CN112005826A - 利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，包括：(1)小球藻母液培养；(2)在水稻秧苗移栽后，将小球藻母液转移至稻田水体中，并使小球藻悬浮在稻田水体中。本发明利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧，该方法不仅能增加稻田水体溶解氧含量，同时还能减少稻田甲烷等温室气体的排放量，对水稻高产稳产和稻田生态效应起重要作用。

Description

利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法
技术领域
本发明涉及水稻种植技术领域，尤其涉及一种利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法。
背景技术
水稻(Oryza sativa L.)是中国第一大口粮作物，其产量约占全国粮食产量的1/3，水稻生产对保障国家粮食安全至关重要。水稻的生育期基本处于淹水环境，这种特殊的泽生生长习性决定了稻田生态系统的独特性，稻田水体在其中起着核心作用，其含有的营养成分、元素比例对水稻生长的影响巨大。
溶解氧(dissolved oxygen，DO)存在稻田水中，作为水稻生长环境中重要的非生物因子，在稻田生态系统中扮演重要角色，直接或间接影响水稻的根系生长及营养元素的吸收利用。根是固定植株、吸收水分、养分和合成多种重要激素的器官，同作为地上部的生长发育息息相关，活力强、发达的根系是保障作为高产稳产的基础。稻田水的溶氧量需达到相对于空气氧浓度的3％～5％才能保证水稻根系的正常活动。当根际氧浓度下降，根系的形态构型建成及通气组织发育受阻，缺氧严重时会发生细胞凋亡。
此外，在稻田生态系统中，浮萍是与水稻种间竞争的物种之一。浮萍长期覆盖于稻田水体表面，与水稻竞争养分和肥力，不仅抑制水稻根系生长，并且间接导致水稻株高和叶宽下降、分蘖数减少，从而显著降低水稻产量。
自然条件下，稻田溶解氧主要来源于大气中氧气的溶解和水稻根系分泌氧。为了营造适宜水稻根系生长的水氧环境，增氧栽培技术不断革新，通过多种手段提高稻田溶氧量。传统灌溉技术包括干湿交替灌溉、厢沟灌溉、畦沟灌溉等，通过改变土壤水分与空气的比例来增加通气性，改善根系生长环境。施加过氧化尿素、过氧化钙等“氧肥”缓慢释放氧气以提高水体溶解氧浓度，同时释放热量以提高土壤温度。利用超微气泡发生装置和磁化设备进行水处理，提高水中溶解氧含量并改变水体物理化学性状，直接进行大田灌溉。增氧栽培技术可有效增加稻田溶解氧含量，提高土壤氧化还原电位，进而刺激土壤微生物活动并提高水稻根系活力，以促进水稻生长、延缓叶片衰老和提升稻米产量及品质。
温室气体的过量排放是全球气候变暖及一系列环境问题的重要根源，水稻田即是农业源温室气体的主要来源之一，排放的最主要温室气体甲烷约占大气甲烷的10％～20％。水稻田长期处于淹水条件，导致土壤气体扩散被阻断，厌氧性菌群数量增多、活性增强，甲烷等温室气体产生量增加。水稻种植面积广、甲烷产生量大，研究影响稻田温室气体排放的因素，推广稻田减排技术和措施，减少温室气体排放，对发展低碳农业、缓解全球变暖具有重要意义。
因此，在水稻种植过程中，急需一种能增氧稻田水体溶氧、减少稻田排放温室气体的方法。
发明内容
本发明提供了一种利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，该方法不仅能增加稻田水体溶解氧含量，同时还能减少稻田甲烷等温室气体的排放量，对水稻高产稳产和稻田生态效应起重要作用。
本发明的具体技术方案如下：
一种利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，包括：
(1)小球藻母液培养；
(2)在水稻秧苗移栽后，将小球藻母液转移至稻田水体中，并使小球藻悬浮在稻田水体中。
小球藻(Chlorella vulgaris)为绿藻纲小球藻科的普生性单细胞绿藻，以光合自养方式生长繁殖。小球藻在天然条件下个体较少，多以人工培养大量繁殖，具有易培养、生长快、适应性强等特点，作为一种高效的光合植物，能够通过光合作用固定二氧化碳，在能量转化和碳元素循环中具有重要的作用。将小球藻添加至稻田水体中，可通过小球藻的光合作用产生氧气，提高稻田水体的溶解氧含量，促进水稻生育期间的水氧协调，同时还能减少甲烷等温室气体的排放量、抑制浮萍生长，对水稻高产稳产和稻田生态效应起重要作用。
步骤(1)包括：
(1-1)将含有小球藻的藻液与BG11培养液混合均匀，在培养箱中进行小球藻母液培养；
(1-2)培养5-7天后，将培养藻液用BG11培养液稀释，再培养5-7天，获得小球藻母液。
优选的，步骤(1-1)和(1-2)中，培养温度为：白天为25-35℃，晚上为15-25℃；光照为1500-2500lx，光照时长为10-14h；湿度为65-75％。
小球藻培养温度为15℃～35℃，该范围内温度越高小球藻活性越强，光合作用增强，产生更多氧气，溶解氧浓度增加。温度过高时，小球藻浓度和溶解氧含量下降。而小球藻液在稻田水中生长的温度与时期相关，小球藻加入稻田的的时期为插秧后。早稻插秧约4月底，气温约白天25℃/夜晚15℃，一季稻在5、6月，气温约白天28℃/夜晚20℃，4～6月的气温都在适宜小球藻生长的温度范围内，不需要挑选特定温度加入藻液。
最优选的，步骤(1-1)和(1-2)中，培养温度为：白天为28℃，晚上为20℃；光照为2000lx，光照时长为12h；湿度为70％。
所述的BG11培养液由15.0g/L NaNO3、2.0g/L K2HPO4、3.75g/L MgSO4·7H2O、1.8g/L CaCl2·2H2O、1.0g/LNa2CO3、0.3g/L柠檬酸、0.3g/L柠檬酸铵、0.05g/L EDTA·2Na、2.86g/L H3BO3、1.86g/L MnCl2·4H2O、0.22g/L ZnSO4·7H2O、0.39g/L Na2MoO4·2H2O、0.08g/L CuSO4·5H2O、0.05g/L Co(NO3)2·6H2O组成。
优选的，步骤(2)中，在水稻秧苗移栽、施基肥后加入小球藻母液。
水稻秧苗移栽后，要经历几天的缓苗适应大田环境，通常在此阶段施基肥，提供充足养分帮助秧苗生根，促进苗期生长。小球藻生长需要氮、磷等营养元素，尤其是氮，能够促进小球藻生长繁殖、增强光合作用。施肥后稻田水中各营养元素的浓度增加，包括氮、磷等植物生长的必需元素，也有利于小球藻的生长繁殖，促进小球藻浓度增加，更快充满水体。此时水中杂藻、浮萍较少，可供给小球藻充分生长的空间。
优选的，将小球藻母液转移至稻田水体中后，稻田水体中小球藻的浓度不低于3×106/ml。
小球藻母液加入稻田水体后浓度不能低于3×106/ml，高于该浓度的小球藻能较快适应稻田水环境、尽早进入对数生长期增加数量，从而较快充满水体。小球藻浓度过低则难以在稻田中扩大生长，小球藻容易聚集成团沉积，低浓度小球藻成团沉积后接受光照减少、繁殖减缓，生长逐渐减缓甚至停止，也更容易被其他有害藻类及浮萍侵占生存空间；小球藻浓度过高导致CO2浓度下降，水体pH值上升，水环境失衡，根系营养吸收，生长反而受抑制。在小球藻生长后期，应注意及时灌水防止藻浓度过高，但在实际田间条件下，小球藻的沉积、雨水降落都保证了小球藻浓度不会过高。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧，该方法不仅能增加稻田水体溶解氧含量，同时还能减少稻田甲烷等温室气体的排放量，对水稻高产稳产和稻田生态效应起重要作用。
附图说明
图1为实施例和对比例中稻田水体的溶解氧含量的测定结果；
图2为实施例和对比例中水稻叶绿素含量的测定结果；
图3为不同温度下小球藻生长的变化趋势；
图4为不同温度下水体溶解氧含量变化趋势；
图5为不同小球藻浓度生长的变化趋势；
图6为不同小球藻浓度的水体溶解氧含量变化趋势。
具体实施方式
实施例1
施加小球藻提高水稻水体中溶解氧含量，具体为：
1、小球藻培养方法。将20ml低浓度藻液和60ml BG11培养液(比例为1：3)倒入100ml锥形瓶，准备多组，混合均匀后，在培养箱中培养，温光条件为白天28℃/晚上20℃，光照2000lx，湿度70％。白天每间隔两小时摇晃锥形瓶，使藻体均匀悬浮在培养液中。培养5-7天后小球藻数量明显增加，藻液由浅绿透明转为深绿色不透明溶液，此时小球藻液达较高浓度，可进行扩大培养。取约40ml藻液转移入1000ml锥形瓶中，以1∶19的比例加入BG11培养液稀释、混匀，在相同条件下培养5-7天后藻液达较高浓度，可倒入水稻盆中。剩余藻液继续扩大培养备用。
2、小球藻转移到水稻盆中生长。将小球藻液倒入水稻盆，等待2-3天至其自然生长充满水体，开始时需经常搅拌使小球藻均匀悬浮在水中，从而继续生长，充分进行光合作用。隔几小时观察小球藻是否沉淀到土壤表面，若沉淀需轻搅泥土表面使小球藻进入水体，保证小球藻在水中扩大生长。水稻苗期需水量大，需每日浇水，如藻量减少应及时补充藻液，保持水稻盆水中藻量充足。所种水稻均为40天苗，初始长势基本一致，在温室中生长，温光条件为白天28℃/晚上20℃，光照2000lx，湿度60％。
3、BG11培养液是藻类生长常用培养液，配方为：Stock1(100ml)：3g NaNO3，0.078gK2HPO4，0.15gMgSO4·7H2O；Stock2(100ml)：0.3g柠檬酸，0.3g柠檬酸铁胺，0.05gEDTA·2Na；Stock3(100ml)：1.9gCaCl2·2H2O；Stock4(100ml)：2gNa2CO3；Stock5(100ml)：0.286g H3BO4，0.181gMnCl2·4H2O，0.022gZnSO4，0.039gNa2MnO4，0.0079gCuSO4·5H2O，0.049gCo(NO3)2·6H2O；分别取以上保存液50ml、2ml、2ml、1ml、1ml，配制成1LBG11培养液。在配制好的培养液中以1∶1的比例加入水稻盆中土壤溶液，可提供有机物等营养物质，还使小球藻在接近水稻水体的环境下生长，有助于小球藻转移到水稻盆栽的水体中后更快适应。
对比例1
无小球藻、定期清理浮萍杂藻的水稻盆栽：
选用和实施例1条件相同的水稻盆栽，定期浇水，但是不施加小球藻，及时清理水体中的浮萍及有害藻类，保持水体澄清。所种水稻均为40天苗，初始长势基本一致，在温室中生长，温光条件为白天28℃/晚上20℃，光照2000lx，湿度60％。
对比例2
无小球藻、不清理浮萍杂藻的水稻盆栽
选用和实施例条件相同的水稻盆栽，定期浇水，但是不施加小球藻，也不清理水体中的浮萍及有害藻类，浮萍生长后铺满水面，为无小球藻时水稻水体的变化情况。所种水稻均为40天苗，初始长势基本一致，在温室中生长，温光条件为白天28℃/晚上20℃，光照2000lx，湿度60％。
选取实施例1利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧方法的水稻盆栽和对比例1和2未施加小球藻的水稻盆栽进行实验，分别测定盆栽水体溶解氧含量和水稻叶片叶绿素含量，进行比较。
溶解氧测定：使用JPB-70A型便携式溶氧仪，在28℃条件下校准仪器，将探测头直接放入水稻盆的水中，读取读数得到水体中的溶解氧含量，测定多盆取平均值。其结果如图1所示。
叶绿素测定：使用SPAD-502型叶绿素测定仪，选择水稻倒三叶进行测定，读取读数得到叶片叶绿素含量数值，测定多株取平均值。其结果如图2所示。
由图1、2可知，实施例1水体的溶解氧含量显著高于对比例1，表明小球藻的光合作用有效增加水稻水体中溶解氧含量；对比例2溶解氧含量最低说明浮萍降低水中溶解氧含量，与水稻争夺氧气。而实施例1、对比例1、对比例2的水稻叶片叶绿素含量基本相同，说明苗期叶片生长受小球藻是否施加的影响较小。这表明施加小球藻的方法能显著提高稻田水体溶解氧含量，协调稻田水氧关系，供给根系充足氧气，还能占据水体空间，有效抑制浮萍生长，避免浮萍争夺水稻氧气。
实施例2
为了优化小球藻生长浓度及温度，进行实验。水稻生长期的温度在15℃～40℃间，在这一范围内设置4个温度为：T1(白天20℃/夜晚12℃)，T2(白天26℃/夜晚18℃)，T3(白天32℃/夜晚24℃)，T4(白天38℃/夜晚30℃)。不同温度下小球藻生长趋势如图3所示，不同温度下水体溶解氧含量变化趋势如图4所示。
小球藻适宜生长的温度范围在10℃～30℃间，在25℃左右生长速度最快。当温度高于30℃，温度越高小球藻生长速度越低，可能由于小球藻受到高温胁迫细胞代谢失衡、光合作用受抑制。因此向稻田加入小球藻的时期不能是温度高于30℃的夏季，应尽早加入。
相同初始浓度的盆栽水中，溶解氧含量均逐渐增加，在T3(32℃/24℃)左右含量最高，但温度较高至T4(38℃/30℃)时溶解氧含量下降。说明溶解氧含量在20～32℃间逐渐增加，但温度过高和过低溶解氧含量较低，在这一温度范围内溶解氧含量能维持较高值。
实施例3
采用血球计数板记数法测量小球藻浓度。
小球藻母液浓度为2.57×107/ml，向面积为0.2m×0.2m、水深5cm的水稻盆栽中分别倒入50ml、100ml、250ml、500ml母液，轻轻搅拌，测量得到各盆的浓度为：C1(0.68×106/ml)，C2(1.42×106/ml)，C3(2.98×106/ml)，C4(5.38×106/ml)，将4盆水稻放入26℃/18℃的温度处理箱中。间隔2天测量藻液浓度和溶解氧含量，溶解氧测定使用JPB-70A型便携式溶氧仪。不同小球藻浓度生长的变化趋势如图5所示，不同小球藻浓度的水体溶解氧含量变化趋势如图6所示。
根据实验结果，小球藻液加入盆栽后的浓度过低时，小球藻繁殖速度缓慢，甚至数量逐渐减少。可能由于小球藻容易聚集沉积，低浓度小球藻沉积后水体中小球藻含量过低，繁殖速度减慢甚至停止。而初始浓度高于3.0×106/ml的盆栽内小球藻正常生长，在第四天左右进入对数生长期生长速度加快，第八天左右生长减缓接近最大数量。因此小球藻加入稻田水体后的初始浓度应高于3.0×106/ml，以确保小球藻能正常繁殖生长。
不同小球藻液初始浓度盆栽水中，溶解氧含量均增加，初始浓度高的溶解氧含量较高，增长幅度较高。但初始浓度低的溶解氧含量先增加后减少，说明溶解氧与小球藻浓度相关，小球藻浓度高且能繁殖生长，溶解氧浓度才不断增加。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，其特征在于，包括：
(1)小球藻母液培养；
(2)在水稻秧苗移栽后，将小球藻母液转移至稻田水体中，并使小球藻悬浮在稻田水体中。
2.根据权利要求1所述的利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，其特征在于，步骤(1)包括：
(1-1)将含有小球藻的藻液与BG11培养液混合均匀，在培养箱中进行小球藻母液培养；
(1-2)培养5-7天后，将培养藻液用BG11培养液稀释，再培养5-7天，获得小球藻母液。
3.根据权利要求2所述的利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，其特征在于，步骤(1-1)中，培养温度为：白天为25-35℃，晚上为15-25℃；光照为1500-2500lx，光照时长为10-14h；湿度为65-75％。
4.根据权利要求3所述的利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，其特征在于，步骤(1-2)中，培养温度为：白天为25-35℃，晚上为15-25℃；光照为1500-2500lx，光照时长为10-14h；湿度为65-75％。
5.根据权利要求4所述的利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，其特征在于，步骤(1-1)和(1-2)中，培养温度为：白天为28℃，晚上为20℃；光照为2000lx，光照时长为12h；湿度为70％。
6.根据权利要求2所述的利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，其特征在于，所述的BG11培养液由15.0g/L NaNO3、2.0g/L K2HPO4、3.75g/L MgSO4·7H2O、1.8g/L CaCl2·2H2O、1.0g/L Na2CO3、0.3g/L柠檬酸、0.3g/L柠檬酸铵、0.05g/L EDTA·2Na、2.86g/L H3BO3、1.86g/L MnCl2·4H2O、0.22g/L ZnSO4·7H2O、0.39g/L Na2MoO4·2H2O、0.08g/L CuSO4·5H2O、0.05g/L Co(NO3)2·6H2O组成。
7.根据权利要求1所述的利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，其特征在于，步骤(2)中，在水稻秧苗移栽、施基肥后加入小球藻母液。
8.根据权利要求1或7所述的利用施加小球藻提高稻田水体溶解氧的方法，其特征在于，将小球藻母液转移至稻田水体中后，稻田水体中小球藻的浓度不低于3×106/ml。
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