CN108929700A - 一种炭基固定化菌剂土壤改良剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种炭基固定化菌剂土壤改良剂及其制备方法，涉及一种土壤改良剂及其制备方法。是要解决现有土壤改良菌剂易失活导致土壤修复效果差的问题。该土壤改良剂包括秸秆基生物炭、海藻酸钠、膨润土、壳聚糖、氯化钙和枯草芽孢杆菌。方法：一、将膨润土粉碎过筛形成膨润土粉，将海藻酸钠、膨润土粉、壳聚糖和氯化钙混合，制成辅料；二、将秸秆基生物炭和枯草芽孢杆菌发酵液加入辅料中，加入水，得到土壤改良剂。本发明克服了传统的微生物菌剂的数量少、活性低、稳定性差以及不耐环境冲击的缺点，可以有效提高土壤质量，有效降低土壤中氨的挥发、硝酸盐、磷等盐离子的淋失，提高土壤养分及其固肥能力，提高作物产量。本发明用于改良土壤。

Description

一种炭基固定化菌剂土壤改良剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种土壤改良剂及其制备方法。

背景技术

我国是农业大国，农业面积及产量稳居世界第一，但是由于不合理的农药肥料的施用及高度集约化、高复种率等农艺特点导致一系列的土壤退化问题。土壤板结、沙化、肥力降低、微生物活性下降、土传病害严重等都严重威胁生态安全。目前农业土壤退化问题已成为全球关注热点。在市场需求量和集约化程度日益增长的情况下，如何缓解并组织土壤及农业生态环境退化、增强土壤质量、减低土传病害的产生及传播、维护农业生态系统稳定，保障食品安全，已成为当前亟待解决的重大课题。

现有的壤改良菌剂在使用过程中容易失活，因此造成土壤修复效果差。

发明内容

本发明是要解决现有土壤改良菌剂易失活导致土壤修复效果差的问题，提供一种土壤改良剂及其制备方法。

本发明土壤改良剂按重量份数包括50-60份的秸秆基生物炭、50-60份的海藻酸钠、20-30份的膨润土、0.8～1.2份的壳聚糖、2.5-3份的氯化钙和枯草芽孢杆菌，其中土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。

所述枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)购买自北京百欧博伟生物技术有限公司，菌株平台编号bio-52746，保藏编号CMCC(B)63501。

所述秸秆基生物炭是由秸秆在高温缺氧条件下热裂解而成。其中所述秸秆为玉米秸秆。

上述土壤改良剂的制备方法，包括以下步骤：

一、将膨润土粉碎过筛形成膨润土粉，按重量份数称取50-60份的秸秆基生物炭、50-60份的海藻酸钠、20-30份的膨润土粉、0.8～1.2份的壳聚糖和2.5-3份的氯化钙，

将海藻酸钠、膨润土粉、壳聚糖和氯化钙混合，制成辅料；

二、将秸秆基生物炭和枯草芽孢杆菌发酵液加入步骤一制备的辅料中，加入水，得到土壤改良剂。其中土壤改良剂中水的质量分数为30％～35％。

其中土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。

进一步的，步骤二所述枯草芽孢杆菌发酵液的制备方法具体为：

将枯草芽孢杆菌接种到廉价发酵培养基，在28～29℃、125～130rpm/min条件下进行发酵培养24～28h。所述廉价发酵培养基配方为：豆饼粉2％-4％，葡萄糖0.1％-0.5％，氯化铵0.05％-0.15％，余量为水。

进一步的，步骤二中秸秆基生物炭的制备方法具体为：

一、将玉米秸秆暴晒，然后清洗、干燥，干燥后粉碎成颗粒状，过200目筛，得到玉米秸秆粉末；

二、将步骤一获得的玉米秸秆粉末放置于耐高温封闭管式马弗炉中，在氮气保护下，于温度400-600℃热解60～65min，得到初步热解的玉米秸秆基生物炭；

三、将步骤二得到的玉米秸秆基生物炭粉末清洗后，用体积浓度为10％～12％的H₂O₂溶液活化，震荡12～14h后，加水进行清洗至pH值为6.5～7.5，在自然条件下干燥，即获得高吸附性能的玉米秸秆基生物炭材料。

上述土壤改良剂可应用于土传病害土壤的修复、作物品质的提高和土壤改良。常温保存备用即可。

本发明的有益效果：

本发明提供可抑制土传病害的一种多功能农业土壤修复菌剂，该多功能土传病害修复菌剂能够有效解决微生物修复过程中微生物易受土著微生物竞争、土壤环境因素的影响，难以保持较高的生物活性和功能较为单一等问题；同时能够有效改良农业土壤，提高或回复土壤质量，提高作物品质及产量。

本发明的土壤改良剂采用的固定化微生物技术有效克服了传统的微生物菌剂的数量少、活性低、稳定性差以及不耐环境冲击的缺点，能够有效抑制土壤中土传病害对作物的影响；同时玉米秸秆经高温缺氧裂解炭化后，氢、氧、氮元素、水溶性有机碳、和水溶性氮的含量都降低，而且裂解温度越高，这些元素的含量会随之降低，但钾、钠、镁离子的含量、pH值、灰分的含量都增加，因此秸秆基生物炭吸附性能更加优异的矿质养分含量高，可以有效提高土壤质量，同时能够吸附NH₄ ⁺、NO₃ ^-离子和磷等水溶性盐离子，有效降低土壤中氨的挥发、硝酸盐、磷等盐离子的淋失，秸秆基生物炭可以有效提高土壤养分及其固肥能力，提高作物产量。枯草芽抱杆菌是一种商业化的植物促生菌，具有促根壮苗、增产提质的效能，枯草芽孢杆菌还能够促使抑制土传病害、促进土壤中的有机质分解、提高土壤生物活性。实验结果表明，针对碱解氮为0.33g/kg、速效磷为12.67mg/kg、速效钾为80.19mg/kg的土壤，使用本发明的土壤改良剂后，土壤的碱解氮可达0.59～1.04g/kg、速效磷可达13.86～20.62mg/kg、速效钾可达90.02～111.33m g/kg；土壤碱解氮、速效磷和速效钾比使用前分别提高了78.8％～215.2％、9.4％～62.7％、12.3％～38.8％。

本发明的制备方法简单，成本低廉，能量消耗低，绿色安全，对环境要求不高，在有效抑制土传病害的同时更能对土壤肥力进行改良，从而促进农作物的生长，实现了土壤修复与改良的复合功能，适于农业推广和应用，对实现农业可持续的目标具有重要意义。

附图说明

图1为玉米秸秆基生物炭的扫描电镜图；

图2为玉米秸秆基固定化菌剂材料扫描电镜图；

图3为玉米秸秆基固定化菌剂材料与黄瓜立枯病间的平板对峙图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式土壤改良剂按重量份数包括50-60份的秸秆基生物炭、50-60份的海藻酸钠、20-30份的膨润土、0.8～1.2份的壳聚糖、2.5-3份的氯化钙和枯草芽孢杆菌。

所述枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)购买自北京百欧博伟生物技术有限公司，菌株平台编号bio-52746，保藏编号CMCC(B)63501。

本发明采用固定化微生物技术，能够有效克服传统微生物制剂修复效果易受环境影响的问题，能够利用载体材料提供的有利微环境作为缓冲体系，从而有效地屏蔽土著微生物的竞争作用；本方法克服了单一菌剂微生物的数量少、活性低、稳定性差以及不耐环境冲击的缺点；可以起到土壤疏松剂的作用，促进氧气的流通，加速有机污染物的矿化作用。而吸附材料的选择是固定化技术的关键。由于生物炭具有的高有机炭含量、高孔隙度、高比表面积和成本低廉等特性，其不仅可以调节土壤理化性质，改善土壤生物学特性，还可以提高土壤养分，蓄积二氧化炭，提高作物产量。玉米秸秆是一种常见的农业废弃物，采用农业废弃物热解生物炭作固定化吸附剂，具有吸附性好、可再生、生物相容性等优点，同时可利于农业秸秆资源化，同时为微生物固定提供载体。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述秸秆基生物炭是由秸秆在高温缺氧条件下热裂解而成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述秸秆为玉米秸秆。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式土壤改良剂的制备方法，包括以下步骤：

一、将膨润土粉碎过筛形成膨润土粉，按重量份数称取50-60份的秸秆基生物炭、50-60份的海藻酸钠、20-30份的膨润土粉、0.8～1.2份的壳聚糖和2.5-3份的氯化钙，

将海藻酸钠、膨润土粉、壳聚糖和氯化钙混合，制成辅料；

二、将秸秆基生物炭和枯草芽孢杆菌发酵液加入步骤一制备的辅料中，加入水，得到土壤改良剂。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：所述土壤改良剂中水的质量分数为30％～35％。其它与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二所述枯草芽孢杆菌发酵液的制备方法具体为：

将枯草芽孢杆菌接种到廉价发酵培养基，在28～29℃、125～130rpm/min条件下进行发酵培养24～28h。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述廉价发酵培养基配方为：豆饼粉2％-4％，葡萄糖0.1％-0.5％，氯化铵0.05％-0.15％，余量为水。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二中秸秆基生物炭的制备方法具体为：

一、将玉米秸秆暴晒，然后清洗、干燥，干燥后粉碎成颗粒状，过200目筛，得到玉米秸秆粉末；

二、将步骤一获得的玉米秸秆粉末放置于耐高温封闭管式马弗炉中，在氮气保护下，于温度400-600℃热解60～65min，得到初步热解的玉米秸秆基生物炭；

三、将步骤二得到的玉米秸秆基生物炭粉末清洗后，用体积浓度为10％～12％的H₂O₂溶液活化，震荡12～14h后，加水进行清洗至pH值为6.5～7.5，在自然条件下干燥，即获得高吸附性能的玉米秸秆基生物炭材料。其它与具体实施方式五相同。

下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

(1)将玉米秸秆暴晒、清洗、干燥后，粉碎过200目筛，得到玉米秸秆粉末；置于密闭的管式马弗炉中，在氮气保护下，于温度400℃热解60min，得到初步热解的玉米秸秆基生物炭；

将得到的初步热解的玉米秸秆基生物炭粉末清洗后，用体积浓度为10％的H₂O₂溶液活化，震荡12h后，水洗至pH值为7，干燥后，即获得高吸附性能的玉米秸秆基生物炭材料。

(2)枯草芽孢杆菌经过廉价发酵培养基在28℃、125rpm/min条件下进行发酵培养24h，得到枯草芽孢杆菌发酵液。所述廉价发酵培养基配方为：豆饼粉3％，葡萄糖0.3％，氯化铵0.1％，余量为水。

(3)按重量份计，将25份膨润土粉、50份海藻酸钠、1份壳聚糖和3份氯化钙混合，制备成辅料；将玉米秸秆基生物炭50份和枯草芽孢杆菌加入制备的辅料中，加入水，制备得到土壤改良剂，其中土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。土壤改良剂中水的质量分数为30％。

实施例2：

(1)将玉米秸秆暴晒、清洗、干燥后，粉碎过200目筛，得到玉米秸秆粉末；置于密闭的管式马弗炉中，在氮气保护下，于温度500℃热解60min，得到初步热解的玉米秸秆基生物炭；

将得到的初步热解的玉米秸秆基生物炭粉末清洗后，用体积浓度为10％的H₂O₂溶液活化，震荡12h后，水洗至pH值为7，干燥后，即获得高吸附性能的玉米秸秆基生物炭材料。

(2)枯草芽孢杆菌经过廉价发酵培养基在28℃、125rpm/min条件下进行发酵培养24h，得到枯草芽孢杆菌发酵液。所述廉价发酵培养基配方为：豆饼粉3％，葡萄糖0.3％，氯化铵0.1％，余量为水。

(3)按重量份计，将25份膨润土粉、50份海藻酸钠、1份壳聚糖和2.5份氯化钙混合，制备成辅料；将玉米秸秆基生物炭50份和枯草芽孢杆菌加入制备的辅料中，加入水，制备得到土壤改良剂，其中土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。土壤改良剂中水的质量分数为30％

实施例3：

(1)将玉米秸秆暴晒、清洗、干燥后，粉碎过200目筛，得到玉米秸秆粉末；置于密闭的管式马弗炉中，在氮气保护下，于温度600℃热解60min，得到初步热解的玉米秸秆基生物炭；

将得到的初步热解的玉米秸秆基生物炭粉末清洗后，用体积浓度为10％的H₂O₂溶液活化，震荡12h后，水洗至pH值为7，干燥后，即获得高吸附性能的玉米秸秆基生物炭材料。

(2)枯草芽孢杆菌经过廉价发酵培养基在28℃、125rpm/min条件下进行发酵培养24h，得到枯草芽孢杆菌发酵液。所述廉价发酵培养基配方为：豆饼粉3％，葡萄糖0.3％，氯化铵0.1％，余量为水。

(3)按重量份计，将30份膨润土粉、50份海藻酸钠、1份壳聚糖和3份氯化钙混合，制备成辅料；将玉米秸秆基生物炭50份和枯草芽孢杆菌加入制备的辅料中，加入水，制备得到土壤改良剂，其中土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。土壤改良剂中水的质量分数为30％

实施例4：

1)将玉米秸秆暴晒、清洗、干燥后，粉碎过200目筛，得到玉米秸秆粉末；置于密闭的管式马弗炉中，在氮气保护下，于温度600℃热解60min，得到初步热解的玉米秸秆基生物炭；

将得到的初步热解的玉米秸秆基生物炭粉末清洗后，用体积浓度为10％的H₂O₂溶液活化，震荡12h后，水洗至pH值为7，干燥后，即获得高吸附性能的玉米秸秆基生物炭材料。

(2)枯草芽孢杆菌经过廉价发酵培养基在28℃、125rpm/min条件下进行发酵培养24h，得到枯草芽孢杆菌发酵液。所述廉价发酵培养基配方为：豆饼粉3％，葡萄糖0.3％，氯化铵0.1％，余量为水。

(3)按重量份计，将30份膨润土粉、60份海藻酸钠、1份壳聚糖和2.5份氯化钙混合，制备成辅料；将玉米秸秆基生物炭60份和枯草芽孢杆菌加入制备的辅料中，加入水，制备得到土壤改良剂，其中土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。土壤改良剂中水的质量分数为30％。

实施例4制备的玉米秸秆基生物炭的扫描电镜图如图1所示，可看出秸秆基生物炭比表面积较大，具有很好的负载功能微生物、增加土壤孔隙度、提高土壤透气性的性能。

实施例4制备的土壤改良剂的扫描电镜图如图2所示，可看出土壤改良剂对枯草芽孢杆菌的负载性能良好，枯草芽孢杆菌很好的被负载在土壤改良剂上。

实施例4制备的土壤改良剂与黄瓜立枯病间的平板对峙图如图3所示，5d后平板划线处细菌与真菌的菌落形成，在两种菌的接触点位置，菌落生长异常，出现一条透明条带，明显抑制真菌的生长，存在拮抗。

以上实施例中所述枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)购买自北京百欧博伟生物技术有限公司，菌株平台编号bio-52746，保藏编号CMCC(B)63501。

实验结果

1、生物炭化学成分构成

经检测，实施例1-3制备的玉米秸秆基生物炭与未炭化处理的玉米秸秆的化学成分结果，如下表所示：

表1

由上表可见，本发明制备的一种应用于土壤改良控土传病害的炭基固定化菌剂材料的氢、氧、灰分、pH和钾、钠、镁离子受炭化温度影响较大，热解温度越高，H/C和O/C越低，而pH、灰分含量和钾、钠、镁离子含量会随之增加，而膨润土粉和海藻酸钠的用量对这些参数影响不显著。

2、对土壤的改良

经检测，实施例1-4制备的玉米秸秆基固定化菌剂材料和不添加固定化菌剂材料的对照土壤两周后土壤基本理化性质，如下表所示：

表2

	碱解氮(g/kg)	速效磷(mg/kg)	速效钾(mg/kg)
				实施例1	0.49	13.86	90.02
实施例2	0.52	15.24	92.86
				实施例3	0.98	18.92	107.22
实施例4	1.04	20.62	111.33
				对照土壤	0.33	12.67	80.19

由上表可见，本发明制备的一种应用于土壤改良控土传病害的炭基固定化菌剂材料可以有效提高土壤碱解氮、速效磷和速效钾的含量，并且秸秆基生物炭热解温度和膨润土粉、海藻酸钠添加量越高，土壤中碱解氮、速效磷和速效钾的含量增加越明显。

3、对作物生长指标的影响

经检测，在含有黄瓜立枯病菌的土壤中添加例1-4制备的玉米秸秆基生物炭与和不添加固定化菌剂材料的对照土壤种植经济作物黄瓜，两周后黄瓜生长指标的变化，如下表所示：

表3

由上表可见，本发明制备的一种应用于土壤改良控土传病害的炭基固定化菌剂材料可以有效提高作物黄瓜根和植株的鲜重及干重，并且有效降低了或避免了植株感染土传病害，说明该菌剂材料能够有效促进植物生长，又能抑制植物病害的蔓延。

因而，根据上述结果，可以按照实际生产及成本投入适当调节秸秆基生物炭热解温度，以及秸秆基生物炭、膨润土粉和海藻酸钠的用量进行该发明基固定化菌剂土壤改良剂的制备及应用。

Claims (10)

1.一种炭基固定化菌剂土壤改良剂，其特征在于该土壤改良剂按重量份数包括50-60份的秸秆基生物炭、50-60份的海藻酸钠、20-30份的膨润土、0.8～1.2份的壳聚糖、2.5-3份的氯化钙和枯草芽孢杆菌。

2.根据权利要求1所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂，其特征在于所述土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。

3.根据权利要求1或2所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂，其特征在于所述秸秆基生物炭是由秸秆在高温缺氧条件下热裂解而成。

4.根据权利要求3所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂，其特征在于所述秸秆为玉米秸秆。

5.如权利要求1所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

一、将膨润土粉碎过筛形成膨润土粉，按重量份数称取50-60份的秸秆基生物炭、50-60份的海藻酸钠、20-30份的膨润土粉、0.8～1.2份的壳聚糖和2.5-3份的氯化钙，

将海藻酸钠、膨润土粉、壳聚糖和氯化钙混合，制成辅料；

二、将秸秆基生物炭和枯草芽孢杆菌发酵液加入步骤一制备的辅料中，加入水，得到土壤改良剂。

6.根据权利要求5所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂的制备方法，其特征在于所述土壤改良剂中枯草芽孢杆菌的活菌含量为10⁸cfu/g以上。

7.根据权利要求5所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂的制备方法，其特征在于步骤二中所述土壤改良剂中水的质量分数为30％～35％。

8.根据权利要求5所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂的制备方法，其特征在于步骤二所述枯草芽孢杆菌发酵液的制备方法具体为：

将枯草芽孢杆菌接种到廉价发酵培养基，在28～29℃、125～130rpm/min条件下进行发酵培养24～28h。

9.根据权利要求8所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂的制备方法，其特征在于所述廉价发酵培养基配方为：豆饼粉2％-4％，葡萄糖0.1％-0.5％，氯化铵0.05％-0.15％，余量为水。

10.根据权利要求5所述的一种炭基固定化菌剂土壤改良剂的制备方法，其特征在于步骤二中秸秆基生物炭的制备方法具体为：

一、将玉米秸秆暴晒，然后清洗、干燥，干燥后粉碎成颗粒状，过200目筛，得到玉米秸秆粉末；

二、将步骤一获得的玉米秸秆粉末放置于耐高温封闭管式马弗炉中，在氮气保护下，于温度400-600℃热解60～65min，得到初步热解的玉米秸秆基生物炭；

三、将步骤二得到的玉米秸秆基生物炭粉末清洗后，用体积浓度为10％～12％的H₂O₂溶液活化，震荡12～14h后，加水进行清洗至pH值为6.5～7.5，在自然条件下干燥，即获得高吸附性能的玉米秸秆基生物炭材料。