CN102827613A - 一种提高植物修复效率的根际调控剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高植物修复效率的根际调控剂及应用。所述根际调控剂包括以下原料：风化煤硝基腐植酸、氮肥、磷肥和钾肥，其成分按重量配比为25～26：5～7：4～5：4～5。本发明通过根际调控剂降低土壤pH值，络合或螯合土壤中的镉，增加土壤中镉的生物有效性，达到提高镉污染农田土壤的植物修复效率的目标，对环境无污染，适宜商业化应用及大面积示范推广。

Description

一种提高植物修复效率的根际调控剂及其应用

技术领域

本发明涉及一种根际调控剂，尤其涉及一种提高植物修复效率的根际调控剂及其应用。

背景技术

环境问题成为当今全球越来越关注的问题。近年来，随着工业化、城市化的进程加快，含重金属的污水灌溉、污泥的利用、肥料的过度施用、汽车尾气的排放以及矿山的开采等导致大量重金属元素进入土壤、水体和大气环境中，致使我国农田土壤的重金属污染状况越来越严重，尤其重金属镉元素容易通过土壤-作物系统进入到食物链，从而威胁人类的身体健康。

目前治理重金属污染的方法包括固化、玻璃化、热处理、土壤淋洗和电动修复，用这些物理化学方法修复重金属污染土壤成本非常昂贵，而且需要扰乱土体，破坏土壤结构以及适宜植物生长的微生物区系，治理后的土壤往往不适宜再种植农作物。植物修复技术是一种新兴的治理重金属污染土壤的方法，它是利用绿色植物吸收、聚集、降解、固定环境中的污染物从而减少或者减轻污染物毒性的技术，由于其成本低廉、不破坏环境、易于推广应用越来越受到人们的关注。农田土壤重金属污染多数为中低程度且污染土壤面积覆盖大，涉及农产品质量安全，因此采用植物修复方法原位修复重金属污染土壤是非常可行的且适宜示范推广的方法。

植物修复技术一般采取种植超积累植物对重金属进行提取修复，然而由于超积累植物生物量小、生长速率慢、对生长环境要求比较严格等条件限制了超积累植物在大田上的推广应用。

植物修复效率的关键取决于重金属在土壤中的生物有效性，而土壤中重金属的生物有效性很低，限制了植物对重金属的吸收，影响了修复效果。目前对于强化植物修复的方法主要是在土壤中添加EDTA等螯合剂，由于螯合剂的成本较高、降解较慢，同时可能污染地下水，不适宜推广应用。

风化煤指接近或暴露于地表的褐煤、烟煤、无烟煤，经过空气、阳光、冰雪风沙、冷冻等的渗透风化作用而形成的产物。我国风化煤储量丰富，据不完全统计，约为1000亿吨。风化煤中腐殖酸含量很高，一般质量好的风化煤中腐殖酸含量可达50%以上。风化煤腐殖酸是由成煤物质经生物化学等复杂作用或经氧化（包含风化）而形成能溶于稀苛性碱（KOH、NaOH）溶液的多种缩合芳香烃基、羧酸基化合物的产物。它的组分没有热塑性，也没有弹性，既不溶化，又不结晶，是一种无定形的高分子胶体，多呈黑色或棕色的胶体状态（文雅,李东旭.风化煤腐殖酸在土壤改良中的应用.科技情报开发与经济,2010,20:148～149）。风化煤腐殖酸作为一种廉价的螯合剂，能活化土壤中的重金属。孙志梅等研究结果表明在北方石灰性土壤中施用风化煤，可以有效的提高土壤中的有效铁含量，降低土壤pH值，土壤有效铁提高幅度为1.17～3.13倍，土壤pH降低幅度为0.3～0.48个pH值单位，风化煤对土壤中有效铁含量的影响主要以风化煤中的腐殖酸与铁发生的络合或螯合反应为主。刘秀梅等（2005）研究表明选用风化煤腐殖酸作为胶结包膜材料的缓释复合肥，在碱性土壤中对磷有缓释效果，在酸性土壤中对氮有缓释效果，对于钾来说，在酸性或碱性土壤上均有缓释效果（刘秀梅,张夫道.风化煤腐殖酸对氮、磷、钾的吸附解吸特性.植物营养与肥料学报,2005,11(5):641～646）。说明风化煤腐殖酸与肥料混合施用，能有效的提高肥料的利用率。

经检索发现，利用风化煤腐殖酸来修复重金属污染土壤的研究很少，张丽洁等在土壤中添加糠醛渣、磷矿粉和风化煤于Cu、Zn、Pb复合污染的滨海轻盐渍土和旱地红壤中，施用三种添加剂30天和120天相比较，施用120天后三种土壤的有效态Cu、Zn、Pb的含量均较低，其中以风化煤修复滨海轻盐渍土的效果最佳（张丽洁,谈献和,韩静,王炳军,刘德辉.不同添加剂对重金属复合污染土壤的修复效果研究.土壤通报,2009,40(5):1176～1180）。

专利号02126644.1，发明名称：腐植酸复混肥，公开了以腐植酸为有效成分和氮素原料、磷素原料、钾素原料为化肥原料复混制备，其中腐植酸8-10%，氮14-16%，磷10-15%，钾10-14%，具有肥料作用，调节植物生长，提供植物生长所需的速效养分，并具有吸附络合土壤中的重金属离子、减轻土壤污染的功能，防止土壤和农产品污染的作用。

专利101823922A，发明名称：一种减少蔬菜重金属镉含量的土壤改良营养液，由腐殖酸盐、尿素、磷酸氢二钾、强碱和水组成，其腐植酸盐5-10%、尿素10-30%、磷酸二氢钾5-20%、强碱5-10%、水30-75%。有效调控土壤pH值，镉在碱性条件下易形成不溶性化合物，减少作物根系对镉离子的吸收量。

专利102220136，发明名称：一种含腐植酸矿物的土壤重金属复合钝化剂及制备方法。它由重量分数腐植酸矿粉83.0-97.0%，钙镁磷肥2.5-9.5%，生石灰0.5-7.5%组成。

但关于利用风化煤硝基腐殖酸在大田上进行镉污染土壤的植物修复的研究到目前为止没有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种根际调控剂用于提高镉的植物修复效率。

本发明另一目的是提供根际调控剂的制备方法。

本发明的根际调控剂成分包括以下原料：风化煤硝基腐植酸、氮肥、磷肥和钾肥，其成分按重量配比为：25～26：5～7：4～5：4～5。

优选地，氮肥为尿素或硫酸铵，磷肥为磷酸二氢钾或磷酸铵，钾肥为氯化钾或硫酸钾。

所述风化煤硝基腐植酸的制备方法为：风化煤中加入硝酸，搅拌20～30min，室温放置，风干成块状，碾碎即得风化煤硝基腐植酸。

其中，所述风化煤与硝酸的质量体积比为1kg：490～510ml；所述硝酸的体积百分比浓度为33%～45%。

优选地，搅拌时间为30min。

所述根际调控剂的制备方法，包括以下步骤：按含量比例称取风化煤硝基腐植酸、氮肥、磷肥和钾肥，均匀混合即得。

所述根际调控剂的施用方法包括：

条施，施用时间为在油菜旺盛生长时期；或基施，施用时间为在油菜播种前，将根际调控剂跟土壤混合均匀，稳定一周后再播种；油菜在成熟期收获。

所述根际调控剂的田间施用量为每公顷450～530kg。

本发明所述根际调控剂的作用机理如下：

风化煤中的腐殖酸与硝酸反应产生硝基腐殖酸，硝基腐殖酸对植物生长有刺激作用。所述根际调控剂的修复原理是：根际调控剂施入土壤中后能降低土壤pH值，将土壤中的难溶态镉转化为易溶态镉；风化煤腐殖酸能够络合或螯合土壤中的镉；施用风化煤腐殖酸能够提高肥料的利用率，因此提高植物的修复效率。

本发明的有益效果：

（1）本发明的根际调控剂成本低廉、稳定性好，络合螯合重金属的能力强，且环境友好型。

（2）本发明用高积累镉油菜修复镉污染农田土壤，同时下茬可以种植低积累镉的作物品种，实现了植物与化学联合修复，且修复效果很好，同时具有很高的环境、经济和社会价值。

（3）本根际调控剂为固体粉末的混合物，施用方法简单方便，便于在农业上推广应用。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明中涉及到的百分号“%”，若未特别说明，是指质量百分比；但溶液的百分比，除另有规定外，是指溶液100ml中含有溶质若干克；液体之间的百分比，是指20℃时容量的比例。

实施例1调控剂的制备与效应

根际调控剂配制：风化煤10kg中加入33%硝酸4900ml，搅拌30min，室温放置，待风干成块状，碾碎即得风化煤硝基腐植酸。取风化煤硝基腐殖酸5kg、尿素1kg、KH₂PO₄ 0.8kg和KCl 0.8kg均匀混合即得。

施用方式为基施。施用时间为在油菜播种前，将根际调控剂跟土壤混合均匀，稳定一周后再播种。

施用方法：所用土壤为高镉、低镉污染土壤，全镉浓度分别为1.5mg·kg^-1和1.0mg·kg^-1，所用的油菜品种为高积累镉油菜品种朱苍花籽，根际调控剂按照1.52g·kg^-1土（田间施用量为450kg/ha）的水平施入，植株共生长42天。结果如表1所示。

表1调控剂施用效果表

试验结果表明，在高镉污染土壤上施用根际调控剂后，油菜收获时土壤pH值比对照降低0.16个pH单位，施用根际调控剂的油菜的修复效率比对照提高11.8%；在低镉污染土壤上施用根际调控剂后，油菜收获时土壤pH值比对照降低0.13个pH单位，施用根际调控剂的油菜的修复效率为1.13%，比对照提高31.4%。表明根际调控剂无论高镉污染土壤还是低镉污染土壤均具有酸化土壤，提高植物对镉的修复效率的作用。

实施例2调控剂的制备与效应

根际调控剂配制：风化煤10kg中加入45%硝酸5100ml，搅拌20min，室温放置，待风干成块状，碾碎即得风化煤硝基腐植酸。取风化煤硝基腐殖酸5.2kg、硫酸铵1.4kg、磷酸铵1kg和硫酸钾1kg，均匀混合即得。

施用方式为基施。施用时间为在油菜播种前，将根际调控剂跟土壤混合均匀，稳定一周后再播种。

施用方法：所用土壤为高镉、低镉污染土壤，全镉浓度分别为1.5mg·kg^-1和1.0mg·kg^-1，所用的油菜品种为高积累镉油菜品种朱苍花籽，根际调控剂按照1.52g·kg^-1土（田间施用量为450kg/ha）的水平施入，植株共生长42天。结果如表2所示。

表2调控剂施用效果表

试验结果表明，在高镉污染土壤上施用根际调控剂后，油菜收获时土壤pH值比对照降低0.18个pH单位，施用根际调控剂的油菜的修复效率比对照提高11.6%；在低镉污染土壤上施用根际调控剂后，油菜收获时土壤pH值比对照降低0.15个pH单位，施用根际调控剂的油菜的修复效率为1.16%，比对照提高31.8%。表明根际调控剂无论高镉污染土壤还是低镉污染土壤均具有酸化土壤，提高植物对镉的修复效率的作用。

实施例3调控剂制备与时间效应

根际调控剂配制同实施例1。

施用方法：同实施例1，不同之处在于所用土壤为实施例1中的高镉、低镉污染土壤再种植一茬油菜后的土壤。结果如表3所示。

表3调控剂施用效果表

试验结果表明，高镉污染土壤上施用根际调控剂后，油菜收获时土壤pH值比对照降低0.05个pH单位，施用根际调控剂的油菜的修复效率比对照提高34.1%；低镉污染土壤上施用根际调控剂后，油菜收获时土壤pH值比对照降低0.11个pH单位，施用根际调控剂的油菜的修复效率比对照提高6.62%。表明本发明的根际调控剂具有一定的后效。

实施例4调控剂的大田试验

根际调控剂配制同实施例1。

施用方法：试验地为浙江省一个镉污染的农田土壤，土壤全镉为0.96mg·kg^-1，DTPA-Cd为0.69mg·kg^-1，土壤pH值为7.76，土壤有机质为39.6g·kg^-1，土壤全氮含量为2.36g·kg^-1，速效磷含量为33.4mg·kg^-1，速效钾含量为76.4mg·kg^-1。

田间试验共3个小区，油菜于10月初播种，5月底收获。油菜品种为高积累镉油菜品种川油Ⅱ-10，油菜的行距为25cm，株距为25cm。根际调控剂在油菜生长最旺盛的时期4月初施入，施入方式为条施。具体方式是：用铁锹将小区内的土壤挖成十字条形的沟，沟的深度不超过20cm，挖的过程中不要伤害到油菜的根系，将根际调控剂施入到沟中，田间施用剂量为530kg/ha，与周围土壤混合均匀。施用效果如表4所示。

表4调控剂施用效果表

	pH值	修复效率
			实验组	7.35	0.14%
对照组	7.54	0.07%

试验结果表明，施用根际调控剂的油菜收获时土壤pH值比对照降低0.19个pH单位；施用根际调控剂的油菜的修复效率是对照的2倍。表明本根际调控剂运用到田间时也能发挥较好的功效，具有酸化土壤，显著提高植物对土壤中镉的修复效率的作用，实验组的修复效率是对照组的2倍。

对比例本发明与专利02126644.1相比具有以下区别：

（1）目的不同：本发明主要目的是提供一种根际调控剂，通过降低土壤pH值，使土壤中难溶态镉转化为易溶态镉，络合螯合土壤中的镉，增加土壤中镉的生物有效性达到提高镉污染农田土壤的植物修复效率的目标；专利02126644.1的主要目的是提高作物产量和农产品的品质。

（2）产品原料不同，产品的效果不同：本发明主要成分风化煤硝基腐殖酸是利用风化煤通过硝酸氧化生成风化煤硝基腐殖酸，它对植物生长具有促进作用。本发明根际调控剂由于硝酸作用，因此具有酸化土壤，增加土壤中镉的浓度，促进高积累镉作物吸收的作用，从而达到修复镉污染土壤的目的；专利02126644.1是通过氨化反应制备的腐殖酸，氨化反应提高了产物的pH值，施入土壤中后可能产生氢氧化镉沉淀，降低了土壤溶液中镉的浓度，主要是吸附固定作用。有研究表明土壤中镉的移动性随着pH值的升高而降低（KUOS,HUANG B,BEMBENEK R.The availability to lettuce of zinc andcadmium in a zinc fertilizer.Soil science,2004.16995）:363～373;TSADILAS C D,KARAIVAZOGLOU N A,TSOTSOLIS N C,etat.Cadmium uptake by tobacco as affected by liming,N form,and year ofcultivation.Environmental pollution,2005,134(2):239～246）。

（3）土壤本身的重金属的浓度水平决定了腐殖酸与土壤中镉的化学行为，试验例有具体的试验条件，土壤重金属的浓度水平等，专利02126644.1没有具体的实施例和土壤重金属的浓度水平等。当土壤中重金属的浓度较高时，腐殖酸施入土壤中后以吸附固定作用为主；当土壤中重金属的浓度较低时，腐殖酸施入土壤中后以络合螯合作用为主，土壤胶体具有吸附镉的作用，腐殖酸与土壤胶体竞争镉，将镉离子络合螯合出来，增加了土壤溶液中镉的浓度。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种提高植物修复效率的根际调控剂，其特征在于，包括以下原料：风化煤硝基腐植酸、氮肥、磷肥和钾肥，其成分按重量配比为25～26：5～7：4～5：4～5。

2.根据权利要求1所述的根际调控剂，其特征在于，所述氮肥为尿素或硫酸铵；所述磷肥为磷酸二氢钾或磷酸铵；所述钾肥为氯化钾或硫酸钾。

3.根据权利要求1所述的根际调控剂，其特征在于，所述风化煤硝基腐植酸的制备方法为：风化煤中加入硝酸，搅拌20～30min，室温放置，待风干成块状，碾碎即得风化煤硝基腐植酸。

4.根据权利要求3所述的根际调控剂，其特征在于，所述风化煤与硝酸的质量体积比为1kg：490～510ml。

5.根据权利要求3所述的根际调控剂，其特征在于，所述硝酸的体积百分比浓度为33%～45%。

6.权利要求1～5任一项所述根际调控剂的制备方法，按比例称取风化煤硝基腐植酸、氮肥、磷肥和钾肥，均匀混合即得。

7.权利要求1～5任一项所述根际调控剂在治理重金属污染土壤中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述根际调控剂的施用方法包括：

条施，施用时间为在油菜旺盛生长时期；或基施，施用时间为在油菜播种前，将根际调控剂跟土壤混合均匀，再播种。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述根际调控剂的田间施用量为450～530kg/ha。