CN104446691A - 微藻-生物炭复合生物肥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微藻-生物炭复合生物肥的制备方法，步骤包括：（1）分离土壤结皮中的代表性光合微生物，制备专属培养基；（2）在光生物反应器中，利用专属培养基筛选、培养具有高固氮能力和高固碳能力的藻种；（3）富集微藻；（4）规模化养殖微藻；（5）收集活性微藻；（6）收集生物质热解所得的生物炭，并干化处理；（7）将活性微藻和生物炭复配，制备微藻-生物炭基质肥。本发明还公开了用上述方法制备的生物肥。本发明以高固氮能力的微藻与富含有机碳的热解生物炭为主要基质制备微藻-生物炭复合生物肥，充分发挥了固氮微藻和生物炭各自的优势，不仅实现了土壤的有效改良和修复，还有利于推动绿色低碳农业的发展。

Description

微藻-生物炭复合生物肥及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物领域，特别是涉及一种生物基复合有机肥及其生产方法。

背景技术

土壤是维持地球表层生态系统生物量的物质基础，是不可脱离的自然资源和环境，同时还为人类提供包括粮食在内的各种农业、林业以及医药原料产品。然而，随着我国以集约利用为特征的现代农业的不断发展，对土地资源环境和人类生存的威胁日益显现。集约式现代农业的主要特点是通过农用化学品（主要是农药和化肥等）的高投入来保障和提高粮食作物的产量。我国化肥和农药的总用量居世界之首，单位土壤面积使用量分别为世界平均水平的3倍和2倍。农膜的年平均残留量高达35万吨，残膜率达40%。大量研究表明，集约农业模式导致土壤生态系统组成趋于单一化，系统生产力和稳定性需要巨大代价才能得以保持。长期施用化肥导致的速效养分积累和养分失衡现象已经相当严重，并且这种状况仍将持续下去，大量使用农药、除草剂也使农田土壤中这些化学品的残留量日益增加，对土壤资源环境构成了严重威胁。

虽然我国人均耕地面积仅为1.43亩，显著低于世界平均水平，且中低产耕地土壤占总量的65%，但是我国在东部沿海具有较为广阔的盐碱地，在西部地区具有较大面积的沙化土地，这些都是我国的潜在土地资源。因此，如何缓解并阻止农业集约化导致的土壤及农业资源基础和环境加速恶化的趋势、将东部沿海盐碱地和西部沙化土地等潜在土地资源改良为可用耕地，提高我国土壤质量，维护农业生态环境的稳定性和可持续性，保障食品的安全性以及生命支撑系统的良好状态，是当前迫切需要解决的重大课题。

目前，针对土壤退化的主要解决措施包括：物理技术、化学技术以及生物修复技术等。这些方法在一定程度上可以缓解土壤退化问题，但是仍存在以下缺点：（a）物理修复技术不能从本质上改善土壤肥力，而且相关设备价格昂贵、处理成本过高；（b）化学修复法只能在短时间改变退化土壤性质，而且一般化学修复技术都需要用水，所以修复场地要求靠近水源，同时因需要处理废水而增加成本；（c）生物修复法可增加有机质含量、减少盐碱土壤的盐度和碱度，但是其修复周期较长，监控和管理较为困难，且修复后土地一般只能作为绿化带。

微藻是自然界中存在的天然固氮生物，是地球生态圈中氮循环的重要环节，其分布广泛，可以在沙漠和盐碱地等极端环境生存。固氮微藻通过其细胞中固氮酶的作用，将大气中游离态的分子氮还原成可供植物利用的氮素化合物，同时在其生长繁殖过程中不断分泌出氨基酸、多肽等含氮化合物和活性物质，加之固氮微藻死亡后释放出大量的氨态氮，因而可大大增加土壤肥力。

生物炭是农林废弃物经高温热解后产生的一种稳定的、富含碳的固相产物。生物炭的多孔性和表面特性能够为土壤微生物提供附着位点和较大空间，同时调控土壤微环境的理化性质，影响和调控土壤微生物的生长、发育和代谢，进而改善土壤结构。生物炭本身富含有机碳，但是其矿质养分含量通常偏低，其对土壤养分的补充作用不如一般肥料明显，且不同材料生物炭的矿质养分含量存在较大差异。虽然生物炭本身可直接施入土壤达到改善土壤肥力、增加作物产量的目的，但是由于生物炭的C/N高于其他有机质，使其在土壤中的转化需要大量的N，严重地影响和制约了土壤N的供给。当生物炭施入土壤之后，会和作物争夺N，从而降低N的有效性。而且，生物炭直接施用于农田，其效果需要一定时间才能实现，在追求粮食增产和提高效益的现实驱动下，单纯依靠生物炭增加土壤肥力或改良土壤还存在一定难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提供一种微藻-生物炭复合生物肥的制备方法，它可以改良和修复土壤，增加土壤肥力，提高种植物产量。

为解决上述技术问题，本发明的微藻-生物炭复合生物肥的制备方法，包括以下步骤：

（1）分离土壤结皮中的代表性光合微生物，制备能代表该土壤原生微生物群落结构的属地藻种专属培养基；

（2）在光生物反应器中，利用步骤（1）所得的培养基筛选、培养具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻种；

（3）富集步骤（2）培养的微藻；

（4）在保持微藻活性的条件下，规模化养殖步骤（3）富集的微藻；

（5）收集活性微藻；

（6）收集生物质热解所得的生物炭，并干化处理；

（7）将步骤（5）中的活性微藻和步骤（6）中的生物炭复配，得到微藻-生物炭复合生物肥。

步骤（3），可以采用重力沉淀、过滤、气浮或离心的方法富集微藻。

步骤（4），可以采用新型薄层干燥技术、空气干燥技术、喷雾干燥技术、真空干燥技术或冷冻干燥技术处理微藻，以保持微藻活性。

步骤（7），微藻-生物炭复合生物肥中微藻占0.1-80%。

为了便于包装、存储、装运以及最终的土壤施用，可以对微藻-生物炭复合生物肥进行粉碎化处理，将微藻-生物炭复合生物肥处理成薄片状、粉末状或者颗粒状。

根据土壤类型，还可以将微藻-生物炭复合生物肥与占总肥料的比例为0-99.9%的有机肥、禽畜粪便、速效肥、矿渣、农作物废弃物或生物质热解残渣复配。

本发明要解决的技术问题之二是提供用上述方法制备的微藻-生物炭复合生物肥。该微藻-生物炭复合生物肥以微藻和生物质热解所得的生物炭为主要作用基质，并可以针对不同土壤类型（板结或贫瘠土壤、盐碱土壤、酸化土壤、受污染土壤等），辅以其它常规有机肥、禽畜粪便、速效肥、矿渣、农作物废弃物或木醋、竹醋类生物质热解残渣。

本发明以高固氮能力的微藻与富含有机碳的热解生物炭为主要基质制备微藻-生物炭复合生物肥，与传统土壤肥料相比，具有以下优点和有益效果：

1.可以充分发挥固氮微藻和生物炭各自的优势，实现土壤的改良和修复，克服生物炭直接施用的缺陷；

2.绿色低碳，可以减少化肥农药施用量，提高土壤肥力和种植植物产量；

3.可以通过光合作用固定空气中的CO₂（年固碳量达100g CO₂/m²/年以上），实现土壤有机质含量的增加；

4.可提高土壤酶活性，有利于提高土壤的吸收性能、缓冲性能和抗逆性能，将土壤颗粒胶结起来，变成稳定的团粒结构，改善土壤的物理、化学和生物特性，提高土壤保水、保肥和透气性能，为作物生长创造良好的土壤环境；

5.生物肥中含有多种微量元素，其营养元素比较安全，而且这些物质是无毒、无害、无污染的自然物质，为生产高产、优质、无污染的绿色有机食品提供了必须条件，可以提高所种植作物的附加值30%以上；

6.微藻可通过矿化有机磷增加土壤有效磷含量，为其他微生物的生存提供环境条件，从而有利于构建具有广适性的土壤微生物群落结构。

附图说明

图1是本发明的微藻-生物炭复合生物肥的制备流程示意图。

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合附图，详述如下：

实施例1微藻-生物炭基肥辅以农作物废弃物改良沙化/沙漠化土壤

用BG11缺氮培养基平板法从沙化土壤结皮中多次分离纯化出微鞘藻。在60L光生物反应器（1%CO₂，LED灯光照强度60μmol光子·m^-2·s^-1，25℃）中用上述制备的专属培养基进行放大培养7天，以筛选、培养具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻种。生物量达到0.9g/L后，用重力沉淀的方法富集微藻并进行规模化养殖。然后，用新型薄层（RW）干燥技术处理，收集活性微藻，按照微藻:生物炭:农作物废弃物等于15:35:50的质量比配制复合生物肥。

施用该复合生物肥后，取得以下效果：

1.能有效改良沙质土壤团粒结构，土壤中1～5mm的团聚体含量可升高5%以上，随着此微藻-生物炭基肥施用量的增加和土培时间的延长，土壤大粒级颗粒含量呈显著增加趋势，小粒级含量则呈现减少趋势。

2.能有效降低沙质土壤容重，土壤容重降幅约3%～5%。

3.能有效改良沙质土壤的持水性能，对于耕作层（0～20cm）土壤含水率可提高20%以上。沙质土壤施用此微藻生物肥后，土壤持水性能比对照增加10%。

4.土壤的空隙率和呼吸能力可提高约5%～10%；土壤的黏性可提高5%以上。土壤有机质含量增加8%，其氮、磷等营养元素的含量呈明显上升的趋势。

5.能增加土壤营养成分含量，增强土壤保肥能力，改善土壤理化性质，改良土壤结构,提高土壤生长能力和植物在沙化/沙漠化土壤的存活率（改良后，土壤上种植植物的存活率提高20%以上）。

实施例2微藻-生物炭基肥辅以有机肥及速效肥改良板结或贫瘠土壤

用BG11缺氮培养基平板法从板结土壤结皮中多次分离纯化出念珠藻。在60L光生物反应器（2%CO₂，LED灯光照强度100μmol光子·m^-2·s^-1，25℃）中，用上述制备的可代表属地板结或贫瘠土壤环境的专属培养基进行放大培养7天，以筛选、培养具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻种。生物量达到1.2g/L后，用过滤的方法富集微藻，并进行规模化养殖，然后用真空冷冻干燥技术过夜处理微藻，以使微藻保持活性。最后，收集活性微藻，按照微藻:生物炭:有机肥:速效肥等于10:30:50:10的质量比配制形成复合生物肥。

在此复合生物肥配方中，土壤微藻具有较强的环境适应能力，能够充分利用环境条件进行自身的生长、发育和繁殖，发挥改造贫瘠土壤的作用；生物炭能延长传统有机肥、速效肥养分的释放期，降低土壤养分的淋失损失；有机肥和速效肥能消除生物炭养分不足的缺陷。施用该肥后，取得了以下效果：

1.板结土壤的松软度明显改善，其表层明显板结的情形消失，土壤粒度分布更加均匀。土壤的呼吸特性提高5%以上，容重降低3%以上。

2.能有效增加土壤有机质含量，有机质含量可提高20%左右。土壤微藻在其生命活动过程中可持续补充土壤有机物；其代谢活动结束后，土壤微藻生命活动中累积的细胞和胞内物直接补充土壤有机物含量。此微藻生物肥中的生物炭能吸附微藻释放的土壤有机物，通过表面催化活性促进有机分子聚合形成土壤有机质。

3.能将土壤中的有效磷含量增加1.5倍以上。微藻死亡并被土壤细菌分解后可释放有效态磷。同时，土壤微藻对有机磷的矿化作用以及提高土壤pH的功能也促进了土壤中有效磷的增加。

4.能有效提高土壤中全氮含量，全氮含量可提高15%以上。此微藻生物肥配方中的微藻为固氮蓝藻，可通过固氮酶将空气中的氮转化为土壤氮，从而增加土壤全氮含量，增强土壤肥力。

5.具有较高的普适性和高效性，可在所需改良土壤的周边区域，根据土壤养分现状和土壤肥力现状，就地取材，用当地的有机肥和速效肥直接进行复配后施用。

6.能有效提高土壤作物的产量，同等种植植物平均产量约可提高20%以上。

实施例3微藻-生物炭基肥辅以碱性矿渣改良酸化土壤

用BG11缺氮培养基平板法从酸化土壤结皮中多次分离纯化出鱼腥藻。在60L光生物反应器（1.5%CO₂，LED灯光照强度60μmol光子·m^-2·s^-1，25℃）中，用上述制备的可代表属地酸化土壤环境的专属培养基进行放大培养7天，以筛选、培养具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻种。生物量达到1.0g/L后，用4000×g离心的方法富集微藻，并进行规模化养殖。然后，进行喷雾干燥处理，以使微藻保持活性。最后，收集微藻，按照微藻:生物炭:碱性矿渣（pH值9-12，含质量比35%的CaCl₂、40%的CaCO₃、25%的CaSO₄）:农作物废弃物等于15:25:30:30的质量比配制形成复合生物肥。

施用该肥后，取得以下效果：

1.能有效提高土壤耕作层（0-20cm）的pH值，使pH值上升0.6-1.5个单位以上。碱性矿渣具有显著提高酸性土壤pH的功能，而且活性微藻也可通过光合作用固定空气中的CO₂以及吸收碳酸氢盐中的CO₂，使碳酸氢盐转变为碳酸盐，以及通过分泌出碱性胞外物来碱化周围环境，从而提高土壤pH值。

2.碱性矿渣中的钙离子能弥补酸性土壤中碱土金属不足的缺陷，同时钙质的补充能增加土壤中中量营养元素，促进植物的生长发育。

3.生物炭能阻碍酸性土壤中铝离子对植物生长的抑制，降低其对有机和游离磷的影响，使植物生长必须的营养元素磷充分参与植物的生长代谢。此类生物肥也能降低钼等微量元素的流失，从而有效提高土壤的产能和相应作物的营养价值。

4.能有效增加土壤有机质含量，有机质含量可提高20%以上。土壤微藻的死亡能使土壤有机物得到补充，而且生物炭能吸附土壤中的小分子有机物，并聚合形成土壤有机质。

5.能有效提高土壤作物的产量，同等种植植物平均产量约可提高15%以上。

6.能有效减少传统肥料的施用量，约可减少10%的传统化肥施用量。

实施例4盐碱土壤改良

用BG11缺氮培养基平板法从盐碱土壤结皮中多次分离纯化出念珠藻。在60L光生物反应器（1%CO₂，LED灯光照强度80μmol光子·m^-2·s^-1，25℃）中，用上述制备的可代表属地盐碱土壤环境的专属培养基进行放大培养7天，以筛选、培养具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻种。生物量达到0.9g/L后，用4000×g离心的方法富集微藻，并进行规模化养殖。然后，用真空冷冻干燥技术过夜处理微藻，以使微藻保持活性。最后，收集微藻，按照微藻:农作物废弃物：生物炭:木醋液等于10:40:35:15的比例配制形成复合生物肥。配方中的木醋液为生物质热解过程获得，pH值为2.0～4.0，配比为15%。

施用该肥后，取得以下效果：

1.由于木醋液呈现明显酸性，因此能将盐碱土壤耕作层（0-20cm）的pH值降低0.5～1.0个单位以上。

2.生物炭的微空和高比表面积能增加土壤的透气性能，能将土壤盐分含量降低5%～20%以上。

3.可以增加土壤0.25～2mm级团粒的百分含量，约可增加5%以上，从而可使土壤持水能力提高30%以上。土壤大团粒组分的提高，有助于提高土壤团聚体含量，使土壤结构性能变好。土壤团聚体的增加可以改善土壤的通气性和透水性，从而提高土壤持水能力。

4.能有效增加土壤微生物活性，土壤微生物量约可增加35%以上。

5.能将土壤有机质含量提高25%以上。

6.土壤的黏性明显改善，土壤肥力的保持能力和捕积能力提高20%以上。

6.能使土壤种植植物的抗病虫害能力提高50%以上，减少农药施用量约10%以上。

7.能有效提高土壤作物的产量，同等种植植物平均产量约可提高20%以上。

实施例5微藻-生物炭基肥修复重金属或有机物污染土壤

用BG11缺氮培养基平板法从污染土壤结皮中多次分离纯化出念珠藻。在60L光生物反应器（1%CO₂，LED灯光照强度80μmol光子·m^-2·s^-1，25℃）中，用上述制备的可代表属地污染土壤环境的专属培养基进行放大培养7天，以筛选、培养具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻种。生物量达到0.9g/L后，用4000×g离心的方法富集微藻，并进行规模化养殖。然后，用真空冷冻干燥技术过夜处理微藻，以使微藻保持活性。最后，收集微藻，按照微藻:农作物废弃物：生物炭等于25:45:30的比例配制形成复合生物肥。

施用该肥后，取得以下效果：

1.生物肥在土壤中分解，可转化为各种腐殖酸物质，腐殖酸的高阳离子代换量以及很好的络合吸附性能可以对重金属离子有很好的络合吸附作用。

2.由于生物炭具有较大的比表面积和较高的表面能，具有结合重金属离子的强烈倾向，因此能够较好地去除土壤中的重金属。

3.微藻具有显著增加土壤微生物量的功能，土壤微生物量的增加能改善土壤的生物活性，提高土壤的自我修复能力，促使土壤自我净化。这些土壤作物根系的微生物能通过代谢活动降解土壤有机污染物（对多环芳烃的降解率可达90%以上），从而能够有效修复土壤有机污染。

4.生物炭具有较强的有机污染物吸附功能，可以减少土壤环境中有机污染物的转化和降低其生物有效性。

5.能提高土壤有机质含量、土壤肥力、土壤微生物活性和土壤作物产量。

Claims (11)

1.微藻-生物炭复合生物肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）分离土壤结皮中的代表性光合微生物，制备能代表该土壤原生微生物群落结构的属地藻种专属培养基；

2）在光生物反应器中，利用步骤1）所得的培养基筛选、培养具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻种；

3）富集步骤2）培养的微藻；

4）在保持微藻活性的条件下，规模化养殖步骤3）富集的微藻；

5）收集活性微藻；

6）收集生物质热解所得的生物炭，并干化处理；

7）将步骤5）中的活性微藻和步骤6）中的生物炭复配，得到微藻-生物炭复合生物肥。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1），采用缺氮培养基平板法分离土壤结皮中的代表性光合微生物。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2），光生物反应器条件为：1-15%CO₂，LED灯光照强度20-500μmol光子·m^-2·s^-1，20-35℃。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3），采用重力沉淀、过滤、气浮或离心的方法富集微藻。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4），采用薄层干燥技术、空气干燥技术、喷雾干燥技术、真空干燥技术或冷冻干燥技术处理微藻，保持微藻活性。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7），微藻-生物炭复合生物肥中微藻占0.1%-80%。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7）之后还包括步骤8）：对微藻-生物炭复合生物肥粉碎化处理。

8.如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，还包括步骤：根据土壤类型，将微藻-生物炭复合生物肥与有机肥、禽畜粪便、速效肥、矿渣、农作物废弃物或生物质热解残渣复配。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用于复配的有机肥、禽畜粪便、速效肥、矿渣、农作物废弃物或生物质热解残渣占总肥料的比例为0-99.9%。

10.用权利要求1至9任何一项所述方法制备的微藻-生物炭复合生物肥，其特征在于，以微藻和生物质热解所得的生物炭为主要作用基质。

11.如权利要求10所述的微藻-生物炭复合生物肥，其特征在于，还包括有机肥、禽畜粪便、速效肥、矿渣、农作物废弃物或生物质热解残渣。