CN101724405A - 一种降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂 - Google Patents

一种降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，其包含无机组分和有机组分，所述无机组分的有效成份为Ca(OH)2、Na2SiO7或二者的混合物，所述有机组分包含稻草秸秆、山毛豆脱落物或二者的混合物；该土壤改良剂在作物种植前施用，所述无机组分制备成农业级的粉末状，每千克风干土施用0.5～4g无机组分，所述有机组分经粉碎后粒径小于1cm，每千克风干土施用5～40g有机组分。本发明的土壤改良剂，有效地降低重金属的生物有效性，减少农作物对镉、铅的吸收，降低农作物尤其是叶用蔬菜的重金属污染，并且不会降低农作物的生产性能。

Description

一种降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂
技术领域
本发明涉及农作物土壤改良剂，尤其涉及一种降低土壤镉、铅污染的土壤改良剂。
背景技术
目前，土壤重金属污染已成为世界性的重大环境问题，而我国的土壤重金属污染也日趋严重。据统计，目前中国受污染的耕地面积近2000万公顷，约占耕地总面积的1/5(韦朝阳、陈同斌，2001)。其中，因工业“三废”污染的农田近700万公顷，使粮食每年减产100亿公斤(http://www.365jk.com/SP/2007/0325/article_88.html)。但由于巨大的人口压力，大部分受污染农田仍在用于农作物生产。某省曾对47个县和郊区的259万hm2耕地(占全省耕地面积的2/5)进行过调查，其结果表明，75％的县已受到不同程度的重金属污染的潜在威胁，而且污染趋势仍在加重(http://www.3-xia.com/detail.asp？pubID＝204716 & page＝1)。由于人类食用的绝大多数植物和动物产品都是“土壤-植物”系统的初级或次级产品，农产品污染导致重金属通过食物链进入人体。因此，采取紧急的技术措施降低食物中重金属的含量是农业环境保护领域十分紧迫的任务。
对于我国量大面广的中、低度重金属污染的农田，目前最主要的修复改进措施是向污染土壤中添加土壤改良剂，钝化土壤中重金属的有效性，从而降低农作物对重金属的吸收。
研究表明，一些物料能够通过改变土壤酸碱度以及通过吸附等作用降低重金属的生物有效性，也有一些研究显示元素拮抗作用能够影响作物对重金属的吸收，如李明德等(2005)研究了海泡石对镉污染土壤的改良效果，发现海泡石能显著促进空心菜的生长，抑制空心菜对镉的吸收；陈翠芳等(2007)研究发现，土壤施硅能有效降低土壤有效镉含量，显著减少白菜地上部对镉的吸收和积累；马建军(1999)以小白菜为试材，研究叶面喷施不同质量浓度的FeSO4溶液对小白菜生长及吸Cd量的影响。结果表明，Fe可减少小白菜对重金属Cd的积累，提高小白菜品质。此外，也有研究表明，某些微生物也能降低农作物对重金属的吸收。如Sangram和Samir(2008)发现一种高抗Cd的细菌菌株Pseudomonas aeruginosa，将该菌株接种至南瓜和芥菜的根际，能有效减少Cd对植物的胁迫，同时使南瓜和芥菜的地上部Cd含量分别减少47.40％和36.89％。
然而，对于重金属的超富集植物，现有技术中公开的土壤改良剂无法起到明显降低其重金属含量的作用。例如，苋菜是一种已被证实的重金属Cd的超富集植物(Wang，2007博士学位论文)，其在Cd含量为7.68mg kg-1的土壤中生长时，可食部位的Cd含量高达115.7-141.8mg kg-1，目前尚未见对苋菜Cd污染防治技术的研究。
因此，开发出一种降低农作物重金属污染的土壤改良剂，有效地降低重金属的生物有效性，减少农作物对重金属的吸收，降低农作物尤其是一些超富集植物的重金属污染，是该研究领域亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，有效地降低重金属的生物有效性，减少农作物对镉、铅的吸收，降低农作物尤其是一些超富集植物的重金属污染，并且不对农作物的生长产生影响。
为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式中提供了一种降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，其包含无机组分和有机组分，所述无机组分的有效成份为Ca(OH)2、Na2SiO7或二者的混合物，所述有机组分包含稻草秸秆、山毛豆脱落物或二者的混合物；
该土壤改良剂在作物种植前施用，所述无机组分制备成农业级的粉末状，每千克风干土施用0.5～4g无机组分，所述有机组分经粉碎后粒径小于1cm，每千克风干土施用5～40g有机组分。
优选地，所述无机组分为Ca(OH)2，其施用量为1.5～5g每千克风干土；所述有机组分为稻草秸秆，其施用量为10～20g每千克风干土。
或者优选为，所述有机组分为山毛豆脱落物，其施用量为10～40g每千克风干土。进一步优选为，所述无机组分为Na2SiO7，其施用量为0.5～1.5g每千克风干土；所述有机组分为山毛豆脱落物，其施用量为10～40g每千克风干土。
优选地，所述无机组分不含重金属元素，所述有机组分来源于未受重金属污染的土壤上种植获得的稻草秸秆、山毛豆脱落物或二者的混合物。
优选地，为了保证土壤改良剂的肥力，所述有机组分在施用前经过孵熟处理。
优选地，所述无机组分和有机组分分开存放，施用时分别施用或者均匀混合后施用。
本发明的土壤改良剂的无机组分中含有Ca(OH)2、Na2SiO7或二者的混合物，能够改变土壤酸碱度，并对重金属元素产生良好的吸附作用，从降低土壤中镉、铅的生物有效性，减少农作物对镉、铅的吸收，另外，土壤改良剂的有机组分采用稻草秸秆、山毛豆脱落物或二者的混合物，一方面，该有机组分对重金属离子有良好的吸附作用，从而减少农作物对镉、铅的吸收；另一方面，该有机组分来源于未受重金属污染的土壤中种植获取的作物残料，不仅取材来源广泛，成本低，而且其中还富含有N和K等作物生长必须的元素，能够促进作物的生长。
由于本发明的土壤改良剂中的无机组分和有机组分均有良好的减少农作物对镉、铅的吸收的作用，且二者之间通过改变土壤酸碱度和对重金属元素产生良好的吸附作用两个方面来共同实现降低农作物镉、铅污染的效果，因此本发明的土壤改良剂在减少农作物对镉、铅的吸收，降低农作物镉、铅污染方面效果良好，适用于降低重金属超富集农作物的镉、铅污染。
对于苋菜这种已被证实的重金属Cd的超富集植物，其对重金属Cd的超富集能力，而将本发明的土壤改良剂施用于受镉、铅污染苋菜作物中，能够有效地降低苋菜中镉、铅的含量，并且不对作物的生长产生影响。
由于重金属污染还会导致农作物减产，而施用本发明的土壤改良剂，一方面能够有效地抑制作物的重金属污染，另一方面，土壤中的各组分还能够提供良好肥力，从而保证农作物的生长不受影响。
本发明的土壤改良剂配方针对不同土壤可灵活的进行调整，根据土壤的pH值和有机质含量，调整无机组分和有机组分施用量，从而保证施用本发明的土壤改良剂能够同时具有降低作物镉、铅污染和有利于作物生长。
具体实施方式
为了进一步揭示本发明，以下结合具体实施例对本发明进行描述，在本发明的技术方案优选过程中，为了说明本发明优选实施例的有益效果，还设计有相应的对比例。
对照例1(用于实施例1-3的对比)
未施用土壤改良剂时，作物镉、铅含量和生物量的测定：
具体按照如下步骤完成：
步骤一：选用Cd、Pb复合污染土壤作为试验用土，经测量，试验用土中Cd浓度为0.88mg·kg-1，Pb浓度为162mg·kg-1。
步骤二：作物的种植和生长。试验时间为2008年8月。将青苋和马屎苋种植于于上述未施用土壤改良剂的土壤中，10天后间苗，每盆保留8株。20天后定苗，每盆保留4株。试验期间根据天气和植物生长情况定时浇水。生长35天后取样。
步骤三：食用部位重金属含量的测定和生物量的测定，并以此数据作为对照，评价下述实施例中，施用土壤改良剂对作物镉、铅含量和生物量的影响。
表1未施用土壤改良剂时青苋和马屎苋的生物量和镉、铅含量
 生物量(g plant-1)   Cd含量(mg kg-1FW)   Pb含量(mg kg-1FW)
  青苋   7.1±0.2   2.35±0.07   0.60±0.06
  马屎苋   4.4±0.7   0.97±0.10   0.23±0.07
实施例1
施用配方1的土壤改良剂时，作物镉、铅含量和生物量的测定：
具体按照如下步骤完成：
步骤一：选用Cd、Pb复合污染土壤作为试验用土，经测量，试验用土中Cd浓度为0.88mg kg-1，Pb浓度为162mg kg-1(土壤条件与对照例1完全相同)。
步骤二：土壤改良剂的制备和施用。所用的土壤改良剂为Ca(OH)2和稻草秸秆，在作物种植前施于土壤中；其施用量分别为Ca(OH)21.5g kg-1风干土，稻草秸秆10g kg-1风干土。
步骤三：作物的种植和生长。试验时间为2008年8月。将青苋和马屎苋种植于于上述已施用土壤改良剂的土壤中，10天后间苗，每盆保留8株。20天后定苗，每盆保留4株。试验期间根据天气和植物生长情况定时浇水。生长35天后取样。
步骤四：食用部位重金属含量的测定和生物量的测定。
与对照例1相比，青苋食用部位Cd含量仅为对照的16.8％，Pb含量仅为对照的49.2％，生物量为对照组的106.2％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的19.0％，Pb含量仅为对照的68.1％，生物量为对照组的109.9％。
实施例2
施用配方2的土壤改良剂时，作物镉、铅含量和生物量的测定：
步骤一：选用Cd、Pb复合污染土壤作为试验用土，经测量，试验用土中Cd浓度为0.88mg kg-1，Pb浓度为162mg kg-1(土壤条件与对照例1完全相同)。
步骤二：土壤改良剂的制备和施用。所用的土壤改良剂为Ca(OH)2、Na2SiO7和山毛豆脱落物，在作物种植前施于土壤中；其施用量分别为Ca(OH)21.5g kg-1风干土，Na2SiO71.5g kg-1风干土，山毛豆脱落物20g kg-1风干土。
步骤三：作物的种植和生长。试验时间为2008年8月。将青苋和马屎苋种植于于上述已施用土壤改良剂的土壤中，10天后间苗，每盆保留8株。20天后定苗，每盆保留4株。试验期间根据天气和植物生长情况定时浇水。生长35天后取样。
步骤四：食用部位重金属含量的测定和生物量的测定。
与对照例1相比，青苋食用部位Cd含量仅为对照的11.1％，Pb含量仅为对照的43.4％，生物量为对照组的102.0％。种植马屎苋于上述施用土壤改良剂的土壤，其食用部位Cd含量仅为对照的16.5％，Pb含量为对照的86.9％，生物量为对照组的104.0％。
实施例3
施用配方3的土壤改良剂时，作物镉、铅含量和生物量的测定：
步骤一：选用Cd、Pb复合污染土壤作为试验用土，经测量，试验用土中Cd浓度为0.88mg kg-1，Pb浓度为162mg kg-1(土壤条件与对照例1完全相同)。
步骤二：土壤改良剂的制备和施用。所用的土壤改良剂为Na2SiO7和稻草秸秆，在作物种植前施于土壤中；其施用量分别为Na2SiO71.5g kg-1风干土，稻草秸秆10g kg-1风干土。
步骤三：作物的种植和生长。试验时间为2008年8月。将马屎苋种植于上述已施用土壤改良剂的土壤中，10天后间苗，每盆保留8株。20天后定苗，每盆保留4株。试验期间根据天气和植物生长情况定时浇水。生长35天后取样。
步骤四：食用部位重金属含量的测定和生物量的测定。
与对照例1相比，马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的29.2％，Pb含量仅为对照的73.8％，生物量为对照组的111.6％。
由实施例1-3的实验结果可以看出，施用本发明的土壤改良剂后，一方面，作物食用部位的重金属含量明显降低，说明土壤改良剂的施用能够有效地抑制作物的重金属污染，另一方面，作物的生物量也有一定幅度的增多，说明土壤改良剂不会对作物的生长产生抑制。
另外，在土壤低P条件下，作物对一些重金属的吸收能力会显著增强，然而施用本发明的土壤改良剂，即使在土壤低P条件下，对降低农作物重金属吸收积累也具有积极效果。下文对照例2和实施例4-6中，以苋菜为例，说明在土壤低P条件下，施用本发明的土壤改良剂，对降低叶用蔬菜重金属Cd、Pb，尤其是重金属Cd的吸收积累的积极效果。
对照例2(用于实施例4-6的对比)
未施用土壤改良剂时，作物生物量和镉、铅含量的测定：
具体按照如下步骤完成：
步骤一：选用Cd、Pb复合污染的低P(磷)土壤作为试验用土，经测量，试验用土中Cd浓度为1.84mg kg-1，Pb浓度为80.9mg kg-1，速效P浓度为4.94mg kg-1。
步骤二：作物的种植和生长。试验时间为2008年4月。将青苋和马屎苋种植于于上述未施用土壤改良剂的土壤中，10天后间苗，每盆保留8株。20天后定苗，每盆保留4株。试验期间根据天气和植物生长情况定时浇水。生长40天后取样。
步骤三：食用部位重金属含量的测定，并以此数据作为对照，评价下述实施例中，施用土壤改良剂对作物生物量和镉、铅含量的影响。
表2未施用土壤改良剂时青苋和马屎苋的生物量和镉、铅含量
 生物量(g plant-1)   Cd含量(mg kg-1FW)   Pb含量(mg kg-1FW)
  青苋   0.6±0.2   14.2±2.25   0.11±0.00
  马屎苋   3.8±0.3   3.21±0.33   0.11±0.00
实施例4
施用配方4的土壤改良剂时，作物生物量和镉、铅含量的测定：
具体按照如下步骤完成：
步骤一：选用Cd、Pb复合污染的低P(磷)土壤作为试验用土，经测量，试验用土中Cd浓度为1.84mg kg-1，Pb浓度为80.9mg kg-1，速效P浓度为4.94mg kg-1(土壤条件与对照例2完全相同)。
步骤二：土壤改良剂的制备和施用。所用的土壤改良剂为Na2SiO7和山毛豆脱落物，在作物种植前施于土壤中；其施用量为Na2SiO70.5g kg-1、1.0g kg-1和1.5g kg-1风干土，并保持山毛豆脱落物施用量为15g kg-1风干土。
步骤三：作物的种植和生长。试验时间为2008年4月。将青苋和马屎苋种植于于上述已施用土壤改良剂的土壤中，10天后间苗，每盆保留8株。20天后定苗，每盆保留4株。试验期间根据天气和植物生长情况定时浇水。生长40天后取样。
步骤四：食用部位生物量和重金属镉、铅含量的测定。
与对照例2相比，Na2SiO7施用量为0.5g kg-1风干土时，青苋食用部位Cd含量仅为对照的95％，Pb含量为对照的97％，生物量为对照的246％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的94％，Pb含量为对照的57％，生物量为对照的103％。
Na2SiO7施用量为1.0g kg-1风干土时，青苋食用部位Cd含量仅为对照的48％，生物量为对照的422％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的65％，Pb含量为对照的52％，生物量为对照的150％。
Na2SiO7施用量为1.5g kg-1风干土时，青苋食用部位Cd含量仅为对照的49％，Pb含量为对照的58％，生物量为对照的418％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的51％，Pb含量为对照的50％，生物量为对照的197％。
实施例5
施用配方5的土壤改良剂时，作物生物量和镉、铅含量的测定：
具体按照如下步骤完成：
步骤一：选用Cd、Pb复合污染的低P(磷)土壤作为试验用土，经测量，试验用土中Cd浓度为1.84mg kg-1，Pb浓度为80.9mg kg-1，速效P浓度为4.94mg kg-1(土壤条件与对照例2完全相同)。
步骤二：土壤改良剂的制备和施用。所用的土壤改良剂为Ca(OH)2和稻草秸秆，在作物种植前施于土壤中；其施用量分别为Ca(OH)23g kg-1和5g kg-1风干土，并保持稻草秸秆施用量为20g kg-1风干土。
步骤三：作物的种植和生长。试验时间为2008年4月。将青苋和马屎苋种植于于上述已施用土壤改良剂的土壤中，10天后间苗，每盆保留8株。20天后定苗，每盆保留4株。试验期间根据天气和植物生长情况定时浇水。生长40天后取样。
步骤四：食用部位生物量和重金属镉、铅含量的测定。
与对照例2相比，Ca(OH)2施用量为3g kg-1风干土时，青苋食用部位Cd含量仅为对照的3.3％，Pb含量为对照的51％，生物量为对照的580％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的6.9％，Pb含量为对照的0％，生物量为对照的159％。
Ca(OH)2施用量为5g kg-1风干土时，青苋食用部位Cd含量仅为对照的3.9％，Pb含量为对照的66％，生物量为对照的525％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的9.9％，Pb含量为对照的52％，生物量为对照的103％。
实施例6
施用配方6的土壤改良剂时，作物生物量和镉、铅含量的测定：
具体按照如下步骤完成：
步骤一：选用Cd、Pb复合污染的低P(磷)土壤作为试验用土，经测量，试验用土中Cd浓度为1.84mg kg-1，Pb浓度为80.9mg kg-1，速效P浓度为4.94mg kg-1(土壤条件与对照例2完全相同)。
步骤二：土壤改良剂的制备和施用。所用的土壤改良剂为Na2SiO7和山毛豆脱落物，在作物种植前施于土壤中；其施用量分别为山毛豆脱落物10g kg-1、20g kg-1和40g kg-1风干土，并保持Na2SiO7施用量为1.0g kg-1风干土。
步骤三：作物的种植和生长。试验时间为2008年4月。将马屎苋种植于于上述已施用土壤改良剂的土壤中，10天后间苗，每盆保留8株。20天后定苗，每盆保留4株。试验期间根据天气和植物生长情况定时浇水。生长40天后取样。
步骤四：食用部位生物量和重金属Cd含量的测定。
与对照例2相比，山毛豆脱落物施用量为10g kg-1风干土时，青苋食用部位Cd含量仅为对照的74％，生物量为对照的450％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的96％，生物量为对照的164％。
山毛豆脱落物施用量为20g kg-1风干土时，青苋食用部位Cd含量仅为对照的52％，生物量为对照的356％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的54％，生物量为对照的146％。
山毛豆脱落物施用量为40g kg-1风干土时，青苋食用部位Cd含量仅为对照的44％，生物量为对照的627％；马屎苋食用部位Cd含量仅为对照的45％，Pb含量为对照的95％，生物量为对照的257％。
实施例4-6的实验结果表明，在土壤低P条件下，施用本发明的土壤改良剂，能够抑制叶用蔬菜对重金属Cd、Pb的吸收积累，对于重金属Cd，其抑制效果尤为显著。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，包含无机组分和有机组分，其特征在于：
所述无机组分的有效成份为Ca(OH)2、Na2SiO7或二者的混合物，所述有机组分包含稻草秸秆、山毛豆脱落物或二者的混合物；
该土壤改良剂在作物种植前施用，所述无机组分制备成农业级的粉末状，每千克风干土施用0.5～4g无机组分，所述有机组分经粉碎后粒径小于1cm，每千克风干土施用5～40g有机组分。
2.根据权利要求1所述的降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，其特征在于：所述无机组分为Ca(OH)2，其施用量为1.5～5g每千克风干土；所述有机组分为稻草秸秆，其施用量为10～20g每千克风干土。
3.根据权利要求1所述的降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，其特征在于：所述有机组分为山毛豆脱落物，其施用量为10～40g每千克风干土。
4.根据权利要求3所述的降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，其特征在于：所述无机组分为Na2SiO7，其施用量为0.5～1.5g每千克风干土；所述有机组分为山毛豆脱落物，其施用量为10～40g每千克风干土。
5.根据权利要求1所述的降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，其特征在于：所述无机组分不含重金属元素，所述有机组分来源于未受重金属污染的土壤上种植获得的稻草秸秆、山毛豆脱落物或二者的混合物。
6.根据权利要求1所述的降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，其特征在于：所述有机组分在施用前经过孵熟处理。
7.根据权利要求1所述的降低农作物镉、铅污染的土壤改良剂，其特征在于：所述无机组分和有机组分分开存放，施用时分别施用或者均匀混合后施用。
8.根据权利要求1～7所述土壤改良剂，用于降低叶用蔬菜的镉、铅污染。
9.根据权利要求8所述土壤改良剂，用于降低苋菜的镉、铅污染。
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