CN109336711B - 一种降低作物镉吸收积累的海藻肥及其制备、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低作物镉吸收积累的海藻肥及其制备、使用方法；所述海藻肥的制备方法包括如下步骤：称取海藻粉通过蒸汽加热的方式进行调制处理；然后进行挤压膨化处理；最后依次进行烘干、造粒处理，最终得到所述海藻肥；其一种使用方法如下：将海藻肥以底肥形式均匀施入镉污染土壤，充分拌匀后进行灌溉，保持土壤水分含量约为60‑80％的最大田间持水量1周‑1个月后，进行作物播种或移栽，其它均按照正常田间管理进行作物的种植。该海藻肥可以显著降低镉在土壤‑作物系统中的迁移，提高作物产量，对降低我国农田土壤Cd污染、改善土壤营养、减少化肥的施用、提高农产品产量有着优秀的应用前景。

Description

一种降低作物镉吸收积累的海藻肥及其制备、使用方法

技术领域

本发明属于提高作物产量、降低作物重金属危害的安全生产技术领域，具体涉及一种降低作物镉吸收积累的海藻肥及其制备、使用方法。

背景技术

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。在土壤重金属污染中，Cd以超标率7.0％而位于农田重金属污染的首位。由于镉的生物毒性、化学毒性均较强，是所有有毒金属元素中对人体健康危害最大的一种。

镉被植物根系吸收后较其他金属更易向植物体地上部分迁移，可与植物细胞质膜等膜上蛋白结合，改变蛋白构型，影响其活性。当植物组织中镉浓度达到1μmol/L时，会对植物质膜渗透性、水分代谢、光合作用、呼吸作用、碳水化合物代谢、碳素代谢、核酸代谢、酶活性等生理生化过程产生危害，强烈抑制植株和细胞的生长。

镉通过食物链传递摄入人体内会对肾、肺、肝、脑、骨骼、血液等产生严重毒性。

目前，降低土壤中重金属活性和重金属向作物迁移富集是我国农田重金属污染土壤修复研究的主要方向之一，基于此发展出的污染土壤修复技术包括重金属污染土壤的原位化学钝化及低吸收作物品种的筛选与应用技术等。原位钝化修复由于能快速、简便、大幅降低土壤重金属的植物有效性，对于大面积的中、轻度污染土壤，原位钝化结合农艺修复治理方式更适宜中国国情、农情。国内外针对重金属污染土壤的原位钝化技术已研究多年，但纵观已有的研究成果，原位钝化修复材料主要局限于以提高土壤pH、增加土壤重金属化学吸附或沉淀的材料为主，而此类材料的施用对土壤结构和肥力有一定负面效应。因此，需要开发一种降低Cd植物毒性、减少化肥施用、满足作物养分需求的新型肥料。

发明内容

本发明目的是提供一种降低作物镉吸收积累的海藻肥及其制备、使用方法，不但能够高效降低作物对污染土壤中Cd吸收、而且还能提高作物产量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种降低作物镉吸收积累的海藻肥，所述海藻肥的制备方法包括如下步骤：

步骤一，称取海藻粉通过蒸汽加热的方式进行调制处理；

步骤二，对经步骤一处理后得到的海藻进行挤压膨化处理；

步骤三，对经步骤二处理后得到的海藻依次进行烘干、造粒处理，最终得到所述海藻肥。

上述降低作物镉吸收积累的海藻肥，作为一种优选实施方式，所述海藻粉可以是褐藻粉、红藻粉、绿藻粉、硅藻粉、马尾藻粉、墨角藻粉等其中的一种或多种的混合物；申请人发现单独使用某种海藻粉也有一定的降镉效果，但效果不如混合物，因各种海藻粉的化学组成分不同，选择合适的配比后可以提高藻肥的有效性，优选地，所述海藻粉为褐藻粉、红藻粉、绿藻粉的混合物；更优选地，所述褐藻粉、红藻粉、绿藻粉的质量比为1-2.5:0.5-2:1，最佳配比为质量比2.5:1.5:1；或者，优选地，所述海藻粉为褐藻粉、硅藻粉和绿藻粉的混合物；更优选地，所述褐藻粉、硅藻粉和绿藻粉的质量比为1-2.5:0.5-2:1，最佳配比为质量比2.5:1.5:1。

上述降低作物镉吸收积累的海藻肥，作为一种优选实施方式，所述步骤一中，所述调制处理是为了使海藻原料达到挤压膨化的入口温度和水分的要求，即经步骤一处理后得到的海藻的温度为80-90℃(比如81℃、82℃、83℃、85℃、87℃、89℃)，水分含量为15-24wt％(比如16wt％、18wt％、20wt％、22wt％、23wt％)。发明人发现，如果海藻温度过高，甚至超过100℃，则水分蒸发过多，会喷出来糊状粉末，影响细胞内有效成分；如果低于上述温度范围下限，则水分还达不到蒸发的程度，细胞不会膨化，也就不会破碎；水分含量过高则细胞不易破碎，水分含量过低则细胞容易糊了即得到不可用的糊状粉末。

上述降低作物镉吸收积累的海藻肥，作为一种优选实施方式，所述步骤二中，所述挤压膨化处理过程中的蒸汽压力为0.6-1.0MPa(比如0.62MPa、0.65MPa、0.7MPa、0.75MPa、0.8MPa、0.85MPa、0.9MPa、0.95MPa)。挤压膨化处理时不需要额外通入蒸汽，蒸汽压力是因挤压膨化过程中机械能转化为热能而产生的，这个过程产生的蒸汽压力过高或过低藻类细胞挤压膨化的膨化程度会受影响，细胞破碎会不完全，控制该蒸汽压力在上述范围能够获得较好的效果。

上述降低作物镉吸收积累的海藻肥，作为一种优选实施方式，所述步骤二中，所述挤压膨化处理温度为110-140℃(比如112℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、138℃)，停留时间为80-120s(比如85s、90s、95s、100s、105s、110s、115s)。在上述工艺参数范围内能更好地控制挤压膨化处理过程中的蒸汽压力，从而取得较好的膨化效果。

上述降低作物镉吸收积累的海藻肥，作为一种优选实施方式，所述步骤二中，所述挤压膨化处理采用螺杆挤压膨化机，如单螺杆挤压膨化机和双螺杆挤压膨化机，螺杆转速为300-450rpm(比如310rpm、320rpm、340rpm、360rpm、380rpm、400rpm、420rpm、430rpm、440rpm)。

上述降低作物镉吸收积累的海藻肥，作为一种优选实施方式，所述步骤三中，所述烘干处理的温度为60-80℃(比如62℃、65℃、68℃、70℃、72℃、75℃、78℃)。温度过高则会影响细胞成分的有效性，过低则不能烘干。

上述降低作物镉吸收积累的海藻肥，作为一种优选实施方式，所述步骤三中，所述造粒处理，得到的海藻肥颗粒的直径为5-8mm(比如5.2mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、7.8mm)。如粒径大，则作物难吸收，影响肥效；如粒径太小，则徒增制备成本。

上述降低作物镉吸收积累的海藻肥，作为一种优选实施方式，所述步骤三中，得到所述海藻肥于常温下保存备用。

上述海藻肥的使用方法，将所述海藻肥以底肥形式均匀施入镉污染土壤，充分拌匀后进行灌溉，保持土壤水分含量约为60-80％(比如62％、65％、70％、75％、78％)的最大田间持水量1周-1个月(优选10-20天)后，进行作物播种或移栽。土壤水分含量指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分；最大田间持水量是土壤所能稳定保持的最高土壤水分含量。“保持土壤水分含量约为60-80％的最大田间持水量1周-1个月”是指，通过灌溉的方式，补给每天蒸发掉的水量，使土壤水分含量保持在60-80％的最大田间持水量，这个时候土壤微生物、动物活性最大，有利于肥料产生肥效，利于作物吸收营养成分。保持这种状态达1周-1个月，让藻肥里面的有效成分充分释放到土壤中，经过土壤动物微生物的作用，转化为作物可直接吸收的有效形式，提高肥效；生产实践中施肥后两周左右肥效和效率达到一个较好的平衡。

上述海藻肥的使用方法中，作为一种优选实施方式，田间种植时，所述海藻肥是以底肥形式均匀施入土壤耕层中，所述土壤耕层厚度为0-20cm(比如5cm、10cm、15cm、18cm)；优选地，上述海藻肥的施用量为每亩150-200kg(比如155kg、160kg、170kg、180kg、190kg、195kg)。

上述海藻肥的使用方法中，作为一种优选实施方式，盆栽种植时，上述海藻肥在盆栽状态下的施用量为土壤重量的0.5-3％(比如0.8％、1.2％、1.5％、2％、2.5％、2.8％)。

上述海藻肥的使用方法中，作为一种优选实施方式，所述镉污染土壤中镉的含量为0.6-2.1mg/kg(比如0.8mg/kg、1.0mg/kg、1.2mg/kg、1.5mg/kg、1.8mg/kg、2.0mg/kg)，pH值为4.5-8.5(比如4.7、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.2)。

上述海藻肥的使用方法中，作为一种优选实施方式，所述作物为小麦、烟草、玉米、水稻、蔬菜等，特别是田间培养条件下的小麦和烟草。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)降低土壤中Cd的有效性，减弱Cd向作物地上部分迁移。因为藻类细胞壁是由纤维素、果胶质、藻酸铵岩藻多糖和聚半乳糖硫酸酯等多层微纤维组成的多孔结构，具有较大的表面积，而且细胞壁上的多糖、蛋白质、磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可以与金属离子结合的官能团(如氨基、硫基、巯基、羧基和酰氨基等)，与金属离子接触时，可以靠离子交换或配位键络合吸附金属离子；藻类细胞内的金属络合物类中也含金属硫蛋白、植物螯合肽等重金属结合蛋白，将有害的金属离子形式转变为无害的蛋白结合形式。

2)提高作物产量和品质。海藻中含有大量的非含氮有机物，有陆生植物无法比拟的K、Ca、Mg、Fe、Zn等40余种矿物质元素和丰富的维生素，还含有海藻所特有的海藻多糖、海藻酸盐、多不饱和脂肪酸及多种天然植物生长调节剂，具有较高的生物活性；藻类中海藻酸盐能与土壤中金属离子反应形成高分子量的复合物，改善土壤团粒结构，有利于保持土壤水分，良好的土壤通气环境可刺激作物根系以及根际微生物的生长；相似地，藻类可以通过增加土壤有机质来改善土壤微生物群落结构，微生物的活动进一步的增加土壤肥力，改善土壤理化性质，协同促进植物生长。

3)本发明提供的海藻肥特别采用挤压膨化处理，能够短时、高效地改变细胞形态及组织化程度进而促进细胞内含物释放，即将藻类细胞壁破坏，使细胞有效成分得以充分的释放，从而达到固定土壤镉、提高作物产量的目的。挤压膨化的主要原理是利用螺杆、螺旋的推动力，促使螺旋与藻类细胞、细胞与机筒以及细胞内部发生强烈地机械摩擦，随之温度、压力急剧增大，使藻体逐渐从粉状变成熔融状，由模孔喷出瞬间，强大的压差促使藻细胞内水分、高挥发度有机物发生闪蒸，熔融体内不稳定的小气泡急剧生长、膨胀直至胀裂，藻细胞内部发生“爆炸”，细胞组织被彻底破坏，细胞内含物得以释放出来。因此，经挤压膨化破壁后的藻类可释放细胞内有效成分到土壤中，高效地发挥其固定土壤Cd的作用，并对作物生长起到显著的促进作用。

附图说明

图1为实施例1中挤压膨化作用下藻细胞的透射电镜图，其中，(A)为对照(未经处理)图，(B)为经挤压膨化破碎处理后的图；

图2为实施例1制备的海藻肥对土壤中DTPA-Cd含量(mg/kg)的影响示意图；

图3为实施例1制备的海藻肥对小麦籽粒与烟叶中Cd含量(mg/kg)的影响示意图；

图4为实施例1制备的海藻肥对小麦籽粒与烟叶产量(kg/hm²×10³)的影响示意图。

具体实施方式

以下将通过实施例对本发明的内容做进一步的详细说明，本发明的保护范围包含但不限于下述各实施例。

实施例中所用原料海藻粉可从市场购买；实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。

实施例1海藻肥的制备

按照如下方法制备海藻肥：

1)称取质量比5:3:2的褐藻粉、红藻粉和绿藻粉，混合得到海藻粉；在平板烘干机中，通入120℃蒸汽，对上述海藻粉进行调制处理，直至藻体的温度为80℃，水分含量为21wt％，达到挤压膨化的入口温度和水分的要求；

2)将步骤1)得到的藻体直接通过喂料装置喂入单螺杆挤压膨化机中，单螺杆挤压膨化机的螺杆转速为400rpm，蒸汽压力为0.85MPa，挤压膨化温度为128℃，膨化出口温度为90℃，停留时间90s，得到破壁海藻。所用的单螺杆挤压膨化机生产厂家为河北邢台精驰机械制造有限公司，型号为HX-28；

3)将步骤2)初步制得的破壁海藻经60℃烘干，造粒制得海藻肥，造粒直径为6mm。

实施例2海藻肥对降低作物对污染土壤中Cd吸收的效果

本实施例采取田间实验的方法，分别在河南与湖南的Cd污染土壤中，进行实施例1制备的海藻肥对降低污染土壤中Cd有效性的效果验证实验。

本实施例供试小麦与烟草品种分别为中麦895和云烟-87。

每个田间实验点以裂区形式进行，每个裂区为4*5米＝20M²，每个实验点共设3个处理：CK:(对照，不加肥料)、T1:(添加海藻肥150kg/亩)、T2:(添加海藻肥200kg/亩)，每个处理3次重复，共有9个裂区。

1)河南土壤中(S1)镉含量为1.830mg/kg、pH值为6.44，将上述海藻肥在10月以底肥形式均匀施入土壤耕层(0-20cm)，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，进行小麦播种和烟苗移栽，其它按照正常田间管理进行。成熟期后，在每个裂区以梅花5点方法，分别采集小麦籽粒样品、烟叶(从上至下数第9-12片叶)样品和土壤样品，将每个裂区的5点样品进行混合后制备成该裂区的样品，然后进行土壤中Cd有效态含量测定与小麦籽粒、烟叶Cd含量测定；

2)湖南土壤中(S2)镉含量为1.926mg/kg，pH值为7.28，将上述海藻肥以底肥形式均匀施入土壤耕层(0-20cm)，充分拌匀，然后保持约70％的最大田间持水量2周后，进行小麦播种和烟苗移栽，其它按照正常田间管理进行。成熟期后，在每个裂区以梅花5点方法，分别采集小麦籽粒样品、烟叶(从上至下数第9-12片叶)样品和土壤样品，混合后制备成该裂区的样品，进行土壤中Cd有效态含量测定与小麦籽粒、烟叶Cd含量测定。

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150kg/亩和200kg/亩的海藻肥，可使酸性土壤(S1)中DPTA-Cd含量降低52.3％-53.8％，可使碱性土壤(S2)中DPTA-Cd含量降低46.8％-49.3％(参见表1)。

表1 实施例1制备的海藻肥对土壤中DTPA-Cd含量(mg/kg)的影响

处理	CK	T1	T2
				S1(Cd 1.830mg/kg)	0.863±0.103	0.411±0.036	0.398±0.070
S2(Cd 1.926mg/kg)	0.945±0.067	0.502±0.022	0.479±0.057

经过上述实验，发现海藻肥能显著(p<0.05)降低作物对污染土壤中Cd的吸收，施加150-200kg/亩的海藻肥，可使小麦籽粒Cd含量降低53.9％-71.0％，烟叶Cd含量降低50.7％-71.8％；具体地，与对照相比，当土壤中镉的浓度为1.830mg/kg时，施用200kg/亩的海藻肥，可使小麦籽粒Cd含量从0.512降低到0.148mg/kg；当土壤中镉的浓度为1.926mg/kg时，施用200kg/亩的海藻肥，烟叶Cd含量从5.36降低到1.51mg/kg(参见表2)。

表2 实施例1制备的海藻肥对小麦籽粒与烟叶中Cd含量(mg/kg)的影响

经过上述实验，发现海藻肥能提高作物的产量，施加150-200kg/亩的海藻肥，可使小麦籽粒产量增加24.5％-36.8％，烟叶产量增加20.8％-31.5％(参见表3)。

表3 实施例1制备的海藻肥对小麦籽粒与烟叶产量(kg/hm²×10³)的影响

从大田实验结果可以看出，本发明提供的海藻肥可以显著降低镉在土壤-小麦、土壤-烟草系统中的迁移，提高作物产量，对降低我国农田土壤Cd污染、改善土壤营养、减少化肥的施用、提高农产品产量有着优秀的应用前景。

实施例3

本实施例中，按照如下方法制备海藻肥：除了原料海藻粉配比不同外，其他步骤、工艺条件皆与实施例1相同；具体的褐藻粉、红藻粉和绿藻粉的质量比参见表4。

对本实施例制备的海藻肥进行肥料效果测试，在土壤S1上种植小麦，施加200kg/亩的海藻肥，测试方法同实施例2，具体的肥效数据参见表4。

表4 实施例3制备的海藻肥原料配比及肥效

实施例4

本实施例只有步骤1)中调制处理后的藻体温度和水分含量不同，其他皆与实施例1相同，具体参见表5。

对本实施例制备的海藻肥进行肥料效果测试，在土壤S1上种植小麦，施加200kg/亩的海藻肥，测试方法同实施例2，具体的肥效数据参见表5。

表5 实施例4中调制处理后的藻体温度和水分含量及海藻肥肥效

实施例5

本实施例只有步骤2)与实施例1不同，其他皆与实施例1相同，具体参见表6。

对本实施例制备的海藻肥进行肥料效果测试，在土壤S1上种植小麦，施加200kg/亩的海藻肥，测试方法同实施例2，具体的肥效数据参见表6。

表6 实施例5中步骤2)的工艺条件及海藻肥肥效

实施例6

本实施例采取盆栽实验的方法，分别在河南(S1)与湖南(S2)的Cd污染土壤中种植水稻和玉米，使用口径30cm×高26cm的桶，每桶放入处理好(即过2mm筛)的土壤7kg，将实施例1中制备的海藻肥以0.5％比例(即0.035Kg)均匀混入盆中土壤，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，选取预发芽(胚根长约2mm)的水稻和玉米种子，移至已备好的种植盆中，离土表1cm以下，根向下，每桶10粒种子，生长7d后定植5株，进行全生育期试验。试验结束后，分别采集水稻、玉米籽粒，同时采集土壤样品备测。进行土壤中Cd有效态含量测定与水稻、玉米籽粒Cd含量测定，结果参见表7。

表7 实施例1制备的海藻肥对玉米、水稻籽粒产量提高率和籽粒降Cd率的影响

实施例7

本实施例只有海藻肥的施用比例与实施例6不同，其他皆与实施例6相同，具体参见表8。

在土壤S1上种植玉米，测试方法同实施例2，具体的玉米籽粒产量提高率和籽粒降Cd率参见表8。

表8 实施例1制备的海藻肥不同施加比例对玉米籽粒产量提高率和籽粒降Cd率的影响

海藻肥施用量	籽粒产量提高率	籽粒降Cd率
			0.2％	32.8％	40.6％
0.5％	40.3％	52.5％
			1％	43.9％	56.8％
3％	45.3％	59.6％

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种降低作物镉吸收积累的海藻肥，其特征在于，所述海藻肥的制备方法包括如下步骤：

步骤一，称取海藻粉通过蒸汽加热的方式进行调制处理；

步骤二，对经步骤一处理后得到的海藻进行挤压膨化处理；

步骤三，对经步骤二处理后得到的海藻依次进行烘干、造粒处理，最终得到所述海藻肥；其中，

所述步骤一中，经步骤一处理后得到的海藻的温度为80-90℃，水分含量为15-24wt％；所述海藻粉为褐藻粉、红藻粉、绿藻粉的混合物，所述褐藻粉、红藻粉、绿藻粉的质量比为1-2.5:0.5-2:1；或者，所述海藻粉为褐藻粉、硅藻粉和绿藻粉的混合物，所述褐藻粉、硅藻粉和绿藻粉的质量比为1-2.5:0.5-2:1；

所述步骤二中，所述挤压膨化处理采用螺杆挤压膨化机，螺杆转速为300-450rpm，所述挤压膨化处理过程中的蒸汽压力为0.6-1.0MPa，所述挤压膨化处理温度为110-140℃，停留时间80-120s。

2.根据权利要求1所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥，其特征在于，所述褐藻粉、红藻粉、绿藻粉的质量比为2.5:1.5:1。

3.根据权利要求1所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥，其特征在于，所述褐藻粉、硅藻粉和绿藻粉的质量比为2.5:1.5:1。

4.根据权利要求1所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥，其特征在于，所述步骤三中，所述烘干处理的温度为60-80℃。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥，其特征在于，所述步骤三中，所述造粒处理得到的海藻肥颗粒的直径为5-8mm。

6.如权利要求1-5中任一项所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥的使用方法，其特征在于，将所述海藻肥以底肥形式均匀施入镉污染土壤，充分拌匀后进行灌溉，保持土壤水分含量约为60-80％的最大田间持水量1周-1个月后，进行作物播种或移栽。

7.根据权利要求6所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥的使用方法，其特征在于，田间种植时，所述海藻肥是以底肥形式均匀施入土壤耕层，所述土壤耕层厚度为0-20cm。

8.根据权利要求7所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥的使用方法，其特征在于，所述海藻肥的施用量为每亩150-200kg。

9.根据权利要求6所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥的使用方法，其特征在于，盆栽种植时，所述海藻肥的施用量为土壤重量的0.5-3％。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥的使用方法，其特征在于，所述镉污染土壤中镉的含量为0.6-2.1mg/kg，pH值为4.5-8.5。

11.根据权利要求7所述的降低作物镉吸收积累的海藻肥的使用方法，其特征在于，所述作物为小麦、烟草、玉米、水稻或蔬菜。

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