一种纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶及其制备方法和应用

本发明涉及水凝胶，特别是涉及一种纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着人口快速发展以及耕地资源的日益紧张，传统的土壤农业面临许多挑战，包括土地退化、气候变化引发的干旱等问题。为了解决这些问题，无土栽培技术应运而生，作为一种现代化的农业生产方式，无土栽培不依赖传统土壤提供植物所需的水分和养分，具有较高的水资源利用效率和空间利用率。然而目前无土栽培常用的基质主要包括岩棉、椰糠、泥炭、珍珠岩和蛭石等。这些材料虽然能够满足植物生长需要，但仍存在原料来源受限、部分材料不可降解、重复利用率不高、运输成本较高以及废弃后容易造成环境负担等缺陷。因此，开发来源广泛、绿色环保、可生物降解，并兼具一定营养调控能力的新型栽培基质，已成为设施农业材料研究的重要方向。

2、现有研究主要利用水凝胶改善保水性能或作为氮、磷、钾等营养元素的缓释载体，以提高肥料利用效率和减少养分流失。但对于钙元素的持续释放及植物富钙栽培的研究仍相对较少。现有技术尚未实现保水支撑、缓释供钙和植物富钙等多种功能的一体化设计，难以同时满足现代设施农业对绿色环保、高效供钙及功能性蔬菜生产的应用需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明目的在于提供一种纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶及其制备方法和应用。本发明提供的水凝胶能够实现营养元素离子的缓释，在植物无土栽培时能够高效供应营养元素离子满足功能性蔬菜生产的需求。

2、为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明技术方案之一，一种纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、将植物纤维原料依次进行粉碎、一次碱处理、酸处理、二次碱处理、洗涤至中性，得到纯化植物纤维；

5、将所述纯化植物纤维分散于水中，之后采用tempo氧化体系进行选择性氧化反应，之后进行高压均质处理，获得纳米纤维素悬浮液；

6、将所述纳米纤维素悬浮液脱泡处理后，加入营养元素离子溶液进行交联反应，得到所述水凝胶。

7、本发明技术方案之二，一种上述制备方法制备得到的纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶。

8、本发明技术方案之三，一种上述纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶在植物无土栽培中的应用。

9、本发明公开了以下技术效果：

10、本发明以竹材为原料制备得到纳米纤维素悬浮液，之后与金属离子（如ca2+）进行交联反应，金属离子可逆交联的三维网络结构实现了营养元素离子的缓释，将其用于植物无土栽培时，能够提高植物根际局部营养元素离子浓度的稳定性，避免快速流失，能够显著提高植物生物量及营养元素离子含量；同时，水凝胶孔隙结构有利于根系延伸与吸收。

1.一种纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述一次碱处理为：在浓度为1wt%～5wt%的naoh溶液中60～100℃下反应2～8h。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述酸处理为：在浓度为1wt%～5wt%的hcl溶液中室温下反应2～8h。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述二次碱处理为：在浓度为1wt%～5wt%的naoh溶液中60～100℃下反应2～8h。

5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，采用tempo氧化体系进行选择性氧化反应为：在tempo氧化体系中室温反应1～5h，其中tempo氧化体系中包括tempo、nabr和naclo，tempo用量为0.015g/g植物纤维，nabr用量为0.1g/g植物纤维，naclo用量为4～14mmol/g植物纤维。

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述高压均质为：在600～2000bar均质3～5次。

7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述营养元素离子溶液的浓度0.01～1.0mol/l，营养元素离子溶液中营养元素离子选自ca2+、mg2+、fe2+、fe3+、zn2+、mn2+、cu2+中的至少一种。

8.一种权利要求1-7任一项所述制备方法制备得到的纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶。

9.一种权利要求8所述纳米纤维素无土栽培富钙水凝胶在植物无土栽培中的应用。

10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述植物选自豆科植物、十字花科植物、禾本科植物或叶菜类植物。