CN104194798B - 一种能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其主要由赤泥和蚯蚓粪组成，其中赤泥的质量含量为1～15%。本方法将赤泥与蚯蚓粪混合复配使用，通过二者之间以及与土壤的相互协同作用，不仅可以大幅提高对蔬菜地土壤中铜锌砷铬的钝化效果，有效降低施用成本，还能提供植物生长所需养分，改良土壤性状，钝化土壤重金属活性，提高农产品产量与品质，具有较大的应用前景。本发明具有很高的经济效益、生态与社会效益，应用前途广阔。
Description
技术领域
本发明属于土壤改良剂技术领域，尤其涉及一种能够钝化蔬菜地土壤Cu、Zn、As、Cr的有机改良剂及其应用。
背景技术
随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，从工、农、生活中排放出来的重金属不断增多，土壤重金属污染日益严重。2014年环保部公布《全国土壤污染状况调查公报》，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地及部分城市郊区蔬菜地土壤环境问题突出。全国土壤总的点位超标率为16.1％，其中中、轻度污染点位比例为15.0％，重度污染点位为1.1％，部分城市郊区蔬菜地土壤大面积中、轻度污染；污染类型以无机型为主，主要为镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物超标；南方土壤污染重于北方，长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出。
针对重度污染土壤，应实行污染土壤修复措施以恢复土壤的正常农业生产功能，而对于大多数重金属中轻度污染的农田土壤，可通过土壤重金属钝化技术，在正常的农业生产活动过程中降低农产品对重金属的吸收与积累，保证农产品的质量安全，同时严格控制重金属污染物的输入，逐渐将土壤重金属含量降下来。近年来，针对土壤中重金属的钝化处理技术逐渐成熟，常用的钝化剂包括Fe、Al、Mn氧化物、钙镁磷肥等无机材料，有机肥、活性污泥等有机材料，石灰、赤泥等碱性材料，蒙脱石、沸石等粘土矿物，其钝化原理都是通过氧化还原、离子交换、吸附、络合、螯合、沉淀等化学过程降低土壤重金属的活性，阻断重金属在土-植系统中的迁移，达到降低植物体内重金属含量、保证农产品质量安全的目的。
赤泥是炼铝过程中铝土矿经强碱浸出氧化铝后产生的工业废弃物。据估计，目前我国每年产生的赤泥量约为400万吨左右。赤泥通常的处置方法是堆积或沉海填埋，不仅占用大量的土地资源、耗费较多维护费用，而且对周围的生态环境产生较大的污染。赤泥具有吸附或钝化污染土壤重金属的效果，另外强碱性的赤泥(pH10～11)能够显著提高土壤pH，然而这类钝化剂在农用过程中单独施用往往会有一些问题，由于大部分钝化剂用量少，在土壤中难以充分混匀，其钝化效果相对较差，同时这些钝化剂养分含量低，对植物生长没有促进作用，要取得较好的钝化效果还要增施各种肥料，费时费力。例如，赤泥由于其强碱性，需严格控制其施用量，尤其是对偏碱性土壤，赤泥单独施用时用量少难以保证其与土壤充分混匀，局部土壤赤泥过量会烧苗，另外赤泥氮磷钾等养分含量也很低。
蚯蚓粪是一种黑色、均一、有自然泥土味的细碎类团聚体物质，由蚯蚓摄食各种有机废弃物包括畜禽粪便后形成。近年来随着集约化畜禽养殖业的快速发展及饲料添加剂的广泛使用，蔬菜地土壤大量施用畜禽粪肥，畜禽粪肥对土壤重金属的污染问题逐渐引起人们关注。中国科学院南京土壤研究所在全国11个省800多个畜禽粪便样品调查分析表明，目前畜禽粪便中Cu、Zn、As、Cd污染较重，对照国家有机肥料相关标准，畜禽粪便中Cu、Zn、As、Cd超标率分别达到了36.1％、27.0％、11.5％、7.8％，猪粪、鸡粪中超标率较高，牛粪相对安全，以牛粪为主要原料制成的蚯蚓粪重金属含量很低。蚯蚓粪不仅含有丰富的有机质、腐殖酸、氮磷钾等大中微量元素，还含有谷氨酸、天门冬氨酸、缬氨酸等10多种氨基酸，赤霉素、生长素、细胞分裂素等多种植物生长激素,蚯蚓粪中含有的腐殖酸可以改善土壤结构,有利于土壤的通气、保水、提高土壤的缓冲能力，是一种能够促进植物生长、克服土壤连作障碍的高效生物有机肥。
蚯蚓粪也具有一定的重金属钝化效果，其作用机理主要是其含有酚羟基、羧基、羰基、氨基等多种官能团，能够吸附活性重金属离子。另外蚯蚓粪具有很大的表面积，富含细菌、放线菌和真菌等多种微生物类群，微生物本身以及微生物与各种有机、无机胶体的相互作用能够对重金属进行生物吸附、富集、沉淀等行为，短期内会降低重金属的生物有效性。
发明内容
本发明的目的是运用无污染的重金属钝化剂赤泥，混配具有改良土壤结构与提供各种养分和活性物质的蚯蚓粪，从而提供一种兼具能够有效钝化土壤中Cu、Zn、As、Cr和提供植物生长所需的大中微量元素、改善土壤结构与生物活性的有机改良剂，以达到钝化土壤重金属和改良土壤、促进植物生长和提高品质的双重目的。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其主要由赤泥和蚯蚓粪组成。
本有机改良剂可以只由赤泥和蚯蚓粪组成，也可以进一步添加其他组成，以增加某一新效果或对原效果起增效作用。
在一种技术方案中，有机改良剂赤泥的质量含量为1～15％，当有机改良剂只由赤泥和蚯蚓粪组成时，蚯蚓粪的质量含量为99～85％。
在一种技术方案中，有机改良剂赤泥的质量含量为2～10％，当有机改良剂只由赤泥和蚯蚓粪组成时，蚯蚓粪的质量含量为98～90％。
在一种技术方案中，有机改良剂赤泥的质量含量为4～8％，当有机改良剂只由赤泥和蚯蚓粪组成时，蚯蚓粪的质量含量为96～92％。
本发明中的赤泥为烧结法炼铝产生的废弃物，其应用前先干燥粉碎后过100目筛，质量符合国家农用污泥标准(GB4284-84)。
本发明中的赤泥由于其强碱性，需严格控制其施用量，尤其是对偏碱性土壤，赤泥的用量需根据土壤酸碱度控制在占需改良土壤质量的万分之一到万分之三。
本发明中的蚯蚓粪为以牛粪为主要原料，混合玉米秸秆、水稻秸秆、蔬菜残体等有机废弃物再经蚯蚓生物处理而成。
本发明中的蚯蚓粪优选采用有机质含量≥45％，氮磷钾总养分含量≥5％的蚯蚓粪。
本发明中的有机改良剂，为了同时起到钝化重金属和改良土壤的双重效果，优选其总有机质含量≥40％。
本发明的中有机改良剂施用量可以为3000～7000kg/hm2，优选为4000～5000kg/hm2，进一步优选为4500kg/hm2。
本发明的有益效果：本方法将赤泥与蚯蚓粪混合复配使用，通过二者之间以及与土壤的相互协同作用，不仅可以大幅提高对蔬菜地土壤中铜锌砷铬的钝化效果，还能提供植物生长所需养分，改良土壤性状，钝化土壤重金属活性，提高农产品产量与品质，有效降低施用成本，同时还能进一步促进植物生长和提高品质。本发明具有很高的经济效、生态与社会效益，应用前途广阔。
具体实施方式
实施例1：
由赤泥和蚯蚓粪混合而成，其中所述赤泥为烧结法炼铝产生的废弃物，富含氧化硅、氧化钙、氧化铁等氧化物，经风干粉碎过100目筛而成，占改良剂的质量比例为4％wt；所述蚯蚓粪为以牛粪为主要原料，混合玉米秸秆、水稻秸秆经蚯蚓生物处理而成，其中有机质含量≥45％，氮磷钾总养分含量≥5％，占改良剂的质量比例为96％wt。改良剂中总有机质含量≥40％。
采集苏州市郊区土壤重金属轻度污染的表层菜园土(0-20cm)(Cu、Zn、Pb、Cr含量超过国家土壤环境质量标准(修订)GB15618-2008二级标准，但未达到三级标准，属中轻度污染水平)开展有机改良剂钝化重金属盆栽试验，土壤基本理化性状为pH5.60，有机质28.60g/kg，全N2.54g/kg，全P1.05g/kg，全K13.05g/kg，全Cu81.98mg/kg，全Zn312.42mg/kg，全Pb82.98mg/kg，全Cr156.98mg/kg，其他重金属元素未超标。试验设对照和有机改良剂施用两个处理，试验采用的番茄品种为合作903，土壤风干粉碎过20目筛后，部分与有机改良剂充分混匀作为有机改良剂处理，有机改良剂按4500kg/hm2用量施用，其余作为对照处理，对照处理加入与改良剂处理等氮磷钾的化学肥料。塑料盆(22cm×17cm)每盆装土1.5kg，其中300g土装入事先用300目尼龙网缝制的根袋(7cm×13cm)内，将根袋埋入塑料盆中央，保持根袋内外土面相平，每个根袋内移栽长势相同的番茄幼苗一株，每个处理四个重复，随机排列。
所有盆栽试验在生长期间各处理均保持相同的温度和光照，并通过称重加去离子水保持其含水量为田间持水量的70％。到番茄成熟期收获，历时约120天。在番茄生长的苗期、开花期、成熟期分布采集根袋内的土壤作为根际土，根袋外2cm处周围土壤为非根际土。土壤样品经自然风干，研磨，分别过1mm和0.149mm筛待测。
植物样在成熟期分地上地下分别收获。植株样品在105℃下杀青30min，65℃下烘干至恒重，用不锈钢粉碎机粉碎，过100目筛待测。
土壤样品中重金属的形态分析采用欧盟标准改进的BCR三步连续提取法，原子吸收分光光度法测定，重金属总量分析参照GB/T 17138-1997，残渣态为全量减去BCR提取的三种形态之和。
试验结果如表1、表2。表1表明，与对照相比，含4％赤泥有机改良剂施用降低了根际与非根际土壤中Cu、Zn、As、Cr的活性，减少了活性较高、易为植物吸收利用的酸可提取态、氧化物结合态的含量，增加了植物难以吸收利用的有机结合态、残渣态的含量。表2表明有机改良剂施用对土壤形态的改变显著降低了植物根茎叶中吸收的Cu、Zn、As、Cr的含量，根部尤其明显。
表1 含4％赤泥有机改良剂施用后土壤重金属钝化效果(mg/kg)
表2 含4％赤泥有机改良剂施用后植物重金属含量(ug/kg)
实施例2：
由赤泥和蚯蚓粪混合而成，其中所述赤泥为烧结法炼铝产生的废弃物，富含氧化硅、氧化钙、氧化铁等氧化物，经风干粉碎过100目筛而成，占改良剂的质量比例为6％wt；所述蚯蚓粪为以牛粪为主要原料，混合玉米秸秆、水稻秸秆经蚯蚓生物处理而成，其中有机质含量≥45％，氮磷钾总养分含量≥5％，占改良剂的质量比例为94％wt。改良剂中中有机质含量≥40％。
盆栽试验及分析方法同实施例1。
试验结果如表3、表4。表3表明，与对照相比，含6％赤泥有机改良剂施用降低了根际与非根际土壤中Cu、Zn、As、Cr的活性，减少了活性较高、易为植物吸收利用的酸可提取态、氧化物结合态的含量，增加了植物难以吸收利用的有机结合态、残渣态的含量。表4表明有机改良剂施用对土壤形态的改变显著降低了植物根茎叶中吸收的Cu、Zn、As、Cr的含量，根部尤其明显。表4结果表明含6％赤泥有机改良剂施用钝化土壤Cu、Zn、As、Cr的效果好于含4％赤泥有机改良剂。
表3 含6％赤泥有机改良剂施用后土壤重金属钝化效果(mg/kg)
表4 含6％赤泥有机改良剂施用后植物重金属含量(ug/kg)
实施例3：
由赤泥和蚯蚓粪混合而成，其中所述赤泥为烧结法炼铝产生的废弃物，富含氧化硅、氧化钙、氧化铁等氧化物，经风干粉碎过100目筛而成，占改良剂的质量比例为8％wt；所述蚯蚓粪为以牛粪为主要原料，混合玉米秸秆、水稻秸秆经蚯蚓生物处理而成，其中有机质含量≥45％，氮磷钾总养分含量≥5％，占改良剂的质量比例为92％wt。改良剂中总有机质含量≥40％。
盆栽试验及分析方法同实施例1。
试验结果如表5、表6。表5表明，与对照相比，含8％赤泥有机改良剂施用降低了根际与非根际土壤中Cu、Zn、As、Cr的活性，减少了活性较高、易为植物吸收利用的酸可提取态、氧化物结合态的含量，增加了植物难以吸收利用的有机结合态、残渣态的含量。表6表明有机改良剂施用对土壤形态的改变显著降低了植物根茎叶中吸收的Cu、Zn、As、Cr的含量，根部尤其明显。表6表结果表明含8％赤泥有机改良剂施用钝化土壤Cu、Zn、As、Cr的效果好于6％赤泥有机改良剂。
表5 含8％赤泥有机改良剂施用后土壤重金属钝化效果(mg/kg)
表6 含8％赤泥有机改良剂施用后植物重金属含量(ug/kg)
在本实施例中分别单纯施用相同量的赤泥和相同量的蚯蚓粪，其对土壤中Cu、Zn、As、Cr的钝化效果均低于本有机改良剂施用效果的40％。
Claims (8)
1.一种能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其特征在于其由赤泥和蚯蚓粪组成，其中赤泥的质量含量为6～8%。
2.根据权利要求1所述的能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其特征在于所述赤泥为烧结法炼铝产生的废弃物，其应用前先干燥粉碎后过100目筛；其质量符合国家农用污泥标准。
3.根据权利要求1所述的能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其特征在于所述蚯蚓粪为以牛粪为主要原料，混合玉米秸秆、水稻秸秆、蔬菜残体经蚯蚓生物处理而成。
4.根据权利要求1所述的能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其特征在于所述蚯蚓粪中有机质含量≥45%，氮磷钾总养分含量≥5%。
5.根据权利要求1所述的能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其特征在于该有机改良剂中总有机质含量≥40%。
6.根据权利要求1所述的能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其特征在于该有机改良剂的施用量为3000～7000kg/hm2。
7.根据权利要求6所述的能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其特征在于该有机改良剂的施用量为4500kg/hm2。
8.根据权利要求1所述的能够钝化蔬菜地土壤铜锌砷铬的有机改良剂，其特征在于该有机改良剂施用时，其中赤泥的用量根据土壤酸碱度控制在占所需改良土壤质量的万分之一到万分之三。
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