CN114455991A - 一种促进水稻生长的磷钾铁三元复合纳米肥料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种促进水稻生长的磷钾铁三元复合纳米肥料及其制造方法，制造方法包括：将纳米氧化铁与磷酸二氢钾混合后煅烧，煅烧后冷却至室温，磨碎，加入溶液中溶解，超声后得到悬浮液。将处理后的营养液用于水稻的种植。本发明所制备的混合煅烧物对水稻有显著的促进作用，并且该混合煅烧物可以起到减少肥料用量且促进植物的生长。
Description
技术领域
本发明属于纳米肥料领域，特别涉及使用纳米粒子与传统磷肥混合后煅烧的对水稻生长有良好效果的新型纳米肥料。具体涉及一种运用于水稻生产的纳米肥料制剂，包含其主要成分、制备方法及其施用方法。
背景技术
水稻是地球上消费最广泛的谷物，也是世界上一半以上人口的主食。2014年，全球水稻产量超过7.4亿吨，中国、泰国、日本和印度尼西亚等亚洲国家主导了全球水稻产量。中国的平均水稻消费量为219克/人/天，几乎比全球平均水平(148克/人/天)高出50％。值得注意的是，中国南方居民的饮食以水稻为主，因此，生活在中国南方水稻种植区的人们每天的水稻消费量实际上要高得多此外，水稻种植也是中国南方偏远农村老年人和妇女的重要收入来源。在当前难以大幅增加水稻种植面积的背景下，利用纳米技术提高水稻产品产量和品质，并减少化肥用量对于促进水稻产业振兴和农业可持续发展具有十分重要的意义。
纳米材料可以依赖其尺寸小比表面积大的特性，更加轻易地进入植物细胞内发挥作用。有研究表明，一定浓度内，纳米材料与传统材料相比，能够以更小的剂量来达到相同的促进效果。此外，传统的磷肥利用率低导致大量磷肥的损失以及磷肥流失带来的一系列水土污染，如水体富营养化等。
煅烧是一种合成纳米粒子传统方法。有研究表明，煅烧温度对所得氧化铁纳米颗粒的微晶尺寸的生长有很大影响，但由于纳米氧化铁在煅烧过程中不活跃，不会再发生氧化，故其化学成分不发生改变。纳米氧化铁和磷酸二氢钾煅烧以后原子之间会重排，颗粒表层结构、形态会发生变化，效果会显著增加。煅烧还能在一定程度上增加肥料的溶解度。但是现在改良土壤的材料煅烧的比较多，煅烧技术没有被用在纳米肥料领域，而纳米氧化铁与磷酸二氢钾混合后煅烧对于提高作物产量有明显的效果，更重要的是，这是农业可持续发展的必然趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种促进水稻生长的磷钾铁三元复合纳米肥料，包含其主要成分、制备方法及其施用方法。
根据本发明的促进水稻生长的磷钾铁三元复合纳米肥料的制造方法，包括如下步骤：
1)将纳米氧化铁与磷酸二氢钾按比例混合。
2)混合后放入马弗炉煅烧。
3)煅烧后冷却至室温，磨碎。
4)加入溶液中溶解，超声后得到悬浮液。
具体情况下，纳米氧化铁与磷酸二氢钾的质量比在1:13.6到1:0.544之间。1:13.6为最优比例。
具体情况下，所述步骤2)中由纳米氧化铁与磷酸二氢钾组成的纳米肥料在300摄氏度煅烧。
具体情况下，所述纳米氧化铁纯度>99.9％，粒径20-30nm。
具体情况下，所述步骤4)中超声时间为10分钟。
具体情况下，所述步骤4)中磨碎后的煅烧物加到去离子水中溶解。
本发明涉及到的新型纳米肥料由纳米氧化铁与磷酸二氢钾混合煅烧物构成。
铁参与植物的呼吸过程，光合过程和新陈代谢。在光合作用中，铁是二氧化碳固定的一个关键因素，缺铁会导致SPAD值下降，从而导致叶片的黄化。进一步通过食物链危害人体，使人患病如贫血。虽然铁在地壳中是一种丰富的元素，但是大部分的铁元素不易被植物吸收，因此施用氧化铁纳米粒子可以促进作物生长。此外，磷酸二氢钾是传统磷肥，其水溶性好，故易从土壤淋出污染环境，且价格昂贵，不是农民的首选肥料。现有技术中，对纳米氧化铁和磷酸二氢钾复合肥的处理方式通常是与多种肥料混合后直接叶面喷施或者根际灌溉，缺点是利用效率低，多次操作，耗时耗力。有研究表明，煅烧温度对所得氧化铁纳米颗粒的微晶尺寸的生长有很大影响，但由于纳米氧化铁在煅烧中不活跃，不会再发生氧化，故其化学成分不发生改变。但纳米氧化铁和磷酸二氢钾煅烧以后原子之间会重排，颗粒表层结构、形态会发生变化，效果会显著增加。有研究证明，煅烧能在一定程度上增加肥料的溶解度。磷酸二氢钾和纳米氧化铁煅烧后成为了一种含有磷钾铁三种有益元素的纳米肥料，避免了多次施肥，节省了劳动力，极大地促进了纳米技术在农业上的应用。
本发明基于农业可持续发展严峻现状，通过配制不同比例的纳米材料混合物，寻找合适的配比与浓度，发明一种新型纳米肥料用于促进水稻生长发育。纳米材料混合物一方面降低传统磷肥的施用量，另一方面促进了水稻的生长。可以大规模生产，具有可行性。
附图说明
图1示出了实施在施加不同浓度的纳米氧化铁与磷酸二氢钾煅烧混合物后，水稻的生长状况。
图2示出了实施施用不同浓度的纳米氧化铁与磷酸二氢钾煅烧混合物后，水稻的A叶片鲜重、B根部鲜重、C株高、D根长。
图3示出了实施施用不同浓度的纳米氧化铁与磷酸二氢钾煅烧混合物后，水稻叶片的相对叶绿素含量。
图4示出了实施施用不同浓度的纳米氧化铁与磷酸二氢钾煅烧混合物后，A、B、C分别为水稻茎部P、K、Fe的含量，D、E、F分别为根部P、K、Fe的含量。
图5示出了实施施用不同浓度的纳米氧化铁与磷酸二氢钾煅烧混合物后，水稻A、B、C分别为茎部Ca、Cu、Zn的含量，D、E、F分别为根部Ca、Cu、Zn的含量。
具体实施方式
下面通过具体的实施例详细说明本发明涉及的一种促进水稻生长的纳米肥料制剂的制备及其使用方法，该实施例仅是用于更具体详细地介绍该发明，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
以下实施例中使用的试剂如下:
纳米氧化铁(纯度>99.9％，粒径20-30nm)购自于上海攀田纳米粉体公司，实验中其他化学试剂均购自北京市化工厂。
实施例
本实施例用于说明本发明所涉及的纳米氧化铁与磷酸二氢钾煅烧混合物在适量浓度下对水稻并没有明显的毒理效应并可以有效促进水稻生长。
中国农业科学院(北京)购买的杂交水稻Y两优900种子，用3％H2O2消毒后，种子置于用蒸馏水润湿的纸上，然后摆放在托盘中(30cm×25cm)，在27℃的培养箱中，在黑暗中培养6天。选择生长均匀的水稻幼苗，将其放入装有200mL 1/2木村溶液的瓶子中。幼苗在(28℃/25℃，16小时/8小时，光/暗)的培养箱中培养7天，培养箱条件为湿度70％，8h/16h。7天后，随机选择水稻幼苗，移栽到加入各个处理的木村营养液中。每组处理如下：
CK：4080mg磷酸二氢钾
W1：300mg Fe2O3 NPs与4080mg磷酸二氢钾混合煅烧物
W2：1500mg Fe2O3 NPs与4080mg磷酸二氢钾混合煅烧物
W3：3000mg Fe2O3 NPs与4080mg磷酸二氢钾混合煅烧物
W4：7500mg Fe2O3 NPs与4080mg磷酸二氢钾混合煅烧物
每组处理均取250mg加入1L营养液中，超声10min。
在水稻生长14天后将其收获，培养结束按照以下方法测定各项指标：
水稻的表型和生理参数：使用直尺和电子天平测定株高、根长、生物量(鲜重)。叶片相对叶绿素的测定：使用手持式相对叶绿素测定仪测定了水稻叶片的相对叶绿素含量。将水稻植株经液氮速冻后用冷冻干燥仪干燥36小时，向100mg样品中加入HNO3：HF为1:2的混合溶液，在微波消解系统(MILESTONE,LabTech,Vergamo,Italy)中消化1小时。然后将消解后的酸性混合物在VB20 LabTech的电板上加热到210℃进行赶酸至溶液减少到1ml。用超纯水稀释残渣，采用ICP-MS测量植物中磷，钙，镁，钾，铁，锌，锰，铜元素的浓度。
数据处理：所有实验均设置3个平行样，每种处理的数据代表平均值±标准偏差(SD)。
结果显示，与只加入磷酸二氢钾对比可知，在四种浓度的纳米材料混合物明显地促进了水稻的生长(图1)，而当Fe2O3NPs浓度过大时会使水稻增长降低。
不同比例纳米氧化铁与磷酸二氢钾煅烧混合物均增加了地上部水稻幼苗的生物量，且呈现出先升高后减少的趋势。在W1,W2,W3,W4地上部生物量分别增加了25％，5％，2％，7％(图2)。由此可知，用少量的Fe2O3NPs代替磷酸二氢钾可以大大促进水稻生长。根部生物量的变化趋势与地上部基本一致，总体生物量均高于对照组。
对于SPAD值，W1,W3,W4的SPAD值均高于对照(图3)。说明加入了Fe2O3NPs后光合作用显著提高，这是符合实际预期的，因为Fe是植物光合过程的重要元素。这也间接促进了水稻生长。
在水稻根部，W1组中P元素含量也显著高于对照组。但W2，W3，W4组呈现出随Fe2O3NPs浓度增加而P递减趋势。对于K的含量，在水稻茎部，W1，W2，W3，W4四个处理中，K元素含量均高于对照组。这表明，低浓度的Fe2O3NPs的存在促进了水稻根部对Fe，P，K元素的吸收，又因为P、K是植物生长所需的必要元素，Fe是水稻生长的有益微量元素。故，纳米氧化铁与磷酸二氢钾煅烧混合物有利于促进水稻生长(图4)。
Fe元素是水稻生长以及光合作用中的重要元素，对于人体来说，铁是血红蛋白的必要成分，参与各种酶的合成和免疫系统的调节。适当补充铁元素可有效预防贫血。在水稻根部中，由于外源添加Fe2O3NPs，在W1,W2,W3,W4地上部生物量分别增加了74％，59％，29％，102％(图4)。然而，过量的Fe元素，将不利于水稻根部的生长，W4根长显著低于对照组(图2)。
除此之外，Ca、Cu、Zn元素是水稻生长的重要营养元素，也将通过食物链影响人体健康。Ca是生物必需的宏观元素，是骨骼和牙齿的重要组成部分。特别是儿童和老年人需要补充足够的Ca来促进生长和预防骨质疏松。Zn也是人体必需的微量元素。适当补充Zn，可增强免疫力，促进食欲，促进儿童体质和智力发展。在水稻茎部，W1，W2，W3，W4四个处理中Ca、Cu、Zn的含量均显著高于对照组(图5)。
经过多次试验后，W1,W2,W3,W4四个处理组在一定程度上对水稻生长都起到促进作用。其中，磷酸二氢钾与纳米氧化铁的质量比分别有1:13.6，1:2.72，1:1.36，1:0.544。综合水稻生理因素，光合作用和营养元素含量等多方面考虑，确定1:13.6为最优比例，此时的煅烧物最有利于水稻生长。
Claims (7)
1.一种促进水稻生长的磷钾铁三元复合纳米肥料的制造方法，包括如下步骤：
1)将纳米氧化铁与磷酸二氢钾按比例混合；
2)混合后放入马弗炉煅烧；
3)煅烧后冷却至室温，磨碎；
4)加入溶液中溶解，超声后得到悬浮液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纳米氧化铁与磷酸二氢钾的质量比在1:13.6到1:0.544之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中由纳米氧化铁与磷酸二氢钾组成的纳米肥料在300摄氏度煅烧。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米氧化铁纯度>99.9％，粒径20-30nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中超声时间为10分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中磨碎后的煅烧物加到去离子水中溶解。
7.一种促进水稻生长的磷钾铁三元复合纳米肥料，包括纳米氧化铁与磷酸二氢钾，由权利要求1-6所述的方法之一进行制造获得。
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2022
- 2022-02-28 CN CN202210187549.0A patent/CN114455991A/zh active Pending
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