性，并使土壤中生物总量增加，从而促进土壤中物质的循环和能量流动。同时光合细菌还使土壤容重下降，阳离子代换量增加，土壤中全氮、全磷、速效氮、速效钾增加，从而改善了土壤的结构和营养状况，使产量增加。尤以光合细菌与有机肥复合使用效果最佳，与单用有机肥相比，土壤中微生物总量增加13.7％，光合细菌增加118.9％，固氮菌增加14.6％，放线菌增加18.98％；在0～20和20～40cm土层容重分别下降11.4％和13.3％，阳离子代换量增加7.9％和5.2％，有机质含量增加16.6％和24.2％，土壤全氮增加3.9％和26.3％，全磷增加2.9％和4.2％，碱解氮含量增加11.8％和8.2％，速效磷含量增加5.1％和8.6％，速效钾增加10.9％和13.4％，作物产量增加10.1％。

7、陆地碳循环  绿色植物进行光合作用，将大气中的二氧化碳合成碳水化合物，构成植物细胞结构及贮藏物质，土壤、淡水中的光合细菌及藻类也能固定二氧化碳，但其量甚微(http://bk.51 player.com/view/885639.htm。

客观地说，地球二氧化碳温室效应的报复性显现，使整个地球生物面临着全部灭绝的危险，并使人类深深地感到不安和措手不及。现有技术认为生物固碳优于物理固碳，生物固碳中又以大量种植固碳率高的树木和/或农作物是所述的生物固碳中最好的办法。但是，以树木和/或农作物缓慢生长的速度，来抵御工业锅炉对二氧化碳气体的大量排放，抵御由于地球温度的升高北极圈冻土层的大量溶化，冻土层中大量煤炭自燃所产生的大量二氧化碳不断提高的加速度式的排放。通过植物生长的固碳已经明显的来不及，这是因为与二氧化碳的排放相比植物的生长速度太慢。

微生物在适宜的条件下生长速度可以大得惊人，并且水域中的蓝藻可以吸收大量的二氧化碳，这似乎是解决温室效应的良策，然而，促进水域蓝藻的生长极易引发渔业灾难性的“水华”和“赤潮”。

如此推演，快速解决温室效应的重担自然而然落在了土壤中微生物的肩上，但是，土壤中微生物固碳，背景技术7中称“其量甚微”，其它网络中未提及，杂志中未提及，专利中未提及，以至于政府没重视，应用没普及。

名词解释：

1、蓝细菌(Cyanobacteria)

蓝细菌(Cyanobacteria)旧名蓝藻或蓝绿藻，是一类进化历史悠久、革兰氏染色阴性、无鞭毛、含叶绿素a(但不形成叶绿体)、能进行产氧性光合作用的大型原核微生物。蓝细菌分布极广，普遍生长在淡水、海水和土壤中，并且在极端环境(如温泉、盐湖、贫瘠的土壤、岩石表面或风化壳中以及植物树干等)中也能生长，故有“先锋生物”的美称。许多蓝细菌类群具有固氮能力。一些蓝细菌还能与真菌、苔蕨类、苏铁科植物、珊瑚甚至一些无脊椎动物共生。

2、光合细菌(Photosynthesis Bacteria；PSB)

光合细菌是能进行光合作用的一类细菌。它是地球上最早出现的具有原始光能合成体系的原核生物。目前，主要根据光合细菌所具有的光合色素体系和光合作用中是否能以硫为电子供体将其划分为4个科：Rhodospirillaceae(红色无硫细菌)、Chromatiaceae(红色硫细菌)、Chlorobiaceae(绿色硫细菌)和Chloroflexaceae(滑行丝状绿色硫细菌)。进一步可分为22个属，61个种。光合细菌生理类型的多样性使它成为细菌中最为复杂的菌群之一。在不同的自然环境下，它能表现出不同的生理生化功能，如固氮、固碳、脱氢、硫化物氧化等。这使得光合细菌在自然界的碳、氮、硫循环中发挥着重要作用。光合细菌广布于自然界的土壤、水田、沼泽、湖泊、江海等处，主要分布于水生环境中光线能透射到的缺氧区。光合细菌的光合色素由细菌叶绿素(BChl)和类胡萝卜素组成。现已发现的细菌叶绿素有a、b、c、d、e5种，每种都有固定的光吸收波长。细菌叶绿素和类胡萝卜素的光吸收波长分别为715～1050nm和450～550nm。因而类胡萝卜素也是捕获光能的主要色素，它扩大了可供光合细菌利用的光谱范围。光合细菌的光合作用与绿色植物和藻类的光合作用机制有所不同。主要表现在：光合细菌的光合作用过程基本上是一种厌氧过程；由于不存在光化学反应系统II，所以光合作用过程不以水作供氢体，不发生水的光解，也不释放分子氧；还原CO2的供氢体是硫化物、分子氢或有机物。

发明内容：

本发明的目的在于向人们提供光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法。引导人们在统筹解决温室效应这一世界难题时，能够想到光合微生物，重视光合微生物，更大范围的使用光合微生物，透过光合微生物在增产增收的同时，迅速提高陆地植被的固碳能力和土壤的固碳能力。

本发明的第一贡献在于明示光合微生物原本就有固碳功能(只是以往的土壤尚不具备让光合微生物大量集碳固碳的条件)，并将光合微生物固碳本能与解决全球的二氧化碳所造成的温室效应相联系。引导人们从固碳的角度注视光合微生物、正视光合微生物、重视光合微生物。

从上述背景技术5中可以看出，光合微生物不但在：“促进作物对土壤中各养分的吸收，增加植株叶绿素含量，促进植物生长，使各植株的株高、根长、根重等都比对照有显著增加；光合细菌还能增加作物产量，改善作物品质，尤其对地瓜的产量增加明显，其增幅达78.5％，有一定的推广价值”，而且背景技术6中“在土壤中表现出一定的增殖特性，并使土壤中生物总量增加，从而促进土壤中物质的循环和能量流动。同时光合细菌还使土壤容重下降，阳离子代换量增加，土壤中全氮、全磷、速效氮、速效钾增加，从而改善了土壤的结构和营养状况，使产量增加。尤以光合细菌与有机肥复合使用效果最佳，与单用有机肥相比，土壤中微生物总量增加13.7％，光合细菌增加118.9％，固氮菌增加14.6％，放线菌增加18.98％；在0～20和20～40cm土层容重分别下降11.4％和13.3％，阳离子代换量增加7.9％和5.2％，有机质含量增加16.6％和24.2％，土壤全氮增加3.9％和26.3％，全磷增加2.9％和4.2％，碱解氮含量增加11.8％和8.2％，速效磷含量增加5.1％和8.6％，速效钾增加10.9％和13.4％，作物产量增加10.1％”。

即，在上述两个试验所提供的数据中，细心者可敏锐地发现光合微生物已经将空气中大量的二氧化碳默默的以有机碳的形式固化在植物中、土壤微生物中、土壤中。只是，以往人们常常只想到庄稼是从地里长出来的，从没有想到庄稼的碳源来自于空气当中，或只是想到植物的光合作用固定了大量的二氧化碳，从没有想到土壤中的微生物靠光能和热能为动力也在进行大量的固碳工作。因此，从没见运用现代手段促进土壤中光合微生物固碳的研究和报道，更没有人想通过光合微生物固碳本能解决全球的二氧化碳所造成的温室效应。背景技术6中的数据充分表明：“光合菌不但使农作物产量增加。而且使土壤中微生物总量增加，土壤中有机质含量增加”本项目的研究者认为此三种数据的全方位增加，是光合微生物将空气中大量的二氧化碳通过光合作用以有机碳的形式固化在植物中、土壤微生物中、土壤中的结果。更巧合的是背景技术5原文中有“在未种植任何作物的空地上喷施光合细菌同样能使土壤中的固氮菌、根瘤菌、放线菌及细菌的数量显著增加。这说明光合细菌对土壤生物区系的影响可能是光合细菌的代谢产物直接作用于微生物的结果，而不是通过作物根系的间接影响。”支持本项目的研究者的观点。

通过比较，本发明的研究人员迅速的找到了陆地上光合微生物没有被直接称为固碳菌的原因：

①光合微生物固碳所得的成果被迅速的转变成植物或土壤微生物所需营养被迅速的消耗掉利用掉，在土壤中残留较少，以至于其固碳成果被人们所忽略；

②与肠道和水域的固碳菌相比较，土壤中光合微生物所处环境水分含量低，捕捉二氧化碳的能力低，固碳效率低，以至于尚未能被人们所重视；

③陆地上光合微生物的天堂是湿地，空气中大量的二氧化碳被雨水吸收降到地面，通过光合微生物的固碳使湿地植被茂盛、土壤肥沃，湿地被称为地球的肺。“人工湿地”水稻田，由于二氧化碳的比重比空气重，且易溶于水，通过光合微生物的固碳水稻连年丰产，且土壤含炭量逐年增加。

④普通耕地、旱区、或沙漠在下雨时，空气中大量的二氧化碳被雨水吸收降到地面，部分被光合微生物所固化，随着土壤的干燥剩余部分的二氧化碳又重新回归大气，形成温室效应。由于普通耕地、旱区、或沙漠全年降雨量少，干旱时间长，干旱时，光合微生物周围没有形成水膜，不能有效地将空气中的二氧化碳有效的捕捉。不能促进光合微生物将二氧化碳更多地通过一系列的酶反应转化成碳水化合物。因此在自然条件下，普通耕地、旱区、或沙漠中光合微生物的固碳能力远远低于肠道、水域、或湿地。

本发明的第二贡献在于本发明的研究者在充分研究肠道、海洋、湿地、人工湿地(稻田)等四个现有技术已经证明可通过光合微生物将空气中大量二氧化碳直接转换成生物可利用的碳水化合物的固碳场所基础上，比对与陆地土壤间的差异与不同，应用仿生台思路模拟肠道、稻田的富水特征，通过吸水保水剂给土壤光合微生物创造一个相对富水的微环境。

通过吸水保水剂给土壤光合微生物创造一个相对富水的微环境的方法，提高土壤光合微生物对空气中二氧化碳的捕捉能力，提高土壤光合微生物将二氧化碳更多地通过一系列的酶反应转化成碳水化合物，并将这些碳水化合物提供给植物、土壤微生物或储藏在土壤中的能力。

从根本上改变植物、土壤微生物、土壤性质。即在提高植物的产量和品质(植物固碳)的同时，提高土壤品质(土壤固碳)使土壤中生物总量增加，使有机质含量增加，从而促进土壤中物质的循环和能量流动。使土壤含碳量不断提升，使贫瘠土壤逐步转化为沃土，改善地球生态环境，根本上解决二氧化碳所形成的温室效应。

更具体地说：本发明的光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途是在现有光合微生物的液态、固态、半固态生物肥的基础上，加入吸水保水剂后得以实现的，由于吸水保水剂的存在使光合微生物的液态、固态、半固态生物肥施入应用场所后，即便是在干旱的条件下生物肥表面也保有一层水膜，此水膜使生物肥保持对空气中的二氧化碳具有高度的捕捉、吸收、富集状态，从而，实现进一步提高光合微生物土壤生物固碳能力目的。

所述的光合微生物包括能够进行光合作用的蓝细菌、光合细菌。

所述的蓝细菌、光合细菌可以单独使用，也可以联合使用，更可以与其它益生菌复合使用。

所述的吸水保水剂可因地制宜选用现有技术中或未来技术中吸水保水剂的一种或多种。

可比优势：

本发明发现了土壤光合微生物不能像肠道、海洋、湿地、稻田大量集碳固碳的原因，应用仿生台思路，模拟其富水特征，通过吸水保水剂给土壤光合微生物创造一个相对富水的微环境的方法，提高土壤光合微生物对空气中二氧化碳的富集捕捉能力，提高土壤光合微生物将二氧化碳更多地通过一系列的酶反应转化成碳水化合物，并将这些碳水化合物提供给植物、土壤微生物或储藏在土壤中的能力。从根本上改变植物、土壤微生物、土壤性质。即在提高植物的产量和品质(植物固碳)的同时，提高土壤品质(土壤固碳)使土壤中生物总量增加，使有机质含量增加，从而促进土壤中物质的循环和能量流动。使土壤含碳量不断提升，使贫瘠土壤逐步转化为沃土，改善地球生态环境，根本上解决二氧化碳所形成的温室效应

具体实施方式：

实施例1、陆生蓝藻固碳固沙生物肥的制备方法：

微生物结皮(或藻结皮)是荒漠地区土壤表面由于蓝藻及绿藻类等微生物的生长而形成的土壤层块，它是土壤拓植演替中的重要结构，对土壤理化性质和肥力起着重要作用，同时它也是沙土固定的重要标志，对土壤抗侵蚀性能的提高有着显著功效。

取天然沙漠蓝藻结皮，加5倍量的水，治愈组织捣碎机中进行破碎，静置、去除下层大颗粒的泥沙，将上层蓝藻结皮液体置于装有普通液体培养基的透明培养罐中，在罐体四周红色发光二极管的照射下，从底部通入二氧化碳气体进行快速培养，蓝藻与培养基的混合液在上述的发酵罐中培养发酵72-144小时，发酵期间温度控制在25-34摄氏度，关照强度控制在1000-3000Lux，PH控制在6.5一7.5。当发酵罐中的活菌浓度达到5-35×100000000时，将发酵罐中的发酵液体通过旋转式离心机离心浓缩、经低温干燥后，与二倍量的钾基-聚丙烯酸脂-聚丙烯酰胺三聚体型土壤保水调理剂共同粉碎，混合均匀、真空包装成为陆生蓝藻固碳固沙生物肥制剂。使用时加水使之成为稀凝胶状，在初春时喷洒于沙表即可。

实施例2、陆生光合菌固碳生物肥的制备方法：

在原有光合微生物的液态、固态、半固态生物肥的基础上，加入吸水保水剂后，即成为陆生光合菌固碳生物肥。

Claims (6)

1、一种光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法，其特征在于，向人们提供光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法，引导人们在统筹解决温室效应这一世界难题时，能够想到光合微生物，重视光合微生物，更大范围的使用光合微生物，透过光合微生物在增产增收的同时，迅速提高陆地植被的固碳能力和土壤的固碳能力。

2、如权利要求1所述的光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法，其特征在于，通过吸水保水剂给土壤光合微生物创造一个相对富水的微环境的方法，提高土壤光合微生物对空气中二氧化碳的捕捉能力，提高土壤光合微生物将二氧化碳更多地通过一系列的酶反应转化成碳水化合物，并将这些碳水化合物提供给植物、土壤微生物或储藏在土壤中的能力。

3、如权利要求1、2所述的光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法，其特征在于，给光合微生物创造一个相对富水的微环境可通过在现有光合微生物的液态、固态、半固态生物肥的基础上，加入吸水保水剂后得以实现的。

4、如权利要求1所述的光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法，其特征在于，所述的光合微生物包括能够进行光合作用的蓝细菌、光合细菌。

5、如权利要求1所述的光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法，其特征在于，所述的蓝细菌、光合细菌可以单独使用，也可以联合使用，更可以与其它益生菌复合使用。

6、如权利要求1、3所述的光合微生物生物肥在土壤生物固碳方面的新用途及其制备方法，其特征在于，所述的吸水保水剂可因地制宜选用现有技术中或未来技术中吸水保水剂的一种或多种。