CN109456125A

CN109456125A - 一种生物炭基土壤调理剂及其应用

Info

Publication number: CN109456125A
Application number: CN201810741458.0A
Authority: CN
Inventors: 权胜祥; 刘卫国; 刘能斌; 朱维; 刘晓月; 刘羽翼; 张燕; 葛燚
Original assignee: Aerospace Kaitian Environmental Technology Co Ltd
Current assignee: Aerospace Kaitian Environmental Technology Co Ltd
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2019-03-12

Abstract

本发明公开了一种能够钝化旱地土壤重金属的生物炭基调理剂及其应用，所述生物炭基调理剂含有如下重量百分比的组分：生物炭30％～45％，磷酸氢二铵5％～10％，硫酸钾3％～5％，钙镁磷肥10％～15％，腐殖酸5％～10％，石灰石15％～30％，白云石5％～20％。其使用方法为：将生物炭基调理剂撒施在土壤表层，翻耕使其与土壤混合均匀，平衡10～20天后，即可进行播种或移栽。本发明的生物炭基调理剂，在秸秆资源化利用的同时，通过各种成分的协同作用，达到钝化土壤重金属、抑制蔬菜吸收重金属、改善土壤和蔬菜品质的目的，实现了重金属污染旱地边生产边修复的目的。

Description

一种生物炭基土壤调理剂及其应用

技术领域

本发明涉及土壤改良技术，尤其涉及一种能够钝化旱地土壤重金属的生物炭基调理剂及其应用。

背景技术

近年来，由于受工业污染、污水灌溉、含重金属的农药和化肥的施用等因素影响，农用地土壤受到日益严重的重金属污染，尤其是城郊的蔬菜地。蔬菜作为人们的常用食品，其品质和安全问题与人体健康息息相关。据调查表明，我国土壤存在着59.1％的田地缺磷和氮，22.9％的土壤缺钾，土壤有机质低于0.65％的可用耕地占10.6％的现状，南方土壤缺钾现象严重，磷、钾供应不足会明显降低氮肥的肥效，这也将影响着我国蔬菜品质。因此，一种既能提高土壤肥力，又能够有效阻控重金属等污染物进入食物链的修复方法是保证蔬菜品质和安全的最佳的土壤修复方法。

生物炭来源丰富，为多孔物质，具有极为丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，吸附性能优异，生物炭化还田技术符合我国的产业政策，能有效减少碳排放，满足农业生产需求。

现有技术中，生物炭可用于农业生产，具有一定效果，但单一施用生物炭作为土壤调理剂，对重金属污染土壤修复效果有限，难以保证重金属污染区域的农产品安全。另外，在重金属污染土壤钝化修复技术方面，现有土壤调理剂主要以生石灰、碳酸盐、硅酸盐、膨润土、海泡石等无机组分组配而成。该类土壤调理剂具有重金属修复效果好、见效快、成本低、易于操作等特点，但施用量过多，可能对土壤环境质量造成一定不利影响，难以达到改善土壤质量，提升农产品品质的目标。

发明内容

本发明是针对目前土壤重金属污染影响蔬菜产品安全的问题，提供一种能够钝化土壤重金属，降低蔬菜可食部分重金属含量，同时能有效增加土壤肥力，改善蔬菜品质的生物炭基土壤调理剂。

本发明第二目的在于，提供一种所述的生物炭基土壤调理剂的应用。

一种生物炭基土壤调理剂，包括以下重量百分含量的物质(组分)：生物炭30％～45％，磷酸氢二铵5％～10％，硫酸钾3％～5％，钙镁磷肥10％～15％，腐殖酸5％～10％，石灰石15％～30％，白云石5％～20％。

本发明运用生物炭材料与磷酸氢二铵、硫酸钾、钙镁磷肥、腐殖酸等养分组分、石灰石、长白石等矿物组分混合，集吸附重金属与提供农作物营养元素，达到钝化土壤重金属、抑制蔬菜吸收重金属、改善土壤和蔬菜品质的目的，这也实现了重金属污染旱地边生产边修复的目的。

本发明创新地利用未改性处理的生物炭，利用其表面合适的含氧基团以及良好的吸附性能，再配合本发明的石灰石和白云石等无机成分，从而协同达到既改善土质、保产增质；又明显钝化土壤中的重金属、明显降低农作物从土壤中摄取的重金属量、使农作物可食用部分符合相关行业标准的目的。

本发明旨在提供一种由无机成分组成的土壤调理剂，但无机成分的添加，会存在诸多不利效果，例如，使用量不能过高，作用时效短，且可能存在因局部浓度大对作物产生不利影响，影响作物产量等诸多不利因素。本发明利用非改性的生物炭配合本发明组分中的其他无机成分，利用非改性的生物炭表面合适的含氧基团和其他无机成分的相互作用，以及生物炭孔隙对无机成分吸附作用，通过双重机制下，可以协同提升对重金属的钝化效果，还可以解决因无机成分使用可能存在的土质破坏，产量下降等不足。

本发明所述的生物炭基土壤调理剂，包括以下重量百分含量的物质：生物炭30％～40％，磷酸氢二铵5％，硫酸钾5％，钙镁磷肥10％，腐殖酸5％～10％，石灰石20％～30％，白云石10％～25％。在优选比例含量下的各成分的协同效果更强，在保证保产增产的前提下，明显降低农作物食用部分的重金属含量。

为了配合本发明其他组分，所采用的生物炭为未经改性处理的生物炭。

作为优选，所述的生物炭由作物秸秆在保护气氛下400～500℃炭化得到。

本发明人研究发现，对于本发明而言，采用农作物作为碳源，在所述的温度下碳化得到的产物与本发明的其他成分的协同效果更优，有助于进一步协同降低农作物的重金属含量，进一步改善土质，保证作物的产量。

作为优选，所述的作物秸秆为稻壳、小麦、玉米中的至少一种。

作为优选，所述的生物炭为炭化产物经1mm筛网的筛下物。

进一步优选地，所述的磷酸氢二铵、硫酸钾、钙镁磷肥、腐殖酸、石灰石和白云石均为市售品，均为优等品。

本发明所述的生物炭基土壤调理剂的pH为9～11。

本发明还提供了一种所述的生物炭基土壤调理剂的应用，将其作为土壤调理剂，施用于土壤上。

作为优选，所述的应用，将所述的生物炭基土壤调理剂施用于土壤上，用于改良土质并钝化土壤重金属。

本发明所述的生物炭基土壤调理剂，可以用于改善土质以及钝化土壤重金属的双重效果。

作为优选，所述的土壤为旱地土壤。本发明所述的生物炭基土壤调理剂，特别适用于旱地土壤。进一步优选，所述的旱地土壤为蔬菜种植用土壤，进一步优选为空心菜、辣椒种植用土壤。

作为优选，所述的重金属为Cd和/或Pb。本发明所述的生物炭基土壤调理剂，通过所述比例下的各组分的协同，特别适用于被Cd和/或Pb重金属污染的土壤的调理处理。

进一步优选，每千克风干土壤施用所述的生物炭基土壤调理剂的重量为1～5克。基于本发明所述生物炭基土壤调理剂的各成分的协同，在较少的添加量下，即可实施良好的金属钝化和土质改善效果。

所述的应用方法中，利于预先在待处理的土壤上施加常规肥，7～10天后施加本发明所述的生物炭基土壤调理剂，翻耕使其与土壤混合均匀，平衡10～20天后，即可进行播种或移栽。

本发明中创新地采用非改性的生物炭，具有较高的pH和较大的表面积以及合适的含氧基团，其有优异的吸附能力和较高的吸附容量，可与土壤重金属离子形成螯合物，从而降低土壤中Cd的生物有效性。基于创新的生物炭，再协同配合本发明的其他无机成分(钙镁磷肥、腐殖酸、石灰石、白云石、磷酸氢二铵及硫酸钾)的使用，无机成分部分填充至生物炭空隙中，从而在实现快速钝化重金属下，还能保证良好的长效性。本发明所述的生物炭调理剂，还含有硅酸根、磷酸根等能和重金属Cd发生沉淀反应的成分，达到降低土壤中Cd有效性的效果；不仅如此，还可以调节土壤pH值，利于吸附土壤中Cd，降低重金属Cd的有效性。成分中的Ca²⁺、Mg²⁺等能与重金属形成拮抗作用，缓解重金属的毒害作用。总之，本发明所述比例范围下的生物炭、磷酸氢二铵、硫酸钾、钙镁磷肥、腐殖酸等不仅能协同改善土壤质量，提供植物所需的营养元素，还能抑制土壤中重金属的活性，减少蔬菜对重金属的吸收累积，提高蔬菜的营养品质和食用安全。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明的生物炭基调理剂所需材料常见，制备方法简单，便于推广。本发明的生物炭基调理剂，由所述比例下的生物炭、磷酸氢二铵、硫酸钾、钙镁磷肥、腐殖酸、石灰石和白云石组合，能很好地与土壤中养分结合，有效减少养分流失；同时通过各种成分的协同作用，达到钝化土壤重金属、抑制蔬菜吸收重金属、改善土壤和蔬菜品质的目的。

本发明有效利用了农业废弃物秸秆如稻壳、小麦、玉米秸秆等，是一种阻控旱地重金属污染的环境友好型调理剂，提供了一种较好的农业废弃物资源化利用途径。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

下述实施例所在地为湖南省郴州市某蔬菜种植基地，试验土壤的基本理化性质见表1。

表1 试验田重金属污染土壤的基本性质

实施例一：试验作物为空心菜

实施例实验设计：

本实施例生物炭基调理剂按重量百分含量的物质：生物炭30～35％，磷酸氢二铵5％，硫酸钾5％，钙镁磷肥10％，腐殖酸5％，石灰石25～30％，白云石15％，直接混匀。其中，生物炭的制备方法为稻壳在氮气保护下隔氧，400～500℃炭化，用粉碎机或球磨机粉碎，过1mm筛网获得稻壳生物炭(本案例也简称为生物炭)。

同块旱地土壤上，设置不同的处理模式：CK处理：实验空白对照，不做任何处理；A处理：单施稻壳生物炭；B处理：单加养分成分(生物炭、磷酸氢二铵、硫酸钾、钙镁磷肥、腐殖酸，质量比为35∶5∶5∶10∶5(缺少石灰石，白云石)；C处理：添加磷酸氢二铵、硫酸钾、钙镁磷肥、腐殖酸，石灰石，白云石，质量比为5∶5∶10∶5∶25∶15(缺少生物炭)；D处理：添加本实施例生物炭基调理剂(生物炭、磷酸氢二铵、硫酸钾、钙镁磷肥、腐殖酸，石灰石，白云石，质量比为35∶5∶5∶10∶5∶25∶15)；E处理：添加本实施例生物炭基调理剂(生物炭、磷酸氢二铵、硫酸钾、钙镁磷肥、腐殖酸，石灰石，白云石，质量比为30∶5∶5∶10∶5∶30∶15)。每个处理设置3个重复，每个实验样方面积为6m²(2m×3m)，总计18块小区，所有样方随机区组排列。每种处理施加量均为每千克风干土壤施用2克。在施加常规肥7～10天后施加对应组分的调理剂，翻耕使其与土壤混合均匀，平衡10～20天后，即可进行播种或移栽。种植方式与农民正常耕作生产保持一致。

成熟时，测定各处理空心菜生物量以及地上部分重金属，其中重金属含量采用硝酸-高氯酸混合消解后用ICP-AES进行测定。结果如表2所示。

表2 各处理空心菜生物量及地上部分重金属含量

由表2可知，与对照CK相比，A、B、D和E处理能增加空心菜每株平均鲜重比例达5.92％-7.02％，而C处理仅能增加空心菜每株平均鲜重比例为1.86％，研究发现，通过本发明所述的成分之间的协同，可以避免无机成分对土质的不利影响，甚至达到一定的增产效果。从空心菜地上部分重金属Cd、Pb含量分析，A、B、C、D和E处理均能有效降低空心菜地上部分Cd、Pb含量，A、B处理空心菜没有达到食品安全国家标准(GB2762-2017)要求；C处理降低Cd、Pb分别达30.07％、61.11％；D处理效果相比于C处理效果进一步提升，其降低Cd、Pb分别达39.10％、63.82％；E处理效果相比于C处理效果进一步提升，其降低Cd、Pb分别达40.60％、64.53％。且D和E处理下空心菜地上部分Cd含量(Cd≤0.2mg·kg^-1)和Pb含量(Pb≤0.3mg·kg^-1)均优于(叶菜类)食品安全国家标准(GB2762-2017)最大限值。

实施例二：试验作物辣椒

实施例实验设计与实施例一相似，区别在于，用所述的各处理用于辣椒地种植。

成熟时，测定各处理辣椒生物量以及辣椒果实中重金属含量，其中重金属含量采用硝酸-高氯酸混合消解后用ICP-AES进行测定。结果如表3所示。

表3 各处理辣椒生物量及果实中重金属含量

由表3可知，与对照CK相比，A、B、D和E处理能增加辣椒每株平均鲜重比例达5.13％-8.90％，而C处理仅能增加辣椒每株平均鲜重比例为1.78％，研究发现，通过本发明所述的成分之间的协同，可以避免无机成分对土质的不利影响，可以协同达到增产效果。从辣椒果实重金属Cd、Pb含量分析，未处理下辣椒果实Cd含量没有超标，Pb含量超标；与对照CK相比，A、B、C、D和E处理均能有效降低辣椒果实中Cd、Pb含量，A和B处理空心菜没有达到(果类)食品安全国家标准。C处理下降低Cd、Pb分别达33.33％、45.57％；D处理效果相比于C处理效果进一步提升，其降低Cd、Pb分别达37.50％、49.68％，E处理效果相比于C处理效果进一步提升，其降低Cd、Pb分别达45.83％、52.83％。且D和E处理下辣椒果实中Cd含量(Cd≤0.05mg·kg^-1)和Pb含量(Pb≤0.1mg·kg^-1)均优于(果类)食品安全国家标准(GB2762-2017)最大限值。

Claims

1.一种生物炭基土壤调理剂，其特征在于，包括以下重量百分含量的物质：生物炭30％～45％，磷酸氢二铵5％～10％，硫酸钾3％～5％，钙镁磷肥10％～15％，腐殖酸5％～10％，石灰石15％～30％，白云石5％～20％。

2.根据权利要求1所述的生物炭基土壤调理剂，其特征在于，包括以下重量百分含量的物质：生物炭30％～40％，磷酸氢二铵5％，硫酸钾5％，钙镁磷肥10％，腐殖酸5％～10％，石灰石20％～30％，白云石10％～25％。

3.根据权利要求1所述的生物炭基土壤调理剂，其特征在于，所述的生物炭由作物秸秆在保护气氛下400～500℃炭化得到。

4.根据权利要求3所述的生物炭基土壤调理剂，其特征在于，所述的作物秸秆为稻壳、小麦、玉米中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的生物炭基土壤调理剂，其特征在于，所述的生物炭为炭化产物经1mm筛网的筛下物。

6.一种权利要求1～5任一项所述的生物炭基土壤调理剂的应用，其特征在于，将其作为土壤调理剂，施用于土壤上。

7.如权利要求6所述的生物炭基土壤调理剂的应用，其特征在于，将所述的生物炭基土壤调理剂施用于土壤上，用于改良土质并钝化土壤重金属。

8.如权利要求6所述的生物炭基土壤调理剂的应用，其特征在于，所述的土壤为旱地土壤。

9.如权利要求7所述的生物炭基土壤调理剂的应用，其特征在于，所述的重金属为Cd和/或Pb。

10.如权利要求6～9任一项所述的生物炭基土壤调理剂的应用，其特征在于，每千克风干土壤施用所述的生物炭基土壤调理剂的重量为1～5克。