CN114752389B - 一种表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法及其应用，解决了表土替代材料微生态环境和生物适应性较差、改良难度大、难以获得改良效果明显的生物质材料的问题，技术方案是：选取先锋草本植物种，根据草本植物是否喜水特性，选择在氮胁迫环境中水培法或土培法培养，收集植物根系分泌物作为表土替代材料根系分泌物式改良剂。应用为：先按照质量体积比1:1—3溶于甲醇溶液，再用水稀释2000—3000倍均匀喷洒于表土替代材料中，用量为稀释后50L—100L/亩。其在优化、改善表土替代材料微生态、加速表土替代材料熟化进程中有天然的作用，是一种较为理想的功能综合型的天然改良剂。因此在表土替代材料的改良中有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及土壤改良技术领域，特别是一种表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法及其应用，适用于矿山土地复垦过程中表土替代材料的改良。
背景技术
目前，矿区在进行土地复垦过程中存在表土严重不足现象，表土替代材料有效缓解了表土不足的问题，但表土替代材料也不同程度的存在养分含量、转化及利用效率低，微生态环境较差问题，使生物适应性较差，因此需要对其进行改良。通常对表土替代材料的改良主要应用腐熟的牛羊粪肥、鸡粪肥或秸秆、草炭等生物质材料，改良时效慢，改良效果单一，且对土壤微生态的调节作用不明显。
植物根系通过根际界面以分泌方式向根周围释放各种化合物即根系分泌物，具有强烈的根际效应，从而改变土壤理化性质、微生物及动物性质，最终影响植物的水分和养分吸收及生长发育。植物根系分泌物是植物-土壤界面土壤碳流动的最活跃形式，对植物根际微生态具有重要的调节作用。根系分泌物不仅数量可观，而且作用很大，它是保持根际微生态系统活力的关键因素，也是根际物质循环的重要组成部分。因此，如何利用植物根系分泌物促进土壤改良仍然是土壤改良领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法，解决了表土替代材料微生态环境和生物适应性较差、改良难度大、难以获得改良效果明显的生物质材料的问题，本发明还提供了该表土替代材料根系分泌物式改良剂的应用方法，解决了表土替代材料传统改良方法改良效果单一，改良时间长，生物适应性差的问题。其利用草本植物根系分泌物改良表土替代材料，改善了表土替代材料微生态环境，提高了速效态养分及养分转化率。
本发明采用的技术方案是：该表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法为：
选取先锋草本植物的种子，根据草本植物是否喜水特性，选择在氮胁迫环境中水培法或土培法培养，收集植物根系分泌物，将收集到的植物根系分泌物作为表土替代材料根系分泌物式改良剂。
所述氮胁迫环境中水培法为：使用0.9%次氯酸钠或3%双氧水对草本植物的种子消毒，置于25℃—35℃环境下催芽20h-40h，再将催芽后的种子置于水培箱中培养，水培箱中盛放蒸馏水，待植物进入离乳期时，将蒸馏水更换成改进后的霍格兰氏营养液继续培养50d—70d；改进后的霍格兰氏营养液为：其中硝酸钙用量为原霍格兰氏营养液配方用量的70%—95%，并使用氯化钙补充不足的Ca2+的霍格兰氏营养液；全部培养过程在人工植物培养室中进行，日间室温25℃-30℃，夜间室温18℃-25℃，空气湿度保持在40%-60%，光源使用日光灯，光照周期为14h—10h；
所述氮胁迫环境中土培法为：使用0.9%次氯酸钠或3%双氧水对草本植物的种子消毒，置于25℃—35℃环境下催芽20h-40h，再将催芽后的种子均匀播种于未施加任何改良剂的表土替代材料中并培养50d—70d；全部培养过程在人工植物培养室中进行，日间室温25℃—30℃，夜间室温18℃—25℃，空气湿度保持在40%—60%，光源使用日光灯，光照周期为14h/10h。
收集植物根系分泌物方法为：将水培法培养后的草本植物根系用蒸馏水冲洗干净，并重新放回洁净的盛有蒸馏水的水培箱中，继续培养24h—72h即得到特定氮胁迫环境下的草本植物根系分泌物收集液；将土培法培养后的草本植物小心从表土替代材料中取出，过程中减少对草本植物根系的损伤，先用自来水清洗掉根系黏着的表土替代材料，随后用蒸馏水冲洗根系表面，冲洗干净后放入洁净的盛有蒸馏水的水培箱中，继续培养24h—72h即得到特定氮胁迫环境下的草本植物根系分泌物收集液。
所述先锋草本植物的种子包括：黑麦草、燕麦草、油菜、草木樨品种中的一种或几种混合搭配。
所述先锋草本植物的种子为黑麦草、燕麦草、油菜和草木樨品种的混合搭配。
所述先锋草本植物的种子为黑麦草和燕麦草的混合搭配。
所述先锋草本植物的种子为油菜和草木樨品种的混合搭配。
所述先锋草本植物的种子为黑麦草和草木樨品种的混合搭配。
所述黑麦草为多年生牧草型黑麦草品种，所述燕麦草品种为加燕2号或坝8，所述油菜为白菜型油菜，所述草木樨为早熟型二年生黄花草木樨。
还包括进一步浓缩法步骤：将得到的根系分泌物收集液用定量滤纸过滤，使用真空旋转蒸发仪将过滤后的根系分泌物收集液中水分蒸干，使用甲醇将真空旋转蒸发仪内壁的残留物冲洗入蒸发皿中，待甲醇自然挥发后得到浓缩根系分泌物作为表土替代材料根系分泌物式改良剂，将根系分泌物保存于-20℃至-30℃低温环境中；真空旋转蒸发仪的工作温度设置为30℃-40℃。
表土替代材料根系分泌物式改良剂的应用方法：取表土替代材料根系分泌物式改良剂，先按照质量体积比1:1—3溶于甲醇溶液，再用水稀释2000—3000倍均匀喷洒于表土替代材料中，用量为稀释后50L—100L/亩。
表土替代材料根系分泌物式改良剂的使用期间为：种植于表土替代材料中的修复植物生长至株高达到10 cm—20cm，植被盖度达到50%—70%。
本发明具有的优点及有益效果是：
1、本发明以土地复垦中使用的先锋植物种培养植物、收集根系分泌物其能够对表土替代材料进行改良，在改善表土替代材料微生态环境、提高速效态养分及养分转化率方面均有较理想的改良效果，且改良作用全面。
2、本发明所使用的根系分泌物为先锋植物在氮胁迫环境下的特异性根系分泌物，其数量和组成会产生特异性变化，不同于正常环境下的根系分泌物，在表土替代材料的改良中效果尤为明显。
3、本发明制备的改良剂不同于人工合成化学成分，根系分泌物介导着植物—植物、植物—微生物、植物—土壤的对话及相互作用，因此特异性根系分泌物改良表土替代材料在优化、改善表土替代材料微生态、加速表土替代材料熟化进程中有天然的作用，是一种较为理想的功能综合型的天然改良剂。因此在表土替代材料的改良中有很好的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的使用样本处理群落多样性分析柱状图；
图2是本发明的使用样本的微生物群落物种关系分析的环形图。
具体实施方式
根据图1和图2对本发明作详细描述。实施例1，一种表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法，该制备方法包括步骤为：先选取先锋草本植物的种子，选取的草本植物种子品种为矿山土地复垦中使用的先锋草本植物，再根据选定品种的草本植物是否喜水特性，选择在氮胁迫环境中水培法或土培法进行种子消毒与种植培养，其中生长习性喜水的草本植物在氮胁迫环境中以水培法培养，生长习性不喜水的草本植物在氮胁迫环境中以土培法培养；经培养后，收集植物根系分泌物，将收集到的植物根系分泌物作为表土替代材料根系分泌物式改良剂。本实施例选取的先锋草本植物的种子品种为黑麦草、燕麦草、油菜和木樨，各品种可以按照质量比1:1混配。其中，黑麦草和燕麦草为喜水的草本植物，可以采用水培法；油菜和草木樨为不喜水的草本植物，可以选用土培法。黑麦草可以采用多年生牧草型黑麦草品种，燕麦草品种可以采用加燕2号或坝8，油菜可以采用白菜型油菜，草木樨可以采用早熟型二年生黄花草木樨。
作为进一步改进，其中氮胁迫环境中水培法可以采用特定的氮胁迫环境水培法，具体方法为：使用0.9%次氯酸钠或3%双氧水对草本植物的种子消毒，置于25℃—35℃环境下催芽20h—40h，再将催芽后的种子置于水培箱中培养，水培箱中盛放蒸馏水，待植物进入离乳期时，将蒸馏水更换成改进后的霍格兰氏营养液继续培养50d—70d；改进后的霍格兰氏营养液为：其中硝酸钙用量为原霍格兰氏营养液配方用量的70%—95%，并使用氯化钙补充不足的Ca2+的霍格兰氏营养液；全部培养过程在人工植物培养室中进行，日间室温25℃—30℃，夜间室温18℃—25℃，空气湿度保持在40%—60%，光源使用日光灯，光照周期为14h—10h。
其中氮胁迫环境中土培法可以采用特定的氮胁迫环境土培法，具体方法为：使用0.9%次氯酸钠或3%双氧水对草本植物的种子消毒，置于25℃—35℃环境下催芽20h—40h，再将催芽后的种子均匀播种于未施加任何改良剂的表土替代材料中并培养50d—70d；全部培养过程在人工植物培养室中进行，日间室温25℃—30℃，夜间室温18℃—25℃，空气湿度保持在40%—60%，光源使用日光灯，光照周期为14h—10h。
作为进一步改进，收集植物根系分泌物可采用方法为：将水培法培养后的草本植物根系用蒸馏水冲洗干净，并重新放回洁净的盛有蒸馏水的水培箱中，继续培养24h—72h即得到特定氮胁迫环境下的草本植物根系分泌物收集液；将土培法培养后的草本植物小心从表土替代材料中取出，过程中减少对草本植物根系的损伤，先用自来水清洗掉根系黏着的表土替代材料，随后用蒸馏水冲洗根系表面，冲洗干净后放入洁净的盛有蒸馏水的水培箱中，继续培养24h—72h即得到特定氮胁迫环境下的草本植物根系分泌物收集液。
作为进一步改进，还包括对草本植物根系分泌物收集液进一步浓缩法步骤：将得到的根系分泌物收集液用定量滤纸过滤，使用真空旋转蒸发仪将过滤后的根系分泌物收集液中水分蒸干，使用甲醇将真空旋转蒸发仪内壁的残留物冲洗入蒸发皿中，待甲醇自然挥发后得到浓缩根系分泌物作为表土替代材料根系分泌物式改良剂，将根系分泌物保存于-20℃至-30℃低温环境中；真空旋转蒸发仪的工作温度设置为30℃—40℃。
实施例2，在实施例1的表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法的基础上，改变了选取的先锋草本植物的种子品种，采用黑麦草和燕麦草两种喜水的草本植物，按照质量比1:1混配，黑麦草可以采用多年生牧草型黑麦草品种，燕麦草品种可以采用加燕2号或坝8，采用水培法培养，其他制备步骤不变。
实施例3，在实施例1的表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法的基础上，改变了选取的先锋草本植物的种子品种，采用油菜和草木樨两种不喜水的草本植物，按照质量比1:1混配，油菜可以采用白菜型油菜，草木樨可以采用早熟型二年生黄花草木樨。采用水培法培养，其他制备步骤不变。
实施例4，在实施例1的表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法的基础上，改变了选取的先锋草本植物的种子品种，采用黑麦草和草木樨两种草本植物，按照质量比1:1混配，黑麦草可以采用多年生牧草型黑麦草品种，草木樨可以采用早熟型二年生黄花草木樨，对应生长习性，分别采用水培法和土培法培养，其他制备步骤不变。
实施例5，在实施例1的表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法的基础上，改变了选取的先锋草本植物的种子品种，选用草木樨，草木樨可以采用早熟型二年生黄花草木樨，采用土培法培养，其他制备步骤不变。本发明表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法中选取先锋草本植物的种子可以采用黑麦草、燕麦草、油菜、草木樨品种中的一种或几种混合搭配。
实施例6，一种表土替代材料根系分泌物式改良剂的应用，采用的应用方法为：取上述实施例1制备的经浓缩的改良剂，先按照质量体积比1:1—3溶于甲醇溶液，再用水稀释2000—3000倍均匀喷洒于表土替代材料中，用量为稀释后50L—100L/亩，得到改良的表土替代材料。也可以采用实施例2至5中任意一种方法制备的改良剂利用上述应用方法进行表土替代材料改良。
作为进一步改进，表土替代材料根系分泌物式改良剂的使用最佳时间为：种植于表土替代材料中的修复植物生长至株高达到10cm—20cm的期间，植被盖度达到50%—70%的期间。
将本发明实施例1制备的改良剂改良的表土替代材料进行多样检测，作为样本处理T1，实施例2至实施例5制备的改良剂改良的表土替代材料分别进行检测作为样本处理T2至T5。
养分含量对比检测结果如下表1所示：
| 处理 | 铵态氮mg/kg | 硝态氮mg/kg | 速效磷mg/kg | 速效钾mg/kg |
| T1 | 0.98±0.16 | 14.47±1.31 | 31.58±1.25 | 452.12±5.98 |
| T2 | 0.72±0.16 | 12.87±1.35 | 28.58±1.35 | 434.23±5.98 |
| T3 | 0.76±0.06 | 12.12±0.72 | 29.66±1.62 | 422.65±9.58 |
| T4 | 0.86±0.10 | 14.28±0.94 | 27.16±1.43 | 429.64±8.25 |
| T5 | 0.75±0.23 | 13.54±0.45 | 26.34±1.12 | 438.45±3.23 |
试验结果表明，各个样本处理的速效态养分（铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾）含量增高，尤其是样本处理T1的速效态养分（铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾）含量明显高于其他处理，这说明四种植物根系分泌物混合后在提高土壤速效态养分方面效果显著。
氮转化率对比检测结果如下表2所示：
| 处理 | 净氨化率 | 净硝化率 | 氮净转化率 |
| T1 | -0.25±0.01 | 1.25±0.02 | 3.58±0.25 |
| T2 | -0.65±0.01 | 0.93±0.02 | 3.05±0.23 |
| T3 | -0.55±0.02 | 0.93±0.01 | 2.75±0.16 |
| T4 | -0.85±0.01 | 0.95±0.05 | 2.88±0.28 |
| T4 | -0.25±0.01 | 1.25±0.02 | 3.58±0.25 |
试验结果表明，各个样本处理可以影响铵态氮的损失与消耗，硝态氮的积累，氮净转化率。尤其使用T1的本发明可以减少铵态氮的损失与消耗，加速硝态氮的积累，提高氮净转化率。
不同植物的根系分泌物的分泌特征有所差异，不同根系分泌物成分对表土替代材料的改良效果不同。本实施例表明，黑麦草、燕麦草、油菜和草木樨四种植物根系分泌物的组合对表土替代材料速效态养分提高的改良效果最佳。将本发明的表土替代材料根系分泌物式改良剂的应用方法改良的表土替材料与鸡粪肥、秸秆进行表土替代材料改良的效果对比进行多样检测。其中：本发明实施例1制备的改良剂改良的表土替代材料作为样本处理T1，采用鸡粪肥，亩用量150kg，改良的表土替代材料作为样本处理T6；采用秸秆，用量0.5t/亩，改良的表土替代材料作为样本处理T7。
三种样本处理结果如下：
1、Alpha多样性分析
分别计算ace、chao、shannon、simpson等指数，计算结果如表3所示。
表3 Alpha多样性指数计算结果
| 处理 | ace | chao | shannon | simpson |
| T1 | 1393.814 | 1390.864 | 4.964 | 0.098 |
| T6 | 1308.95 | 1305.103 | 4.650 | 0.057 |
| T7 | 1470.288 | 1471.41 | 3.777 | 0.218 |
从微生物多样性方面可以看出，T1处理的多样性指数最高，使用本发明改良后表土替代材料微生物种类高于T6和T7的处理的多样性指数。
2、微生物群落组成及其与物种关系分析，如图1所示，三种样本的微生物群落组成丰度分析的柱状图，样本T1经过本发明改良后表土替代材料的其他属微生物丰度最高，其次为节杆菌属（arthrobacter）、鞘氨醇单胞菌属（sphingomonas）、微红微球菌属（rubellimicrobium）。T6鸡粪肥改良的处理假单胞菌属（Pseudomonas）丰度最高，假单胞菌属（Pseudomonas）是一种常见的病菌菌属，该属微生物丰度低有利于降低植物病害。
如图2所示，三种样本的微生物群落物种关系分析的环形图，基于物种关系分析可以看出，放线菌纲（Actinobacteria）所占比例最高，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)其次，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)主要是以固氮菌为主，三个样本处理中，T1的本发明中该属微生物明显高于其他处理。
3、养分含量
测得三种样本的处理养分含量，结果如下表2所示：
| 处理 | 铵态氮mg/kg | 硝态氮mg/kg | 速效磷mg/kg | 速效钾mg/kg |
| T1 | 0.98±0.16 | 14.47±1.31 | 31.58±1.25 | 452.12±5.98 |
| T6 | 0.84±0.06 | 12.92±0.72 | 24.36±1.12 | 412.58±9.58 |
| T7 | 0.78±0.10 | 13.28±0.84 | 25.16±1.25 | 423.25±8.25 |
试验结果表明，经过T1的本发明改良后的表土替代材料速效态养分（铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾）含量明显高于T7的秸秆还田及T6的鸡粪肥改良处理，这说明本发明在提高土壤速效态养分方面效果显著。
4、氮转化率
测得三种样本处理的氮转化率，结果如下表3所示：
| 处理 | 净氨化率 | 净硝化率 | 氮净转化率 |
| T1 | -0.25±0.01 | 1.25±0.02 | 3.58±0.25 |
| T6 | -0.85±0.02 | 0.85±0.01 | 2.15±0.18 |
| T7 | -0.95±0.01 | 0.95±0.05 | 2.38±0.21 |
试验结果表明，使用T1的本发明可以减少铵态氮的损失与消耗，加速硝态氮的积累，提高氮净转化率。
根系分泌物在特定环境中数量和组成会产生特异性变化，本发明在总结大量试验结果基础上，总结发现草本植物在一定程度的氮胁迫环境中分泌的根系分泌物对改良表土替代材料有极佳的应用效果，尤其在改善表土替代材料微生态环境、提高速效态养分及养分转化率方面，是一种较为理想的功能综合型的天然改良剂。
综上所述，实现了本发明的目的。
Claims (6)
1.一种表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：选取先锋草本植物的种子，根据草本植物是否喜水特性，选择在氮胁迫环境中水培法或土培法培养，收集植物根系分泌物，将收集到的植物根系分泌物作为矿山土地复垦过程中表土替代材料根系分泌物式改良剂；
所述氮胁迫环境中水培法为：使用0.9%次氯酸钠或3%双氧水对草本植物的种子消毒，置于25℃—35℃环境下催芽20h—40h，再将催芽后的种子置于水培箱中培养，水培箱中盛放蒸馏水，待植物进入离乳期时，将蒸馏水更换成改进后的霍格兰氏营养液继续培养50d—70d；改进后的霍格兰氏营养液为：其中硝酸钙用量为原霍格兰氏营养液配方用量的70%—95%，并使用氯化钙补充不足的Ca2+的霍格兰氏营养液；全部培养过程在人工植物培养室中进行，日间室温25℃—30℃，夜间室温18℃—25℃，空气湿度保持在40%—60%，光源使用日光灯，光照周期为14h—10h；
所述氮胁迫环境中土培法为：使用0.9%次氯酸钠或3%双氧水对草本植物的种子消毒，置于25℃—35℃环境下催芽20h—40h，再将催芽后的种子均匀播种于未施加任何改良剂的表土替代材料中并培养50d—70d；全部培养过程在人工植物培养室中进行，日间室温25℃—30℃，夜间室温18℃—25℃，空气湿度保持在40%—60%，光源使用日光灯，光照周期为14h/10h；
所述的先锋草本植物的种子为黑麦草、燕麦草、油菜和草木樨品种的混合搭配。
2.根据权利要求1所述的表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法，其特征在于：收集植物根系分泌物的方法为：将水培法培养后的草本植物根系用蒸馏水冲洗干净，并重新放回洁净的盛有蒸馏水的水培箱中，继续培养24h—72h即得到特定氮胁迫环境下的草本植物根系分泌物收集液；将土培法培养后的草本植物小心从表土替代材料中取出，过程中减少对草本植物根系的损伤，先用自来水清洗掉根系黏着的表土替代材料，随后用蒸馏水冲洗根系表面，冲洗干净后放入洁净的盛有蒸馏水的水培箱中，继续培养24h—72h即得到特定氮胁迫环境下的草本植物根系分泌物收集液。
3.根据权利要求1所述的表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法，其特征在于：所述黑麦草为多年生牧草型黑麦草品种，所述燕麦草品种为加燕2号或坝8，所述油菜为白菜型油菜，所述草木樨为早熟型二年生黄花草木樨。
4.根据权利要求2所述的表土替代材料根系分泌物式改良剂的制备方法，其特征在于：还包括进一步浓缩步骤：将得到的根系分泌物收集液用定量滤纸过滤，使用真空旋转蒸发仪将过滤后的根系分泌物收集液中水分蒸干，使用甲醇将真空旋转蒸发仪内壁的残留物冲洗入蒸发皿中，待甲醇自然挥发后得到浓缩根系分泌物作为表土替代材料根系分泌物式改良剂，将根系分泌物保存于-20℃至-30℃低温环境中；真空旋转蒸发仪的工作温度设置为30℃-40℃。
5.一种根据权利要求4所述的制备方法制备的表土替代材料根系分泌物式改良剂的应用，其特征在于：取表土替代材料根系分泌物式改良剂，先按照质量体积比1:1—3溶于甲醇溶液，再用水稀释2000—3000倍均匀喷洒于矿山土地复垦过程中表土替代材料中，用量为稀释后50L—100L/亩。
6. 一种根据权利要求5所述的表土替代材料根系分泌物式改良剂的应用，其特征在于：所述表土替代材料根系分泌物式改良剂的使用期间为：种植于表土替代材料中的修复植物生长至株高达到10 cm—20cm，植被盖度达到50%—70%。
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