CN104108998B - 钢渣型无土栽培基质及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无土栽培技术领域，涉及一种固体栽培基质及其制备方法，具体涉及一种利用冶金废弃物—钢渣生产的栽培基质及其制备方法。本发明钢渣型无土栽培基质由以下体积比的原料制备而成：钢渣0.2-0.4份、草炭1-2份，以及珍珠岩0.6-1份和/或蛭石0.6-0.8份；所述钢渣中SiO₂含量不小于15？wt%、Cd含量不大于0.30？mg/kg、Cr含量不大于120？mg/kg、Pb含量不大于50？mg/kg、Hg含量不大于0.30？mg/kg、As含量不大于20？mg/kg。本发明解决我国钢渣利用率低和现有无土栽培基质存在的成本高、营养成分不全面的问题，实现钢渣的资源化利用的同时，科学设计、合理配比，避免钢渣的毒副作用，带来巨大的社会、经济和生态效益。

Description

钢渣型无土栽培基质及其制备方法

技术领域

本发明属于无土栽培技术领域，涉及一种固体栽培基质及其制备方法，具体涉及一种利用冶金废弃物—钢渣生产的栽培基质及其制备方法。

背景技术

无土栽培目前已成为设施农业的重要内容，也是农业作物工厂化生产的重要形式，是发展高效农业的新途径。无土栽培主要有基质培和水培两种方式，基质培的主要栽培介质为固体基质，然而在水培中固体栽培基质在育苗阶段和定植时固定和支持作物中也得到了应用，这说明了固体栽培基质的使用是非常普遍的。我国无土栽培起步较晚，但现在处于蓬勃发展时期。自20世纪70年代以来，随着世界各国无土栽培技术与穴盘育苗技术的发展，基质市场迅速壮大，栽培基质成为重要的研究领域。

我国是钢铁生产和消费大国，同时也是钢渣产生大国。每年持续产生的巨量钢渣废弃物占据着大量土地，并对生态环境和人类健康产生着巨大威胁。据统计，仅2010年全国的钢产量就为6.2亿吨，由此产生的钢渣废弃物约为8500万吨，占钢铁产量的10-15%。虽然我国的钢渣在冶金、建材、交通、农业等多方面有广泛的利用价值，但我国钢渣总体利用率仅为20％，而农业资源化利用率则不到1%，远远低于发达国家，早在上个世纪70年代初美国的钢渣就已经达到排用平衡。因此，如何实现钢渣的综合利用是目前需要研究的课题之一。

现有一些无土栽培基质多数都需要添加大量的草炭，然而草炭成本昂贵且属于不可再生的自然资源，长期使用会导致资源枯竭，破坏生态环境，当前已限制开采使用。目前随着基质用量的增加，为了实现可持续发展，保护环境，必须重复利用和无害化处理栽培基质。钢渣由于含有硅、钙和其它营养元素，可以用作栽培基质，但同时也含有对植物生长有害的重金属铅、铬、镉、汞和砷，如果不合理利用，搭配不合理，将严重影响植物的生长，严重时会导致死亡。

发明内容

本发明的目的是提供一种以冶金废弃物—钢渣为基质的无土栽培方法，解决我国钢渣利用率低和现有无土栽培基质存在的成本高、营养成分不全面的问题，实现钢渣的资源化利用的同时，科学设计、合理配比，避免钢渣的毒副作用，带来巨大的社会、经济和生态效益。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

设计一种钢渣型无土栽培基质，由以下体积比的原料制备而成：钢渣0.2-0.4份、草炭1-2份，以及珍珠岩0.6-1份和/或蛭石0.6-0.8份；所述钢渣中SiO₂含量不小于15wt%、Cd含量不大于0.30mg/kg、Cr含量不大于120mg/kg、pb含量不大于50mg/kg、Hg含量不大于0.30mg/kg、As含量不大于20mg/kg。

对于上述的钢渣型无土栽培基质，所述钢渣的粒度为3-6mm，珍珠岩粒度为3-7mm，蛭石粒度为2-4mm。

对于上述的钢渣型无土栽培基质，可以由以下体积比的原料制备而成：草炭2份、蛭石0.6-0.8份和钢渣0.2-0.4份。

对于上述的钢渣型无土栽培基质，可以由以下体积比的原料制备而成：草炭1份，珍珠岩0.6-0.8份，钢渣0.2-0.4份。

对于上述的钢渣型无土栽培基质，可以由以下体积比的原料制备而成：草炭1份，蛭石0.6-0.8份，钢渣0.2-0.4份，珍珠岩1份。

设计一种上述钢渣型无土栽培基质的制备方法，包括以下步骤：

（1）选择重金属含量在所述安全限值以内的钢渣；

（2）测定步骤（1）选定钢渣的硅含量，选择SiO₂含量为15%以上的钢渣；

（3）将所选钢渣过3-6mm×3-6mm的网孔筛，然后再进行淋洗脱盐处理；

（4）将所得钢渣与草炭、蛭石和/或珍珠岩进行复配，混合均匀后得到钢渣型无土栽培基质。

其中步骤（3）中钢渣过4mm×4mm的网孔筛。

其中步骤（2）采用硅钼蓝比色法测定钢渣的硅含量。

本发明的积极有益效果：

（1）本发明栽培基质颗粒度适中、各原料种类及级配搭配合理，疏松透气，生物性能稳定且形成团聚结构，结构稳定、透气性及持水性好、酸碱度适宜，阳离子交换量大，以其培育的作物根系发达，根系活力高，无不良根际效应，而且还能充分利用钢渣，又能有效避免钢渣的不良影响，可以提高基质中有效硅浓度、改变基质中硅的形态，改善植物硅营养，还可以增强物理屏障，减少土传病害的发病机会，提高植物抵抗冷害、干旱、重金属等多种非生物胁迫的能力。

（2）本发明解决了我国钢渣利用率低和现有无土栽培基质存在的成本高、营养成分不全面的问题，实现钢渣的资源化利用的同时，带来了巨大的社会、经济和生态效益。

（3）本发明基质合理添加的珍珠岩无菌、不腐、透气性好、吸水率高，原料来源丰富，价格低廉；蛭石透气性好，吸水力强，温度变化小等特点，且有离子交换的能力，具有疏松基质的作用，它对基质的营养有极大的保持作用，蛭石用于培养基质，有利于作物的生长，还可减少肥料的投入。

附图说明

图1为第一组对照处理栽培小白菜的株高变化图；

图2为第二组对照处理栽培小白菜的株高变化图；

图3为第三组对照处理栽培小白菜的株高变化图；

图4为第一组对照处理栽培小白菜的叶片叶绿素变化图；

图5为第二组对照处理栽培小白菜的叶片叶绿素变化图；

图6为第三组对照处理栽培小白菜的叶片叶绿素变化图；

图7为三组对照处理栽培小白菜的VC含量对比图；

图8为三组对照处理栽培小白菜的可溶性糖含量对比图；

图9为三组对照处理栽培小白菜的蛋白含量对比图；

图10组对照处理栽培小白菜的硝酸盐含量对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

制备钢渣型无土栽培基质：

（1）选择几家钢厂不同类型的钢渣，按照“重金属阈值”行业专项统一实验方法对钢渣中重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg进行分析测定，选择重金属含量在安全限值以内的钢渣；

（2）采用硅钼蓝比色法测定步骤（1）所得钢渣的硅含量，最后选择SiO₂含量为15wt%以上的三种钢渣S1、S2和S3(具体理化性质见表1)；

（3）将所得钢渣过网孔筛，再进行淋洗脱盐处理；

（4）将所得钢渣与草炭、蛭石按照表2进行复配，混合均匀后即可得到性状优良的钢渣型无土栽培基质，其理化性质见表3。钢渣的粒度为3-6mm，珍珠岩和蛭石为市购栽培基质专用产品，粒度分别为3-7mm和2-4mm。

表1筛选后钢渣的理化性质

钢渣理化性状分析：由于制造工艺及材料的不同，钢渣的形态，理化性质和成分组成也会存在差别。钢渣一般为碱性，质地坚硬，密实，孔隙度小。如表1所示，3种钢渣的pH值都比较高，最高的达到9.94，其最小值也为9.39，说明钢渣的碱度很高。这三种钢渣的Ec值相差不大。3种钢渣的容重较高，孔隙度相差不大。钢渣S3的持水力相比其它两种较高，其SiO₂和CaO含量相差不大。

表2栽培基质的原料配比（体积比）

表3栽培基质的理化性质

如表3所示，在三组对照处理中，加入钢渣的复合基质pH值相比钢渣的pH值降低了许多，但随着钢渣加入量的增加，pH值也呈上升趋势。钢渣复合基质的容重值相比钢渣的容重值也降低了，三个对照及12个处理的容重都在0.1-0.8g/cm³的范围内，适合作物的生长需要。总孔隙度都在作物生长的需求范围内54%-96%，相比于对照，添加钢渣的复合基质的总孔隙度要低，但差异性不显著。各处理的持水力低于其对照。

相关试验：

实验材料为“四季小白菜”小白菜种子，于2013年11月~2014年2月在中国农业科学院玻璃温室内进行，试验结果分析如下。

表4栽培基质对小白菜形态指标的影响

栽培基质对小白菜形态指标的影响见表4，可以看出，第一组对照处理中CK1的长势情况最好，叶片数目也最多，而T1、T2的长势情况在第一组对照处理中最差，这也体现在叶片数、茎粗、及地上部分鲜重上，T1在地上部分鲜重上与CK1有显著性差异，说明钢渣S1对小白菜的整体长势有影响，在整体长势上，钢渣S2和钢渣S3的表现优于钢渣S1；在第二组对照处理中，可以明显观察到随着钢渣S3的比例增大，小白菜的长势呈现下降趋势，叶片数、茎粗及地上部鲜重也变小，但无显著性差异。在第三组对照处理中，小白菜的长势也呈现下降趋势，叶片数、茎粗、地上部分鲜重也随着钢渣S2比例的增加而减小，但无显著性差异。就整体情况看，随着钢渣替代率的增加小白菜的长势呈下降趋势，但就地上鲜重而言，仅T1与Ck1有显著性差异，而其他处理组与对应的对照并无显著性差异。

三组对照处理的钢渣栽培基质栽培小白菜株高变化情况见图1~3，从图1~3可以看出，T4栽培的小白菜株高显著大于对照CK1，T3、T5栽培的小白菜株高前期与对照CK1相近，后期则大于对照CK1；在钢渣替代草炭：珍珠岩中珍珠岩的配方中，各个处理栽培的小白菜株高均小于对照CK2；T11栽培的小白菜株高与对照相近，T12栽培的小白菜株高显示与对照CK3相近，到后期则小于对照CK3。

三组对照处理的钢渣栽培基质栽培小白菜叶片叶绿素变化情况见图4~6，从图4~6可以看出，在测试期间内各复合基质栽培小白菜的叶片叶绿素呈先上升趋势，后经过一段时间的稳定，最后开始呈下降的趋势。T3处理初期明显比CK1的叶绿素含量高，说明含有钢渣S2在第一组配方中能够在生长初期给小白菜提供较多的养分，而随着时间的推移，随着养分的消耗，T3处理组的叶绿素含量下降十分迅速，表明后续的养分补给不足。T2处理组由于含有较多的钢渣S1，因此在生长初期比对照CK1叶绿素含量高，同时也高于T1处理组。T4处理组在生长初期的叶绿素含量也较高，但T5、T6组却与CK1的叶绿素含量基本持平，说明随着钢渣S3含量的上升，小白菜的叶绿素有下降趋势，同样的情况也出现在T8、T9、T10及T11、T12组中，随着钢渣含量的增加，叶绿素的含量反而呈现下降趋势。

钢渣栽培基质对小白菜VC含量的影响见图7，由图7可以看出，随着钢渣替代率由20%到40%时，小白菜中维生素C的含量表现为升高；当替代率由40%到60%时，表现为降低。如T1、T2及T11、T12所示，分别随着钢渣S1及钢渣S2由20%到40%替代率时，小白菜中维生素C的含量表现为升高；如T4、T5、T6及T8、T9、T10所示，随着钢渣S3含量的增加，小白菜维生素C的含量表现为先上升后下降的趋势。三组实验中CK2的维生素C含量最高。在钢渣替代草炭：蛭石配方中蛭石的实验中，与对照CK1的维生素C含量相比，钢渣S3替代效果最好，维生素C含量均比CK1高。

钢渣栽培基质对小白菜可溶性糖含量的影响见图8，由图8可以看出，各组对照与处理间小白菜的可溶性糖无显著性差异。第一组对照处理中，小白菜可溶性糖含量最高的为T2，含量最低的为T1，与对照CK1都无显著性差异；第二组对照处理中，小白菜可溶性糖含量最高的为T9，含量最低的为T8，与对照CK2无显著性差异；第三组对照处理中，小白菜可溶性糖含量最高的为T11，含量最低的为T12，与对照CK3无显著性差异。

钢渣栽培基质对小白菜蛋白含量的影响见图9，由图9可以看出，在第一组对照处理中，只有T3、T4的可溶性蛋白质含量低于对照CK1，其他处理的含量均高于对照CK1；在第二组对照处理中，T9、T10的可溶性蛋白质含量低于对照CK2，其他处理的含量高于对照CK2；在第三组对照处理中，T12的可溶性蛋白质含量低于对照CK3，T11的含量要高于对照CK3。T4、T5、T6所示的小白菜可溶性蛋白质含量在钢渣S3替代蛭石过程中替代率由20%到40%时呈上升趋势，由40%到60%时呈下降趋势；T8、T9、T10所示的小白菜可溶性蛋白质含量在钢渣S3替代珍珠岩过程中呈下降趋势；T1、T2及T11、T12中钢渣的替代率都为20%到40%，都表现为下降趋势。

钢渣栽培基质对小白菜硝酸盐含量的影响见图10，硝酸盐也是蔬菜品质的一个重要评价指标，根据国家标准GB18406.1-2001的规定，叶菜类蔬菜的硝酸盐含量应≦3000mg/kg。由图10可以看出，各对照处理的硝酸盐含量均在国家标准规定的范围内。且各组对照处理无显著性差异。各组处理与其对照相比，有T4高于CK1，T9高于CK2，其他处理的硝酸盐含量均低于或等于其对照。如T4、T5、T6所示，随着钢渣替代率的增加，硝酸盐含量呈降低趋势；T8、T9、T10所示随着钢渣量的增加，硝酸盐含量是先上升后下降。由此可以看出，钢渣的添加并不会导致硝酸盐含量的升高，在一定程度上反而降低了硝酸盐的含量。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种钢渣型无土栽培基质，其特征在于，由以下体积比的原料制备而成：钢渣0.2-0.4份、草炭1-2份，以及珍珠岩0.6-1份和/或蛭石0.6-0.8份；所述钢渣中SiO₂含量不小于15wt%、Cd含量不大于0.30mg/kg、Cr含量不大于120mg/kg、pb含量不大于50mg/kg、Hg含量不大于0.30mg/kg、As含量不大于20mg/kg。

2.根据权利要求1所述的钢渣型无土栽培基质，其特征在于：所述钢渣的粒度为3-6mm，珍珠岩粒度为3-7mm，蛭石粒度为2-4mm。

3.根据权利要求1所述的钢渣型无土栽培基质，其特征在于：由以下体积比的原料制备而成：草炭2份、蛭石0.6-0.8份和钢渣0.2-0.4份。

4.根据权利要求1所述的钢渣型无土栽培基质，其特征在于：由以下体积比的原料制备而成：草炭1份，珍珠岩0.6-0.8份和钢渣0.2-0.4份。

5.根据权利要求1所述的钢渣型无土栽培基质，其特征在于：由以下体积比的原料制备而成：草炭1份，蛭石0.6-0.8份，钢渣0.2-0.4份和珍珠岩1份。

6.一种权利要求1所述钢渣型无土栽培基质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）选择重金属含量在所述安全限值以内的钢渣；

（2）测定步骤（1）选定钢渣的硅含量，选择SiO₂含量为15%以上的钢渣；

（3）将所选钢渣过3-6mm×3-6mm的网孔筛，然后再进行淋洗脱盐处理；

（4）将所得钢渣与草炭、蛭石和/或珍珠岩进行复配，混合均匀后得到钢渣型无土栽培基质。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中钢渣过4mm×4mm的网孔筛。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）采用硅钼蓝比色法测定钢渣的硅含量。