CN111471466A - 一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，包括以下原料：改性纳米碳黑、蒙脱石、钙镁磷肥、风化煤、赤泥。本法发明药剂将不同性质的吸附、络合材料组合，通过吸附、络合、沉淀相互协作配合，强化了重金属的钝化效果，显著提高了重金属钝化效率，降低了重金属的生物有效性，缓释钝化效果持久稳定；本发明药剂受污染土壤条件影响小，并且具有改良和增强土壤肥效的作用，不会造成二次污染，所用材料成本低廉、安全可靠，具有良好的社会、环境效益。

Description

一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂及应用

技术领域

本发明涉及农田土壤重金属污染防治和环境保护学领域，更具体的说是涉及一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂及应用。

背景技术

我国近些年正处于快速发展期，工业的发展蒸蒸日上，不可避免的带来了严重的土壤污染问题。

镉、铅和汞等重金属是植物的非必需元素，而且对植物生长具有毒害作用，是作物生长和食品安全的重要重金属污染物。这些有毒重金属在食品中过量积累，进而进入食物链，严重威胁人体健康。根据农业部稻米及制品质量监督检验测试中心2002年和2003年对我国各地稻米质量安全普查的结果，稻米的质量安全问题之一是镉、铅等重金属超标，超标率均超过10％。工业″三废″、有色金属矿业和污灌等极易导致土壤有毒重金属含量过高，易导致植株吸收过量，是植株或作物重金属积累的最主要来源。为此，各国都对土壤和食品(或是粮食)的重金属允许含量设有严格的限制标准，比如，我国谷物中镉限制含量为0.2mg/kg，铅为0.2mg/kg和汞0.02mg/kg。

植物性食物，包括稻米、大小麦等，其所含有或积累的镉、铅和汞等主要由根系从土壤中吸收，并经蒸腾流到达地上部，最终在收获部位积累。研究表明，土壤镉、铅和汞的含量，特别是有效态含量(即能够被根系所吸收)是影响根系吸收土壤镉、铅和汞的关键因素。因此，通过各种农艺措施降低和控制土壤有效态镉、铅和汞一直是国内外的研究热点课题，但是目前均没有发现一种有效且不良反应少的方法，比如，在酸性和偏酸性土壤上，通过施用石灰提高土壤pH值，可显著降低土壤镉、铅和汞的有效性，最终降低根系对这些重金属的吸收。然而，施用石灰同样存在很多副作用，比如施用石灰，土壤pH升高导致这些重金属有效降低的同时，也导致多种微量元素如铁、锰、锌等必需元素含量大幅下降，极易引起作物缺素和生长不良；另一方面，由于不同地区、不同土壤类型的pH值差异和pH缓冲能力差异均很大，石灰施用量难以精确控制。

鉴于此，本领域亟需开发出一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，用于重金属污染土壤的作物种植。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂及应用，本本法发明药剂将不同性质的吸附、络合材料组合，通过吸附、络合、沉淀相互协作配合，强化了重金属的钝化效果，显著提高了重金属钝化效率，降低了重金属的生物有效性，缓释钝化效果持久稳定。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，包括以下原料：改性纳米碳黑、蒙脱石、钙镁磷肥、风化煤、赤泥。

优选地，包括以下重量份原料：改性纳米碳黑5-10份、蒙脱石40-60份、钙镁磷肥12-25份、风化煤20-35份、赤泥10-20份。

优选地，包括以下重量份原料：改性纳米碳黑8份、蒙脱石50份、钙镁磷肥20份、风化煤30份、赤泥15份。

本发明药剂在治理重金属镉污染时，上述组分通过协同作用能够与土壤中重金属离子发生吸附、络合、转化等作用，从而土壤中重金属的向作物中的迁移转化；风化煤和改性纳米碳黑诱导重金属吸附、磷酸盐和重金属生成沉淀或矿物和磷酸盐表面吸附重金属，同时改性纳米碳黑对吸附后的重金属进行包覆，防止重金属溶出，改性纳米碳黑提高土壤中的氧化还原电位，使重金属离子得到电子发生氧化反应，另外还可将土壤中一些高价态的有毒重金属还原成低价态低毒的重金属，与大多数重金属形成稳定的化合物；调节了土壤的pH值，减少污染物的返溶现象，钙镁磷肥提供钙、镁、硅等元素与赤泥使钝化效果进一步加强，本发明的钝化剂通过协同增效的作用，能更好地满足当前我国重金属污染土壤修复对稳定性强、无二次污染、效果持久稳定、低成本的迫切需求。

优选地，所述为风化煤为含腐植酸40～60wt％的天然褐煤，风化煤粒度为150～250μm。

同时风化煤的施用也能够在一定程度上促进重金属的吸附，还能配合有机肥增加土壤有机质，抵消因施用蒙脱石、赤泥造成的土壤板结问题以及增强对土壤酸化的缓冲性。综合考虑钝化效率、缓释钝化效果的持久稳定性、土壤肥效等因素。

优选地，所述改性纳米炭黑的制备方法为：将10-15g纳米炭黑洗净，烘干至恒重，加入200-250ml 70-80％的浓硝酸在140-150℃的温度下反应2-3h，然后离心得沉淀物，将沉淀物清洗、干燥，即得到改性纳米炭黑。

优选地，所述钙镁磷肥为一种含有磷酸根的碱性肥料，P₂O₅含量为8-12wt％，钙镁磷肥还能提供钙、镁、硅等元素。

上述一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂在重金属污染土壤的作物种植中的应用。

优选地，所述一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂的施用量为120-140kg/每亩。

上述一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将风化煤、赤泥、硫铁矿渣、蒙脱石混合均匀，制得混合物料A；

(2)将混合物料A与钙镁磷肥混合，充分搅拌，混合均匀，制得混合物料B；

(3)将混合物料A与纳米碳黑混合，充分搅拌，混合均匀，制得一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本法发明药剂将不同性质的吸附、络合材料组合，通过吸附、络合、沉淀相互协作配合，强化了重金属的钝化效果，显著提高了重金属钝化效率，降低了重金属的生物有效性，缓释钝化效果持久稳定，经处理后的污染土壤栽植农作物，重金属含量检测结果符合GB2762-2012《食品安全国家标准-食品中污染物限量》标准要求；本发明药剂受污染土壤条件影响小，并且具有改良和增强土壤肥效的作用，不会造成二次污染，所用材料成本低廉、安全可靠，具有良好的社会、环境效益。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，包括以下重量份原料：改性纳米碳黑5份、蒙脱石40份、钙镁磷肥12份、风化煤20份、赤泥10份；

制备方法：

(1)将风化煤、赤泥、硫铁矿渣、蒙脱石混合均匀，制得混合物料A；

(2)将混合物料A与钙镁磷肥混合，充分搅拌，混合均匀，制得混合物料B；

(3)将混合物料A与纳米碳黑混合，充分搅拌，混合均匀，制得一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂。

实施例2

一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，包括以下重量份原料：改性纳米碳黑10份、蒙脱石60份、钙镁磷肥25份、风化煤35份、赤泥20份；

制备方法：

(1)将风化煤、赤泥、硫铁矿渣、蒙脱石混合均匀，制得混合物料A；

(2)将混合物料A与钙镁磷肥混合，充分搅拌，混合均匀，制得混合物料B；

(3)将混合物料A与纳米碳黑混合，充分搅拌，混合均匀，制得一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂。

实施例3

一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，包括以下重量份原料：改性纳米碳黑8份、蒙脱石50份、钙镁磷肥20份、风化煤30份、赤泥15份；

制备方法：

(1)将风化煤、赤泥、硫铁矿渣、蒙脱石混合均匀，制得混合物料A；

(2)将混合物料A与钙镁磷肥混合，充分搅拌，混合均匀，制得混合物料B；

(3)将混合物料A与纳米碳黑混合，充分搅拌，混合均匀，制得一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂。

实验例1：

该实验例采用室内培养试验，恒温恒湿下，在Cd、Pb、Zn为主要污染物的重金属污染土壤中添加本发明实施例1-3制备的药剂。试验用的培养器皿为500ml的聚乙烯塑料盆，采用的重金属污染土壤为过2mm筛的污染土壤1kg(以风干土计)。将试验用重金属土壤平均分成五等分装瓶，每瓶中添加不同含量的本发明药剂产品，添加量为6％wt，将钝化剂产品与土壤混匀后加水调节至土壤最大田间持水量的70wt％，放入培养箱，25℃恒温培养1个月后，用DTPA浸提液提取，计算经过处理的土壤中有效态重金属的含量；施入钝化剂的土壤其有效态重金属的含量显著降低，其中实施例3药剂处理的效果最好，土壤中有效态Cd、Pb、Zn含量分别降低了60％、35％、43％。

实验例2

将实施例3在室温下进行田间小区试验，种植小麦，药剂用量为60kg/亩，旋耕后播种小麦，按照小麦常规田间管理模式进行水分管理，待到小麦成熟后采集小麦和土壤样品，分别测定小麦籽粒和土壤中有效态Cd、Pb、Zn含量；小麦籽粒中Cd、Pb、Zn含量，均不超过国家食品安全标准，可以放心食用；土壤中有效态Cd、Pb、Zn含量，小麦收获时比耕种前分别降低51％、28％、35％。

对比例1

原料：不添加改性纳米碳黑，其余原料与制备方法与实施例3完全相同。

对比例2

原料：不添加风化煤，其余原料与制备方法与实施例3完全相同。

对比例3

原料：不添加蒙脱石，其余原料与制备方法与实施例3完全相同。

实验例3

选择武汉市使用年限为5年的设施菜田，采集设施菜田表层土壤(0～30cm)，测定土壤重金属全量(结果见表1)；

采集设施菜田土壤样本，风干粉碎，过10目筛，混合均匀后备用。试验组分为四组：分别施入对比例1-3、实施例5，添加量为6wt％，不施药剂处理为对照，每组试验3次重复，五组试验同时进行。试验：将各处理的药剂与土壤充分混合均匀后，装入塑料盆中，喷入少量水分，静置1周，移栽事先育成的油菜苗6株，正常管理，30天后收获油菜可食用部分进行实验室处理，并对土壤有效态重金属含量和植株体内重金属含量测定，结果见表2和表3。

表1菜田土壤重金属全量(毫克/千克)

	镉	铅	锌
				设施菜地	1.12	50.9	135.9

表21个月后土壤重金属含量(毫克/千克)

	镉	铅	锌
				对照	0.34	4.65	8.52
对比例1	0.21	3.96	6.55
				对比例2	0.25	2.86	6.21
对比例3	0.28	3.21	6.91
				实施例3	0.11	1.51	2.96

表31个月后小油菜植株重金属含量(毫克/千克)

	镉	铅	锌
				对照	0.051	0.21	0.65
对比例1	0.045	0.16	0.40
				对比例2	0.043	0.18	0.42
对比例3	0.046	0.16	0.45
				实施例3	0.019	0.10	0.26

表2和表3结果表明，施用本发明实施例3的药剂可明显降低土壤中有效态重金属含量，起到钝化设施菜田土壤重金属的效果；同时，可明显降低叶菜中重金属含量(国家农产品质量标准中)。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，其特征在于，包括以下原料：改性纳米碳黑、蒙脱石、钙镁磷肥、风化煤、赤泥。

2.根据权利要求1所述的一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，其特征在于，包括以下重量份原料：改性纳米碳黑5-10份、蒙脱石40-60份、钙镁磷肥12-25份、风化煤20-35份、赤泥10-20份。

3.根据权利要求1所述的一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，其特征在于，包括以下重量份原料：改性纳米碳黑8份、蒙脱石50份、钙镁磷肥20份、风化煤30份、赤泥15份。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，其特征在于，所述为风化煤为含腐植酸40～60wt％的天然褐煤，风化煤粒度为150～250μm。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，其特征在于，所述改性纳米炭黑的制备方法为：将10-15g纳米炭黑洗净，烘干至恒重，加入200-250ml 70-80％的浓硝酸在140-150℃的温度下反应2-3h，然后离心得沉淀物，将沉淀物清洗、干燥，即得到改性纳米炭黑。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种控制土壤重金属物质向作物转移的药剂，其特征在于，所述钙镁磷肥为一种含有磷酸根的碱性肥料，P₂O₅含量为8-12wt％，钙镁磷肥还能提供钙、镁、硅等元素。

7.一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂在重金属污染土壤的作物种植中的应用。

8.根据权利要求6所述的一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂在重金属污染土壤的作物种植中的应用，其特征在于，所述一种控制土壤重金属物质向作物转移药剂的施用量为50-80kg/每亩。