摘 要

本研究以几丁聚糖为主要活性成分，制备出一种高效环保型有机水溶肥，并应用于水稻。本文研究了该有机肥用于水稻种子的浸种拌种的效果及最佳配比，以及在田间种植时进行叶面喷施的效果。从实验室室内培养时的水稻发芽势到田间试验时的水稻株高、水稻穗长、水稻粒数、水稻千粒重、平均亩产等方面进行比较和观察，本研究表明该有机水溶肥在明显促进水稻生长的同时达到增产、祛除病虫害的效果，且安全环保。本文从理论上对该有机水溶肥的环保优势及其增产作用机理等进行分析和说明，认为这种高效环保型有机水溶肥可以一定程度上替代传统化肥与农药，具有显著的经济和环保效益。

关键词：有机水溶肥；几丁聚糖；水稻增产；环保；

Abstract

In this study, chitosan was used as the main active component to prepare a kind of efficient and environmentally friendly organic water-soluble fertilizer, which was applied in rice.This paper studied the effect and optimum ratio of the organic fertilizer used in rice seed soaking and mixing, and the effect of leaf spraying in field planting.Indoor cultivation of rice from the lab to the field experiments of germination potential of rice plant height, spike length, rice rice grain Numbers per spike, rice, and the average per mu yield comparison and observation, this study shows that the water soluble organic fertilizer in at the same time to increase significantly promote the growth of rice, removing the effect of plant diseases and insect pests, environmental protection and safety.In this paper, the environmental advantages of this organic water-soluble fertilizer and its mechanism of increasing production are analyzed and explained theoretically. It is concluded that this kind of high-efficiency and environment-friendly organic water-soluble fertilizer can replace traditional chemical fertilizers and pesticides to some extent, and has significant economic and environmental benefits.

Keywords: Organic water soluble fertilizer；chitosan；increase rice production；Environmental protection

目录

第一章 绪论 1

1.1 我国水稻种植现状 1

1.2 我国农业水肥施用现状及问题 1

1.3 有机水溶肥的研究背景 2

1.3.1 有机水溶肥的研究目的及意义 2

1.3.2 水溶性有机肥的研究和发展概况 3

第二章 几丁聚糖有机水溶肥的作用及原理 5

2.1几丁聚糖研究历史与背景 5

2.2几丁聚糖研究简介 5

2.2.1 几丁聚糖的调节作物生长作用机理 6

2.2.2 几丁聚糖有机水溶肥抗病虫害的原理 7

2.2.3 几丁聚糖有机水溶肥促进作物增产机理 8

2.3有机水溶肥的制备方法 9

2.3.1 物理混配法 9

2.3.2 微生物发酵法 9

2.3.3 化学合成法 9

2.3.4 以几丁聚糖为主要活性成分制备有机水溶肥 10

第三章 水稻实验 11

3.1实验材料与方法 11

3.1.1 主要实验材料与仪器 11

3.1.2实验作物品种 12

3.1.3实验肥料 12

3.1.4实验地点 12

3.1.5实验土壤 12

3.2 实验室室内试验及田间试验 13

3.2.1实验室室内小试内容 13

3.3 田间试验 15

3.3.1 孝感市杨店镇卓尔田间试验 15

3.3.2 安陆市烟店镇张岗村实验组实验 21

3.3.3 安陆市木梓乡杜垱村实验组实验 24

第四章 结论 27

4.1 实验结论 27

4.2 机理分析 27

参考文献 29

致 谢 31

第一章 绪论

1.1 我国水稻种植现状

水稻是我国最重要的粮食作物之一，也是我国60%以上人口的主食，水稻消费量占我国粮食消费量的40%左右。同时水稻也与玉米、小麦并列世界三大粮食作物，对于世界粮食生产具有举足轻重的作用。在我国，分布有华南双季稻稻作区、华中双单季稻稻作区、西南单双季稻稻作区、华北单季稻稻作区、东北早熟单季稻稻作区、西北干旱单季稻稻作区等六大水稻种植区，共计43219万亩，占种粮总面积的27.1%，年产量1.8亿吨，占粮食总产量的39.2%。可以说，水稻的生产就在很大程度上决定了中国最基本的粮食安全问题。但是，我国的水稻的种植面积总体呈现下降趋势：1978年有5.1万亩，在2003年甚至下降至4万亩以下，随着保护耕地红线政策的实施才逐年回升至4万亩以上。粮食种植面积没有增长，但粮食产量却得到了稳步的提升，粮食品种的改良以及农业生产中大量地施用的化肥在其中居功至伟。但化肥在带来增产的同时也带来了极大的隐患。

1.2 我国农业水肥施用现状及问题

现代农业的持续稳定发展离不开肥料。目前，中国的化肥生产量和使用量位居世界第一，但在应用方面，存在肥料使用结构不合理，过量施用和利用率低的问题。当前世界农作物化肥施用量为120kg／hm，中国农作物化肥施用量为328．5 kg／hm，远高于世界平均水平。化肥过量施用、盲目施用带来了成本的增加、环境的污染、土壤的退化等一系列问题。

为了解决这一问题，中国农业部于2015年发布了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年农药使用量零增长行动方案》，在方案中提出了四条技术路径：“精、调、改、替”。其中，“替”即是以新型有机肥替代传统化肥。

水溶性有机肥就是当前新型有机肥的一种主要发展方向。水溶性有机肥是一种以有机成分为主、完全溶于水的多元素、复合型高效肥料，可以用于随水冲施、叶面喷施、营养液栽培。相比于传统化肥，水溶性有机肥具有可控、高效等优点，又因其溶于水的特性，特别适合于高效喷灌、滴灌等先进灌溉技术，可以节约大量水资源。我国是缺水农业大国，现有耕地1.3亿公顷，农田灌溉面积占耕地总面积的52%，年用水量4000亿立方米，占全国用水的61.4%，是名副其实的用水大户。我国尚在使用传统漫灌、沟灌的灌溉土地面积占95%以上，水利用率仅有30%-40%，而欧美发达国家60%-80%的灌溉面积采用先进的滴灌、喷灌节水灌溉技术，水利用率达到70%以上。在水资源日趋紧张的现状下，发展节水农业势在必行。建设高效滴灌、喷灌新型农业，与水溶性肥料相结合，才是节水农业的发展方向。

然而长期以来，我国水稻农业生产上不仅存在水资源的极大浪费、滥用化肥导致的环境污染土壤退化等问题，还受到各种病虫害的困扰以及农药滥用导致的污染和粮食安全问题。例如恶苗病、稻瘟病、纹枯病、螟虫、白叶枯病、卷叶螟、稻飞虱、穗枯病，就导致大量水稻在生长发育期间烂根、烂芽、枯苗、死苗，造成了水稻生产的重大损失。每年由于病虫害导致的水稻减产达到15%，带来的额外农药成本数以亿计。况且农药的滥用还引发了严重的环境污染问题和食品安全问题。因此，一种高效、环保、节水的肥料正是我国水稻农业生产所迫切需求的。

本研究以几丁聚糖为主要活性成分，辅之以表面活性剂、植物生长调节剂等辅助成分制备出一种高效环保型有机水溶肥。制备出的该肥料具有调节促进作物生长、诱导提高作物自身抗病害能力、增加作物产量、改善作物品质的效果。几丁聚糖的生理效应既不同于单纯的农药毒杀抑制害虫，又不同于传统化肥过量提供氮磷钾等元素满足作物生长所需来促进增产。几丁聚糖（又称壳聚糖）是几丁质（甲壳素）经脱乙酰作用后失去乙酰基的产物，是一种天然高分子聚合物，对人体和作物无毒无害，可以自然降解，相较于传统的农药、化肥，这种几丁聚糖有机水溶肥具有得天独厚的环保优势。

为验证该有机水溶肥应用于水稻上的效果，进行本研究。通过进行实验室室内试验以及田间水稻种植试验，分析了该有机水溶肥对水稻发芽势、水稻株高、水稻穗长、水稻粒数、水稻千粒重、平均亩产等方面的影响，并研究了其作用机理。

1.3 有机水溶肥的研究背景

1.3.1 有机水溶肥的研究目的及意义

土壤是人类社会可持续发展的重要物质基础，保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。当前，我国土壤环境总体状况堪忧，已成为制约国家发展的重要问题。

农药和化肥的滥用导致的农田土壤环境问题突出。我国耕地面积占世界的 7%，但化肥使用量占世界的30%；我国亩均化肥使用量达到 21.9 千克，远高于世界平均水平（约每亩8千克），是美国的2.6倍、欧盟的2.5倍。过度施肥，特别是滥用化肥，不仅增加了农业生产成本，浪费资源，而且会造成耕地板结、土壤酸化或碱化、重金属含量增加、有机质下降等问题，形成对土壤、水、大气环境质量以及农产品质量的多重影响。

日益严重的农业和土壤问题，已经成为了国家发展的重点关注对象。

2015年3月，中国农业部发布《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年农药使用量零增长行动方案》大力推进化肥减量提效、农药减量控害，积极探索产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路；2016 年，国务院出台的《土壤污染防治行动计划》也曾明确要求采取增施有机肥、减少化肥使用量等措施，“避免因过度施肥等造成土壤环境质量下降”；2017年，中央1号文件《中共中央、国务院关于深入推进农业供给侧结构性改革加快培育农业农村发展新动能的若干意见》强调“深入推进化肥农药零增长行动，开展有机肥替代化肥试点”、“大力推行高效生态循环的种养模式”。这些都是深入推进农业供给侧结构性改革，强化农田土壤污染防治，促进农业农村发展向追求绿色生态可持续转变的重要举措。绿色、生态农业势在必行。

有机水溶性肥料一般具有四个特点：其一：水溶、缓释、把离子态的速效养分缓存在土壤当中，随着作物的吸收再次释放。其二：具有改良土壤的作用，可以蓄能、增加土壤的保湿性、供肥能力。其三：提高肥料利用率，在水肥一体化的情况下，一般功能性肥料利用率可达15%-20%左右。其四：改善农作物的品质。

本研究所使用的有机水溶肥即是一种高效环保型有机水溶性肥料，具有促进生长的同时达到增产、祛除虫害的效果，并且对环境友好。

1.3.2 水溶性有机肥的研究和发展概况

国外的水溶肥的研究起步较早，早在1988年美国公布了TVA（Tennessee Valley Authority）申请的高浓度氮硫悬浮肥的生产专利。2009-2010年荷兰Vriesema Hein Herman等在多国申请了速溶水溶性肥料制剂及其方法和用途专利。

我国水溶性肥料起步于20世纪80年代中后期，基本上与我国的复混肥料同步。2001年山东省农业科学院卢丽萍等申请了针对果树、蔬菜等高浓度多元素液体肥料专利。2002年中国科学院过程工程研究所张小勇申请了滴灌酸性液体肥料专利。2011年广东拉多美化肥有限公司王晓春等申请了一种全水溶性尿基复合肥与一种全水溶性硝基复合肥专利。直到近五年，国内对相关领域的研究才开始大规模进行。

相比于欧美等已经率先发展水肥一体化的国家，我国水溶肥起步晚，相关理论、技术研究比较落后。一些发达国家已经形成了配套的设备生产、肥料配置、推广服务体系，而我国农业生产的配套设施、水溶肥的生产技术都还有很大不足。国外针对水溶肥的研究较为系统，选用的指标能够以小见大，且从产量提升的根源着手研究。而国内研究方向主要集中在水溶肥的功能验证，且测定指标是较为浅显的产量、经济效益等。我国水溶肥的研究水平相比于国外尚有一定差距。

目前，水溶肥虽然具有特定的优势，但是在生产实际中的推广应用并不乐观。据农业部全国农业技术推广中心节水处处长高祥照介绍，按照全国灌溉面积计算，水肥一体化目前应用比例仅3.2%。据报道，目前水溶肥只占国内化肥市场份额的1.6%～2.5%。但随着中国农业的发展走向规模化、集约化，越来越多的大型农场和滴灌、喷灌设备及配套设施建设起来，中国农业对更先进高效的农业技术的需求不断提高，中国消费者对农产品质量的要求的日益提升，具有高效环保等优势的有机水溶肥必将成为这场新兴绿色生态农业革命中至关重要的一部分，有机水溶肥将成为未来肥料发展的重要趋势。

对生活中以及工农业生产中产生的生物质废弃物，加以无害化、资源化处理，正是绿色生活和可持续发展的重要方向。本研究以虾壳等废弃物为主要原料，利用其中大量、廉价的几丁质，制备几丁聚糖，合成一种高效环保型有机水溶肥，一定程度上取代传统化肥、农药，契合社会发展需要，也带来了可观的环保效益和经济效益。

第二章 几丁聚糖有机水溶肥的作用及原理

2.1几丁聚糖研究历史与背景

早在1811年，法国科学家Broconno就从蘑菇中发现并提取出了甲壳素物质，命名为Fungine，翻译为蕈素；直到1823年法国科学家Odier从昆虫外壳中发现并提取了该物质，并将其命名为Chitin，译为甲壳素，也就是几丁质。

而到了1859年，法国科学家Rouget发现几丁质置于氢氧化钠溶液中加热得到了一直可溶于有机酸得到一种新物质，直到1894年，Hoppe Seyler 测定出这种新物质为葡聚糖，即Chtin-Glueosamine,命名为Chitosan，脱乙酰壳多糖：几丁聚糖。

尽管几丁聚糖的发现已经过去一百多年，但人类真正开始重视并深入研究和开发利用几丁聚糖，才不过数十年而已。最早开始几丁聚糖的相关研究的是日本和美国，分别于二十世纪七十年代左右各自开展几丁质和几丁聚糖的合成与研究。直到上世纪90年代，几丁聚糖相关研究才在全世界展开。而在几丁聚糖的相关研究中，主要还是集中于医学、食品、化工等方面，几丁聚糖在农业上的潜力，直到近十年才被挖掘出来。

在自然界中，几丁质广泛存在于多种节肢动物如蟹、虾等和各种昆虫的表皮外壳及低等生物如藻类、真菌类的细胞壁之中。在自然界中，每年新生成的甲壳素约有一百多亿吨，在所有天然聚合物中产量位居第二位，仅次于纤维素，也是迄今为止发现的唯一一种天然碱性多糖。

2.2几丁聚糖研究简介

几丁聚糖（又称壳聚糖）为几丁质经脱乙酰作用后失去乙酰基产物的氨基多糖总称.在医疗保健、轻纺工业等方面有着很高的利用价值。但几丁质不能溶于水，难以成膜和制成纤维，直接利用难度很高，目前一般采用将几丁质脱乙酰化制成几丁聚糖（壳聚糖）的方法加以利用。几丁聚糖相比于几丁质，其溶解性得到了很大改善，是一种天然生物高分子聚合物，呈白色结晶性粉末，具有很强的吸湿性。

几丁质的分子基本单位是乙酰基葡萄糖，在水中的溶解度极小，难以直接加以利用，而几丁聚糖的基本单位是氨基葡萄糖，分子中含有氨基和羟基，化学活性相比于几丁质大大加强，且几丁聚糖的溶解度远大于几丁质。

去乙酰程度为65%～99%，一般以70%～80%最常见，一般去乙酰程度在70%以上就可以认为是几丁聚糖。因为几丁聚糖的分子特性，可生物分解，溶于10%的己二酸、醋酸、甲酸、乳酸、苹果酸、丙酸和琥珀酸等。其中以甲酸为最好溶剂，在无机酸中的溶解度则相当有限。

1. 几丁质 （b）壳聚糖

图2.1 几丁质与壳聚糖的化学结构

如果将几丁聚糖分子上的乙酰氨基替换成羟基，就变成了纤维素。几丁质、几丁聚糖、纤维素在结构上具有相似之处。几丁聚糖的2号碳与氨基相连，是唯一一种大量存在的天然碱性多糖。

几丁聚糖因其独特的分子结构，而拥有多种特殊、优越的理化性质，可以被人类加以利用。

1. 几丁聚糖对生物友好，在生物体中不会引发严重不良反应，可以安全地适应动植物组织和器官，即是流散到自然环境中，也不会对人类或动植物造成严重的负面影响。
2. 可完全降解性。通过生物降解率实验、土壤填埋实验、微生物菌株平皿培养实验，表明几丁质和几丁聚糖可以被完全生物降解，尤其是在山几丁质酶、几丁聚糖酶、溶菌酶等生物酶的处理下，分解效果极为显著。
3. 多功能、多衍生：几丁聚糖打的分子中含有乙酰氨基、氨基、羟基等官能团，可以进行多功能基化学反应，以及几丁聚糖较大的分子量、多变的配位数、和表现出晶体形态，可以形成多种多样的络合物、复合物等以及各种衍生物，可以大大开拓几丁聚糖的发展领域。
4. 亲水性：几丁聚糖分子中含有多个羟基，表现出亲水性，溶解度相比几丁质大大提高，这方便了人类的加工、制备等。几丁聚糖溶液粘稠、易于成膜，既可以做种衣剂在种子表面附着成膜，又可以做喷淋叶面肥吸附在作物叶面上，易于吸收。

2.2.1 几丁聚糖的调节作物生长作用机理

（1）促进根系生长，活化根系状态：几丁聚糖处理能促使植物种子提前发芽，使根系发达，根毛、须根、次生根数量大大增加。根乃植物之本，根际发达，会增强植物的吸肥吸水能力，增强抗旱、抗倒伏能力，增强免疫力，达到粗壮多结果之目的。几丁聚糖能充分活化根际状态，酶解养分分子，迅速形成土壤溶液，使氮、磷、钾等养分能得到植物充分有效地吸收。几丁聚糖对作物幼苗的碳、氮代谢特别是对氮代谢具调节作用。其中微量元素在几丁聚糖的螯合下，容易被吸收，从而增加蛋白质、氨基酸的含量，从根本上改善作物的品质。