CN111635766B - 一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法和应用 - Google Patents

一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法和应用，属于农业固体废物资源化利用与土壤修复技术领域，包括:将酒糟与水混合、调节pH值，得到调节酒糟；将调节酒糟与酸性蛋白酶混合，在45～50℃下搅拌反应22～26h，得到蛋白酶催化物；调节蛋白酶催化物的pH值，与纤维素酶混合，在40～45℃下搅拌反应34～38h，得到纤维素酶催化物；将纤维素酶催化物过滤，得到滤液，将所述滤液与氧化镁混合，再与含钙物质混合、反应后，得到反应物，将所述反应物与山梨酸钾、蔗糖混合，得到设施酸化土壤改良剂。采用本发明提供的方法制备得到的设施酸化土壤改良剂不仅提高了酸性土壤的pH值，还提高了播种植物的出芽率。

Description

一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法和应用
技术领域
本发明属于农业固体废物资源化利用与土壤修复技术领域，尤其涉及一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法和应用。
背景技术
设施农业已成为中国生产蔬菜的主要种植方式，受设施农业高强度连续种植生产方式的影响，在土壤缓冲能力较差的地区，设施表层土壤(0-40cm)经过4-5年以上连续种植后会普遍表现出明显的酸化现象，不利于作物生长。原因主要为，设施农业生产过程为维持高产量，会大量投放有机肥和过量的氮肥，会使过多的有机质和氮素在土壤中不断累积，在设施农业高复种指数的背景下，土壤有机质的矿化和氮的循环会使加速土壤的酸化过程。具体的：有机质会与土壤中的Ca+和Mg+等非酸性阳离子形成水溶性复合物，被溶解Ca+、Mg+等碱性阳离子的容易淋失；同时，有机质中含量大量的酸性基团可以离解出H+，使有机分子上存在大量的负电荷点位，并使有机质具有较高的阳离子交换量(CEC)；由于氨类氮肥(硫酸铵、尿素等)肥效较好，是设施农业生产中倾向使用的氮肥，过量施用的情况下，没被植物吸收的NH4 +会在土壤微生物氧化作用下会生成NO3 -，硝化过程中一个NH4 +会产生两个H+促进了土壤酸化的过程。此外，在生产环境上，由于设施生产上灌溉水只以满足作物生长为主，缺少自然降水情况下的有效淋洗，表层土壤中的H+和盐离子不易被带入深层土壤，高温高湿的生产条件又使得土壤矿化过程加快，助推了设施表层土壤的酸化，使得长期连续种植后的设施表层土壤不再适合种植。
常规的减少土壤酸度提高土壤pH的方式是向土壤中施用碱性材料，如碳酸钙、生石灰、熟石灰等，以提供弱酸物质的共轭碱，来中和土壤中H+并形成弱酸的阴离子，减少土壤的酸度。但在实际使用中，需大量的碱性材料施用并与土壤充分的混合后才能起到较好的效果，如把pH5.0的沙壤土提高到pH 6.0需要在一亩土地上，持续投入1吨的碳酸钙2年以上并充分混合。这种措施在大田情况下较好操作并经济可行，但对设施农业，受现有生产条件下普遍的存在的立柱、管路以及设施面积等限制大型翻耕与碱性污染抛洒设备不易在设施中施展；同时，该方法的使用需要在作物生长间隔期进行，在设施农业常年持续循环种植的需求下，亟需一种可在设施生产中边生产边修复土壤酸化的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法和应用，采用本发明提供的方法制备得到的设施酸化土壤改良剂不仅能够修复土壤，还能够提高植物的出芽率。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法，包括以下步骤：
1)将酒糟与水混合、调节pH值为4～4.2，得到调节酒糟；
2)将所述步骤1)得到的调节酒糟与酸性蛋白酶混合，在45～50℃下搅拌反应22～26h，得到蛋白酶催化物；
3)调节步骤2)所述蛋白酶催化物的pH值为4.6～4.8，与纤维素酶混合，在40～45℃下搅拌反应34～38h，得到纤维素酶催化物；
4)将所述步骤3)得到的纤维素酶催化物过滤，得到滤液，将所述滤液与氧化镁混合，再与含钙物质混合、反应后，得到反应物，将所述反应物与山梨酸钾、蔗糖混合，得到设施酸化土壤改良剂。
优选的，所述步骤1)酒糟与水的质量比为1:3-5。
优选的，所述酒糟的粒径为0.3～0.5mm。
优选的，所述步骤2)酸性蛋白酶的添加量按所述酸性蛋白酶的酶活力单位计算，为每万酶活力单位添加调节酒糟的干物质量的0.1～0.2％。
优选的，所述步骤3)纤维素酶的添加量按所述纤维素酶活力单位计算，为每万酶活力单位添加反应物的干物质质量的0.2～0.5％。
优选的，所述步骤4)氧化镁在滤液中的浓度为0.2～0.4g/L。
优选的，所述含钙物质包括氧化钙和/或碳酸钙；
所述含钙物质的添加量为滤液的质量的25～40％。
优选的，所述步骤4)山梨酸钾占反应物的体积含量为0.3～0.5‰。
优选的，所述步骤4)蔗糖占反应物的质量含量为0.1～0.3％。
本发明还提供了上述技术方案所述的方法制备得到的设施酸化土壤改良剂在提高植物出芽率中的应用。
本发明提供了一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法，以酒糟为主要原料，通过酸性蛋白质酶和纤维素酶的对酒糟的酶催化处理，使酒糟中的蛋白质转化为氨基酸，纤维素降解为多糖类；通过添加钙、镁碱，在中和酒糟发酵、前处理过程中产生的酸的同时，形成钙、镁离子(Ca2+、Mg2+)和氨基酸(RCHNH2COOH)的复合有机物体系。施用时，体系中的氨基酸除能够直接被植物吸收外，还能土壤微生物的作用下氧化形成CO2并提供能量刺激土壤微生物的生长；氨基酸被吸收分解后，有机复合体系中的钙、镁离子能被土壤胶体吸附，并替换出土壤胶体上的H+和Al3+，改变了土壤胶体吸附的离子构成，使土壤酸饱和度下降；体系中的乙酸根能够与Al3+生成Al(CH3COO)2OH或Al(OH)3，等同于提供了共轭碱，减少土壤酸化的离子基础，并降低铝毒作用；此外，游离出的Ca2+和Mg2+在补充土壤淋失的非酸性阳离子的同时，能够作为养分离子被植物吸收利用，是土壤酸化后对植物钙、镁养分的有效补充；同时，有机体系中的钙、镁离子容易沿土壤剖面向下淋溶，提高土壤中活性钙含量和pH，并提供植物生长所需要的镁离子，修复深层土壤。可以说，通过本发明设计技术方案形成的土壤改良剂在土壤中的施用，能分别从H+离子替换，土壤酸饱和度降低，铝毒消减，钙、镁养分补充等角度，综合改善设施农业土壤长时间耕作产生的酸化及产生的附带不利于植物生长状况。该土壤改良剂改变了常规施用石灰类物质多受翻耕深度限制，在土壤具有较高的阳离子交换量(CEC)时短期内仅对添加石灰土层起作用的问题。在设施农业缺乏有效淋溶的背景下，可做到随水修复，在设施农业土壤少休耕的背景下可实现边生产边修复，确保生产的连续性。
具体实施方式
本发明提供了一种利用酒糟生产设施酸化土壤改良剂的方法，包括以下步骤：
1)将酒糟与水混合、调节pH值为4～4.2，得到调节酒糟；
2)将所述步骤1)得到的调节酒糟与酸性蛋白酶混合，在45～50℃下搅拌反应22～26h，得到蛋白酶催化物；
3)调节步骤2)所述蛋白酶催化物的pH值为4.6～4.8，与纤维素酶混合，在40～45℃下搅拌反应34～38h，得到纤维素酶催化物；
4)将所述步骤3)得到的纤维素酶催化物过滤，得到滤液，将所述滤液与氧化镁混合，再与含钙物质混合、反应后，得到反应物，将所述反应物与山梨酸钾、蔗糖混合，得到设施酸化土壤改良剂。
本发明对所述酒糟的来源没有特殊限定，采用常规酿酒后产生的酒糟即可。在本发明中，所述酒糟优选为高粱酒糟或玉米酒糟。在本发明中，所述酒糟的粒径优选为0.3～0.5mm。
在本发明中，所述酒糟与水的质量比优选为1:3～5。本发明优选使用氢氧化钾或乙酸调节pH值为4.6～4.8。
在本发明中，所述酸性蛋白酶的添加量优选按所述酸性蛋白酶的添加量按所述酸性蛋白酶的酶活力单位计算，为每万酶活力单位添加调节酒糟的干物质量的0.1～0.2％。本发明对所述酸性蛋白酶的来源没有特殊限定，采用常规市售产品即可。在本发明中，所述调节酒糟与酸性蛋白酶混合，优选在45～50℃下搅拌反应24h。在本发明中，所述纤维素酶的添加量优选按所述纤维素酶的添加量按所述纤维素酶活力单位计算，为每万酶活力单位添加反应物的干物质质量的0.2～0.5％。本发明对所述纤维素酶的来源没有特殊限定，采用常规市售产品即可。在本发明中，所述蛋白酶催化物与纤维素酶混合后，优选在40～45℃下搅拌反应36h。
本发明对所述过滤没有特殊限定，采用常规过滤酶催化物的条件即可。
在本发明中，所述氧化镁在滤液中的浓度优选为0.2～0.4g/L，更优选为0.3g/L。在本发明中，所述含钙物质优选包括氧化钙和/或碳酸钙，所述含钙物质的添加量为滤液的质量的25～40％。在本发明中，所述滤液与氧化镁混合，再与含钙物质混合、反应，所述反应完全的标准是含钙物质不再出现气泡。在本发明中，所述山梨酸钾占反应物的体积含量优选为0.3～0.5‰。在本发明中，所述蔗糖占反应物的质量含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.2％。
本发明还提供了上述技术方案所述的方法制备得到的设施酸化土壤改良剂在提高植物出芽率中的应用。在本发明中，所述植物优选包括茼蒿或菠菜。本发明对所述设施酸化土壤改良剂的使用方法没有特殊限定，采用常规土壤改良剂的使用方法即可。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
取高粱酒糟5kg，经粉碎机粉碎后得粒径0.3mm的粉末，加水25kg搅拌均匀，此时经测定pH值为3.6，盐度0.02％，添加KOH粉末5.8g，调节pH值至4.1，添加15万U/g的酸性蛋白酶(盛夏牌，APRL型)0.5ml，50℃混合加入搅拌24h，反应后测定反应液氨基酸含量为4.7％，添加KOH待反应液pH值达到4.6后，添加5万U/g的纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司)2g，均温42℃处理36h；投加MgO粉末8g，待其充分溶解后，添加CaCO3粉末至不在出现气泡为止，此时反应液的pH值为5.2，盐度为0.13％。分别添加山梨甲酸7.5g和蔗糖50g即完成修复剂的配置。
选择连续6年设施土壤作为实验室对象，进行茼蒿出芽实验。供试土壤取自沈阳市苏家屯区，该土壤经常年叶菜类连续耕作酸化问题显著，pH值为4.6(水土比1:2.5)，已无法种植茼蒿。选用上述土壤修复剂，稀释100倍后作为灌溉水进行实验，灌溉水量为3.5-5立方米/亩，分2-3次以喷灌后滴灌形式灌溉并避免漫灌，10天后测定土壤pH及出芽状况。对照实验为常规灌溉水，灌溉水量田间管理等均与修复剂处理相同。茼蒿品种为市售常规品种，出芽率为89％。结果见表1。
表1高粱酒糟修复剂茼蒿出芽实验结果
Figure BDA0002534749500000051
实施例2
取玉米酒糟3kg，粉碎后得粒径0.2mm粉末，加水15kg搅拌均匀，经测定pH值为3.3，盐度0.03％，添加KOH粉末7.8g，调节pH值至4.0，添加15万U/g的酸性蛋白酶(盛夏牌，APRL型)0.3ml，48℃混合加入搅拌24h，处理后反应液氨基酸含量为3.9％，添加KOH待反应液pH值达到4.4，添加5万U/g的纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司)1.2g，均温42℃处理36h；投加MgO粉末6g，待其充分溶解后，添加CaCO3粉末至不在出现气泡为止，此时反应液的pH值为5.1，盐度为0.17％。分别添加山梨甲酸4.5g和蔗糖30g配制成玉米酒糟土壤修复剂。
以沈阳市辽中区，连续耕作11年的设施土壤进行改良效果试验，供试品种为菠菜。处理前该土壤的pH为4.9(水土比1:2.5)。采用制备后的玉米酒糟土壤修复剂，进行出芽实验，具体为：将供试土壤过2mm筛后作为育苗土，做苗床，铺设均匀后放入种子，埋深0.5cm，覆盖原土，以稀释100倍的修复剂作为灌溉水，均匀布洒后覆盖塑料薄膜，不定期观察出苗情况，7天后统计总体发芽率。供试品种为菠菜，市售，出芽率为94％。结果见表2。
表2玉米酒糟修复剂菠菜出芽实验结果
Figure BDA0002534749500000061
通过两种常见叶菜的酸性土壤改良出芽实验，可以发现经本发明对高粱和玉米酒糟处理后的生产的土壤改良剂，能够提高设施酸化土壤的pH值并与对照相比提高了供试茼蒿、菠菜两种叶菜的出芽率，具有显著的技术优势；同时，该产品可直接与灌溉水一同施用，减少了设施农业生产中为改善土壤酸化的额外投入就要生产便利性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用酒糟生产的设施酸化土壤改良剂在提高叶菜种子出芽率中的应用，其特征在于，所述设施酸化土壤改良剂的生产方法包括以下步骤：
1)将酒糟与水混合、调节pH值为4～4.2，得到调节酒糟；
2)将所述步骤1)得到的调节酒糟与酸性蛋白酶混合，在45～50℃下搅拌反应22～26h，得到蛋白酶催化物；
3)调节步骤2)所述蛋白酶催化物的pH值为4.6～4.8，与纤维素酶混合，在40～45℃下搅拌反应34～38h，得到纤维素酶催化物；
4)将所述步骤3)得到的纤维素酶催化物过滤，得到滤液，将所述滤液与氧化镁混合，再与含钙物质混合、反应后，得到反应物，将所述反应物与山梨酸钾、蔗糖混合，得到设施酸化土壤改良剂。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤1)酒糟与水的质量比为1:3～5。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述酒糟的粒径为0.3～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤2)酸性蛋白酶的添加量按所述酸性蛋白酶的酶活力单位计算，为每万酶活力单位添加调节酒糟的干物质量的0.1～0.2％。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤3)纤维素酶的添加量按所述纤维素酶活力单位计算，为每万酶活力单位添加反应物的干物质质量的0.2～0.5％。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤4)氧化镁在滤液中的浓度为0.2～0.4g/L。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述含钙物质包括氧化钙和/或碳酸钙；
所述含钙物质的添加量为滤液的质量的25～40％。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤4)山梨酸钾占反应物的体积含量为0.3～0.5‰。
9.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤4)蔗糖占反应物的质量含量为0.1～0.3％。
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