微藻-生物炭複合生物肥及其製備方法
2023-05-23 06:31:26
微藻-生物炭複合生物肥及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種微藻-生物炭複合生物肥的製備方法，步驟包括：（1）分離土壤結皮中的代表性光合微生物，製備專屬培養基；（2）在光生物反應器中，利用專屬培養基篩選、培養具有高固氮能力和高固碳能力的藻種；（3）富集微藻；（4）規模化養殖微藻；（5）收集活性微藻；（6）收集生物質熱解所得的生物炭，並幹化處理；（7）將活性微藻和生物炭復配，製備微藻-生物炭基質肥。本發明還公開了用上述方法製備的生物肥。本發明以高固氮能力的微藻與富含有機碳的熱解生物炭為主要基質製備微藻-生物炭複合生物肥，充分發揮了固氮微藻和生物炭各自的優勢，不僅實現了土壤的有效改良和修復，還有利於推動綠色低碳農業的發展。
【專利說明】微藻-生物炭複合生物肥及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物領域，特別是涉及一種生物基複合有機肥及其生產方法。
【背景技術】
[0002]土壤是維持地球表層生態系統生物量的物質基礎，是不可脫離的自然資源和環境，同時還為人類提供包括糧食在內的各種農業、林業以及醫藥原料產品。然而，隨著我國以集約利用為特徵的現代農業的不斷發展，對土地資源環境和人類生存的威脅日益顯現。集約式現代農業的主要特點是通過農用化學品(主要是農藥和化肥等)的高投入來保障和提高糧食作物的產量。我國化肥和農藥的總用量居世界之首，單位土壤面積使用量分別為世界平均水平的3倍和2倍。農膜的年平均殘留量高達35萬噸，殘膜率達40%。大量研究表明，集約農業模式導致土壤生態系統組成趨於單一化，系統生產力和穩定性需要巨大代價才能得以保持。長期施用化肥導致的速效養分積累和養分失衡現象已經相當嚴重，並且這種狀況仍將持續下去，大量使用農藥、除草劑也使農田土壤中這些化學品的殘留量日益增加，對土壤資源環境構成了嚴重威脅。
[0003]雖然我國人均耕地面積僅為1.43畝，顯著低於世界平均水平，且中低產耕地土壤佔總量的65%，但是我國在東部沿海具有較為廣闊的鹽鹼地，在西部地區具有較大面積的沙化土地，這些都是我國的潛在土地資源。因此，如何緩解並阻止農業集約化導致的土壤及農業資源基礎和環境加速惡化的趨勢、將東部沿海鹽鹼地和西部沙化土地等潛在土地資源改良為可用耕地，提高我國土壤質量，維護農業生態環境的穩定性和可持續性，保障食品的安全性以及生命支撐系統的良好狀態，是當前迫切需要解決的重大課題。
[0004]目前，針對土壤退化的主要解決措施包括:物理技術、化學技術以及生物修復技術等。這些方法在一定程度上可以緩解土壤退化問題，但是仍存在以下缺點:(a)物理修復技術不能從本質上改善土壤肥力，而且相關設備價格昂貴、處理成本過高；(b)化學修復法只能在短時間改變退化土壤性質，而且一般化學修復技術都需要用水，所以修復場地要求靠近水源，同時因需要處理廢水而增加成本；(C)生物修復法可增加有機質含量、減少鹽鹼土壤的鹽度和鹼度，但是其修復周期較長，監控和管理較為困難，且修復后土地一般只能作為綠化帶。
[0005]微藻是自然界中存在的天然固氮生物，是地球生態圈中氮循環的重要環節，其分布廣泛，可以在沙漠和鹽鹼地等極端環境生存。固氮微藻通過其細胞中固氮酶的作用，將大氣中游離態的分子氮還原成可供植物利用的氮素化合物，同時在其生長繁殖過程中不斷分泌出胺基酸、多肽等含氮化合物和活性物質，加之固氮微藻死亡後釋放出大量的氨態氮，因而可大大增加土壤肥力。
[0006]生物炭是農林廢棄物經高溫熱解後產生的一種穩定的、富含碳的固相產物。生物炭的多孔性和表面特性能夠為土壤微生物提供附著位點和較大空間，同時調控土壤微環境的理化性質，影響和調控土壤微生物的生長、發育和代謝，進而改善土壤結構。生物炭本身富含有機碳，但是其礦質養分含量通常偏低，其對土壤養分的補充作用不如一般肥料明顯，且不同材料生物炭的礦質養分含量存在較大差異。雖然生物炭本身可直接施入土壤達到改善土壤肥力、增加作物產量的目的，但是由於生物炭的C/N高於其他有機質，使其在土壤中的轉化需要大量的N，嚴重地影響和制約了土壤N的供給。當生物炭施入土壤之後，會和作物爭奪N，從而降低N的有效性。而且，生物炭直接施用於農田，其效果需要一定時間才能實現，在追求糧食增產和提高效益的現實驅動下，單純依靠生物炭增加土壤肥力或改良土壤還存在一定難度。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題之一是提供一種微藻-生物炭複合生物肥的製備方法，它可以改良和修復土壤，增加土壤肥力，提高種植物產量。
[0008]為解決上述技術問題，本發明的微藻-生物炭複合生物肥的製備方法，包括以下步驟:
[0009](I)分離土壤結皮中的代表性光合微生物，製備能代表該土壤原生微生物群落結構的屬地藻種專屬培養基；
[0010](2)在光生物反應器中，利用步驟(I)所得的培養基篩選、培養具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻種；
[0011](3)富集步驟(2)培養的微藻；
[0012](4)在保持微藻活性的條件下，規模化養殖步驟(3)富集的微藻；
[0013](5)收集活性微藻；
[0014](6)收集生物質熱解所得的生物炭，並幹化處理；
[0015](7)將步驟(5)中的活性微藻和步驟(6)中的生物炭復配，得到微藻-生物炭複合生物肥。
[0016]步驟(3)，可以採用重力沉澱、過濾、氣浮或離心的方法富集微藻。
[0017]步驟(4)，可以採用新型薄層乾燥技術、空氣乾燥技術、噴霧乾燥技術、真空乾燥技術或冷凍乾燥技術處理微藻，以保持微藻活性。
[0018]步驟(7)，微藻-生物炭複合生物肥中微藻佔0.1-80%ο
[0019]為了便於包裝、存儲、裝運以及最終的土壤施用，可以對微藻-生物炭複合生物肥進行粉碎化處理，將微藻-生物炭複合生物肥處理成薄片狀、粉末狀或者顆粒狀。
[0020]根據土壤類型，還可以將微藻-生物炭複合生物肥與佔總肥料的比例為0-99.9%的有機肥、禽畜糞便、速效肥、礦渣、農作物廢棄物或生物質熱解殘渣復配。
[0021]本發明要解決的技術問題之二是提供用上述方法製備的微藻-生物炭複合生物月巴。該微藻-生物炭複合生物肥以微藻和生物質熱解所得的生物炭為主要作用基質，並可以針對不同土壤類型(板結或貧瘠土壤、鹽鹼土壤、酸化土壤、受汙染土壤等)，輔以其它常規有機肥、禽畜糞便、速效肥、礦渣、農作物廢棄物或木醋、竹醋類生物質熱解殘渣。
[0022]本發明以高固氮能力的微藻與富含有機碳的熱解生物炭為主要基質製備微藻-生物炭複合生物肥，與傳統土壤肥料相比，具有以下優點和有益效果:
[0023]1.可以充分發揮固氮微藻和生物炭各自的優勢，實現土壤的改良和修復，克服生物炭直接施用的缺陷；
[0024]2.綠色低碳，可以減少化肥農藥施用量，提高土壤肥力和種植植物產量；
[0025]3.可以通過光合作用固定空氣中的CO2 (年固碳量達10g C02/m2/年以上)，實現土壤有機質含量的增加；
[0026]4.可提高土壤酶活性，有利於提高土壤的吸收性能、緩衝性能和抗逆性能，將土壤顆粒膠結起來，變成穩定的團粒結構，改善土壤的物理、化學和生物特性，提高土壤保水、保肥和透氣性能，為作物生長創造良好的土壤環境；
[0027]5.生物肥中含有多種微量元素，其營養元素比較安全，而且這些物質是無毒、無害、無汙染的自然物質，為生產高產、優質、無汙染的綠色有機食品提供了必須條件，可以提高所種植作物的附加值30%以上；
[0028]6.微藻可通過礦化有機磷增加土壤有效磷含量，為其他微生物的生存提供環境條件，從而有利於構建具有廣適性的土壤微生物群落結構。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明的微藻-生物炭複合生物肥的製備流程示意圖。
【具體實施方式】
[0030]為對本發明的技術內容、特點與功效有更具體的了解，現結合附圖，詳述如下:[0031 ] 實施例1微藻-生物炭基肥輔以農作物廢棄物改良沙化/沙漠化土壤
[0032]用BGll缺氮培養基平板法從沙化土壤結皮中多次分離純化出微鞘藻。在60L光生物反應器(1%C02，LED燈光照強度60 μ mo I光子.m_2.s^,25°C )中用上述製備的專屬培養基進行放大培養7天，以篩選、培養具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻種。生物量達到0.9g/L後，用重力沉澱的方法富集微藻並進行規模化養殖。然後，用新型薄層(RW)乾燥技術處理，收集活性微藻，按照微藻:生物炭:農作物廢棄物等於15:35:50的質量比配製複合生物肥。
[0033]施用該複合生物肥後，取得以下效果:
[0034]1.能有效改良沙質土壤團粒結構，土壤中I?5mm的團聚體含量可升高5%以上，隨著此微藻-生物炭基肥施用量的增加和土培時間的延長，土壤大粒級顆粒含量呈顯著增加趨勢，小粒級含量則呈現減少趨勢。
[0035]2.能有效降低沙質土壤容重，土壤容重降幅約3%?5%。
[0036]3.能有效改良沙質土壤的持水性能，對於耕作層(O?20cm) 土壤含水率可提高20%以上。沙質土壤施用此微藻生物肥後，土壤持水性能比對照增加10%。
[0037]4.土壤的空隙率和呼吸能力可提高約5%?10% ;土壤的黏性可提高5%以上。土壤有機質含量增加8%，其氮、磷等營養元素的含量呈明顯上升的趨勢。
[0038]5.能增加土壤營養成分含量，增強土壤保肥能力，改善土壤理化性質，改良土壤結構，提高土壤生長能力和植物在沙化/沙漠化土壤的存活率(改良後，土壤上種植植物的存活率提高20%以上)。
[0039]實施例2微藻-生物炭基肥輔以有機肥及速效肥改良板結或貧瘠土壤
[0040]用BGll缺氮培養基平板法從板結土壤結皮中多次分離純化出念珠藻。在60L光生物反應器(2%C02，LED燈光照強度10ymol光子.m_2.s_\ 25°C )中，用上述製備的可代表屬地板結或貧瘠土壤環境的專屬培養基進行放大培養7天，以篩選、培養具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻種。生物量達到1.2g/L後，用過濾的方法富集微藻，並進行規模化養殖，然後用真空冷凍乾燥技術過夜處理微藻，以使微藻保持活性。最後，收集活性微藻，按照微藻:生物炭:有機肥:速效肥等於10:30:50:10的質量比配製形成複合生物肥。
[0041]在此複合生物肥配方中，土壤微藻具有較強的環境適應能力，能夠充分利用環境條件進行自身的生長、發育和繁殖，發揮改造貧瘠土壤的作用；生物炭能延長傳統有機肥、速效肥養分的釋放期，降低土壤養分的淋失損失；有機肥和速效肥能消除生物炭養分不足的缺陷。施用該肥後，取得了以下效果:
[0042]1.板結土壤的鬆軟度明顯改善，其表層明顯板結的情形消失，土壤粒度分布更加均勻。土壤的呼吸特性提高5%以上，容重降低3%以上。
[0043]2.能有效增加土壤有機質含量，有機質含量可提高20%左右。土壤微藻在其生命活動過程中可持續補充土壤有機物；其代謝活動結束後，土壤微藻生命活動中累積的細胞和胞內物直接補充土壤有機物含量。此微藻生物肥中的生物炭能吸附微藻釋放的土壤有機物，通過表面催化活性促進有機分子聚合形成土壤有機質。
[0044]3.能將土壤中的有效磷含量增加1.5倍以上。微藻死亡並被土壤細菌分解後可釋放有效態磷。同時，土壤微藻對有機磷的礦化作用以及提高土壤PH的功能也促進了土壤中有效磷的增加。
[0045]4.能有效提高土壤中全氮含量，全氮含量可提高15%以上。此微藻生物肥配方中的微藻為固氮藍藻，可通過固氮酶將空氣中的氮轉化為土壤氮，從而增加土壤全氮含量，增強土壤肥力。
[0046]5.具有較高的普適性和高效性，可在所需改良土壤的周邊區域，根據土壤養分現狀和土壤肥力現狀，就地取材，用當地的有機肥和速效肥直接進行復配後施用。
[0047]6.能有效提高土壤作物的產量，同等種植植物平均產量約可提高20%以上。
[0048]實施例3微藻-生物炭基肥輔以鹼性礦渣改良酸化土壤
[0049]用BGll缺氮培養基平板法從酸化土壤結皮中多次分離純化出魚腥藻。在60L光生物反應器(1.5%C02, LED燈光照強度60 μ mo I光子.πΓ2.s^,25°C )中，用上述製備的可代表屬地酸化土壤環境的專屬培養基進行放大培養7天，以篩選、培養具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻種。生物量達到1.0g/L後，用4000Xg離心的方法富集微藻，並進行規模化養殖。然後，進行噴霧乾燥處理，以使微藻保持活性。最後，收集微藻，按照微藻:生物炭:鹼性礦渣(pH值9-12，含質量比35%的CaCl2、40%的CaC03、25%的CaSO4):農作物廢棄物等於15:25:30:30的質量比配製形成複合生物肥。
[0050]施用該肥後，取得以下效果:
[0051]1.能有效提高土壤耕作層(0-20cm)的pH值，使pH值上升0.6-1.5個單位以上。鹼性礦渣具有顯著提高酸性土壤PH的功能，而且活性微藻也可通過光合作用固定空氣中的CO2以及吸收碳酸氫鹽中的CO2，使碳酸氫鹽轉變為碳酸鹽，以及通過分泌出鹼性胞外物來鹼化周圍環境，從而提高土壤pH值。
[0052]2.鹼性礦渣中的鈣離子能彌補酸性土壤中鹼土金屬不足的缺陷，同時鈣質的補充能增加土壤中中量營養元素，促進植物的生長發育。
[0053]3.生物炭能阻礙酸性土壤中鋁離子對植物生長的抑制，降低其對有機和游離磷的影響，使植物生長必須的營養元素磷充分參與植物的生長代謝。此類生物肥也能降低鑰等微量元素的流失，從而有效提高土壤的產能和相應作物的營養價值。
[0054]4.能有效增加土壤有機質含量，有機質含量可提高20%以上。土壤微藻的死亡能使土壤有機物得到補充，而且生物炭能吸附土壤中的小分子有機物，並聚合形成土壤有機質。
[0055]5.能有效提高土壤作物的產量，同等種植植物平均產量約可提高15%以上。
[0056]6.能有效減少傳統肥料的施用量，約可減少10%的傳統化肥施用量。
[0057]實施例4鹽鹼土壤改良
[0058]用BGll缺氮培養基平板法從鹽鹼土壤結皮中多次分離純化出念珠藻。在60L光生物反應器(1%C02，LED燈光照強度80 μ mo I光子.m_2.s—1，25 V )中，用上述製備的可代表屬地鹽鹼土壤環境的專屬培養基進行放大培養7天，以篩選、培養具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻種。生物量達到0.9g/L後，用4000Xg離心的方法富集微藻，並進行規模化養殖。然後，用真空冷凍乾燥技術過夜處理微藻，以使微藻保持活性。最後，收集微藻，按照微藻:農作物廢棄物:生物炭:木醋液等於10:40:35:15的比例配製形成複合生物肥。配方中的木醋液為生物質熱解過程獲得，PH值為2.0?4.0，配比為15%。
[0059]施用該肥後，取得以下效果:
[0060]1.由於木醋液呈現明顯酸性，因此能將鹽鹼土壤耕作層(0-20cm)的pH值降低0.5?1.0個單位以上。
[0061]2.生物炭的微空和高比表面積能增加土壤的透氣性能，能將土壤鹽分含量降低5%?20%以上。
[0062]3.可以增加土壤0.25?2mm級團粒的百分含量，約可增加5%以上，從而可使土壤持水能力提高30%以上。土壤大團粒組分的提高，有助於提高土壤團聚體含量，使土壤結構性能變好。土壤團聚體的增加可以改善土壤的通氣性和透水性，從而提高土壤持水能力。
[0063]4.能有效增加土壤微生物活性，土壤微生物量約可增加35%以上。
[0064]5.能將土壤有機質含量提高25%以上。
[0065]6.土壤的黏性明顯改善，土壤肥力的保持能力和捕積能力提高20%以上。
[0066]6.能使土壤種植植物的抗病蟲害能力提高50%以上，減少農藥施用量約10%以上。
[0067]7.能有效提高土壤作物的產量，同等種植植物平均產量約可提高20%以上。
[0068]實施例5微藻-生物炭基肥修復重金屬或有機物汙染土壤
[0069]用BGll缺氮培養基平板法從汙染土壤結皮中多次分離純化出念珠藻。在60L光生物反應器(1%C02，LED燈光照強度80μπιΟ1光子.πΓ2中，用上述製備的可代表屬地汙染土壤環境的專屬培養基進行放大培養7天，以篩選、培養具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻種。生物量達到0.9g/L後，用4000Xg離心的方法富集微藻，並進行規模化養殖。然後，用真空冷凍乾燥技術過夜處理微藻，以使微藻保持活性。最後，收集微藻，按照微藻:農作物廢棄物:生物炭等於25:45:30的比例配製形成複合生物肥。
[0070]施用該肥後，取得以下效果:
[0071]1.生物肥在土壤中分解，可轉化為各種腐殖酸物質，腐殖酸的高陽離子代換量以及很好的絡合吸附性能可以對重金屬離子有很好的絡合吸附作用。
[0072]2.由於生物炭具有較大的比表面積和較高的表面能，具有結合重金屬離子的強烈傾向，因此能夠較好地去除土壤中的重金屬。
[0073]3.微藻具有顯著增加土壤微生物量的功能，土壤微生物量的增加能改善土壤的生物活性，提高土壤的自我修復能力，促使土壤自我淨化。這些土壤作物根系的微生物能通過代謝活動降解土壤有機汙染物(對多環芳烴的降解率可達90%以上)，從而能夠有效修復土壤有機汙染。
[0074]4.生物炭具有較強的有機汙染物吸附功能，可以減少土壤環境中有機汙染物的轉化和降低其生物有效性。
[0075]5.能提高土壤有機質含量、土壤肥力、土壤微生物活性和土壤作物產量。
【權利要求】
1.微藻-生物炭複合生物肥的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)分離土壤結皮中的代表性光合微生物，製備能代表該土壤原生微生物群落結構的屬地藻種專屬培養基； 2)在光生物反應器中，利用步驟I)所得的培養基篩選、培養具有高固氮能力和高固碳能力的微藻藻種； 3)富集步驟2)培養的微藻； 4)在保持微藻活性的條件下，規模化養殖步驟3)富集的微藻； 5)收集活性微藻； 6)收集生物質熱解所得的生物炭，並幹化處理； 7)將步驟5)中的活性微藻和步驟6)中的生物炭復配，得到微藻-生物炭複合生物肥。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟I)，採用缺氮培養基平板法分離土壤結皮中的代表性光合微生物。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟2)，光生物反應器條件為:1-15%C02，LED 燈光照強度 20-500 μ mo I 光子.πΓ2.s-1，20-35。。。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟3)，採用重力沉澱、過濾、氣浮或離心的方法富集微藻。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟4)，採用薄層乾燥技術、空氣乾燥技術、噴霧乾燥技術、真空乾燥技術或冷凍乾燥技術處理微藻，保持微藻活性。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟7)，微藻-生物炭複合生物肥中微藻佔0.1%-80%。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟7)之後還包括步驟8):對微藻-生物炭複合生物肥粉碎化處理。
8.如權利要求1或7所述的方法，其特徵在於，還包括步驟:根據土壤類型，將微藻-生物炭複合生物肥與有機肥、禽畜糞便、速效肥、礦渣、農作物廢棄物或生物質熱解殘渣復配。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，用於復配的有機肥、禽畜糞便、速效肥、礦渣、農作物廢棄物或生物質熱解殘渣佔總肥料的比例為0-99.9%。
10.用權利要求1至9任何一項所述方法製備的微藻-生物炭複合生物肥，其特徵在於，以微藻和生物質熱解所得的生物炭為主要作用基質。
11.如權利要求10所述的微藻-生物炭複合生物肥，其特徵在於，還包括有機肥、禽畜糞便、速效肥、礦渣、農作物廢棄物或生物質熱解殘渣。
【文檔編號】C05F11/08GK104446691SQ201310441423
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】孫予罕, 非羅科, 趙權宇, 胡剛, 範衛堯, 孫鼎堃, 肖亞寧, 王東飛 申請人:中國科學院上海高等研究院, 上海晉嶽生物技術有限公司, 山西潞安環保能源開發股份有限公司, 埃克賽樂公司