CN103190333A - 通过速生藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通过速生藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法，该方法利用单细胞藻类通过分裂生殖来繁殖后代，多细胞藻类通过孢子生殖来繁衍后代，扩大养殖面积，通过生产管理、多次收获，实现高产栽培与科学填埋。利用藻类光合作用将大气中的CO2转变成有机化合物填埋到地层下，实现全球碳排放量负增长，降低大气温室效应；扼制地球冰层融化，控制海平面升高，维持地球气候和生物多样性；延长人类在地球上的生存时间。

Description

通过速生藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法
技术领域
本发明涉及通过速生藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法，属于环保领域。
背景技术
大气CO2浓度不断升高，全球环境变化已经成为影响人类可持续发展的关键因素。海洋作为碳汇，不断从大气中吸收CO2。全球江河、湖泊面积大、海岸线长，藻类植物种类繁多，产量巨大；藻类在光合作用过程中吸收CO2释放O2。工业革命以来，海洋吸收了人类排放的1/3以上CO2量，对缓解气候变暖起着重要的作用。每年海洋浮游藻的总固碳量为31×109吨碳，藻类生物吸收碳的速度远比树木快，藻类的数量每隔几小时就能翻倍。它比植物更能有效地利用太阳光，浮游植物每年制造的氧气有360亿吨，占地球大气氧含量的70%以上。
藻类是原生生物界一类真核生物(有些也为原核生物，如蓝藻门的藻类）。主要水生，无维管束，能进行光合作用。体型大小各异，小至长1微米的单细胞的鞭毛藻，大至长达数十米的大型褐藻。藻类分布的范围极广，对环境条件要求不严，适应性较强，在只有极低的营养浓度、极微弱的光照强度和相当低的温度下也能生活。不仅能生长在江河、溪流、湖泊和海洋，而且也能生长在短暂积水或潮湿的地方。从热带到两极，从积雪的高山到温热的泉水，从潮湿的地面到土壤内，几乎到处都有藻类分布。目前国内外还没有利用藻类光合作用吸收CO2，转变成有机化合物填埋到地下，减少大气中CO2含量的方法。利用该方法可逐步降低大气温室效应；扼制地球冰层融化，控制海平面升高，维持地球气候和生物多样性；延长人类在地球上的生存时间。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供通过速生藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：利用单细胞藻类通过分裂生殖来繁殖后代，多细胞藻类通过孢子生殖来繁衍后代，扩大养殖面积，通过生产管理、多次收获，实现高产栽培与科学填埋。
在本申请中，所述单细胞藻类包括淡水单细胞藻类和海水单细胞藻类，所述多细胞藻类包括淡水多细胞藻类和海水多细胞藻类。
藻类生长受物理、化学、生物等多方面因素的影响，氮和磷是藻类生长所必需的营养元素。氮磷浓度的增加能促进藻类的生长繁殖，淡水单细胞藻类最适宜生长所需的氮磷比率(原子比)为 16：1。氮磷比影响浮游藻类群落变化，高磷条件下绿藻门占优势，中氮和高氮条件下蓝藻门占优势，低氮磷比水体中微囊藻生长状况好于高氮磷比水体。
光照强度在500～5000Lx范围内，随着光强的增加，藻类的增长率加大，超过5000Lx藻类生长受到限制，光照时间在2～9h内，藻类增长率和生物量随着光照时间延长而增大，超过12h后，增长率和生物量反而下降。水温低于4℃时，藻类停止光合作用；20～35℃时，光合作用随温度升高显著增强。碱性环境下，藻类光合作用易捕获大气中的CO2，蓝藻偏好较高的PH值，但不能超过PH值9.5。流速在0.1～0.5m/s，随流速增加，繁殖率和生物量增加。流速增大，提高营养元素吸收速率，促进藻类生长和繁殖。
本发明的实施方案概括如下：
1、通过速生藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法，该方法包括：
（1）单细胞藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法
a）接种培养
将PH值8.5，盐度0.5～1‰的澄清河水，煮沸5～10 min杀死微生物，倒入消毒过的容器内，优选有效氯含量为10～15%的次氯酸钠（NaCIO）作为容器消毒剂。冷却后加入络合剂，如乙二胺四乙酸（EDTA）络合重金属离子，获得消毒后除去重金属离子的培养用水。
培养用水中分别加入1～5%的硝酸钠(NaNO3)、磷酸二氢钾 (KH2PO4)、柠檬酸铁(FeC6H5O7·5H20)、硅酸钠(Na2SiO3)、维生素B1、维生素B12。将生命力旺盛、无污染的藻液与培养用水，体积比按1：1～3混合均匀后，置于光线充足处。室温20～25℃，每小时搅动一次。
培养3～5d后加入消毒后的河水，其体积是原培养用水的10～20倍；消毒方法是，河水沉淀1～2h后，每吨澄清水中加入有效氯含量为10～15％的次氯酸钠（NaCIO）250g；藻类在消毒后的河水中再培养5～7d，即可投入沟渠、湖泊、河流等大面积水体中进行养殖。
b）、适时投放
选择阳光充足的晴天上午进行大面积投放，晚上或阴雨天不宜。 
c）、日常管理
搅拌对藻类的生长繁殖很有好处，通过搅拌增加水和空气的接触面,使空气中的二氧化碳溶解到培养液中，以补充由于藻类细胞的光合作用对二氧化碳的消耗；其次是帮助沉淀的藻类细胞上浮而获得光照；再次是防止水表面产生菌膜。在晴天，每天搅拌1～3次，每次10～15min；也可以用增压机向水中注入空气。 
大面积水体投放水藻前10～15d，将发酵腐熟的植物、粪便等产生的汁液直接泼洒在水面上。有机质肥料残渣堆放在水岸边，生石灰与有机质按1～3：20，层层交叠，最上面用土密封。
培养时，对容器消毒要彻底，作好藻种分离，防止种类混杂。尖鼻虫、游仆虫、变形虫等能直接吞噬藻类细胞，影响藻类生长，可人工清除。 
d）、越冬防护
气温低于10℃时，选择晴天上午8:00～10:00，将生长良好，活力旺盛，无污染物的藻类移至室内或大棚内越冬；越冬培养池内每吨水中，加入有效氯含量为10～15%的次氯酸钠（NaCIO）250g进行消毒，大棚采用透光率高的材质，如塑料薄膜、聚乙烯板；雨雪天气时，利用人工光源，如1500W碘钨灯、60～100W的白炽电灯或40～100W的日光灯来增加光照时间，培养池水量不足时补水。
e）、捕捞与填埋
单细胞藻类在大面积水域经10～15d培养，生物量达到最大值，最适合收获时间是第12d。选晴天上午藻类上浮时，用水泵抽取藻液，通过80～100目过滤网进行捕捞。每次捕捞后水体中还留下20～30%藻类，以利下批藻类的繁殖。过滤后的藻类便可运往填埋场进行填埋，集中堆放时间最好不超过2d，堆放时间过长易引起藻类腐烂。
（2）多细胞藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法
a）、养殖场地准备
用竹杆、木方、金属或其它复合材料做成浮筏，两浮筏之间拉平行的绠绳，绠绳每间距5～6m绑一个浮子。苗绳绑在绠绳上，苗绳间距1m以上，巨藻苗绳间距可达2～3m。苗绳底部悬挂一定重量的砖石，使之将苗绳拉直。也可在苗绳底部设置一条与上面绠绳平行的绠绳，将苗绳底部绑在下面的绠绳上。
绠绳和苗绳可采用聚乙烯绳与棕绳，棕绳纤维中含有大量的可溶性物质丹宁酸，对海藻幼苗有一定的毒害作用。处理方法是：棕绳制作前将材料在高温中蒸煮多次或使用前10～15d先将棕绳浸泡在海水里。
b）、幼苗保苗
海藻受精卵附着后，在水深1～1.5m的室内培养10～15d，再移至海上培养，人工清理浮泥和杂藻。室内育苗中幼苗接受光照强度越高，生长越快，最适光照强度为4000Lx；水层浅生长速度明显加快，移栽前3～5d提高水层深度，使海藻在培养池与出海养殖后接受的光照强度、生长深度差别不大。
c）、海上养殖
当经过保苗的海藻幼苗株长至5cm以上，将幼苗从附着基上取下，夹于苗绳上养殖。苗绳可选用直径3cm的棕绳或直径1.5cm的聚乙烯绳。无分枝的幼苗将根部夹在苗绳里，有分枝的幼苗将分枝两边分开，根部夹入绳中，藻体分在绳的两边。小型海藻苗间距5cm以上，大型藻如巨藻、大叶藻，苗间距可达1～2m，适宜距离为1.5m。
海浪冲击度越大，藻体越长，生物量也越大；但风浪太大、水流太急的海区易掉苗，幼苗养殖于海湾中部有利其生长。刚下海的海藻幼苗，根部附着不牢，在水流大的地方，摆动剧烈易脱落，需每半个月检查一次海藻生长情况。海藻养殖水层秋、冬季控制在2～4m，春、夏季控制在3～6m。
海藻养殖主要危害是海胆，可在养殖区四周设置围网保护，也可用石灰水杀死掠食海藻的海胆，或在藻场放养吃食海胆的海獭。
d）、收获与填埋
6～7月份第一次收割时保留根部，可以继续生长，一年可收获2～4次，一次夹苗可以多年生长。收割上来的海藻可先在海边沙滩上经3～5d日晒，减少水份，节约运输成本，再运往填埋场进行填埋。
生长在热带的巨藻全年都在生长，每年可以收获3～4次。巨藻的寿命在4～8年，最长寿的巨藻可以生长12年。每公顷海面种植1000棵巨藻，每年可以收获新鲜的巨藻750到1200吨。
2、使用藻类种植、收割和填埋实现固碳的方法，公开于CN201310111727.2中的通过速生草本植物的种植、收割和填埋实现固碳的方法。
3、根据以上1-2项中任何一项所述的方法，其中在淡水和海水中种植或培育单细胞藻类和多细胞藻类是：蓝藻、绿藻、硅藻、褐藻、巨藻、大叶藻。
4、根据以上1-3项中任何一项方法，其中在步骤（1）中使用蓝藻、绿藻、硅藻进行分裂生殖来繁殖后代。
5、根据以上1-4项中任何一项方法，其中在步骤（2）中使用褐藻、巨藻、大叶藻进行孢子生殖来繁衍后代。
氮和磷是藻类生长所必需的营养元素。氮磷浓度的增加能促进藻类的生长繁殖，淡水单细胞藻类最适宜生长所需的氮磷比率(原子比)为 16：1。氮磷比影响浮游藻类群落变化，高磷条件下绿藻门占优势，中氮和高氮条件下蓝藻门占优势，低氮磷比水体中微囊藻生长状况好于高氮磷比水体。N、P对淡水藻类物生量的影响见表1。
表1   N、P对淡水藻类物生量的影响
Figure 845196DEST_PATH_IMAGE001
单位：时间（d）、生物量（mg·L-1）
根据发明人的上述发现，本发明人首次提出种植或培育单细胞藻类和多细胞藻类，通过光合作用将大气中的CO2转变成有机质填埋到地层下，实现全球碳排放量负增长的方法。每年填埋138.77～142.85亿吨（干重）植物，100年内，即可将大气中的CO2浓度由当前的0.03909%降至工业革命前的0.0275%。开辟了人类应对大气温室效应危害新途径，扼制地球冰层融化，控制海平面升高，维持地球气候和生物多样性；延长人类在地球上的生存时间。
本发明的优点
1)、种植或培育单细胞藻类和多细胞藻类，每年可收获2～6次，每公顷每年平均收获150～1500吨（鲜重）植物；可捕获CO2 30～300吨。藻类在地球上广泛分布，能够获得理想的捕碳效果。
2)、为国际上的碳交易提供操作性强的技术手段和参考依据。
3)、作为一个产业来推广，有利于提高就业率。
5)、填埋场与种植区域之间的距离短，运输成本低，可操作性高。
6)、种植或培育藻类，可使用发酵腐熟的植物、粪便等有机质，使生物质资源可持续利用，实现了资源利用与环境保护的有机结合。
7)、种植或培育藻类方便大规模收割，避免了因为人工收获所带来的成本。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来进一步解释和说明本发明的技术方案，但本方法不限于所提供的实施例。
实施例1
1、接种培养
将PH值8.5，盐度0.5～1‰的澄清河水，煮沸5～10min杀死微生物，倒入消毒过的容器内，优选有效氯含量为10～15%的次氯酸钠（NaCIO）作为容器消毒剂。冷却后加入络合剂，如乙二胺四乙酸（EDTA）络合重金属离子，获得消毒后除去重金属离子的培养用水。
培养用水中分别加入1～5%的硝酸钠(NaNO3)、磷酸二氢钾 (KH2PO4)、柠檬酸铁(FeC6H5O7·5H20)、硅酸钠(Na2SiO3)、维生素B1、维生素B12。将生命力旺盛、无污染的藻液与培养用水，体积比按1：1～3混合均匀后，置于光线充足处。室温20～25℃，每小时搅动一次。
培养3～5d后加入消毒后的河水，其体积是原培养用水的10～20倍；消毒方法是，河水沉淀1～2h后，每吨澄清水中加入有效氯含量为10～15％的次氯酸钠（NaCIO）250g；藻类在消毒后的河水中再培养5～7d，即可投入沟渠、湖泊、河流等大面积水体中进行养殖。
2、适时投放
选择阳光充足的晴天上午进行大面积投放，晚上或阴雨天不宜。 
3、日常管理
A、搅拌
搅拌对藻类的生长繁殖很有好处，通过搅拌增加水和空气的接触面,使空气中的二氧化碳溶解到培养液中，以补充由于藻类细胞的光合作用对二氧化碳的消耗；其次是帮助沉淀的藻类细胞上浮而获得光照；再次是防止水表面产生菌膜。在晴天，每天搅拌1～3次，每次10～15min，不要向一个方向搅拌，必须更换方向，以免造成旋涡式水流，也可以用增压机向水中注入空气。 
B、施肥
大面积水体投放水藻前10～15d，将发酵腐熟的植物、粪便等产生的汁液直接泼洒在水面上。有机质肥料残渣堆放在水岸边，生石灰与有机质按1～3：20，层层交叠，最上面用土密封。
C、病虫害防治 
培养时，对容器消毒要彻底，作好藻种分离，防止种类混杂。
尖鼻虫、游仆虫、变形虫等能直接吞噬藻类细胞，影响藻类生长，可人工清除。 
4、越冬防护
气温低于10℃时，选择晴天上午8:00～10:00，将生长良好，活力旺盛，无污染物的藻类移至室内或大棚内越冬；越冬培养池内每吨水中，加入有效氯含量为10～15%的次氯酸钠（NaCIO）250g进行消毒，大棚采用透光率高的材质，如塑料薄膜、聚乙烯板；雨雪天气时，利用人工光源，如1500W碘钨灯、60～100W的白炽电灯或40～100W的日光灯来增加光照时间，培养池水量不足时补水。
5、捕捞与填埋
单细胞藻类在大面积水域经10～15d培养，生物量达到最大值，最适合收获时间是第12d。选晴天上午藻类上浮时，用水泵抽取藻液，通过80～100目过滤网进行捕捞。每次捕捞后水体中还留下20～30%藻类，以利下批藻类的繁殖。过滤后的藻类便可运往填埋场进行填埋，集中堆放时间最好不超过2d，堆放时间过长易引起藻类腐烂。
实施例2
1、养殖场地准备
用竹杆、木方、金属或其它复合材料做成浮筏，两浮筏之间拉平行的绠绳，绠绳每间距5～6m绑一个浮子。苗绳绑在绠绳上，苗绳间距1m以上，巨藻苗绳间距可达2～3m。苗绳底部悬挂一定重量的砖石，使之将苗绳拉直。也可在苗绳底部设置一条与上面绠绳平行的绠绳，将苗绳底部绑在下面的绠绳上。
绠绳和苗绳可采用聚乙烯绳与棕绳，棕绳纤维中含有大量的可溶性物质丹宁酸，对海藻幼苗有一定的毒害作用。处理方法是：棕绳制作前将材料在高温中蒸煮多次或使用前10～15d先将棕绳浸泡在海水里。
2、幼苗保苗
海藻受精卵附着后，在水深1～1.5m的室内培养10～15d，再移至海上培养，人工清理浮泥和杂藻。室内育苗中幼苗接受光照强度越高，生长越快，最适光照强度为4000Lx；水层浅生长速度明显加快，移栽前3～5d提高水层深度。
3、海上养殖
当经过保苗的海藻幼苗株长至5cm以上，将幼苗从附着基上取下，夹于苗绳上养殖。苗绳可选用直径3cm的棕绳或直径1.5cm的聚乙烯绳。无分枝的幼苗将根部夹在苗绳里，有分枝的幼苗将分枝两边分开，根部夹入绳中，藻体分在绳的两边。小型海藻苗间距5cm以上，大型藻如巨藻、大叶藻，苗间距可达1～2m，适宜距离为1.5m。
海浪冲击度越大，藻体越长，生物量也越大；但风浪太大、水流太急的海区易掉苗，幼苗养殖于海湾中部有利其生长。刚下海的海藻幼苗，根部附着不牢，在水流大的地方，摆动剧烈易脱落，需每半个月检查一次海藻生长情况。海藻养殖水层秋、冬季控制在2～4m，春、夏季控制在3～6m。
海藻养殖主要危害是海胆，可在养殖区四周设置围网保护，也可用石灰水杀死掠食海藻的海胆，或在藻场放养吃食海胆的海獭。
4、收获与填埋
6～7月份第一次收割时保留根部，可以继续生长，一年可收获2～4次，一次夹苗可以多年生长。收割上来的海藻可先在海边沙滩上经3～5d日晒，减少水份，节约运输成本，再运往填埋场进行填埋。

Claims (5)

1.通过速生藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法，其特征在于，所述方法包括如下内容：以单细胞藻类通过分裂生殖来繁殖后代，多细胞藻类通过孢子生殖来繁衍后代，扩大养殖面积，通过生产管理、多次收获与科学填埋技术，实现藻类的速生、丰产与高效固碳填埋。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单细胞藻类养殖方法包括如下步骤：
（1）接种培养
将PH值8.5，盐度0.5～1‰的澄清河水，煮沸5～10min杀死微生物，倒入消毒过的容器内，优选有效氯含量为10～15%的次氯酸钠（NaCIO）作为容器消毒剂；冷却后加入络合剂，如乙二胺四乙酸（EDTA）络合重金属离子，获得消毒后除去重金属离子的培养用水；
培养用水中分别加入1～5%的硝酸钠(NaNO3)、磷酸二氢钾 (KH2PO4)、柠檬酸铁(FeC6H5O7·5H20)、硅酸钠(Na2SiO3)、维生素B1、维生素B12；将生命力旺盛、无污染的藻液与培养用水，体积比按1：1～3混合均匀后，置于光线充足处；室温20～25℃，每小时搅动一次；
培养3～5d后加入消毒后的河水，其体积是原培养用水的10～20倍；消毒方法是，河水沉淀1～2h后，每吨澄清水中加入有效氯含量为10～15％的NaCIO 250g；藻类在消毒后的河水中再培养5～7d，即可投入沟渠、湖泊、河流等大面积水体中进行养殖；
（2）适时投放
选择阳光充足的晴天上午进行大面积投放，晚上或阴雨天不宜； 
（3）日常管理
在晴天，每天搅拌1～3次，每次10～15min，也可以用增压机向水中注入空气； 
大面积水体投放水藻前10～15d，将发酵腐熟的植物、粪便等产生的汁液直接泼洒在水面上；有机质肥料残渣堆放在水岸边，生石灰与有机质按1～3：20，层层交叠，最上面用土密封；
尖鼻虫、游仆虫、变形虫等能直接吞噬藻类细胞，影响藻类生长，可人工清除； 
（4）越冬防护
气温低于10℃时，选择晴天上午8:00～10:00，将生长良好，活力旺盛，无污染物的藻类移至室内或大棚内越冬；越冬培养池内每吨水中，加入有效氯含量为10～15%的次氯酸钠（NaCIO）250g进行消毒，大棚采用透光率高的材质，如塑料薄膜、聚乙烯板；雨雪天气时，利用人工光源，如1500W碘钨灯、60～100W的白炽电灯或40～100W的日光灯来增加光照时间，培养池水量不足时补水；
（5）捕捞与填埋
单细胞藻类在大面积水域经10～15d培养，生物量达到最大值；选晴天上午藻类上浮时，用水泵抽取藻液，通过80～100目过滤网进行捕捞；每次捕捞后水体中还留下20～30%藻类；过滤后的藻类便可运往填埋场进行填埋，集中堆放时间最好不超过2d，堆放时间过长易引起藻类腐烂。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多细胞藻类养殖方法包括如下步骤：
（1）养殖场地准备
用竹杆、木方、金属或其它复合材料做成浮筏，两浮筏之间拉平行的绠绳，绠绳每间距5～6m绑一个浮子；苗绳绑在绠绳上，苗绳间距1m以上，巨藻苗绳间距可达2～3m；苗绳底部悬挂一定重量的砖石，使之将苗绳拉直；也可在苗绳底部设置一条与上面绠绳平行的绠绳，将苗绳底部绑在下面的绠绳上；
绠绳和苗绳可采用聚乙烯绳与棕绳，棕绳制作前将材料在高温中蒸煮多次或使用前10～15d先将棕绳浸泡在海水里；
（2）幼苗保苗
海藻受精卵附着后，在水深1～1.5m的室内培养10～15d，再移至海上培养；室内育苗中幼苗接受光照强度越高，生长越快，最适光照强度为4000Lx；水层浅生长速度明显加快，移栽前3～5d提高水层深度；
（3）海上养殖
当经过保苗的海藻幼苗株长至5cm以上，将幼苗从附着基上取下，夹于苗绳上养殖；苗绳可选用直径3cm的棕绳或直径1.5cm的聚乙烯绳；无分枝的幼苗将根部夹在苗绳里，有分枝的幼苗将分枝两边分开，根部夹入绳中，藻体分在绳的两边；小型海藻苗间距5cm以上，大型藻如巨藻、大叶藻，苗间距可达1～2m，适宜距离为1.5m；海藻养殖水层秋、冬季控制在2～4m，春、夏季控制在3～6m；
海藻养殖主要危害是海胆，可在养殖区四周设置围网保护，也可用石灰水杀死掠食海藻的海胆，或在藻场放养吃食海胆的海獭；
（4）收获与填埋
6～7月份第一次收割时保留根部，可以继续生长，一年可收获2～4次，一次夹苗可以多年生长；收割上来的海藻可先在海边沙滩上经3～5d日晒，减少水份，节约运输成本，再运往填埋场进行填埋。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述单细胞藻类大面积水域经12d培养后进行捕捞。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述海藻受精卵附着后，在水深1m的室内培养12d，再移至海上培养。
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