CN108624325A

CN108624325A - 一种钝化重金属污染水稻土的调理剂及其应用

Info

Publication number: CN108624325A
Application number: CN201810602855.XA
Authority: CN
Inventors: 黄玲; 刘冲; 陈志良; 张建强; 苏耀明
Original assignee: South China Institute of Environmental Science of Ministry of Ecology and Environment
Current assignee: South China Institute of Environmental Science of Ministry of Ecology and Environment
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2018-10-09

Abstract

本发明公开了一种钝化重金属污染水稻土的调理剂，其由牛粪生物炭和钙镁磷肥组成。本发明调理剂产生了不可预知的协同作用,其降低土壤重金属有效态、农作物可食部位重金属含量的效果远远大于牛粪生物炭和钙镁磷肥单独使用的效果,改善了单一无机钝化剂对土壤环境带来的不利影响,且对减少农田土壤化肥使用量、缓解农田土壤重金属面源污染具有重大的实践意义，同时，生物炭可作为钙镁磷肥的增效载体，钙镁磷肥抵消了生物炭缺乏养分的弊端。本发明钝化修复周期较短,且能同时对几种重金属元素同时起到生物有效性钝化的效果,能较好的满足重金属污染土壤钝化修复的条件要求。

Description

一种钝化重金属污染水稻土的调理剂及其应用

技术领域

本发明属于农田土壤污染钝化领域，特别涉及一种钝化重金属污染水稻土的调理剂及其应用。

背景技术

农田土壤重金属污染由于关系到农业生产、人类和动物健康等越来越受到广泛关注。我国农田土壤重金属污染情况令人担忧，但大部分污染土壤属于重金属中、轻度污染。如果上述污染程度较低、污染面积较大的农田停止正常农业生产，而采用高投入、高耗能的物理化学方法进行钝化，或者采用低投入、周期长的植物钝化方法，这显然是不符合实际的。因此，如何在保证农产品安全生产和改善土壤环境质量的前提下，开展重金属中轻度污染农田土壤的钝化研究工作，是实现安全、高效和可持续发展农业的迫切需要。

含磷调理剂由于其高效等优点被广泛应用于Cd、Cu、Pb、Zn等污染土壤的钝化。钙镁磷肥是常用的改良调理剂，施用磷肥既能提高作物产量，又能降低作物Cd污染。钙镁磷肥本身与重金属形成沉淀，植物钙与重金属的竞争吸收也可降低土壤重金属的生物有效性。因此，施用钙镁磷肥可经济、有效地降低作物对重金属的吸收。然而，土壤中加入过量磷肥可能会引起磷的流失，从而导致水体富营养化，另外，土壤中过量的磷由于与其他养分之间的拮抗作用能够诱导作物缺Fe、Zn等微量元素，从而影响农作物产量。

20世纪中叶，亚马逊黑土（Terra preta）的发现开启了生物炭研究的序幕。自Hilton等发现黑炭对非草隆等的良好吸附效果之后，有关生物炭对重金属在土壤环境中的运移、形态转化、归趋等影响的研究逐渐受到关注。将生物炭作为一种改良调理剂或控释调理剂施入重金属污染农田土壤，不仅可以大量消化农林废弃生物质资源，而且对减少农田土壤化肥使用量、缓解农田土壤重金属面源污染具有重大的实践意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有土壤重金属污染的缺陷和钝化技术不足，提供一种新的调理剂配方，及该调理剂对重金属（Cd、Cu、Pb、Zn）复合污染水稻土钝化的方法，通过调理剂改良重金属污染水稻土，降低农产品对重金属的吸收累积，实现农业的高效、安全和可持续发展。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：一种钝化重金属污染水稻土的调理剂的应用，该调理剂由牛粪生物炭与钙镁磷肥组成。

经实验研究发现的优选地，由牛粪生物炭和钙镁磷肥按1.5：0.2－0.8的重量比组成，更优选为1.5：0.4－0.8的重量比组成，进一步优选为按1.5：0.4或者1.5：0.8的重量比组成。

本发明还提供利用如上述调理剂钝化重金属污染水稻土的方法，其特征在于：将所述钝化剂与待钝化土壤混合均匀进行钝化。

经实验发现，钝化剂质量为待钝化土壤质量的0.15%~5%，优选为0.18%~3.8%，更优选为0.19%，或3.8%。进一步的，上述调理剂施加量为1.5%w/w牛粪生物炭与0.8%w/w钙镁磷肥。

进一步地，在钝化过程中土壤含水率保持在50－70%，优选为60%,在室温下钝化至少30天。

虽然生物炭和钙镁磷肥都具有较强的吸附作用，是良好的土壤重金属钝化调理剂，但还没有两者联用的效果如何的报道。发明人发现生物炭可作为钙镁磷肥的增效载体，生物炭和钙镁磷肥混施或配施后可由二者的协同互补作用而达到显著肥效，这主要因为生物炭作为缓释载体延长了钙镁磷肥养分的释放期，降低养分损失，提高肥料利用率，减少化肥施用量。同时，钙镁磷肥抵消了生物炭缺乏养分的弊端。尤其是通过实验表明，相对于现有技术，本发明获得了下述优点和技术效果：

1、本发明将牛粪生物炭和钙镁磷肥组配后制备的调理剂产生了不可预知的协同作用,其降低土壤重金属有效态、农作物可食部位重金属含量的效果远远大于牛粪生物炭和钙镁磷肥单独使用的效果。尤其当牛粪生物炭和钙镁磷肥的比例为实施例验证过的钝化剂时,能同时使Cd、Cu、Pb、Zn有效态含量及农作物内Cd、Cu、Pb、Zn含量降到最低的水平,对土壤Cd、Cu、Pb、Zn均能起到较好的钝化效果，对农作物的危害最小。

2、本发明采用牛粪生物炭和钙镁磷肥为添加剂,通过不同的钝化配方,对土壤进行钝化处理。然后对比处理前后土壤重金属有效态及植物重金属含量等来分析其稳定化效果,以确定较优的稳定化配方,可更好地防止其他意外的不良反馈情况发生。

3、本发明选用的牛粪生物炭和钙镁磷肥是有机与无机钝化剂的联合,改善了单一无机钝化剂对土壤环境带来的不利影响,且对减少农田土壤化肥使用量、缓解农田土壤重金属面源污染具有重大的实践意义，同时，生物炭可作为钙镁磷肥的增效载体，生物炭作为缓释载体延长了钙镁磷肥养分的释放期，降低养分损失，提高肥料利用率，减少化肥施用量。同时，钙镁磷肥抵消了生物炭缺乏养分的弊端。

4、发明所采用的牛粪生物炭是一种较好的废弃物回收处理及利用的绿色环保资源,将其应用于重金属污染水稻土的钝化修复中,以废治污,同时具有良好的经济效益和环境效益。

5、本发明钝化修复周期较短,且能同时对几种重金属元素同时起到生物有效性钝化的效果,能较好的满足重金属污染土壤钝化修复的条件要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一、土壤重金属的调理剂的配方

本发明钝化土壤重金属的调理剂的配方分别如表1（组1为对照组）所示（相对于处理土壤）。

其中，钙镁磷肥来源于市场购买，湖北钟祥市磷肥厂生产，所述钙镁磷肥主要成分：Ca₃(PO₄)₂、CaSiO₃、MgSiO₃，其中含有Cd 0.02mg/kg，Cu 27.98，Pb 52.30mg/kg，Zn 147.57mg/kg，形态为蓝灰色粉末，粒度较均匀。

二、调理剂钝化重金属污染水稻土的方法

将本发明钝化剂（如组1~9所述的钝化剂）与待钝化土壤混合均匀,钝化剂质量为待钝化土壤质量的0.4%~3.8%；土壤含水率保持在60%,在室温下钝化至少30天即可。

以广东省清远市龙塘镇电子垃圾拆解污染农田耕作层（0-20cm）水稻土为试验对象，剔除石块与植物残体，风干并过5mm尼龙筛，该供试土壤中含Cd 2.44mg/kg，Cu 422.90mg/kg，Pb 224.25mg/kg，Zn 374.89mg/kg。

共设置与配方对应的9组处理（组1为对照组），每组试验用土约为2.5kg，每组所用钝化剂的具体成分如表2所示。

在25℃室温条件下，各组分别加入如上表所示的钝化材料，混合均匀并以超纯水控制土壤中的含水量，与田间土壤含水量相当，保持在60%，稳定30天后播入油麦菜种子10颗，三叶期后间苗至3株。油麦菜生长约40天后收获，并采集土壤样品和植物样品。土壤样品在阴凉处经自然风干后四分法取50g，经研磨并过尼龙筛，装袋密封备用。油麦菜样品分为茎叶和根系，分别称量鲜重后依次用自来水、蒸馏水、去离子水反复冲洗干净，经105℃杀青0.5h，60℃烘干至恒重后粉碎并过尼龙筛，装袋密封备用。检测试验土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的有效态及农作物体内Cd、Cu、Pb、Zn含量。检测结果见表3-表4。

表3 与对照相比各组钝化处理30天后土壤重金属有效态降低百分数（%）

表3结果表明,牛粪生物炭、钙镁磷肥单独使用的效果均不及牛粪生物炭和钙镁磷肥组配使用的效果,这说明,将牛粪生物炭和钙镁磷肥组配后制备的调理剂产生了不可预知的协同作用,其降低土壤重金属有效态的效果远远大于牛粪生物炭和钙镁磷肥单独使用的效果，土壤有效态Cd、Cu、Pb、Zn含量最高可分别降低60.00%、80.20%、100%、100%。综上所述,将牛粪生物炭和钙镁磷肥组配在一起制得的调理剂更能显著降低土壤中重金属有效态含量,当牛粪生物炭和钙镁磷肥的添加比例为3.0%w/w牛粪生物炭与0.8%w/w钙镁磷肥（组9中的钝化剂）时,能同时使土壤有效态Cd、Cu、Pb、Zn含量降到相对最低的水平,但当添加比例为1.5%w/w牛粪生物炭与0.8%w/w钙镁磷肥（组6中的钝化剂）时,能在相对较少施加量时对土壤Cd、Cu、Pb、Zn起到较好的钝化效果。

表4 与对照相比各组钝化处理30天后油麦菜可食部位重金属含量（mg/kg）

表4结果表明，单一施加牛粪生物炭或钙镁磷肥时,油麦菜可食部位Cd、Cu、Pb、Zn有效态含量也能被显著降低,但其效果明显不及牛粪生物炭和钙镁磷肥的组配使用组,油麦菜可食部位Cd、Cu、Pb和Zn含量最大分别降低34.78%、20.83%、66.04%和39.42%，这进一步说明,将牛粪生物炭和钙镁磷肥组配后制备的调理剂产生了不可预知的协同作用,其降低农作物重金属总量的效果远远大于牛粪生物炭、钙镁磷肥单独使用的效果。当牛粪生物炭和钙镁磷肥的添加比例为3.0%w/w牛粪生物炭与0.8%w/w钙镁磷肥（组9中的钝化剂）时,能同时使油麦菜可食部位Cd、Cu、Pb、Zn含量降到相对最低的水平,但在添加比例为1.5%w/w牛粪生物炭与0.8%w/w钙镁磷肥（组6中的钝化剂）时,能在相对较少施加量时对土壤Cd、Cu、Pb、Zn起到较好的钝化效果、减小农作物受重金属污染风险的效果。

Claims

1.一种钝化重金属污染水稻土的调理剂，其特征在于：其由牛粪生物炭和钙镁磷肥组成。

2.如权利要求1所述的调理剂，其特征在于：由牛粪生物炭和钙镁磷肥按1.5：0.2－0.8的重量比组成。

3.如权利要求1所述的调理剂，其特征在于：由牛粪生物炭和钙镁磷肥按1.5：0.4－0.8的重量比组成。

4.如权利要求1所述的调理剂，其特征在于：由牛粪生物炭和钙镁磷肥按1.5：0.4或者1.5：0.8的重量比组成。

5.利用如权利要求1至4任一项所述调理剂钝化重金属污染水稻土的方法，其特征在于：将所述钝化剂与待钝化土壤混合均匀进行钝化。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：钝化剂质量为待钝化土壤质量的0.15%~5%，优选为0.18%~3.8%，更优选为0.19%，或3.8%。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：相对于待钝化土壤质量，所述调理剂施加量为1.5%w/w牛粪生物炭与0.8%w/w钙镁磷肥。

8.如权利要求5或6或7所述的方法，其特征在于：钝化过程中土壤含水率保持在50－70%，优选为60%,在室温下钝化至少30天。