CN113475352A - 育秧基质及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种育秧基质及其制备方法。本发明通过优化育秧基质的制备方法、制备条件，并通过微生物在特定条件下发酵形成生物粘结剂，以代替传统化学粘结剂，进而制备得到颗粒育秧基质，解决了传统传统育秧基质环保性能差的技术问题。

Description

育秧基质及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物领域，尤其涉及一种育秧基质及其制备方法。
背景技术
我国农作物秸秆数量大、种类多、分布广，然而因种种原因，大量秸秆资源未被利用，浪费较为严重。目前焚烧的秸秆主要是小麦、水稻和玉米秸秆三大类，秸秆焚烧的区域主要集中在粮食主产省、经济发达地区和大中城市郊区。焚烧秸秆会造成严重的大气污染、降低土壤肥力以及带走土壤水分，破坏耕地墒情等危害。
机插秧是我国水稻种植机械化的发展方向，工厂化育秧是根据机插秧栽培的需要发展起来的新技术，将具有高度自动化设施的智能温室用于水稻育秧，因此对水稻育秧基质的需求和使用将会越来越多,要求也越来越高。无机育秧基质例如珍珠岩、蛭石、沸石等无机材料由于成本过高且不含秧苗需要的养分等原因在实践中较少使用。目前将废弃有机质生产代土育秧基质例如小麦秸秆是主要的原料，可以酒糟配合小麦秸秆、菇渣进行发酵腐熟制得基质原料，再加入蛭石、珍珠岩等辅料进行水稻育秧，使用效果良好。但发酵腐熟的松散基质中含有大量粉尘，使用时扬尘严重，工作环境差。若添加化学粘结剂将基质制成颗粒状，在育秧过程中该化学粘结剂进入土壤后难以被微生物降解，且随着化学粘结剂的不断积累，还会释放出有毒有害物质，严重影响土壤微生态和土壤生产力，不利于土壤的可持续利用。因此，一种绿色环保的育秧基质的出现势在必行。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种育秧基质及其制备方法，以解决相关技术中传统育秧基质的环保性能差的技术问题。
本发明提供了一种育秧基质的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、筛选秸秆高效速腐菌株，制备成菌液，备用；
S2、按体积比为1：(1.3～2)：0.01的比例分别取秸秆粉、水和步骤S1中备用的菌液，先将取好的秸秆粉和水混匀，然后再加入菌液，得初始发酵体系；
S3、将步骤S2中得到的初始发酵体系于第一发酵条件下发酵第一时间，得第一阶段发酵产物；然后将第一阶段发酵产物于第二发酵条件下发酵第二时间，得第二阶段发酵产物；将第二阶段发酵产物于第三发酵条件下发酵第三时间，至整个发酵体系中的生物腐殖酸含量大于或者等于总发酵物干重的30％，得第三阶段发酵产物；
S4、取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒状育秧基质，烘干，得目的育秧基质。
可选地，在步骤S1中，所述秸秆高效速腐菌株为木霉属，微生物保藏编号为CCTCCNO：M 2021509。
可选地，在步骤S2中，所述秸秆粉的目数为：20～200目。
可选地，在步骤S3中，所述第一发酵条件为：发酵温度为23～33℃，相对空气湿度为 75～85％，通气量为3～4.5m3/min；和/或
所述第一时间为1～2天。
可选地，在步骤S3中，所述第二发酵条件为：发酵温度为23～33℃，相对空气湿度为 85～95％，通气量为6～8m3/min；和/或
所述第二时间为1～2天。
可选地，在步骤S3中，所述第三发酵条件为：发酵温度为35～45℃，相对空气湿度为 55～65％，通气量为1.5～2.5m3/min；和/或
所述第三时间为1～2天。
可选地，在步骤S4中，所述取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒状育秧基质，烘干，得目的育秧基质的具体步骤包括：
取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒大小为1～3cm的颗粒状育秧基质，于 100～200℃条件下烘干，收集、封装，得目的育秧基质。
本发明还提供了一种采用如上所述的制备方法制备得到的育秧基质。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明技术中，通过优化降解秸秆的菌株的筛选工艺，获得了秸秆高效速腐菌株；该菌株有效提高了秸秆的降解率，解决了秸秆难降解的难题。
附图说明
图1至图3为本发明一实施例中的不同发酵因素交互作用的3D响应面图和2D等高线图；
图4为本发明一实施例中的不同处理条件下发酵秸秆3天后秸秆的电镜图；
图5为本发明一实施例中的不同育秧基质对秧苗叶龄的影响的结果数据图；
图6为本发明一实施例中的不同育秧基质对秧苗株高的影响的结果数据图；
图7为本发明一实施例中的不同育秧基质对秧苗地上干重的影响的结果数据图；
图8至图10分别为本发明一实施例中的不同育秧基质对秧苗不定根数量、秧苗最长根长及秧苗苗根干重的影响的结果数据图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1至图5，本发明提供了一种育秧基质的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、筛选秸秆高效速腐菌株，制备成菌液，备用；
S2、按体积比为1：(1.3～2)：0.01的比例分别取秸秆粉、水和步骤S1中备用的菌液，先将取好的秸秆粉和水混匀，然后再加入菌液，得初始发酵体系；
S3、将步骤S2中得到的初始发酵体系于第一发酵条件下发酵第一时间，得第一阶段发酵产物；然后将第一阶段发酵产物于第二发酵条件下发酵第二时间，得第二阶段发酵产物；将第二阶段发酵产物于第三发酵条件下发酵第三时间，至整个发酵体系中的生物腐殖酸含量大于或者等于总发酵物干重的30％，得第三阶段发酵产物；
S4、取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒状育秧基质，烘干，得目的育秧基质。
可选地，在步骤S1中，所述秸秆高效速腐菌株为木霉属，微生物保藏编号为CCTCCNO：M 2021509，分类命名为：绿色木霉Trichoderma viride。具体地，该菌株的保藏时间为：2021年5月11日；该菌株的保藏中心为：中国典型培养物保藏中心；保藏单位代码为：CCTCC；保藏单位地址为：湖北省武汉市武昌区八一路299号武汉大学校内，武汉大学保藏中心。
可选地，在步骤S2中，所述秸秆粉的目数为：20～200目。
可选地，在步骤S3中，所述第一发酵条件为：发酵温度为23～33℃，相对空气湿度为 75～85％，通气量为3～4.5m3/min；和/或
所述第一时间为1～2天。
可选地，在步骤S3中，所述第二发酵条件为：发酵温度为23～33℃，相对空气湿度为 85～95％，通气量为6～8m3/min；和/或
所述第二时间为1～2天。
可选地，在步骤S3中，所述第三发酵条件为：发酵温度为35～45℃，相对空气湿度为 55～65％，通气量为1.5～2.5m3/min；和/或
所述第三时间为1～2天。
可选地，在步骤S4中，所述取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒状育秧基质，烘干，得目的育秧基质的具体步骤包括：
取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒大小为1～3cm的颗粒状育秧基质，于 100～200℃条件下烘干，收集、封装，得目的育秧基质。
本发明还提供了一种采用如上所述的制备方法制备得到的育秧基质。
为进一步说明本发明提供的育秧基质的制备方法制备得到的育秧基质的育秧效果，选用以下实施例进行详细阐述。应当理解，下列实施例仅用于说明本发明中育秧基质制备方法的效果，并不限制本发明。
需要说明的是，如无特殊提及，本发明中用到的试剂为常规商用试剂，其均可在市场上购买得到，在实施例文本中不做过多补充说明。
实施例组1不同发酵条件对生物粘结剂产率的影响
1、实验操作：
①利用Box-Behnken设计考察实验中的发酵温度、发酵湿度及通气量3个因素对生物粘结剂产量的影响强度、交互作用情况；实验数据利用Design Expert进行分析，拟合出发酵温度(A)、发酵湿度(B)及通气量(C)与生物粘结剂产量(Y)之间的二次多项回归方程：Y＝36.605+2.438A-0.318B+0.322C-1.137AB-0.062AC+0.506BC-1.369A2-1.230B2-2.360C2。并得到如表1和表2所示及图1至图3所示的结果数据，其中，图1是温度-湿度的相互作用曲面图，图2是温度-通气量的相互作用曲面图，图3是湿度-通气量的相互作用曲面图。
②生物粘结剂的计算：取焦磷酸钠碱液从发酵体系中抽提生物粘结剂(也即生物腐殖酸)；然后于强酸性溶液中，用重铬酸钾将抽提得到的生物粘结剂中的碳氧化成二氧化碳；最后，根据重铬酸钾消耗量和生物粘结剂含碳化，计算发酵体系中的生物粘结剂含量。其中，主要反应为：
C+K2Cr2O7+H2SO4→Cr2(SO4)3+K2SO4+CO2↑+H2O
K2Cr2O7(过剩)+Fe2++4SO4 2-→Cr(SO4)3+K2SO4+Fe3+。
表1不同发酵条件对生物粘结剂产率的影响
组别 温度/℃ 湿度/％ 通气量/(m<sup>3</sup>/min) 生物粘结剂产率/％
实施例1 20 85 2 18.5
实施例2 25 90 3 20.58
实施例3 20 85 2 19.44
实施例4 25 90 3 21.64
实施例5 25 90 3 19.5
实施例6 25 90 3 22.06
实施例7 25 90 3 21.94
实施例8 30 95 4 20.58
实施例9 20 85 2 18.6
实施例10 20 85 2 18.3
实施例11 30 95 4 20.94
实施例12 20 85 2 18.3
实施例13 30 95 4 23.38
实施例14 25 90 3 19.38
实施例15 30 95 4 20.76
表2不同组合条件下的方差分析数据
Figure RE-RE-GDA0003225487160000051
Figure RE-RE-GDA0003225487160000061
2、结果分析：
由表1和表2可知，发酵温度、发酵湿度和通气量均对发酵结果有显著影响。其中，模型的p值＜0.05表示该模型显著；模型的R2＝0.9130，表示模型参数具有高度的相关性；失拟误差P值为0.00468，说明响应面模型对实验拟合的情况较好，实验误差小，且实验数据可以支撑对结果数据的分析和预测。
由图1至图3可知，最优发酵条件由Design Expert通过图形优化来得到。考虑到结合成本和效率，最佳操作参数确定为：X1＝28℃，X2＝92％，X3＝3.5m3/min。重复五次验证试验，实际测得的生物粘结剂产量与预测值基本一致最佳发酵条件下的CS值达到了32.06％，而未经过本发明处理的秸秆的CS值为9.52％；相较于未经处理的秸秆的CS值，经本发明处理后的秸秆的CS值的增长率为236.76％。
实施例组2目的育秧基质得育秧性能试验
1、实验操作：
①筛选得到微生物保藏编号为CCTCC NO：M 2021509的木霉属秸秆高效速腐菌株，制备成菌液，备用；按体积比为1：1.5：0.01的比例分别取秸秆粉、水和步骤①中备用的菌液，先将取好的秸秆粉和水混匀，然后再加入菌液，混匀，得初始发酵体系；将步骤②中得到的初始发酵体系于发酵温度为28℃，相对空气湿度为80％，通气量为3.5m3/min的发酵条件下发酵1～2天，得第一阶段发酵产物；然后将第一阶段发酵产物于发酵温度为 28℃，相对空气湿度为90％，通气量为7m3/min的发酵条件下发酵1～2天，得第二阶段发酵产物；将第二阶段发酵产物于发酵温度为40℃，相对空气湿度为60％，通气量为2m3/min 的发酵条件下发酵1～2天，至整个发酵体系中的生物腐殖酸含量大于或者等于总发酵物干重的30％，得第三阶段发酵产物；取步骤③中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒大小为 1～3cm的颗粒状育秧基质，然后于110℃环境下烘干、收集、封装，得目的育秧基质。取未经本发明制备方法优化处理的秸秆正常发酵作为对照组，和经本发明制备方法优化处理后的发酵3天后的秸秆，于电镜下观察其结构状态，得如图4所示的电镜图(其中，左图为未经本发明优化的秸秆电镜图，右图为经过本发明优化的秸秆电镜图)。
②分别选取同等质量的步骤①中制备得到的传统育秧基质、泥炭基质及目的育秧基质 (市面上可购买得到，分别测定其容重、含水量、总孔隙度、通气孔隙、持水孔隙及大小孔隙比等物理性能，得到如表3所示的结果数据。
③分别选取同等质量的步骤①中制备得到的传统育秧基质、泥炭基质及目的育秧基质，分别测定其pH、有机质含量、全氮含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、碳氮比等化学特性，得到如表4所示的结果数据。
④分别选取同等质量的步骤①中制备得到的传统育秧基质、泥炭基质及目的育秧基质，并分别用其培育秧苗；分别检测地上部分秧苗叶龄、秧苗株高、秧苗地上干重等数据，得到如图5至7所示的结果数据；
⑤分别选取同等质量的步骤①中制备得到的传统育秧基质、泥炭基质及目的育秧基质，并分别用其培育秧苗；分别检测地下部分秧苗不定根数、秧苗最长根长、秧苗干重等数据，得到如图8至10所示的结果数据。
表3不同育秧基质的物理性能
Figure RE-RE-GDA0003225487160000071
表4不同育秧基质的化学性能
Figure RE-RE-GDA0003225487160000072
Figure RE-RE-GDA0003225487160000081
2、结果分析：
由图4可知，经过本发明的制备方法发酵处理后的秸秆结构被明显破坏，呈现无规则形态，大部分纤维素、木质素的去除，使得秸秆的表面变得疏松，秸秆的致密结构遭到破坏且具有部分微孔。
由表3可知，传统育秧基质、泥炭基质及目的育秧基质的物理属性具有显著差异。具体地，传统育秧基质、泥炭基质及目的育秧基质分别属于高容重基质、低容重基质及中容重基质；其中，泥炭基质的容重为传统育秧基质的容重的14％，目的育秧基质的容重为传统育秧基质的容重的21％。应当理解，适宜的容重基质不仅有利于秧苗的地上部分生长及根系下扎，还便于运输。泥炭基质和目的育秧基质的含水量远低于传统育秧基质的含水量，方便运输。同时，关于总孔隙度、持水孔隙、大小孔隙、通气孔隙等物理性能的大小排列顺序均为泥炭基质＞目的育秧基质＞传统育秧基质。
由表4可知，传统育秧基质、泥炭基质及目的育秧基质的的pH值分布在5.0～7.0之间，满足水稻适宜生长的微酸性环境。其中，有机质含量、碱解氮含量及速效磷含量的大小顺序均为：目的育秧基质＞泥炭基质＞传统育秧基质；说明目的育秧基质的肥力最大，泥炭基质的肥力次之，传统育秧基质的肥力最小；目的育秧基质对水稻秧苗生长及根系发育的促进作用最强，泥炭基质对水稻秧苗生长及根系发育的促进作用次之，传统育秧基质对水稻秧苗生长及根系发育的促进作用最弱。碱解氮含量、速效钾含量及碳氮比的大小顺序均为：泥炭基质＞目的育秧基质＞传统育秧基质。
由图5可知，在不同育秧基质培养下的秧苗叶龄变化较大。第10天检测地上部分，测得泥炭基质和目的育秧基质中的秧苗叶龄分别为3.52和3.33，两者均大于传统育秧基质中的秧苗叶龄3.08；且在五次检测中，泥炭基质和目的育秧基质中的秧苗叶龄均明显大于传统育秧基质中的秧苗叶龄。
由图6可知，在五次检测中，泥炭基质和目的育秧基质中的秧苗株高均明显大于传统育秧基质中的秧苗株高；且在第30天检测时，得到泥炭基质和目的育秧基质中的秧苗株高分别为22.36cm和24.11cm，而传统育秧基质中的秧苗株高仅为19.68cm。
由图7可知，在五次检测中，泥炭基质和目的育秧基质中的秧苗地上干重均明显大于传统育秧基质中的秧苗地上干重；且在移栽前泥炭基质和目的育秧基质中的秧苗地上干重分别达到226.41mg/株和209.11mg/株，而传统育秧基质的秧苗地上干重仅为177.32mg/株。
由图8至图10可知，在五次检测中，泥炭基质和目的育秧基质中的秧苗不定根数量均明显多于传统育秧基质中的秧苗不定根数量；其中，移栽前的泥炭基质的秧苗不定根数量为12.89条，目的育秧基质中的秧苗不定根数量为13.02条，而传统育秧基质中的秧苗不定根数量为12.63条。泥炭基质和目的育秧基质中的秧苗最长根长分别为15.23cm和18.01cm，分别是传统育秧基质中的秧苗最长根长的1.43倍和1.69倍。泥炭基质的苗根干重为80.86mg/株，目的育秧基质中的苗根干重为76.04mg/株，传统育秧基质中的苗根干重为72.14mg/株。
综上所述，一方面目的育秧基质的理化性能优于传统育秧基质的理化性能，同时，也无需从田地中取土，更加经济环保；另一方面，在秧苗叶龄、株高、干重等秧苗素质方面，目的育秧基质的使用性能也具有明显的竞争优势，其更有利于秧苗的生长。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种育秧基质的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1、筛选秸秆高效速腐菌株，制备成菌液，备用；
S2、按体积比为1：(1.3～2)：0.01的比例分别取秸秆粉、水和步骤S1中备用的菌液，先将取好的秸秆粉和水混匀，然后再加入菌液，得初始发酵体系；
S3、将步骤S2中得到的初始发酵体系于第一发酵条件下发酵第一时间，得第一阶段发酵产物；然后将第一阶段发酵产物于第二发酵条件下发酵第二时间，得第二阶段发酵产物；将第二阶段发酵产物于第三发酵条件下发酵第三时间，至整个发酵体系中的生物腐殖酸含量大于或者等于总发酵物干重的30％，得第三阶段发酵产物；
S4、取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒状育秧基质，烘干，得目的育秧基质。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述秸秆高效速腐菌株为木霉属，微生物保藏编号为CCTCC NO：M 2021509。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述秸秆粉的目数为：20～200目。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述第一发酵条件为：发酵温度为23～33℃，相对空气湿度为75～85％，通气量为3～4.5m3/min；和/或
所述第一时间为1～2天。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述第二发酵条件为：发酵温度为23～33℃，相对空气湿度为85～95％，通气量为6～8m3/min；和/或
所述第二时间为1～2天。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述第三发酵条件为：发酵温度为35～45℃，相对空气湿度为55～65％，通气量为1.5～2.5m3/min；和/或
所述第三时间为1～2天。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒状育秧基质，烘干，得目的育秧基质的具体步骤包括：
取步骤S3中得到的第三阶段发酵产物制备颗粒大小为1～3cm的颗粒状育秧基质，于100～200℃条件下烘干，收集、封装，得目的育秧基质。
8.一种采用如权利要求1至7任一项所述的制备方法制备得到的育秧基质。
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