CN115521789A - 提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂及制备方法 - Google Patents

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张雅博
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Abstract

本发明公开了一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂及制备方法，其中生物调理剂包括硝态氮同化菌、粘土矿物、有机物料，所述硝态氮同化菌的添加量是粘土矿物质量的0.1～2倍，有机物料的添加量是粘土矿物质量的0.2～3倍，所述粘土矿物吸附固定硝态氮同化菌，并与有机物料黏结造粒形成团粒状或块粒状结构，所述生物调理剂中的硝态氮同化菌的活菌数每克大于1×109个。本发明通过简单的物理手段将硝态氮同化功能菌固定于粘土矿物表面，并与有机物料结合制作形成一种土壤生物调理剂，便于运输和田间施用；结构复杂的有机物料可为硝态氮同化功能菌的繁殖与功能发挥提供能量和养分，提高农田土壤的硝态氮同化能力，降低氮素淋失的风险。

Description

提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂及制备方法
技术领域
本发明属于农业面源污染防治技术领域，具体地说，涉及一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂及制备方法。
背景技术
施用氮肥是提高农作物产量，保障国家粮食安全的必要措施。同时，氮肥施用也会导致土壤中的硝酸盐大量累积。据研究报道，我国主要旱地土壤0-4m剖面中的硝态氮累积量最高可达每公顷2155kg。硝态氮属氧化态、阴离子，易通过径流、淋溶、反硝化等过程损失，造成河流、地下水的硝酸盐污染以及温室气体的排放。因此，控制农田土壤中硝酸盐的累积，是提高氮肥利用率、减少氮肥损失产生污染的重要途径。
硝态氮的微生物同化过程将硝态氮转化为微生物氮，可以避免硝态氮的淋溶、径流和反硝化损失。同时，微生物同化硝态氮生成的微生物量氮还可进一步发生再矿化释放出铵态氮供作物吸收利用。因此，提高农田土壤的硝态氮同化能力，有望成为阻控硝态氮淋失的一个新思路。
在研究过程中，人们发现农业利用可以使得亚热带森林土壤的硝态氮同化能力显著降低，并且真菌硝态氮同化能力的下降幅度(81％)明显降低细菌(61％)。同时，也有学者筛选出了一些具有硝化能力的微生物，如巨大芽孢杆菌，并在实验室条件下实现了硝酸盐的同化去除。然而，由于农田土壤硝态氮的同化能力还受到有效碳源的影响，仅仅施加硝态氮同化的菌剂可能并不能有效提高农田土壤的硝态氮同化能力，也不利于大规模的工程应用。添加一定量的葡萄糖或者秸秆等有机物料也可以提高促进土壤进行硝态氮的同化，但其效果也因有机物料的用量、性质和施用时间的不同而有很大差异。同时，有机物料中的易分解成分过高还有可能刺激土壤的反硝化过程，导致氮素损失和温室气体N2O的排放。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂及制备方法。为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：
一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，包括硝态氮同化菌、粘土矿物、有机物料，所述硝态氮同化菌的添加量是粘土矿物质量的0.1～2倍，有机物料的添加量是粘土矿物质量的0.2～3倍，所述粘土矿物吸附固定硝态氮同化菌，并与有机物料黏结造粒形成团粒状或块粒状结构。
进一步地，所述生物调理剂中的硝态氮同化菌的活菌数每克大于1×109个。
所述的生物调理剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，筛选制备粘土矿物粉末，将粘土矿物原矿分散在去离子水中，经过150～200r/min搅拌、洗涤2～4次，静置5～40min后去除上覆水，在40～100℃条件下干燥12～24h，粉碎过100目筛，得到粘土矿物粉末；
步骤2，筛选制备有机物料，依据碳氮比和木质素含量，选用合适品种的有机物料，将获得的有机物料在40～100℃条件下干燥12～24h，使用植物粉碎机粉碎过10目筛，得到有机物料；
步骤3，繁殖扩增菌体，将硝态氮同化菌接种活化后接种至硝态氮培养液中，按照0.5～2L/min的速度通入无菌空气，在25℃条件下培养24～120h直至获得相应数量的硝态氮同化菌；
步骤4，附着固定菌体，使用无菌水将培养获得的硝态氮同化菌的菌液稀释2～6倍后，按照粘土矿物质量的0.1～2倍的量将稀释的菌液并均匀撒至粉末状的粘土矿物表面，并在搅拌机内搅拌10～20mim，确保菌剂均匀附着固定在粘土矿物表面；
步骤5，混合搅拌造粒，按照粘土矿物质量0.2～3倍的量加入经过粉碎的有机物料，使用搅拌机搅拌10～20mim使有机物料与粘土矿物均匀混合、充分黏结，随后风干造粒获得生物调理剂。
进一步地，所述步骤3中硝态氮培养液按照每升无菌水中添加4.72g硝酸钾、磷酸二氢钾0.5g、磷酸氢二钾0.14g、七水合硫酸镁0.2g、柠檬酸钠0.2～10g，淀粉5～10g、蔗糖3～6g的比例配置。
进一步地，所述粘土矿物为蒙脱土、膨润土、高岭土、伊利石、凹凸棒、埃洛石、海泡石、蛭石、绿泥石中的至少一种。
进一步地，所述粘土矿物为市售粘土矿物粉末或通过粘土矿物原矿制备得到的粘土矿物粉末。
进一步地，所述硝态氮同化菌为包含nasA、napA和narG基因的硝态氮同化功能菌，所述硝态氮同化菌的硝态氮同化率达高于75％。
进一步地，所述有机物料采用成熟的玉米茎、小麦秸秆、锯木屑、甘蔗渣、黑麦草。
进一步地，所述有机物料的尺寸为0.5mm～10mm。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明通过简单的物理手段将硝态氮同化功能菌固定于粘土矿物表面，便于运输和田间施用；结构复杂的有机物料可为硝态氮同化功能菌的繁殖与功能发挥提供能量和养分，能够较大程度增加土壤中硝酸盐同化功能基因的丰度，提高农田土壤的硝态氮同化能力，降低氮素淋失的风险。本发明组成成分简单，使用效果显著，能够进行大规模的投入使用，提高经济效益。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本发明生物调理剂的结构组成示意图；
图2是本发明制作流程示意图；
图3是本发明生物调理剂对不同土壤中硝态氮淋溶的阻控作用结果示意图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
如图1至图3所示，本实施例的一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂及制备方法，其中生物调理剂包括硝态氮同化菌、粘土矿物、有机物料，硝态氮同化菌的添加量是粘土矿物质量的0.1～2倍，有机物料的添加量是粘土矿物质量的0.2～3倍，粘土矿物吸附固定硝态氮同化菌，并与有机物料黏结造粒形成团粒状或块粒状结构。生物调理剂中的硝态氮同化菌的活菌数应达到每克1×109个以上。通过培养增殖、附着固定等手段，将包含nasA、napA和narG其中一种或多种基因的硝态氮同化功能菌固定于粘土矿物表面，便于运输和田间施用。结构复杂的有机物料可为硝态氮同化功能菌的繁殖与功能发挥提供能量和养分，进而提高农田土壤的硝态氮同化能力，降低氮素的淋失风险。
生物调理剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，筛选制备粘土矿物粉末，可以直接购买市售的粘土矿物粉末，或者采用经过处理的粘土矿物原矿。粘土矿物原矿的处理过程为：将粘土矿物原矿分散在去离子水中，经过150～200r/min搅拌、洗涤2～4次，静置5～40min后去除上覆水，在40～100℃条件下干燥12～24h，粉碎过100目筛，得到粘土矿物粉末。其中粘土矿物可以采用蒙脱土、膨润土、高岭土、伊利石、埃洛石、海泡石、蛭石、绿泥石中的至少一种。
步骤2，筛选制备有机物料，依据碳氮比和木质素含量，选用合适品种的有机物料，将获得的有机物料在40～100℃条件下干燥12～24h，使用植物粉碎机粉碎过10目筛，得到有机物料。其中有机物料需要有较为复杂的化学结构，且其碳氮比应高于30，木质素含量大于5％，可以采用成熟的玉米茎、小麦秸秆、锯木屑、甘蔗渣、黑麦草等。有机物料在晒干后，使用植物粉碎机进行粉碎，使它的尺寸在0.5mm～10mm之间。
步骤3，繁殖扩增菌体，将硝态氮同化菌接种活化后接种至硝态氮培养液中，按照0.5～2L/min的速度通入无菌空气，在25℃条件下培养24-120h直至获得相应数量的硝态氮同化菌。硝态氮同化菌的菌株应包含nasA、napA和narG等硝态氮同化相关的功能基因(包含其中一种即可)，且在实验室条件下5天的硝态氮同化率达75％以上。如部分公知的巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)以及假单胞菌(Pseudomonas)和肠杆菌(Enterobacter)均符合上述条件。
其中采用的硝态氮培养基的配方为：每升无菌水中添加4.72g硝酸钾、磷酸二氢钾0.5g、磷酸氢二钾0.14g、七水合硫酸镁0.2g、柠檬酸钠0.2～10g，淀粉5～10g、蔗糖3～6g。
步骤4，附着固定菌体，使用无菌水将培养获得的硝态氮同化菌的菌液稀释2～6倍后，按照粘土矿物质量的0.1-2倍的量将稀释的菌液均匀撒至粉末状的粘土矿物表面，并在搅拌机内搅拌10～20mim，确保菌剂均匀附着固定在粘土矿物表面；
步骤5，混合搅拌造粒，按照粘土矿物质量0.2～3倍的量加入经过粉碎的有机物料，使用搅拌机搅拌10～20mim使有机物料与粘土矿物均匀混合、充分黏结，随后风干造粒获得生物调理剂。
由此可见，制备过程主要是将菌剂通过粘土矿物与有机物料充分黏结，以获得一种便于运输和田间施用的土壤生物调理剂。生物调理剂采用的现有的材料，也不涉及菌种的筛选与相关材料的改进，只是通过物理手段将硝态氮同化菌剂与有机物料结合制作形成一种新型土壤生物调理剂，原料简单易得，制备方法简单，且能够投入大规模的使用。提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，能够应用于农业生产的面源污染防治，例如，阻控农田硝酸盐淋溶导致地下水硝酸盐污染的问题，且在设施农田土壤硝态氮阻控等领域有更大的应用价值。
通过土柱模拟实验，将制备的生物调理剂施入土层下方30cm处，通过模拟降水事件来研究其对硝态淋溶的阻控效果。具体的操作步骤为：
1、制备含有假单胞菌(Pseudomonas)和肠杆菌(Enterobacter)、小麦秸秆和凹凸棒土的生物调理剂；
2、制作直径20厘米，高1米的圆形土柱，按照每平方米1.3千克的用量将生物调理剂埋入土层下方30厘米处；
3、按照每公顷150千克氮的用量将尿素溶解后均匀施入土壤表层；
4、在施用化肥10天后，按照90毫米的降水量模拟降雨事件；
5、在土柱下方收集淋溶液，测定淋溶液的体积和硝态氮(NO3 --N)的含量。
试验一：调理剂中小麦秸秆与凹凸棒的质量比为1:1，菌的数量达到1.8×109个/克；
试验二：调理剂中小麦秸秆与凹凸棒的质量比为2:1，菌的数量达到1.8×109个/克；
试验三：调理剂中小麦秸秆与凹凸棒的质量比为3:1，菌的数量达到1.8×109个/克；
上述三个实验在棕壤中进行对比实验，其区别点在于调理剂的比例不同。结果显示调理剂中小麦秸秆与凹凸棒土的质量比为2:1，菌的数量达到1.8×109个/克时，硝态氮淋溶的阻控作用最好。
试验四，调理剂中小麦秸秆与凹凸棒土的质量比为2:1，菌的数量达到1.8×109个/克，分别在棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土中进行对照试验，对照组中不添加生物调理剂，但是所有处理的肥料、降水与添加调理剂的试验组保持一致。
图3为添加生物调理剂对棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土中硝态氮淋溶的阻控作用，结果显示添加本发明专利所制备的生物调理剂可使不同土壤中的硝态氮淋失减少，发现添加生物调理剂可以使不同类型土壤的硝态氮淋失量减少约40％～70％。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (9)

1.一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，其特征在于：包括硝态氮同化菌、粘土矿物、有机物料，所述硝态氮同化菌的添加量是粘土矿物质量的0.1～2倍，有机物料的添加量是粘土矿物质量的0.2～3倍，所述粘土矿物吸附固定硝态氮同化菌，并与有机物料黏结造粒形成团粒状或块粒状结构。
2.根据权利要求1所述的一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，其特征在于：所述生物调理剂中的硝态氮同化菌的活菌数每克大于1×109个。
3.如权利要求1所述的生物调理剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，筛选制备粘土矿物粉末，将粘土矿物原矿分散在去离子水中，经过150～200r/min搅拌、洗涤2～4次，静置5～40min后去除上覆水，在40～100℃条件下干燥12～24h，粉碎过100目筛，得到粘土矿物粉末；
步骤2，筛选制备有机物料，依据碳氮比和木质素含量，选用合适品种的有机物料，将获得的有机物料在40～100℃条件下干燥12～24h，使用植物粉碎机粉碎过10目筛，得到有机物料；
步骤3，繁殖扩增菌体，将硝态氮同化菌接种活化后接种至硝态氮培养液中，按照0.5～2L/min的速度通入无菌空气，在25℃条件下培养24～120h直至获得相应数量的硝态氮同化菌；
步骤4，附着固定菌体，使用无菌水将培养获得的硝态氮同化菌的菌液稀释2～6倍后，按照粘土矿物质量的0.1～2倍的量将稀释的菌液并均匀撒至粉末状的粘土矿物表面，并在搅拌机内搅拌10～20mim，确保菌剂均匀附着固定在粘土矿物表面；
步骤5，混合搅拌造粒，按照粘土矿物质量0.2～3倍的量加入经过粉碎的有机物料，使用搅拌机搅拌10～20mim使有机物料与粘土矿物均匀混合、充分黏结，随后风干造粒获得生物调理剂。
4.根据权利要求3所述的生物调理剂的制备方法，其特征在于：所述步骤3中硝态氮培养液按照每升无菌水中添加4.72g硝酸钾、磷酸二氢钾0.5g、磷酸氢二钾0.14g、七水合硫酸镁0.2g、柠檬酸钠0.2～10g，淀粉5～10g、蔗糖3～6g的比例配置。
5.根据权利要求1所述的一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，其特征在于：所述粘土矿物为凹凸棒土、蒙脱土、膨润土、高岭土、伊利石、凹凸棒、埃洛石、海泡石、蛭石、绿泥石中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，其特征在于：所述粘土矿物为市售粘土矿物粉末或通过粘土矿物原矿制备得到的粘土矿物粉末。
7.根据权利要求1所述的一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，其特征在于：所述硝态氮同化菌为包含nasA、napA和narG基因的硝态氮通化功能菌，所述硝态氮同化菌的硝态氮同化率达高于75％。
8.根据权利要求1所述的一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，其特征在于：所述有机物料采用成熟的玉米茎、小麦秸秆、锯木屑、甘蔗渣、黑麦草。
9.根据权利要求8所述的一种提高农田土壤硝态氮同化能力的生物调理剂，其特征在于：所述有机物料的尺寸为0.5mm～10mm。
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