CN101775293A - 一种含磷石膏的生物土壤改良剂及应用 - Google Patents

Abstract

本发提供一种含磷石膏的生物土壤改良剂及应用，这种生物土壤改良剂通过工业化生产，能将磷肥厂、磷酸厂等磷化工企业产生的固体废弃物磷石膏资源化利用，减少环境污染，同时能获取大量有益微生物，该生物土壤改良剂可改良盐碱土、酸性土和沿海滩涂土壤，提高土壤生产力，促进作物生长。该生物土壤改良剂利用培养基分别培养解磷菌、解钾菌、自身固氮菌、光合细菌至培养基，培养后，直接跟已经处理好的磷石膏粉末混合均匀，加水调节含水量至35-45％，室温下堆置4-7天进行二次共发酵；然后晾干至含水量达20-30％，粉碎后得粉末状混合物即得产品。

Description

一种含磷石膏的生物土壤改良剂及应用

技术领域：

本发明涉及一种含磷石膏和多种有益微生物的生物土壤改良剂及应用，具体涉及一种改善盐碱土壤、酸性土和海涂土壤碱性、养分和结构的含磷石膏的生物土壤改良剂及应用。

背景技术：

湿法生产磷酸和磷肥过程中产生大量的固体废渣——磷石膏，全世界每年大约产生1-2.8亿吨的鳞石膏，通常不加任何处理堆放地面，占据并浪费大量土地资源，且引起严重的环境污染。我国有各类磷肥企业400多家，每年产生磷石膏废渣3000-5000万吨，这些废渣常常未经处理，堆放地面，不但占用大量土地，而且因含有多种重金属元素同时pH值很低，污染土壤和周围环境。目前世界范围内磷石膏的处置都是一个严重的问题，大约不到15％的鳞石膏用于制造建筑材料、砖头、装饰板、水泥等建筑材料，但这些建筑材料用量有限，且需二次投资较大，更主要是因为磷石膏中含有天然放射性元素Ra和U等，用于建筑材料会对居住和生活在这类建筑设施中的人体产生严重的放射性危害。美国环保局将磷石膏分类为“工艺强化天然存在放射性材料(TENORM)”，并从1990年开始禁止利用磷石膏生产建筑材料，欧盟从1992年开始不再批准施用磷石膏生产建筑材料。将磷石膏制成土壤改良剂用于农业，有广阔的市场和应用前景。

我国农业是典型的资源约束型产业，近年来，人口增长、城镇化加快、非农开发占用以及耕地的荒漠化、石漠化和盐碱化等，不仅使我国农业生产效益降低、耕地逐年减少，而且造成资源和生态环境的加剧恶化。一方面，18亿亩耕地红线到了被突破的边缘；另一方面，我国有14.8亿亩盐碱地资源尚未得到有效利用。我国盐碱地面积约占全国耕地面积的76％，我国内陆盐碱地地区，受土壤盐碱程度、咸水型水质及干旱等自然条件制约，自然资源相对匮乏，生态系统十分脆弱，如西北干旱地区、东部黄淮海平原和三江平原等部分地区。同时我国东部沿海有丰富的滩涂资源因含有很高的盐分而不能开发成为良田种植作物。

开发盐碱地和沿海滩涂资源是保障国家粮食安全和生态安全的战略需求。截至2006年10月31日，我国耕地面积仅为18亿2700万亩，守住18亿亩耕地底线的形势十分严峻。在保护好现有耕地的同时，开发潜在的土地资源，成为我国农业发展的重大战略需求。通过开发利用荒废盐碱地，可以使盐碱地治理战略由单纯工程治理向区域生态综合治理转变，充分利用国土资源，发展农村经济，实现生态、经济、社会效益统一，对保障国家粮食安全和国家生态环境安全具有重要的战略意义。

我国磷肥工业和磷酸工业每年副产3000-5000万吨磷石膏，绝大多数弃置不用，不仅占用大量土地堆放，而且污染环境，让资源白白浪费。本项技术运用生态学原理，将磷石膏当成一种可再生资源而不是当作废物看待，发展循环经济和生态经济。循环经济是一种尊重和运用生态规律的经济，它建立在“资源利用——绿色产品——资源再生”的封闭式流程基础上。以循环经济代表的新发展模式已被国际社会普遍接受。循环经济在我国已由思想层面转向实践。

发明内容：

本发明目的在于提供一种含磷石膏和多种有益微生物的生物土壤改良剂，这种生物土壤改良剂通过工业化生产，将工业废渣磷石膏进行资源化再生利用，能获取大量有益微生物，可改良和提高土壤生产力，促进作物生长。

本发明的另一目的是提供含磷石膏和有益微生物的生物土壤改良剂在提高了盐碱土、海涂土壤中微生物多样性和改善了土壤的生物活性和生态功能方面的应用。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种含磷石膏的生物土壤改良剂，其特征在于，该生物土壤改良剂由以下步骤制成：

1)将化工厂废渣磷石膏利用工厂废气或预热进行烘房干燥，至含水量20-25％，用石灰水调节pH至4-5，然后干燥至含水量为20-25％并粉碎至200-400目备用；

2)培养基灭菌后，控制培养温度为28-32℃，先接种占培养基重量1-5％克雷伯氏菌和占培养基重量1.5-6％梭状芽孢杆菌，培养3-4天；再接种占培养基重量2-8％的巨大芽孢杆菌和2-5％的假单孢杆菌，培养2天；再接种占培养基重量2-6.5％的荧光假单孢杆菌和占培养基重量2-7％的铜绿假单孢杆菌，培养2-3天；最后接种占培养基重量1-8.5％的红螺菌、占培养基重量2-5％的圆褐固氮菌和占培养基重量的2-6％蓝细菌，继续培养3-5天；

3)培养完成后，加入为培养基重量连同活菌重量的300-1000倍的上述处理过的磷石膏粉末，加水调节含水量至35-45％，室温下堆置4-7天进行二次共发酵；然后干燥(晾干或低温(小于40度))烘干至含水量达20-30％，粉碎后得粉末状混合物即得产品。

培养基的配置过程为：按重量比将10-30％麦麸、8-20％米糠、0.5-5％菜子饼粉、0.5-5％花生饼粉、5-15％玉米粉、0-0.8％硫酸镁、0-0.6％硫酸亚铁、0-0.5％氯化钙、0-0.2％磷酸二氢钾，加自来水配至100％，控制pH为5-7。

培养基的灭菌过程为：将培养基置于高压灭菌锅中进行灭菌50-65分钟，保持灭菌锅中温度为120-124℃，压力为0.08-0.12Mpa；取出已灭菌的培养基，放置在无菌接种室内冷却，并放置2-3天；冷却后，采用上次方法再灭菌一次。

接种每种菌种后，每天堆翻1-2次。

步骤3)中发酵时，将其堆成堆高1-1.5米，宽10-20米，长15-20米的小方堆，这种较大的料堆有利于微生物发酵，发酵温度较高，提高发酵速度和发酵效果。

本发明的含磷石膏的生物土壤改良剂在改良盐碱土、酸性土和海涂土壤上的应用。

首先将化工厂废渣磷石膏干燥，用石灰水调节pH至4-5，然后干燥粉碎至200-400目，最后跟发酵好的有益微生物混合。

用培养基分别培养解磷菌(荧光假单孢杆菌、铜绿假单孢杆菌)、解钾菌(假单孢杆菌、巨大芽孢杆菌)、自身固氮菌(克雷伯氏菌、梭状芽孢杆菌、圆褐固氮菌)、光合细菌(红螺菌、蓝细菌)至培养基，控制培养基的温度、湿度、pH条件，通以无菌空气，培养后，直接跟已经处理好的磷石膏粉末混合均匀，并加足水分，进行二次共发酵。

本发明采用先后顺序接种不同菌株，是因为具有固氮作用的圆褐固氮菌、克雷伯氏菌、红螺菌和蓝细菌对生长环境中的化合物氮敏感，在有化合物氮如铵态氮、硝态氮和氨基氮的存在下，抑制这些固氮微生物的生长，而本发明中的培养基中的花生粉和菜子饼粉含有一定量的蛋白质，这些蛋白质会影响固氮微生物的生长发育，但是本发明中的其它微生物如荧光假单孢杆菌、铜绿假单孢杆菌、假单孢杆菌、巨大芽孢杆菌生长过程中需要一定的氮化合物，否则生长不良，因此先将这些需要含氮化合物的微生物接种培养，让其消耗培养基质中的含氮化合物，然后再接种固氮微生物，这样既不影响非固氮微生物的生长，也不影响固氮微生物的生长，相互之间协调和谐发展。

本发明的优点：

由于磷石膏所含主要元素对作物不但无害而且有益。它能改良盐碱地，提高土壤渗水率，又是南方酸性红壤和黄壤等心土层的改良剂。磷石膏具酸性，可直接中和盐碱地的碱性，同时磷石膏中的大量钙离子会把酸性红壤胶体颗粒上的铝、铁离子交换下来，从而减少了由于铝铁等置换性酸性的产生和过量铝元素对作物的危害，而且磷石膏中含钙、硫、硅、磷等植物营养元素，能增加土壤中的养分，促进作物生长，最重要的是，磷石膏中含有大量的钙，能将盐碱土和海涂土壤胶体上引起土壤性质恶化的大量的钠离子交换下来，形成稳定的土壤团粒胶体结构，有利于土壤保肥、保水、通气、保温等，提高土壤的生产力，能提高农作物的产量和质量。

本申请同时考虑盐碱土和海涂土壤中的微生物生物活性和生物多样性很低，因此将磷石膏适当处理后，添加特定功能的多种微生物，做成生物土壤改良剂，效果更好。

先大量培养获取解磷菌(荧光假单孢杆菌(Pseudomonas fluorecens)、铜绿假单孢杆菌(Pseudomonas auroginosa))、解钾菌(假单孢杆菌(Psedomonas spp)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium))、自身固氮菌(克雷伯氏菌(Klebesia)、梭状芽孢杆菌(Bacillus claustradium)、圆褐固氮菌(Azotobacter vinelandii))、光合细菌(红螺菌(Rhodospirillum spp)、蓝细菌(Cyanobacterium spp))及其代谢产物，然后再按一定比例跟粉碎的磷石膏混合，堆置进行共发酵4-7天，将这些具有有益活性微生物及代谢产物的混合物作为生物土壤改良剂使用，能改良盐碱土、沿海滩涂土壤、酸性土壤，具有很高的经济价值和良好的应用前景。

本发明中磷石膏及各功能有益菌具有协同作用，其具体功能和作用如下：磷石膏为这些微生物的生长提高比较全面的养分，如钙、磷、硫、镁、硅等矿质营养元素。解磷菌(荧光假单孢杆菌(Pseudomonas fluorecens)、铜绿假单孢杆菌(Pseudomonas auroginosa))能在环境恶逆条件下分解土壤和磷石膏中难溶性磷，释放出可溶性磷，从而增加土壤和植物磷素养分供作物和其它土壤生物生长利用。解钾菌(假单孢杆菌(Psedomonas spp)、巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium))具有很强的抗逆性，能在很酸和很碱和营养贫瘠的环境中生存，能利用土壤和石膏中的极微量的养分生活，能分解土壤中难溶性含钾矿物，释放出可溶性钾，供土壤微生物和植物生长发育；和解磷菌一起构成了磷石膏和土壤中生物生长所需矿质养分的转化者。

自身固氮菌(克雷伯氏菌(Klebesia)、梭状芽孢杆菌(Bacillus claustradium)和圆褐固氮菌(Azotobacter vinelandii))等属于厌氧或兼性厌氧微生物，对环境抗逆性特别强，是自养微生物，在极端恶逆的海水、沙漠土壤上生存，不需要有机养分，不需要含氮化合物，能直接利用空气中的分子氮气，合成氨基酸、蛋白质及其它含氮化合物，除自身利用外，还分泌到环境中供其它微生物和植物生长利用，相当于土壤中的天然氮肥厂；同时还能分泌一些生长刺激物质，促进其它微生物和植物的生长。

光合细菌(红螺菌(Rhodospirillum spp)和蓝细菌(Cyanobacterium spp))是地球上最早出现的生命形态，能在极其贫瘠、极其恶逆的生态环境中顽强地生存，在土壤、海水、淡水、污水、酸性土壤和盐碱地都能生存，能利用磷石膏中简单的无机养分，合成自身生长所需的营养物质，特别是能将空气中的氮气转化为氨基酸和蛋白质等养分物质，除了供自身生长需要外，还提供土壤微生物和植物生长需要，此外这类微生物还分泌植物生长刺激物质，促进植物的生长，同时分泌一些抑菌物质，抑制土壤中有害微生物的生长。所有这些微生物构成一个良好的微生态体系，提高了盐碱土、海涂土壤中微生物多样性和改善了土壤的生物活性和生态功能。

本发明中培养的各种微生物及与磷石膏的混合物做盐碱地、沿海滩涂、酸性土壤的生物土壤改良剂应用。

本发明利用磷石膏和解磷菌(荧光假单孢杆菌、铜绿假单孢杆菌)、解钾菌(巨大芽孢杆菌、假单孢杆菌)、自身固氮菌(克雷伯氏菌、圆褐固氮菌、梭状芽孢杆菌)、光合细菌(红螺菌、蓝细菌)生产生物土壤改良剂，通过人工将解磷菌(荧光假单孢杆菌、铜绿假单孢杆菌)、解钾菌(巨大芽孢杆菌、假单孢杆菌)、自身固氮菌(克雷伯氏菌、圆褐固氮菌、梭状芽孢杆菌)、光合细菌(红螺菌、蓝细菌)接种到灭菌后的固体培养基，在一定的温度、湿度、pH条件下，经一段时间培养后，再接种到经过处理的磷石膏上，将含有上述各种有益微生物活菌体、芽孢及代谢产物和磷石膏的共培养混合物，晾干或低温(小于40度)烘干，粉碎制成粉末状产品。

本发明利用磷肥厂废渣磷石膏生产生物土壤调节剂，其最大特点是磷化工厂的废渣磷石膏资源化再生利用，减少环境污染。同时利用微生物工艺技术实现工业化、规模化生产，生产条件和生产过程容易人工调控，质量容易控制，产品能进行连续化、批量化生产。该土壤调节剂不但解决了长期以来困扰磷化工企业废渣磷石膏排放污染环境的问题，而且能改良盐碱土、沿海滩涂土壤和酸性土壤，增加土地资源，提高土壤生产力，具有很高的经济价值和良好的应用前景。

用磷石膏和有益微生物制成的生物土壤改良剂能提供盐碱土、沿海滩涂土壤和酸性土壤大量的钙离子，能将盐碱土等土壤胶体中的引起土壤性状恶化的钠离子交换下来，从而提高土壤胶体的稳定性和团聚性，大大改善盐碱土、沿海滩涂和酸性土的团粒结构，提高了土壤的保肥、保水、保温和缓冲能力，同时由于该产品中含有大量的解磷菌、解钾菌和自身固氮菌和光合细菌等有益微生物，能为盐碱土、沿海滩涂土壤等提供速效氮、磷、钾等作物生长所需要的大量养分，还维护土壤微生态平衡，改善土壤中生物多样性，此外产品中还含有大量的钙、硫、磷、硅等作物生长必须元素，从而大大促进作物生长，因而是一种优良的盐碱土、沿海滩涂、酸性土壤的生物修复剂，而且效果好、污染少、不伤害天敌、环境友好，有利于人类可持续发展和生态平衡。

采用本发明生产的生物土壤改良剂，同现有的化学改良剂相比，不需要高温、高压、高毒，生产原料无毒，无易燃易爆原辅材料，方法简便，生产过程中无有毒废气、废液和废渣产生；同时产品应用到环境后，不污染环境，解决了化工厂由于堆放磷石膏造成的环境污染；用磷石膏和相关有益微生物生产生物土壤改良剂的方法目前尚未见公开报道。本发明中的磷石膏可从所有磷肥厂、磷酸厂获得，所用有益微生物包括解磷菌(荧光假单孢杆菌、铜绿假单孢杆菌)、解钾菌(巨大芽孢杆菌、假单孢杆菌)、自身固氮菌(克雷伯氏菌、圆褐固氮菌、梭状芽孢杆菌)、光合细菌(红螺菌、蓝细菌)可从中国科学院微生物研究所、中国农科院菌种保藏中心、山东大学、武汉大学、复旦大学、南京信息工程大学等高校和科研院所购买，也可从有关农业大学购买。

具体实施方式：

以下结合实例对本发明作进一步的描述：

实例一：

1、将培养环境彻底消毒，包括培养池、曲盘、塑料袋、培养室及培养室内空气。

2、将培养基按重量百分比为：10-30％麦麸、8-20％米糠、0.5-5％菜子饼粉、0.5-5％花生饼粉、5-15％玉米粉、0-0.8％硫酸镁、0-0.6％硫酸亚铁、0-0.5％氯化钙、0-0.2％磷酸二氢钾，用自来水配至100％，控制pH为5-7，，做成固体培养基；将固体培养基置于培养池、曲盘或塑料袋中。

3、将袋装上述原料置于高压灭菌锅中进行高温灭菌50-60分钟，保持灭菌锅中温度为121℃，压力为0.15MPa。

4、取出已灭菌的袋装培养基，放置在无菌接种室内冷却，并放置2-3天。

5、将放置2-3天的灭菌袋装培养基再次高温灭菌一次，方法同3，杀灭上次灭菌过程中存活的孢子，冷却。

6、培养基灭菌后，控制培养温度为28-32℃，先接种占培养基重量1-5％克雷伯氏菌和占培养基重量1.5-6％梭状芽孢杆菌，培养3-4天；

再接种占培养基重量2-8％的巨大芽孢杆菌和占培养基重量2-5％假单孢杆菌，培养2天；

再接种占培养基重量2-6.5％的荧光假单孢杆菌和占培养基重量2-7％的铜绿假单孢杆菌，培养2-3天；

最后同时接种占培养基重量1-8.5％的红螺菌、占培养基重量2-5％的圆褐固氮菌和占培养基重量的2-6％蓝细菌，继续培养3-5天；培养时放置在培养室的培养池或培养架上进行培养，如塑料袋培养，在接种后将塑料袋均匀打孔。

7、在培养克雷伯氏菌和梭状芽孢杆菌过程中不翻动培养基，因为他们是厌氧微生物，对氧气敏感，但在培养其它微生物时应每天翻动1-2次翻动塑料袋或曲盘，以使培养基均匀透气，以利克雷伯氏菌和梭状芽孢杆菌均匀生长充分利用培养料。而自身固氮菌属于厌氧或兼性厌氧微生物，在堆放培养过程中无需翻堆通气。

8、培养完成后，加入为培养基连同活菌总重量300-1000倍的上述处理过的磷石膏粉末，加水调节含水量至35-45％，室温下堆制4-7天进行共发酵；以促进有益微生物的进一步繁殖和扩大数量，同时促进磷石膏中有关养分的转化，并且让有益微生物逐渐适应磷石膏环境。

堆置时做成小方堆，堆高约1-1.5米，底宽约10-15米，长约15-20米，在室温下进行各种微生物共培养4-7天，然后连同培养基质、活菌体、芽孢、代谢产物一起混匀，晾干，保持最后水分大约20-30％，粉碎后得粉末状混合物即为最终产品。

实施例二：

本发明中制作培养基时：将20Kg麦麸、15Kg米糠、3Kg菜子饼粉、4Kg花生饼粉、15Kg玉米粉、0.5Kg硫酸镁、0.2Kg硫酸亚铁、0.1Kg氯化钙、0.2Kg磷酸二氢钾，自来水42Kg，制成含水量为42％的固体培养基，培养基总重100Kg，pH为5.8。

其中各种菌的接种量为：

先接种克雷伯氏菌5Kg和梭状芽孢杆菌3Kg，培养3天；

再接种巨大芽孢杆菌6Kg和5Kg假单孢杆菌，培养2天；

再接种的荧光假单孢杆菌6Kg和铜绿假单孢杆菌5Kg，培养3天；

最后同时接种红螺菌8Kg、圆褐固氮菌4Kg和蓝细菌5Kg，培养4天。

培养后，加入量为930Kg处理过的磷石膏粉末二次发酵，其它过程同实施例1，得产品。

本发明的应用实例：

将本发明中制得的含磷石膏和多种微生物的生物土壤改良剂，用于盐碱土、沿海滩涂土壤和酸性土壤的改良。

1、一般情况下，在盐碱地表土0-5cm含盐量10-20g/kg，pH9-11的盐碱土和含盐量大于8-25g/kg的沿海滩涂土壤上，在玉米、小麦种植前1-2周，每亩撒施土表本发明制成的含磷石膏的生物土壤改良剂750-2500kg，耕翻土地，播种后浇足水分，可比对照提高玉米、小麦出苗率和成活率120-260％以上，株高增加15-35％，增产220-450％以上，表土含盐量下降30％以上；

2、在酸性土壤上种植花生、黑麦草，在种植前15-20天，每亩土壤表面均匀撒施本发明的含磷石膏的生物土壤改良剂750-1500kg，然后耕翻拌匀，在同等施用其它复合肥条件下，可提高土壤pH0.05-0.1个单位，土壤速效氮提高30-50％，土壤速效磷提高50-120％，土壤速效钾提高45-95％，作物新生根增加40-60％，生物量增加65-140％；

3、在室内盆栽试验条件下，按土壤重量0.1-1.0％用量施用本发明制得的含磷石膏的生物土壤改良剂，与盆土拌匀，种植油菜、花生、大豆、水稻、玉米、棉花、黄瓜、西瓜、辣椒、白菜、蚕豆、黑麦草等作物，播种后30-45天，植株株高分别比对照增加35％、28％、46％、27％、38％、18％、32％、24％、27％、33％、68％等，生物量(植株全株鲜重)分别增加18％、13％、25％、15％、13％、16％、10％、12％、20％、26％等。

Claims (5)

1.一种含磷石膏的生物土壤改良剂，其特征在于，该生物土壤改良剂由以下步骤制成：

1)将化工厂的废渣磷石膏干燥，用石灰水调节pH至4-5，然后干燥粉碎至200-400目备用；

2)培养基灭菌后，控制培养温度为28-32℃，先接种占培养基重量1-5％的克雷伯氏菌和占培养基重量1.5-6％的梭状芽孢杆菌，培养3-4天；再接种占培养基重量2-8％的巨大芽孢杆菌和占培养基重量2-5％的假单孢杆菌，培养2天；再接种占培养基重量2-6.5％的荧光假单孢杆菌和占培养基重量2-7％的铜绿假单孢杆菌，培养2-3天；最后接种占培养基重量1-8.5％的红螺菌、占培养基重量2-5％的圆褐固氮菌和占培养基重量的2-6％的蓝细菌，继续培养3-5天；

3)培养完成后，加入为培养基连同活菌总重量300-1000倍的步骤1)处理过的磷石膏粉末，加水调节含水量至35-45％，室温下堆置4-7天进行二次共发酵；然后干燥至含水量达20-30％，粉碎后得粉末状混合物即得产品。

2.根据权利要求1所述的含磷石膏的生物土壤改良剂，其特征在于，步骤2)中培养基的配置方法为：按重量比将10-30％麦麸、8-20％米糠、0.5-5％菜子饼粉、0.5-5％花生饼粉、5-15％玉米粉、0-0.8％硫酸镁、0-0.6％硫酸亚铁、0-0.5％氯化钙、0-0.2％磷酸二氢钾，加自来水配至100％，控制pH为5-7。

3.根据权利要求1所述的含磷石膏的生物土壤改良剂，其特征在于，步骤2)中培养基的灭菌方法为：将培养基置于灭菌锅中进行高温灭菌50-65分钟，保持灭菌锅中温度为120-124℃，压力为0.08-0.12Mpa；取出已灭菌的培养基，放置在无菌接种室内冷却，并放置2-3天；冷却后，采用上次方法再灭菌一次。

4.根据权利要求1所述的含磷石膏的生物土壤改良剂，其特征在于，步骤3)中发酵时，将其堆成堆高1-1.5米，宽10-20米，长15-20米的小方堆。

5.一种含磷石膏的生物土壤改良剂在改善盐碱土、酸性土和海涂土壤方面的应用。