一种利用沸石分子筛促进设施园艺作物光合效率的方法
阅读说明：本技术 一种利用沸石分子筛促进设施园艺作物光合效率的方法 (Method for promoting photosynthetic efficiency of facility horticultural crops by using zeolite molecular sieve ) 是由 师恺 王安然 王亮 王海 王娇 吕建荣 喻景权 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用沸石分子筛促进设施园艺作物光合效率的方法,所述的沸石分子筛为Silicalite-1分子筛,包括以下步骤：(1)对Silicalite-1分子筛进行预处理,使其充分吸附CO-2；(2)将预处理后的Silicalite-1分子筛转移至CO-2浓度≤480ppm的设施栽培环境,Silicalite-1分子筛静置缓释CO-2。Silicalite-1分子筛为MFI型的全硅分子筛,内部具有孔道和空腔,可以用于吸附和脱附CO-2,本技术方案可以实现Silicalite-1分子筛常温常压下吸附和脱附CO-2,并在低能耗的条件下提高设施园艺作物的光合作用,进而促进设施园艺作物的生长,具有操作简便安全,环境友好的特点。(The invention discloses a method for promoting photosynthetic efficiency of horticultural crops by using a zeolite molecular sieve, wherein the zeolite molecular sieve is a Silicalite-1 molecular sieve, and the method comprises the following steps: (1) pretreating the Silicalite-1 molecular sieve to make the molecular sieve fully adsorb CO 2 (ii) a (2) Transferring the pretreated Silicalite-1 molecular sieve to CO 2 Facility cultivation environment with concentration less than or equal to 480ppm, Silicalite-1 molecular sieve standing for slow release of CO 2 . The Silicalite-1 molecular sieve is an MFI type all-silicon molecular sieve, has a pore channel and a cavity inside, and can be used for adsorbing and desorbing CO 2 The technical scheme can realize adsorption and desorption of CO by the Silicalite-1 molecular sieve at normal temperature and normal pressure 2 And the photosynthesis of the facility horticultural crops is improved under the condition of low energy consumption, so that the growth of the facility horticultural crops is promoted, and the method has the characteristics of simple, convenient and safe operation and environmental friendliness.)
技术领域
本发明属于设施农业领域，尤其涉及一种利用沸石分子筛提高植物栽培设施CO2浓度、促进设施园艺作物光合效率的方法。
背景技术
设施农业是我国农业产业结构优化和转型升级的重要方向，提高环境调控能力是设施农业提效增产的关键。由于设施栽培环境条件和作物进行光合作用，室/棚内CO2浓度不断降低，使得设施作物处于CO2饥饿状态，进而严重影响其茎、叶、果实等器官的生长发育和抗逆性。因此，施加CO2气肥是实现设施农业优质高效生产的重要措施之一。
目前在设施中进行CO2加富的主要方法有：通风换气法、CO2钢瓶法、增施农家有机肥、燃烧制气法、化学反应法等。上述方法中，最常用的通风换气法效果有限，燃烧制气法和化学反应法也较为常用，但这两种方法均会产生新的CO2，不符合低碳农业的需求，因此，研制安全、简单、环保、高效的CO2加富技术，是当前农业设施栽培产业的迫切需求。
沸石分子筛是一种结晶硅铝酸盐，内部有孔隙，依据其有效孔径的大小及分子间的相互作用可筛分不同的流体分子，常用于气体、液体等的分离和净化。Silicalite-1分子筛是一种MFI型的全硅分子筛，其对CH4、N2、CO2等其气体有较好的吸附效果(Chang Wang等，“A crystal seeds-assisted synthesis of microporous and mesoporous silicalite-1and their CO2/N2/CH4/C2H6 adsorption properties”，Microporous and MesoporousMaterials，2017(242)，231-237)。其结构构造特殊，水热稳定性较高，孔径范围为0.5～0.6nm，被广泛用于变压吸附和分离等领域。由于结构中缺少阳离子强静电吸附中心，Silicalite-1主要通过由Si-O-Si组成的晶格微孔表面实现吸附作用(龙英才等,“硅沸石Silicalite-1吸附与脱附性质的研究”，石油化工，1994(12)：786-791)。
公开号为CN1457642A的中国专利文献中公开了一种利用二氧化碳吸附剂提高植物光合产量、增强抗旱能力及防治病虫害的方法与组合物，该法将二氧化碳吸附剂喷洒在植物上，在植物表面形成一个高浓度二氧化碳气体层，提高了光合速率，且减少了植物的蒸腾强度，进一步提高了植物的抗旱能力和水分利用率。所述的二氧化碳吸附剂优选为各种天然分子筛、人工合成的分子筛等，分子筛的直径大于二氧化碳分子的直径，所述的二氧化碳吸附剂可以与植物营养剂、表面活性剂、粘着剂、稳定剂、农药等复配成组合物使用。该发明中，所述的二氧化碳吸附剂需要喷洒在植物上，并且对于二氧化碳吸附剂的具体应用方法没有限定，此外，将二氧化碳吸附剂复配成组合物使用时，二氧化碳吸附剂的作用效果不明确，操作较为繁琐。
公开号为CN108031238A的中国专利文献中公开了一种捕获大气中二氧化碳用于设施农业的装置，所述的装置包括：与温室大棚连通的外置管路，该外置管路上的设有吸脱附床层、鼓风用风机、CO2浓度检测装置和温控装置等。该装置结构复杂，可以用于捕捉空气中的CO2，储存在吸脱附床层处，在脱附时，收集的CO2进入温室大棚内，使得温室大棚内的CO2浓度符合作物的需求。但在该发明中，收集的CO2需要加热才能脱附，能耗大，所述的吸附床层由5A分子筛、13X分子筛或负载氢氧化钾的碳分子筛构成。
发明内容
本发明提供了一种利用沸石分子筛促进设施园艺作物光合效率的方法，所述的沸石分子筛为Silicalite-1分子筛，该方法操作简单，能耗低，适用性广，不采用变压或加热等方式在常温常压下即可为需要CO2加富的设施栽培环境施加CO2气肥，促进设施园艺作物光合效率，提高设施园艺作物的生长量。
具体采用的技术方案如下：
一种利用沸石分子筛促进设施园艺作物光合效率的方法，其特征在于，所述的沸石分子筛为Silicalite-1分子筛，包括如下步骤：
(1)对Silicalite-1分子筛进行预处理，使其充分吸附CO2；
(2)将预处理后的Silicalite-1分子筛转移至CO2浓度≤480ppm的设施栽培环境，Silicalite-1分子筛静置缓释CO2；提高设施栽培环境的CO2浓度，提高设施园艺作物光合作用。
Silicalite-1分子筛为MFI型的全硅分子筛，不含有金属离子，内部具有孔道和空腔，可以用于吸附和脱附CO2，为需要CO2加富的设施栽培环境施加CO2气肥。
本发明开发了一种利用Silicalite-1分子筛促进设施园艺作物光合效率的方法，通过调控方法中的预处理过程、Silicalite-1分子筛的施用量等，实现设施栽培环境中CO2加富效果的人为调控，可以满足不同设施园艺作物、设施园艺作物不同生长时期对CO2的需求，促进设施园艺作物的生长。
优选的，步骤(1)中，所述的预处理方式为：向装有Silicalite-1分子筛的密闭空间内充入CO2，密封静置1～12h。
所述的Silicalite-1分子筛与CO2充入量的体积比为0.01～100:1000。
优选的，考虑到Silicalite-1分子筛的吸附饱和点、CO2的利用效率以及时间成本，所述的密封静置时间为1～4h；所述的Silicalite-1分子筛与CO2充入量的体积比为0.1～4:1000。
步骤(2)中，所述的Silicalite-1分子筛用量为每立方米设施栽培环境30～100cm3。
由于设施栽培环境中有较多水汽，且高湿的环境会影响Silicalite-1分子筛吸附和脱附CO2，所述的Silicalite-1分子筛每重复利用4次后，需进行高温烘干再生后再继续使用，所述的高温烘干再生条件为100～300℃，1～48h。
优选的，所述的设施园艺作物为番茄。
进一步优选的，步骤(1)中，所述的预处理方式为：向装有Silicalite-1分子筛的密闭空间内充入CO2，密封静置1～4h；所述的Silicalite-1分子筛与CO2充入量的体积比为1～4:1000；步骤(2)中，所述的Silicalite-1分子筛用量为每立方米设施栽培环境40～90cm3。在上述条件下对Silicalite-1分子筛进行预处理，并将其转移至CO2浓度≤480ppm的番茄设施栽培环境中静置缓释CO2 0.5h后，设施栽培环境中CO2浓度可提高100～1000ppm，与对照组相比，设施园艺作物叶片胞间CO2浓度提高30％～40％，净光合速率提高8％～12％，连续施用10天后，与对照组相比，植株总叶面积增长量提高35％～50％。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明方法操作简便安全，环境友好，能耗低，适用性广，符合低碳农业的需求，此外，Silicalite-1分子筛可以重复利用，且重复利用后仍保持较稳定的对CO2的吸附和脱附能力。
本发明通过调控预处理过程、Silicalite-1分子筛的施用量等，可以实现设施栽培环境中CO2加富效果的人为调控，以满足栽培过程中不同设施园艺作物、不同生长时期对CO2的需求。
附图说明
图1为预处理密封静置时间对Silicalite-1分子筛和对照材料CO2加富效果的影响，S-1表示Silicalite-1分子筛。
图2为预处理的Silicalite-1分子筛和预处理的对照材料对设施栽培环境中CO2浓度的影响，S-1表示Silicalite-1分子筛。
图3为设施栽培环境中施用预处理的Silicalite-1分子筛和预处理的对照材料对‘Condine Red’番茄幼苗胞间CO2浓度及净光合速率的影响，A为对‘Condine Red’番茄幼苗胞间CO2浓度的影响，B为对‘Condine Red’番茄幼苗净光合速率的影响；a、b代表不同处理间在5％水平上的差异显著，S-1表示Silicalite-1分子筛。
图4为设施栽培环境中连续十天施用预处理的Silicalite-1分子筛和预处理的对照材料后，‘Condine Red’番茄的叶片生长情况，A为植株总叶面积增长情况，B为第10天的‘Condine Red’番茄幼苗的生长表型图片；a、b、c代表不同处理间在5％水平上的差异显著，S-1表示Silicalite-1分子筛。
图5为施用预处理的不同分子筛和预处理的对照材料对设施栽培环境中CO2浓度的影响。
具体实施方式
实施例1：Silicalite-1分子筛提高密闭环境中的CO2浓度
对Silicalite-1分子筛进行预处理：在12.5L密封箱中加入5cm3的Silicalite-1分子筛，再将密封箱中充满CO2，分别密封静置0.1h，0.5h，1h，2h，4h，8h，12h。对照材料CaCO3以同样的参数进行预处理步骤。
将预处理后的Silicalite-1分子筛及对照材料分别迅速转移至CO2初始浓度为480ppm的56L空密封箱中静置缓释CO2，0.5h后检测并记录56L空密封箱内CO2浓度的变化情况。结果如图1所示，预处理后的Silicalite-1分子筛和对照材料均可使空密封箱内CO2浓度提高，但Silicalite-1分子筛使空密封箱内CO2浓度提高340～500ppm，对照材料使空密封箱内CO2浓度提高40～140ppm，且Silicalite-1分子筛在预处理1-4h后的CO2加富效果最好，预处理8-12h的加富效果次之，0.1-0.5h的加富效果较弱，即所述的密封静置时间优选为1～12h。
实施例2：施用预处理的Silicalite-1分子筛对设施栽培环境中CO2浓度、设施园艺作物叶片光合作用及生长量的影响
对Silicalite-1分子筛进行预处理：向12.5L密封箱中加入25cm3的Silicalite-1分子筛，再将密封箱中充满CO2，密封静置1h。对照材料CaCO3以同样的参数进行预处理步骤。
将预处理后的Silicalite-1分子筛和对照材料分别迅速转移至CO2浓度下降至400ppm的植物设施栽培环境中静置缓释CO2，检测并记录植物设施栽培环境中CO2浓度的变化情况，5h后，取出Silicalite-1分子筛和对照材料。
上述植物设施栽培环境为580L密闭培养箱，内有8棵长势、苗龄一致的‘CondineRed’番茄幼苗，光周期为8:00-20:00，光强为200～300μmol/m2/s1。
施用上述预处理后的Silicalite-1分子筛或对照材料0.5h后，通过CO2记录仪检测到植物设施栽培环境中实时CO2浓度值：Silicalite-1分子筛组为700±50ppm，对照材料组为550±50ppm(图2)。设定光合仪参数为植物设施栽培环境内的参数，测定‘CondineRed’番茄幼苗从上往下第一片完全展开的功能叶胞间CO2浓度及净光合速率，结果分别如图3A和图3B所示，与对照材料组相比，Silicalite-1分子筛组的‘Condine Red’番茄幼苗叶片胞间CO2浓度提高33％，净光合速率提高11.7％。
上述“预处理-释放”步骤在相同的条件下连续重复十天，重复利用Silicalite-1分子筛，且每重复利用4次后高温烘干再生Silicalite-1分子筛后再继续使用，高温烘干再生条件为200℃，12h。测定并计算Silicalite-1分子筛组和对照材料组处理后的植株总叶面积(图4)。采用直接量测法测量并计算处理前(第0天)的处理后(第10天)植株总叶面积，即用刻度尺测量植株所有复叶的最长值和最宽值，用折算系数法计算实际叶面积后求和，折算系数取0.6393。
结果如图4A所示，与对照材料组相比，Silicalite-1分子筛组‘Condine Red’番茄总叶面积增长量提高了41.6％。
图4B为第10天的‘Condine Red’番茄幼苗的生长表型图片，图片中选取了三株对照材料组的‘Condine Red’番茄幼苗和三株Silicalite-1分子筛组的‘Condine Red’番茄幼苗，施用Silicalite-1分子筛明显提高了‘Condine Red’番茄的叶片生长量。
实施例3：施用预处理的Silicalite-1分子筛对设施栽培环境中CO2浓度的影响
对Silicalite-1分子筛进行预处理：向12.5L密封箱中加入50cm3的Silicalite-1分子筛，再将密封箱中充满CO2，密封静置1h。对照材料CaCO3以同样的参数进行预处理步骤。
将预处理后的Silicalite-1分子筛和对照材料分别迅速转移至CO2浓度下降至400ppm的植物设施栽培环境中静置缓释CO2，检测并记录植物设施栽培环境中CO2浓度的变化情况。
上述植物设施栽培环境为580L密闭培养箱，内有8棵长势、苗龄一致的‘CondineRed’番茄幼苗，光周期为8:00-20:00，光强为200～300μmol/m2/s1。
施用上述预处理后的Silicalite-1分子筛或对照材料1h后，通过CO2记录仪检测到植物设施栽培环境中实时CO2浓度值：Silicalite-1分子筛组为700±50ppm，对照材料组为500±50ppm(图2)。
由图2可知，Silicalite-1分子筛的施用量增加后(较实施例2)，提高了其对植物栽培设施中CO2加富的效果；且相较于施用对照材料和不进行任何处理的植物设施栽培环境，二氧化碳浓度具有明显提高。
实施例4：施用预处理的不同分子筛和预处理的对照材料对设施栽培环境中CO2浓度的影响
对Silicalite-1分子筛、X型分子筛进行预处理：将15cm3的Silicalite-1分子筛和X型分子筛分别放入12.5L密封箱中，再将密封箱中充满CO2，密封静置1h。对照材料CaCO3以同样的参数进行预处理步骤。
将预处理后的Silicalite-1分子筛、X型分子筛和对照材料分别迅速转移至CO2浓度下降至400ppm的植物设施栽培环境中静置缓释CO2 1h，检测并记录植物设施栽培环境中CO2浓度的变化情况。
上述植物设施栽培环境为580L密闭培养箱，内有8棵长势、苗龄一致的‘CondineRed’番茄幼苗，光周期为8:00-20:00，光强为200～300μmol/m2/s1。
施用预处理的不同分子筛和对照材料对设施栽培环境中CO2浓度的影响如图5所示。施用Silicalite-1分子筛可将CO2提高至600-1100ppm，而施用X型分子筛与对照材料的加富效果无明显差异，均仅能将CO2提高至550-580ppm；且在施用后的20-60min内，施用Silicalite-1分子筛处理组的CO2浓度始终比施用X型分子筛处理组及对照组高20-100ppm。这一现象可能是由于不同类型沸石分子筛的孔径结构不同，导致其对CO2的吸附或释放效果有所差异。
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