CN111232949B

CN111232949B - 一种小球藻水热炭材料的制备方法及其在水稻生产中的应用

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Publication number: CN111232949B
Application number: CN202010077987.2A
Authority: CN
Inventors: 冯彦房; 薛利红; 褚清南; 刘杨; 杨林章; 余姗; 段婧婧; 何世颖
Original assignee: Jiangsu Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Jiangsu Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2020-02-02
Filing date: 2020-02-02
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2040-02-02
Also published as: CN111232949A

Abstract

本发明涉及一种小球藻水热炭材料的制备方法及其在水稻生产中的应用，包括如下步骤：小球藻水热炭的制备：将小球藻藻体与反应介质充分混合，在4‑10 MPa压力和200‑280℃的温度下反应1‑2h得到小球藻水热炭，小球藻藻体与反应介质的比例为1:8‑13 w/v；通过离心收集小球藻水热炭并干燥，得到干燥的小球藻水热炭材料；所述的反应介质为去离子水或1%的柠檬酸水溶液。相对于现有技术，本发明的有益效果：使用水或柠檬酸溶液作为HTC反应介质的小球藻衍生的水热炭提高了稻米的产量和可溶性糖的含量，提高了水稻的氮素利用率。

Description

一种小球藻水热炭材料的制备方法及其在水稻生产中的应用

技术领域

本发明涉及一种小球藻水热炭材料的制备方法及其在水稻生产中的应用。

背景技术

蓝藻和绿藻是富营养化水体中的主要生物污染物，对水生生态系统和人类健康具有严重影响。这些微藻营养丰富，可以以蛋白质和多磷酸盐的形式将过量的无机氮和磷存储在细胞内，因此具有从生物废物转化为珍贵生物肥料的潜力。小球藻是一种绿色的微藻，已被证明含有大量的N(占细胞干重的7％–12％)和P(占细胞干重的1-3％)。但是，直接施用微藻到农田中并没有对小麦或水稻的生长产生显著差异，且操作不便，环境负面作用明显(比如臭气问题)。

到目前为止，微藻类水热炭施用对作物生长和养分利用效率的影响的研究尚未见报道。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种小球藻水热炭材料的制备方法及其在水稻生产中的应用，不仅显著提高了水稻谷物的可溶性糖含量和单位产量，还显著提高了氮的利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种小球藻水热炭材料的制备方法，包括如下步骤：

将小球藻藻体与反应介质充分混合，在4-10MPa压力和200-280℃的温度下反应1-2h得到小球藻水热炭，小球藻藻体与反应介质的比例为1:8-13w/v；通过离心收集小球藻水热炭并干燥，得到干燥的小球藻水热炭材料；所述的反应介质为去离子水或1％(w/v)的柠檬酸水溶液。

小球藻自身的生物特性，使得小球藻细胞的N、P、C含量等较高。培养条件在一定程度上提升含氮量等指标，且可促进小球藻生物量快速增加。

柠檬酸带有羧基，将增加水热炭表面羧基的丰度，利于对铵根的吸附固持，减少铵根转化为氨气损失掉；起到缓释肥效果，也就是铵根浓度高的时候固持铵根防止损失，稻田铵根浓度低的时候释放铵根为水稻提供养分。柠檬酸本身还是碳源，在土壤中经过转化后利于作物吸收利用。

优选的，将小球藻藻体与反应介质充分混合，在9MPa压力和260℃的温度下反应1h得到小球藻水热炭，小球藻藻体与反应介质的比例为1:10w/v；通过离心收集小球藻水热炭并在65-70℃条件下干燥至恒重，得到干燥的小球藻水热炭材料。

所述的小球藻藻体通过培养制得或者从富营养化水体中打捞得到。培养具体过程为：通过接种小球藻细胞并培养以得到小球藻培养液，从小球藻培养液收集小球藻细胞(收集的小球藻细胞即为小球藻藻体)。

从小球藻培养液收集小球藻细胞的具体过程为：通过对小球藻培养液离心，以得到小球藻细胞(即小球藻藻体)；或者，通过向小球藻培养液加入絮凝剂，调节pH至8-10，通过离心或过滤以得到小球藻细胞；其中，絮凝剂在小球藻培养液中的浓度为0.5-1g/L，所述的絮凝剂为三氯化铁或明矾。

优选的，将干燥的小球藻水热炭碾成粒径为1-2mm的粉末状水热炭，过2毫米分级筛，即粒径小于2mm的小球藻水热炭材料作为土壤改良用肥料。通过选择较小的粒径，使得小球藻水热炭能与稻田土壤充分接触，提高对稻田土壤的改良效果，有助于提高水稻产量及品质。

本发明还提供前述的制备方法所制备的小球藻水热炭材料。

本发明的又一个目的是提供小球藻水热炭材料的施用方法，包括如下步骤：

在每季水稻移栽前3-7d施用小球藻水热炭材料于稻田土壤表面形成小球藻水热炭覆盖层(该覆盖层由小球藻水热炭材料构成)，对表面为小球藻水热炭覆盖层的稻田土壤进行浅层翻耕(使表层稻田土壤与小球藻水热炭充分混合)，通过灌溉(比如水，在翻耕后立刻进行灌溉)形成稳定的土壤-水热炭缓冲层；小球藻水热炭材料与浅层翻耕的稻田土壤的质量比为0.1％-1.5％w/w(即两者质量比为0.1-1.5:100)，此处浅层翻耕的稻田土壤为翻耕的那部分稻田土壤(在计算其质量时，不包括小球藻水热炭材料的质量)。小球藻水热炭材料相对稻田土壤的质量比不宜过低，过低则无法对稻田土壤进行有效改良；质量比也不宜过高，否则会影响作物生长。

优选的，浅层翻耕的翻耕深度为10-25cm。不翻耕会导致炭材料的流失，影响外部水体环境；通过浅层翻耕可以使炭材料与土壤充分接触，改善土壤结构和养分条件，利于土壤微生物和水稻根系发育；还可以实现土壤铵根的固持，进而降低氨挥发排放。

小球藻水热炭材料、基肥的施加时间相互错开。一般施加基肥的时间是在每季水稻移栽前1d，小球藻水热炭材料、基肥的施加时间相互错开，可以保证在基肥施加前，小球藻水热炭材料对土壤的改良已经完成，防止基肥影响到水热炭改性材料对土壤的改良。

本发明还提供前述的小球藻水热炭材料在改良稻田土壤中的应用，以及在提高水稻产量、水稻的氮素利用率、水稻的可溶性糖含量中的应用。

相对于现有技术，本发明的有益效果：使用水或柠檬酸溶液作为HTC反应介质的小球藻衍生的水热炭提高了稻米的产量和可溶性糖的含量，提高了水稻的氮素利用率。对水稻生长和产量的积极影响表明，源自小球藻的水热炭有潜力用作肥料，可以将废水(被微藻类富集)中的养分再循环到作物土壤系统中。

附图说明

图1为CVP(小球藻粉)、CVHW(采用去离子水为反应介质得到的小球藻水热炭)或CVHCA(采用1％柠檬酸为反应介质得到的小球藻水热炭)的SEM图；

图2为基肥(BF)，分蘖肥(SF1)，穗肥(SF2)之后第7天，对照、CVP、CVHW、CVHCA处理的土壤NH₄ ⁺-N浓度(图2A)、NO₃ ^—N浓度(图2B)；

图3为CVP和小球藻水热炭施用对土壤微生物C和N的影响，其中图3A为CVP和小球藻水热炭施用对土壤微生物C的影响，图3B为CVP和小球藻水热炭施用对土壤微生物N的影响。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的实施方式作更进一步的说明。

水热炭生产

用于本发明的小球藻，购自上海光宇生物科技有限公司。其使用无菌培养基(例如3N-BBMV)将接种物(即小球藻)保持在2L硼硅酸盐生物反应器中。操作条件如下：在0.2vvm下使用2.5％CO₂进行恒定曝气，光周期为14:10(即光照：暗周期，先光照14h后暗周期10h，之后不断重复)，光照亮度为150μmol/m²/s，温度为25±1℃，每24h内的曝气时间为4h(例如在每天的10-14点使用2.5％CO₂曝气，其余时间不曝气)，小球藻总培养时间30-60d。之后在4℃下以8，000g离心5分钟以从培养液中收集微藻细胞(即小球藻细胞)，用蒸馏水洗涤并冻干。以上过程可促进小球藻生物量快速增加。

值得一提的是，微藻培养技术较为成熟，也可采用现有技术中允许的其它方式进行培养。

除了培养小球藻，在实际应用中应当优先使用从富营养湖泊河流打捞出来的藻。

HTC(水热炭化反应)在高压水热反应器中进行，反应器内压力为9MPa，固液比为1:10(w/v，g/mL)，固液分别为小球藻藻体与反应介质。水热反应器密封并在260℃加热1h，然后自然冷却至室温。HTC产生的固体水热炭通过离心收集，并在70℃下干燥直至恒重。使用不同的反应介质生产了两种水热炭：CVHW(采用的反应介质为去离子水)和CVHCA(采用的反应介质为1％柠檬酸，即每100mL去离子水中含有1g柠檬酸所构成的反应介质溶液)。

土柱实验设计

土壤柱实验中使用的水稻土是从江苏省南京市农科院实验场的稻田0～20厘米的表土中采集的。土壤特征如下：壤土含量为57％，砂土含量为21％，沙含量为21％，pH为7.01(固液比1：2.5，g/mL)，总氮含量0.87g kg^-1，有机质含量9.0g kg^-1，总磷含量0.76g kg^-1，总钾含量3.62g kg^-1。每个土柱装35kg的水稻土。水稻土自然风干且过2毫米筛，分别与CVP、CVHW或CVHCA混合均匀后，装入土柱中(直径30厘米，高度50厘米PVC材料的土柱)。具体地，在水稻移栽前3d，稻田土壤分别与CVP、CVHW或CVHCA充分混合作为三种处理，其中小球藻粉(CVP)，CVHW或CVHCA与水稻土分别以1％的施用量充分混合(1％指材料CVP、CVHW或CVHCA与水稻土的质量比)，装入土柱中，通过灌溉水使得材料与稻田土稳定结合。对照组的稻田土壤中不加入水热炭材料和小球藻粉。每组处理三个重复。水稻植株于2018年6月29日移栽并于2018年11月9日收获。在整个水稻生长期，所有处理均使用240kg尿素-N ha^-1处理。如此量的氮肥三次施用：在移栽前1d作为基肥(BF)，分蘖后作为第一补充肥(SF1)和在穗形成后作为第二补充氮肥(SF2)以4：4：2的质量比施用。BF以尿素，过磷酸钙和氯化钾的形式施用，比例为240kg N ha^-1，96kg P₂O₅ ha^-1和192kg K₂O ha^-1。对照中未施用水热炭，但化学肥料的施用量与其他处理相同。2018年8月7日至18日，所有植物都被淹没到3-5cm的水位，并且进行了季中排水。

水热炭的表征

使用1：2.5(w/v)的固体/Milli-Q水比确定水热炭样品的pH值。通过元素分析仪(EL III；Elementar Analysensysteme GmbH，德国)确定水热炭的总C，N，H和S含量。通过扫描电子显微镜(SEM，Quanta200，FEI，荷兰)以2000×分辨率可视化的观察炭的表面形态。通过在Agilent Cary 660FTIR分析仪(加利福尼亚)上的傅立叶变换红外光谱(FTIR)对表面官能团进行了表征。使用NOVA 1200分析仪测量比表面积(SSA)，孔直径和吸附孔体积，并使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法，使用表面积分析仪(Quadrasorb SI，美国)(Yu等，2019)。

水稻生长指数，籽粒氮含量和单产的测定

在生理成熟期从每个盆中人工收获水稻植株，以确定籽粒中的氮含量，产量以及与生长和产量相关的不同指标，包括株高，穗数，千粒重和穗粒数。使用凯氏定氮法测定了晶粒氮含量。此外，通过将地上植物(稻草和谷物)中的氮含量除以土壤中施用的氮(尿素和水热炭)来计算氮肥利用率。

土壤氮及微生物量碳和氮的分析

从BF，SF1和SF2后的土壤顶层(0-20厘米)分别采集新鲜土壤样品。将每个样地的土壤样品混合并均化，研磨至<2mm，然后分成两等份。将第一部分立即在液体N₂中冷冻，并保存在-80℃进行分子分析；其余部分存储在-20℃下用于硝酸盐(NO₃ ^--N)和铵盐(NH₄ ⁺-N)以及微生物生物量C和N的分析。

通过与上述相同的方法测定土壤pH。使用San++连续流分析仪测量通过2.0M KCl从土壤中提取NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N。用Moore等人描述的氯仿-熏蒸-萃取法测量土壤微生物生物量的C和N。所有结果均报告为重复分析的平均值，并以无水份表示。在105℃干燥48h后测定水分。

统计分析

使用SPSS 18.0版软件(美国伊利诺伊州芝加哥的SPSS公司)进行统计分析。单因素方差分析(ANOVA)用于以P<0.05的概率评估结果。仅当ANOVA F-检验表明处理之间有显著性差异时((P<0.05))，才使用Duncan多范围检验。

水热炭的特性

表1列出了CVP，CVHW和CVHCA的生理特性，其中列出了水热炭主要元素，包括C，H，N和S。CVHCA的pH值明显低于CVP或CVHW。与CVP相比，CVHW和CVHCA炭具有更高的C和更低的N和S含量。C/N和H/C比值确定了水热炭是否易于被土壤微生物矿化和降解。通过使用HTC，CVHW和CVHCA分别将C/N比提高了2.15倍和1.99倍，并且H/N比分别比CVP提高了2.09和1.69倍。

表1 CVP,CVHW，CVHCA的物理化学特性

高SSA和多孔体积水平对于提高土壤中的养分截留力非常必要，因为这些特征有助于提高传质通量和吸附负荷。关于吸附能力，CVHW和CVHCA具有比CVP更大的SSA(分别为6.71和7.76倍)和孔径(分别为4.33和4.54倍)。CVHW的孔体积是CVHCA的1.93倍，CVHCA的孔体积是CVP的3.26倍。与CVP相比，CVHW和CVHCA炭具有明显更大的SSA(分别为5.50和4.19倍)和多孔体积(分别为11.05和11.58倍)。此外，SEM结构图显示CVHW和CVHCA水热炭中形成的晶体结构比CVP中更明显(图1)。在CVHW和CVHCA的SEM图像中观察到较大的孔径和更丰富的孔，这通过使用BET方法进行分析得到了支持。

CVP和小球藻水热炭对水稻生长，品质和产量的影响

表2列出了施用水热炭对谷物产量(干重，[DW])和与产量相关的农艺性状的影响。与对照相比，CVHW和CVHCA分别显著提高了谷物产量26.7％和21.2％。收获指数和可溶性糖也检测到类似的变化趋势。尽管千粒重没有发现显著差异，但是每穗的粒数和CVHW和CVHCA处理下的穗数均明显增加，这表明与对照和CVP处理相比，CVHW和CVHCA促进了水稻的生长和产量的提高。此外，CVHW和CVHCA显著降低了株高，因此表明矮化植株的高度可以避免枝叶过度生长以此提高产量。此外，与对照和CVP处理相比，CVHW和CVHCA的施用显著提高了氮肥的利用率。在粗纤维或淀粉水平上未检测到明显差异。

表2.稻谷产量和产量相关指数

CVP和小球藻水热炭对土壤NH₄ ⁺–N和NO₃ ^-–N的影响

BF，SF1和SF2处理后，CVP和小球藻水热炭施用对土壤NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N浓度的影响如图2所示。BF和SF1之后，CVP，CVHW和CVHCA与对照相比均显著改善了土壤NH₄ ⁺的浓度(图2A)。与CVP相比，CVHCA显著降低了BF和SF1处理后土壤NH₄ ⁺的浓度，分别降低了25.1％和22.8％。但是，在SF2处理后，对照组，CVHW和CVHCA组的土壤NH₄ ⁺浓度相当，只有CVP显著改善了土壤NH₄ ⁺的浓度。此外，无论施肥阶段如何，与对照，CVP和CVHW相比，CVHCA显著增加了土壤NO₃ ^--N的浓度。此外，与对照相比，BF处理后的CVHW使土壤NO₃ ^--N浓度显著增加了46.5％。然而，SF1之后，CVHW显著降低了土壤NO₃ ^-–N浓度2.06倍。

CVP和小球藻水热炭对土壤微生物碳氮的影响

CVP和普通小球藻水热炭施用对土壤微生物C和N的影响如图3所示。与CVP相比，CVHW和CVHCA的施用显著降低了土壤微生物C含量。与对照组相比，CVP，CVHW和CVHCA均显著降低了土壤微生物N含量。

这项研究的结果表明，使用水或柠檬酸溶液作为HTC反应介质的小球藻衍生的水热炭提高了稻米的产量和可溶性糖的含量，提高了水稻的氮素利用率。对水稻生长和产量的积极影响表明，源自小球藻的水热炭有潜力用作肥料，可以将废水(被微藻类富集)中的养分再循环到作物土壤系统中。这种方法优于直接使用CVP。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种小球藻水热炭材料在提高水稻产量、水稻的氮素利用率、水稻的可溶性糖含量中的应用，其特征在于，小球藻水热炭材料的制备方法包括如下步骤：

将小球藻藻体与反应介质充分混合，在4-10MPa压力和200-280℃的温度下反应1-2h得到小球藻水热炭，小球藻藻体与反应介质的比例为1:8-13 w/v；通过离心收集小球藻水热炭并干燥，得到干燥的小球藻水热炭材料；所述的反应介质为去离子水或1%（w/v）的柠檬酸水溶液；

所述的小球藻藻体通过培养制得；小球藻藻体的制备方法为：

在0.2 vvm下使用2.5％CO₂ 进行恒定曝气，光周期为14:10，光照亮度为150μmol/m²/s，温度为25±1°C，每24h内的曝气时间为4h，小球藻总培养时间30-60d；之后从培养液中收集小球藻细胞，用蒸馏水洗涤并冻干；

小球藻水热炭材料的施用方法包括如下步骤：

在每季水稻移栽前3-7d施用小球藻水热炭材料于稻田土壤表面形成小球藻水热炭材料覆盖层，对表面为小球藻水热炭材料覆盖层的稻田土壤进行浅层翻耕，通过灌溉形成稳定的土壤-水热炭缓冲层；小球藻水热炭材料与浅层翻耕的稻田土壤的质量比为0.1%-1.5%w/w。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，将小球藻藻体与反应介质充分混合，在9MPa压力和260℃的温度下反应1h得到小球藻水热炭，小球藻藻体与反应介质的比例为1:10w/v；通过离心收集小球藻水热炭并在65-70°C条件下干燥至恒重，得到干燥的小球藻水热炭材料。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，浅层翻耕的翻耕深度为10-25cm。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，小球藻水热炭材料、基肥的施用时间相互错开。