CN108774534B - 增加团聚体且降低镉有效性的土壤改良剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增加团聚体且降低镉有效性的土壤改良剂及其使用方法。该改良剂按重量份包括:骨炭粉,40‑60重量份;蚯蚓粪便粉,30‑50重量份;石灰石粉,8‑12重量份。本发明改良剂T1可以使土壤中0.2‑2.0mm的团聚体含量在3‑7个月时间内增加19.6%‑30.1%;可使小麦籽粒Cd含量降低57.2%‑70.1%,烟叶Cd含量降低58.0%‑65.5%;可使土壤中有效态Cd(DPTA‑Cd)含量降低54.8%‑63.6%。本发明利用所制备的土壤有机‑无机复合改良剂对由于长期施肥等导致的物理结构退化土壤的生态恢复与重金属Cd污染土壤的修复具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于退化土壤的生态恢复与重金属污染土壤修复技术领域,具体涉及一种增加团聚体且降低镉有效性的土壤改良剂及其使用方法,该改良剂能够快速增加土壤中水稳性团聚体含量、降低土壤中Cd有效性和作物对Cd的吸收。
背景技术
土壤团聚体指土壤矿物质、有机质与微生物体微粒(单粒或复粒)通过各种自然过程的作用胶结而形成的一定大小(直径<10mm)的土壤结构单位。土壤团聚体是土壤肥力的物质基础,其组成与有机质含量是表征土壤结构状况(土壤孔隙、土壤酶活性)与肥力水平(土壤有机质与植物养分元素含量等)的主要指标,然而,近30年来,由于我国耕地的高强度集约化生产,大量的化肥投入品及高强度作物连作导致土壤酸化和土壤物理结构严重退化;与此同时,工业“三废”、污水灌溉及农业投入品等导致农田土壤大面积重金属污染,而土壤结构的退化导致土壤本身的缓冲功能丧失,加剧了土壤中重金属的环境风险。
针对由土壤物理性结构及重金属污染带来的土壤退化问题,近20多年来国内外进行了不同的土壤改良与修复领域的基础与应用技术研究。在土壤结构改良研究中,传统的方法包括采取休耕、晒垡与冻垡及增施有机肥等来增加土壤中水稳性团聚体,从而改善土壤结构,但鉴于我国人多地少的国情,休耕或退耕还林改良土壤方法受到很大限制,而通过晒垡、冻垡及增施有机肥方式来改善土壤结构一般需要2-4年,甚至更长时间,且改良的效果有限。在重金属污染土壤修复技术研究中,由于我国土壤重金属污染具有污染程度低、面积大的特点,在我国中、轻度重金属污染农田的修复实践中,降低土壤中重金属有效形态从而达到农产品安全生产为基本修复目标。近20多年来,我国利用原位钝化技术进行Cd污染的农田土壤修复开展了较多的研究,但纵观现有的研究成果与现有的专利技术,大多数成果均局限于通过提高土壤pH、增加对土壤中重金属的吸附等,而改善土壤性质的(尤其是改善土壤物理结构等)改良剂的研究很少涉及。
因此,急需提供一种从根本上改良土壤物理结构且可降低土壤中Cd有效形态的土壤改良剂,从而为我国农田退化土壤的改良与重金属污染土壤修复提供技术支撑。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种增加团聚体且降低镉有效性的土壤改良剂及其使用方法,该改良剂可以快速增加土壤中水稳性团聚体、而且可以降低土壤中Cd有效形态。
为了实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种增加团聚体且降低镉有效性的土壤改良剂,按重量份包括:
骨炭粉,40-60重量份;
蚯蚓粪便粉,30-50重量份;
石灰石粉,8-12重量份。
在上述土壤改良剂中,作为一种优选实施方式,所述土壤改良剂按重量份包括:骨炭粉,50重量份;蚯蚓粪便粉,40重量份;石灰石粉,10重量份。采用本发明优选的组分配方可以更加高效地增加土壤团聚体以及降低土壤中镉有效性。
本发明利用蚯蚓粪便中含有的大量腐殖酸及石灰石中的钙(Ca),快速增加土壤中水稳性团聚体的含量,利用骨炭粉中的羟基磷灰石对土壤中Cd的沉淀与共沉淀、蚯蚓粪便中腐殖酸的官能团等对Cd的络合与螯合以及羟基磷灰石与腐殖酸在土壤中形成的有机-无机复合胶体对Cd的专性吸附作用,来降低土壤中Cd的有效形态,从而达到增加土壤中水稳性团聚体、降低土壤中Cd有效形态的作用。
在上述土壤改良剂中,作为一种优选实施方式,所述骨炭粉、蚯蚓粪便粉和石灰石粉的粒度均为-300目(即粒度48μm以下)。原料颗粒过大增加土壤中水稳性团聚体、降低土壤中Cd有效形态的作用会减弱,因此,为了增加改良剂与土壤固体颗粒及土壤中Cd的接触面积,优选这三种原料粉的粒度为48μm以下。
在上述土壤改良剂中,作为一种优选实施方式,所述骨炭粉是按照如下制备方法获得的:将动物骨骼煅烧并冷却后依次进行球磨粉碎和过筛。更优选地,所述煅烧的温度为550-600℃(比如560℃、570℃、580℃、590℃),保温时间为2-3小时(2.1h、2.3h、2.5h、2.7h、2.9h)。在本发明中骨炭粉的原料为动物骨骼,每年我国病死猪等动物均需要无害化处理,而本发明采用特别的煅烧工艺将动物骨骼煅烧后变废为宝,获得羟基磷灰石和生物炭含量高的骨炭粉,如果煅烧温度低于550度不利于生物炭的形成,而温度过高一方面会增加能耗,另一方面会导致挥发性物质含量增加,不利于骨炭粉的无机胶体吸附性能。
在上述土壤改良剂中,作为一种优选实施方式,所述蚯蚓粪便粉是通过如下方法获得的:采用牛粪养殖的蚯蚓,将得到的蚯蚓粪便风干后进行球磨粉碎并过筛。由于牛粪是我国最具代表性的农业固体废弃物,牛粪中有超过30%的纤维素和半纤维素及超过15.0%的还原性糖,特别有利于蚯蚓的养殖,因此,本发明优选采用牛粪养殖蚯蚓。
上述土壤改良剂的制备方法,包括:按照上述原料配比将骨炭粉、蚯蚓粪便粉和石灰石粉混合搅拌均匀,得到所述土壤改良剂。
上述土壤改良剂的使用方法,包括:
第一步,按照每亩600-800kg(比如610kg、650kg、680kg、720kg、750kg、780kg)的比例将上述土壤改良剂以底肥的形式均匀施入待改良土壤中;
第二步,上述土壤改良剂施入待改良土壤后,保持土壤水分为60-75%(比如62%、65%、68%、72%)的最大田间持水量10-20天(12天、15天、17天、19天),起垄后种植作物。
基于对土壤中团聚体形成的有效性及Cd钝化的效果来考虑,本发明改良剂的用量为每亩600-800kg。过量使用不仅会增加成本,还会带来水体富营养化风险。另外,为了使土壤中水分及溶质运移达到平衡,优选10-20天后起垄种植作物。
在上述使用方法中,作为一种优选实施方式,所述待改良土壤中镉的含量为0.8-2.2mg/kg(比如0.9mg/kg、1.2mg/kg、1.5mg/kg、1.6mg/kg、1.8mg/kg、2.1mg/kg),更优选为1.8-2.0mg/kg。按照最新土壤环境质量标准(GB15168-2018),该土壤Cd含量属于中度以上污染程度,本发明改良剂适合该种类型土壤,具有巨大的推广应用价值。
在上述使用方法中,作为一种优选实施方式,所述待改良土壤的pH值6-8,更优选为6.4-7.3。由于本发明的改良剂为偏碱性,因此对中、酸性土壤的改良效果更佳。
在上述使用方法中,作为一种优选实施方式,所述待改良土壤的有机质含量不高于1.2%(比如1.1%、1.0%、0.8%、0.7%)。本发明改良剂的使用对土壤有机质含量没有特别要求,但对低有机质(比如<1.0%)含量的土壤改良效果更佳。
在上述使用方法中,作为一种优选实施方式,所述作为为烟草和小麦。
所述种植作物均按照正常田间管理进行种植。
本发明的有益效果主要包括二方面:1)快速增加土壤水稳性团聚体,改善土壤物理结构,增加土壤肥力;土壤中水稳性团聚体的形成机制主要包括土壤胶体的胶结作用与凝聚作用。胶结作用指土粒通过有机和无机矿质胶体而结合在一起的过程。土壤中胶结物质有两大类:一类是有机胶体物质。如有机质中的腐殖酸和糖类等;另外一类是矿质胶结物质,如土壤中的含水氧化铁、铝及粘土矿物等。其中腐殖酸是最理想的土壤团聚体的胶结剂,土壤中腐殖酸与钙结合形成不可逆凝聚状态,其团聚体疏松多孔,水稳性强。凝聚作用主要指土壤胶粒在异性电子Ca、Fe等阳离子的作用下,使胶粒相互靠近凝聚而形成复粒的过程。本实验结果证明,本发明的改良剂中腐殖酸(HA)含量为9.36%,分别为土壤-1和土壤-2中腐殖酸含量的22.8倍和29.3倍;改良剂中Ca含量分别为土壤-1和土壤-2中Ca含量的19.9倍和7.3倍。腐殖酸中含有大量的活性基团,提高了土壤的缓冲性能及其阳离子的吸附性能,腐殖酸中大量活性官能团与土壤中Ca的胶结作用,可以有效促进土壤团聚体的形成(参见表2)。2)降低土壤中Cd的有效形态从而降低Cd的有效性;除了改良剂中腐殖酸含有大量活性官能团对土壤中阳离子的吸附外,改良剂中含有大量的羟基磷酸盐,羟基磷酸盐作为土壤中无机化合物和无机吸附胶体,对土壤中金属阳离子(Cd2+)具有较强的吸附作用,同时也可以与Cd2+形成沉淀,从而降低土壤中Cd的活性和植物对Cd的吸收转化。
综上所述,本发明是基于土壤中水稳性团聚体的形成机制基础上,结合污染土壤中Cd形态转化与有效性变化的影响因素,开发了环境友好型的土壤改良剂,成本低,其在快速增加土壤中水稳性团聚体的同时,降低污染土壤中Cd的有效形态含量,为我国农田退化土壤的改良与重金属污染土壤修复提供技术支撑。施用本发明改良剂T1可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量在3-7个月时间内增加19.6%-30.1%;可使小麦籽粒Cd含量降低57.2%-70.1%,烟叶Cd含量降低58.0%-65.5%;添加600kg/亩和750kg/亩的改良剂,可使土壤中DPTA-Cd含量降低54.8%-63.6%。本发明利用所制备的土壤有机-无机复合改良剂对由于长期施肥等导致的物理结构退化土壤的生态恢复与重金属Cd污染土壤的修复具有重要意义。
附图说明
图1为本发明改良剂T1吸附Cd前(A)和吸附Cd后(B)的X-光衍射的XRD图谱(其中,在27.1度2Q角处为羟基(氟、氯)磷灰石化合物吸收峰,31.7度为铝硅酸盐化合物吸收峰);
图2为本发明改良剂T1对土壤中有效态Cd(DTPA-Cd)含量的影响图;
图3为本发明改良剂T1对小麦籽粒与烟叶中Cd含量的影响图表。
具体实施方式
为了使本发明的技术特征和优势更加明显,下面将以实施例的方式进一步对本发明进行详细描述,但是以下实施例并不对本发明构成限制。
本发明中对改良剂粒径的测量采用激光粒度仪完成,改良剂中的主要化合物成分采用X-光衍射(XRD)技术进行测定,利用碱浸提法对改良剂中的腐殖酸含量进行测定,土壤和改良剂中Ca、Cd含量采用HNO3-HClO4消解后,分别以AAS、ICP-OES法进行测定。土壤中Cd的有效态以DTPA-CaCl2浸提剂进行提取,土壤中阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵测定法。
本发明的土壤水稳性团聚体采用湿筛法测定:套筛孔径自上而下依次为2mm、0.20mm和0.02mm,将0.20-2.0mm的土壤颗粒称为土壤水稳性团聚体。
实施例1土壤改良剂T1
本实施例制备的改良剂T1的配方如下:
骨炭粉50重量份,蚯蚓粪便粉40重量份,石灰石粉10重量份;该改良剂的具体制备方法如下:
1)骨炭粉的制备:将动物骨骼(猪骨)洗净后在580℃条件下煅烧3小时,取出冷却,利用球磨法粉碎后过300目尼龙筛,取筛下物作为骨炭粉备用;
2)蚯蚓粪便粉的制备:将采集的牛粪养殖的蚯蚓粪便风干,利用球磨法粉碎过300目筛后取筛下物作为蚯蚓粪便粉备用;
3)石灰石粉的制备:将石灰石(CaCO3)粉碎后过300目筛,取筛下物作为石灰石粉备用;
4)混合:按照上述配比将骨炭粉、蚯蚓粪便粉、石灰石粉进行混合,充分搅拌均匀,得到土壤改良剂T1,于常温下保存备用。
该实施例得到的改良剂的相关理化性质见表1。
实施例2土壤改良剂T2
本实施例制备的改良剂T2的配方如下:
骨炭粉40重量份,蚯蚓粪便粉48重量份,石灰石粉12重量份。该改良剂的D50为35μm,其具体制备方法与实施例1相同。
实施例3土壤改良剂T3
本实施例制备的改良剂T3的配方如下:
骨炭粉60重量份,蚯蚓粪便粉30重量份,石灰石粉10重量份。该改良剂的D50为34μm,其具体制备方法与实施例1相同。
实施例4土壤改良剂T4
本实施例制备的改良剂T4的配方与实施例1相同。该改良剂的D50为37.1μm,其具体制备方法除骨炭粉与实施例1不同以外,其他均相同,本实施例的骨炭粉的制备方法如下:将动物骨骼(猪骨)洗净后在480℃条件下煅烧3小时,取出冷却,利用球磨法粉碎后过300目尼龙筛,取筛下物作为骨炭粉备用。
对比例1土壤改良剂C1
本对比例制备的改良剂C1的配方如下:
骨炭粉30重量份,蚯蚓粪便粉64重量份,石灰石粉6重量份。该改良剂的D50为36μm,其具体制备方法与实施例1相同。
对比例2土壤改良剂C2
本对比例制备的改良剂C2的配方如下:
蚯蚓粪便粉40重量份,石灰石粉10重量份。该改良剂的D50为36μm,蚯蚓粪便粉和石灰石粉的具体制备方法与实施例1相同。
对比例3土壤改良剂C3
本对比例制备的改良剂C3的配方如下:
羟基磷灰石50重量份,蚯蚓粪便粉40重量份,石灰石粉10重量份。该改良剂的D50为35μm,蚯蚓粪便粉和石灰石粉的具体制备方法与实施例1相同。
表1供试土壤和改良剂的主要理化性质
注:土壤1为种植小麦的河南土壤,土壤2为种植烟草的湖南土壤。
实施例5改良剂在土壤中的使用实例以及效果检测
将土壤改良剂T1-T4和C1-C3分别用于表1的土壤1(位于河南)和土壤2(位于湖南)中进行试验。采取田间实验的方法进行改良剂效果检测,品种为中麦895和云烟-87。
种植烟草和种植小麦的2个田间实验点均按照如下方式设置:以裂区形式进行,每个裂区为4*5m=20m2,每个实验点共设9种处理:CK:(对照:不施改良剂);改良剂T1-1:(添加改良剂600kg/亩)、改良剂T1-2:(添加改良剂750kg/亩)、改良剂T2:(添加改良剂750kg/亩)、改良剂T3:(添加改良剂750kg/亩)、改良剂T4:(添加改良剂750kg/亩)、改良剂C1:(添加改良剂750kg/亩)、改良剂C2:(添加改良剂750kg/亩)、改良剂C3:(添加改良剂750kg/亩),每种处理3次重复,共有27个裂区。
各种土壤改良剂在各个裂区的使用方法如下:
1)河南小麦土壤中,将上述设置用量将改良剂在10月以底肥形式均匀施入土壤耕层20cm深左右,充分拌匀后进行灌溉,保持土壤水分约为70%的最大田间持水量2周后,进行小麦播种,其它按照正常田间管理进行。小麦成熟期(2018年5月)后,在每个裂区以梅花5点方法,分别采集小麦籽粒样品和土壤样品,将每种处理的三次重复的小麦籽粒混合后制备小麦籽粒样品,将将每种处理的三次重复的土壤混合后制备土壤样品,对每种处理的样品进行土壤中团聚体含量、土壤Cd有效态含量测定与小麦籽粒Cd含量测定;
2)湖南植烟土壤中,按设计用量将改良剂在3月上旬(根据当地气候条件,衡阳地区一般在3月6-10号)以底肥形式均匀施入土壤耕层20cm左右深,充分拌匀,然后保持约70%的最大田间持水量2周后(3月下旬)起垄,进行烟苗移栽,其它均按照正常田间管理进行。7月上旬(7月3-9号)烟草成熟期后,在每个裂区以梅花5点方法,分别采集烟叶(第9-12片叶)样品和土壤样品进行土壤中团聚体含量、土壤Cd有效态含量测定与烟叶Cd含量测定。
经过上述实验,发现改良剂T1能显著(p<0.05)提高土壤中团聚体的含量,参见表2,与对照相比,施用600kg/亩和750kg/亩的改良剂T1,在酸性土壤(土壤-1)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了19.6%-22.8%;在碱性土壤(土壤-2)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了28.6%-30.1%(表2)。
图1为本发明改良剂T1吸附Cd前(A)和吸附Cd后(B)的X-光衍射的XRD图谱,在27.1度2Q角处为羟基(氟、氯)磷灰石化合物吸收峰,31.7度为铝硅酸盐化合物吸收峰。
当土壤中镉的浓度为1.830mg/kg时,施用750kg/亩的改良剂T1,可使小麦籽粒Cd含量降低70.1%;当土壤中镉的浓度为1.926mg/kg时,施用750kg/亩的改良剂T1,可使烟叶Cd含量降低65.5%(参见图3)。
对土壤中有效形态Cd(DPTA-Cd态)含量测定发现,与对照相比,添加600kg/亩和750kg/亩的改良剂T1,可使酸性土壤(土壤-1)中DPTA-Cd含量降低56.6%-63.6%,可使碱性土壤(土壤-2)中DPTA-Cd含量降低54.8%-56.7%(参见图2)。从大田实验结果可以看出,本发明利用所制备的土壤有机-无机复合改良剂可以在3-7个月内快速增加土壤大团聚体(0.2-2.0mm)的含量,显著降低镉在土壤-小麦、土壤-烟草***中的迁移,此发明结果对我国物理结构退化土壤的生态恢复与重金属Cd污染土壤的修复具有重要意义。
施用750kg/亩的改良剂T2,与对照相比,在酸性土壤(土壤-1)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了25.7%,小麦籽粒Cd含量降低65.2%,DPTA-Cd含量降低52.5%;在碱性土壤(土壤-2)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了24.4%,烟叶Cd含量降低62.2%,DPTA-Cd含量降低53.2%。
施用750kg/亩的改良剂T3,与对照相比,在酸性土壤(土壤-1)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了18.1%,小麦籽粒Cd含量降低68.1%,DPTA-Cd含量降低65.3%;在碱性土壤(土壤-2)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了16.6%,烟叶Cd含量降低55.3%,DPTA-Cd含量降低45.8%。
施用750kg/亩的改良剂T4,与对照相比,在酸性土壤(土壤-1)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了20.1%,小麦籽粒Cd含量降低63.3%,DPTA-Cd含量降低50.7%;在碱性土壤(土壤-2)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了28.4%,烟叶Cd含量降低53.6%,DPTA-Cd含量降低41.8%。
施用750kg/亩的改良剂C1,与对照相比,在酸性土壤(土壤-1)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了13.2%,小麦籽粒Cd含量降低46.2%,DPTA-Cd含量降低30.2%;在碱性土壤(土壤-2)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了12.4%,烟叶Cd含量降低46.9%,DPTA-Cd含量降低28.4%。
施用750kg/亩的改良剂C2,与对照相比,在酸性土壤(土壤-1)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了18.7%,小麦籽粒Cd含量降低33.9%,DPTA-Cd含量降低20.1%;在碱性土壤(土壤-2)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了20.8%,烟叶Cd含量降低36.1%,DPTA-Cd含量降低30.1%。
施用750kg/亩的改良剂C3,与对照相比,在酸性土壤(土壤-1)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了22.9%,小麦籽粒Cd含量降低68.7%,DPTA-Cd含量降低57.3%;在碱性土壤(土壤-2)中,可以使土壤中0.2-2.0mm的团聚体含量增加了20.4%,烟叶Cd含量降低59.8%,DPTA-Cd含量降低45.5%。
表2改良剂T1处理土壤中不同粒径(mm)土壤颗粒组成(%)
注:改良剂T1-1即以600kg/亩的用量将改良剂T1施入土壤中;改良剂T1-2即以750kg/亩的用量将改良剂T1施入土壤中。
Claims (10)
1.一种增加团聚体且降低镉有效性的土壤改良剂,其特征在于,按重量份由以下成分组成:
骨炭粉,40-60重量份;
蚯蚓粪便粉,30-50重量份;
石灰石粉,8-12重量份;
所述骨炭粉、所述蚯蚓粪便粉和所述石灰石粉的粒度均为-300目;所述骨炭粉是按照如下制备方法获得的:将动物骨骼煅烧并冷却后依次进行球磨粉碎和过筛;所述煅烧的温度为550-600℃,保温时间为2-3小时。
2.根据权利要求1所述的土壤改良剂,其特征在于,所述土壤改良剂按重量份包括:骨炭粉,50重量份;蚯蚓粪便粉,40重量份;石灰石粉,10重量份。
3.根据权利要求1所述的土壤改良剂,其特征在于,所述蚯蚓粪便粉是通过如下方法获得的:采用牛粪养殖的蚯蚓,将得到的蚯蚓粪便风干后进行球磨粉碎并过筛。
4.权利要求1-3任一项所述的土壤改良剂的制备方法,其特征在于,包括:按照权利要求1-3任一项原料配比将骨炭粉、蚯蚓粪便粉和石灰石粉混合搅拌均匀,得到所述土壤改良剂。
5.权利要求1-3任一项所述的土壤改良剂的使用方法,其特征在于,包括:
第一步,按照每亩600-800kg的比例将权利要求1-3任一项所述土壤改良剂以底肥的形式均匀施入待改良土壤中;
第二步,权利要求1-3任一项所述土壤改良剂施入待改良土壤后,保持土壤水分为60-75%的最大田间持水量10-20天,起垄后种植作物。
6.根据权利要求5所述的使用方法,其特征在于,所述待改良土壤中镉的含量为0.8-2.2mg/kg。
7.根据权利要求6所述的使用方法,其特征在于,所述待改良土壤中镉的含量为1.8-2.0mg/kg。
8.根据权利要求5所述的使用方法,其特征在于,所述待改良土壤的pH值为6.0-8.0。
9.根据权利要求8所述的使用方法,其特征在于,所述待改良土壤的pH值为6.4-7.3。
10.根据权利要求5所述的使用方法,其特征在于,所述待改良土壤的有机质含量不高于1.2%。
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