CN111808613B - 低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低品位凹凸棒石的新用途，其特点是将经过简单物理破碎后、凹凸棒石含量≤35wt%的低品位凹凸棒石直接用作有机农业酸性土壤镁调理剂。本发明与已有低品位凹凸棒石作为高值化利用的原材料相比，不用经过改性、提纯等复杂的化学处理，只需经过简单的物理破碎就可以直接使用，并且使用过程中没有额外的成本消耗和污染物排放，具有节约能源、防治环境污染、培肥地力等优点。本发明与已有有机农业酸性土壤中允许使用的镁素调理剂相比，低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂不仅可以提高有机农业酸性土壤镁含量和提升镁水平，还对经过调理后的土壤镁具有缓释和减少淋失的作用。

Description

低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂的应用

技术领域

本发明涉及低品位凹凸棒石的一种新用途，具体涉及低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂的用途。

背景技术

凹凸棒石是一种天然2:1型具链层状结构含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，具有特殊的纳米棒状晶体形貌及规整的一维纳米孔道结构，在吸附、储能、材料、生物医药、农业生产等方面得到了广泛应用。凹凸棒石资源在我国储量丰富，主要分布在江苏盱眙、安徽明光、甘肃临泽等地，总储量占全球总量的50%以上，其中少部分为高纯度凹凸棒石，大部分为含有杂质的低品位凹凸棒石。因为我国非金属矿业整体技术水平不高，低品位凹凸棒石至今未得以有效开发利用。目前，凹凸棒石研究方向大都集中在以高品位凹凸棒石为原料进行改性，制备高纯、高附加值的凹凸棒石产品等高值化利用方面，而对低品位凹凸棒石的研究开展较少。杂质是限制低品位凹凸棒石高值化利用的瓶颈问题，低品位凹凸棒石杂质含量高，所含杂质主要有石英、长石、高岭石、蒙脱石、蛋白石、伊利石、白云石、方解石、石膏等。根据目前的研究方向和研究思路，当将低品位凹凸棒石进行高值化应用时，不仅需要对其进行研磨处理，最关键的是还需要对其进行除杂处理。低品位凹凸棒石中大量高硬度杂质的存在极大地增加了研磨难度，并会对研磨仪器产生较大损害，从而增加了研磨成本。而除杂过程会消耗大量的外来能源和物质，并且会产生大量的废水、废酸、有机溶剂和含盐量高的废渣等环境污染物，对环境造成危害。这些问题导致大量低品位凹凸棒石露天堆放，风吹日晒和降雨条件下，致使其会被风刮走或被雨水淋失到周围环境中，不仅造成资源的浪费，还会对周围环境造成危害。因此，寻找低品位凹凸棒石新的有效化利用途径是解决这一瓶颈问题的新出路。

镁是作物体内叶绿素的重要组成成分，在作物营养中起着重要作用。作物中镁的营养来源主要是土壤，而土壤供应镁的能力主要与其有效镁含量有关。近几十年来，随着作物产量的不断提高，作物缺镁现象在各地陆续出现。尤其在我国长江以南的热带和亚热带地区，作物缺镁症状日益频发。这主要是由于热带和亚热带地区常年高温多雨，土壤风化强烈，土壤呈酸性或强酸性，阳离子交换量和有机质含量较低，使其对阳离子元素镁的保持能力较弱，导致镁大量淋失，造成酸性土壤中镁元素的缺乏。据相关资料报道，我国有54%的土壤需要补充镁素肥料。有机农业是遵照特定的农业生产原则，在生产中不采用基因工程获得的生物及其产物，不使用化学合成的农药、化肥、生长调节剂、饲料添加剂等物质，遵循自然规律和生态学原理，协调种植业和养殖业的平衡，采用一系列可持续的农业技术以维持持续稳定的农业生产体系的一种农业生产方式。在有机农业生产中不能使用化学合成的化肥，而符合有机农业生产要求的天然矿物材料可以作为肥料应用于有机农业的生产过程。我国酸性土壤主要分布在长江以南的热带和亚热带地区，由于强烈的风化和淋溶作用，这类土壤中镁素十分缺乏，加之有机农业生产体系中不允许使用化肥等肥料产品，更加剧了有机农业酸性土壤中镁素的匮乏，造成土壤镁的供应不足，导致缺镁有机农业酸性土壤上生长的作物抗逆性降低、生长受阻和产量品质下降。而符合有机农业生产原则的酸性土壤镁调理剂资源匮乏，只有有限的镁素种类如镁矿粉、碳酸钙镁和泄盐类，而这些矿物只能为酸性土壤提供镁素，对调理后土壤中的镁素没有固持和减少其淋失的作用，对于处于降雨量非常丰富的酸性土壤区，对镁素具有减缓淋失作用的新型镁调理剂的探索和开发是提高其镁含量和镁素利用率的有效途径。

到目前为止，由于人们对低品位凹凸棒石的研究与应用主要集中在去除杂质、提高品位方面，而对于其中的杂质没有开展相应研究，致使低品位凹凸棒石的实际应用极为少见，特别是在作为有机农业酸性土壤镁调理剂方面，未见应用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述大量低品位凹凸棒石需要新的有效化利用途径和有机农业酸性土壤镁素十分匮乏的现状，提供一种低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂的应用。是在有机农业酸性土壤中施入经过物理破碎后的低品位凹凸棒石，利用其含有丰富的镁、能缓慢释放镁和能降低镁淋失的性质，对有机农业酸性土壤的镁进行调理。

本发明人基于对低品位凹凸棒石综合性能的了解和认知，不为其应用现状所局限，对低品位凹凸棒石作为镁调理剂在有机农业酸性土壤中应用的可能性做了大量的研究工作。研究结果表明，低品位凹凸棒石不仅能发挥其杂质提供镁的作用，还能发挥凹凸棒石自身保持镁离子的作用。同时，使用过程中只需经过简单的物理破碎即可，不需要进一步的化学处理，从而降低了能源消耗，避免了环境污染物的产生。更为重要的是，可以实现一次施用，效果持续几年的有益作用。可以说是一种十分理想的适合于有机农业酸性土壤的镁调理剂。

凹凸棒石在成矿过程中因为不同价态金属离子类质同晶取代而使其带有结构负电荷，而凹凸棒石结构缺陷和表面残缺价键的存在使其具有表面负电荷。结构负电荷和表面负电荷的存在使得凹凸棒石具有吸附和保持带正电荷的镁离子的潜力。与目前有机农业酸性土壤中允许使用的镁调理剂镁矿粉、碳酸钙镁和泄盐类相比，低品位凹凸棒石不仅能提供镁素，还能通过凹凸棒石自身拥有结构负电荷、表面负电荷、比表面积和孔隙结构等特征，通过静电吸附和物理固持作用降低土壤中的镁离子被淋失的作用。

为了实现本发明的目的，本发明提供的技术方案为：

本发明提供低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂的应用。

作为优选，所述应用为提高有机农业酸性土壤中镁含量、缓释有机农业酸性土壤中的镁素和/或减少有机农业酸性土壤中镁淋失。

作为优选，所述应用是将低品位凹凸棒石粉碎后，施入到有机农业酸性土壤中。

作为优选，所述低品位凹凸棒石的施入量为1300-1700kg/亩。

作为优选，所述低品位凹凸棒石指其中的凹凸棒石含量≤35wt%。

作为优选，所述低品位凹凸棒石为天然存在的或经过物理选矿后废弃的凹凸棒石尾矿。

本发明提供一种有机农业酸性土壤镁调理剂，有效成分为低品位凹凸棒石。

本发明提供一种对有机农业酸性土壤中镁含量进行调理的方法，将低品位凹凸棒石粉碎后，均匀施入到有机农业酸性土壤；和/或

所述粉碎粒径为0.1-8mm；和/或

所述低品位凹凸棒石的施入量为1300-1700kg/亩。

作为优选，所述调理为提高有机农业酸性土壤中镁含量、缓释有机农业酸性土壤中的镁素和/或减少有机农业酸性土壤中镁淋失。

本发明的有益效果为：本发明与已有低品位凹凸棒石作为高值化利用的原材料相比，不用经过改性、提纯等复杂的化学处理，只需经过简单的物理破碎就可以直接使用，并且使用过程中没有额外的成本消耗和污染物排放，具有节约能源、防治环境污染、培肥地力等优点。本发明与已有有机农业酸性土壤中允许使用的镁调理剂相比，低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂不仅可以提高有机农业酸性土壤镁含量和提升镁水平，还对经过调理后的土壤镁具有缓释和减少淋失的作用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为实施例1低品位凹凸棒石各形态镁含量示意图。

图2为实施例2低品位凹凸棒石镁淋出量和淋出率的变化规律示意图。

具体实施方式

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均购自常规生化试剂公司。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。

在本发明中，低品位凹凸棒石指凹凸棒石含量≤35wt%。

低品位凹凸棒石为天然存在的或经过物理选矿后废弃的凹凸棒石尾矿。

实施例1 低品位凹凸棒石各形态镁含量

将采自甘肃临泽凹凸棒石含量为20.3wt%的低品位凹凸棒石经过物理破碎为粒径2mm的颗粒，分别用去离子水、1M pH=7的乙酸铵和0.04M 稀HNO₃溶液浸提其中的可溶性、交换性和有效性镁，3种形态镁含量见图1。由图1可以看出，此低品位凹凸棒石中可溶性、交换性和有效性镁含量分别为0.928g/kg、0.786g/kg和15.4g/kg。其中，可溶性和交换性镁含量分别占有效性镁含量的6.02wt%和5.10wt%，两者之和占有效性镁含量的11.1wt%。可溶性和交换性镁属于速效态，能快速释放供作物吸收利用。剩余的88.9wt%为缓效态，能缓慢释放供作物吸收利用。这表明，低品位凹凸棒石具有提供和缓释镁素的作用。

低品位凹凸棒石可溶性镁含量采用去离子水浸提-电导法测定、交换性镁含量采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定（鲁如坤, 土壤农业化学分析方法, 中国农业科技出版社, 2000）。有效性镁含量的具体操作步骤为：称取自然风干状态下过2mm筛的0.5000g的低品位凹凸棒石于100mL塑料瓶中，加入50mL 0.04M 稀HNO₃溶液，将瓶盖旋紧，于往复振荡机上200rpm下振荡平衡24h，离心过滤后测定滤液中镁含量，即为低品位凹凸棒石的有效性镁含量。采用0.04M 稀HNO₃溶液可以保证低品位凹凸棒石杂质中的镁完全释放出来，而对凹凸棒石的晶体结构不会造成影响。

实施例2 低品位凹凸棒石镁的缓释效应

实施例2的低品位凹凸棒石同实施例1。将粒径为2mm的低品位凹凸棒石装入土柱，用pH=4的稀HNO₃溶液进行淋溶，低品位凹凸棒石镁淋出量和淋出率的变化规律见图2。由图2可以看出，第一次淋溶时镁淋出量最大，随着淋溶过程的进行，淋出量呈逐渐下降趋势。整个淋溶期间，镁淋出量范围为0.591-37.6mg/柱。镁淋出率的变化趋势与淋出量一致，范围为0.0384-2.44%。这表明，低品位凹凸棒石中的镁是缓慢释放出来的，低品位凹凸棒石具有缓释镁的作用。

实施例3低品位凹凸棒石对有机农业酸性土壤交换性镁含量的提升效果

选用3种低品位凹凸棒石对4种有机农业酸性土壤中的镁开展田间调理试验，将低品位凹凸棒石物理破碎为粒径2mm的颗粒，于作物种植前撒施于耕地表面，施用量为1500kg/亩。撒施完进行翻耕，使低品位凹凸棒石与田间土壤充分混合。作物种植前采集0-20cm耕层土壤作为对照，作物收获后采集0-20cm耕层土壤作为镁调理后土壤。4种有机农业酸性土壤的交换性镁含量和所处级别见表1。由表1可以看出，施用前，4种有机农业酸性土壤交换性镁含量50%处于缺乏、50%处于很缺乏等级；施用后，交换性镁含量16.7%处于很丰富、58.3%处于丰富、25.0%处于适中等级。这说明，低品位凹凸棒石可以有效提高有机农业酸性土壤的交换性镁含量。此外，由于镁属于作物所必需的中量元素，含量过高或过低都不利于作物对其他营养元素的均衡吸收，所以对于交换性镁含量处于很丰富等级的土壤，可以间隔5-7年施用一次；丰富等级的土壤，可以间隔3-5年施用一次；适中等级的土壤，可以间隔2-3年施用一次。这表明，低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂，具有显著的实用性。

其中，选用的3种低品位凹凸棒石其凹凸棒石重量百分含量分别为9.81wt%、20.3wt%和35.0wt%。其中，含量为9.81wt%和20.3wt%的低品位凹凸棒石采自甘肃临泽，为天然存在的凹凸棒石原矿；含量为35.0wt%的低品位凹凸棒石采自安徽明光，为经过物理选矿后废弃的凹凸棒石尾矿。交换性镁含量分级按照《珠江三角洲耕地质量评价与利用》（广东省土壤肥料总站, 珠江三角洲耕地质量评价与利用, 中国农业出版社, 2007, p63）进行。分级标准见表2。

实施例4 低品位凹凸棒石对有机农业酸性土壤阳离子交换量的提升效果

实施例4选用实施例3的田间试验土壤样品。调理前后4种有机农业酸性土壤的阳离子交换量及变化幅度见表3。由表3可以看出，施用低品位凹凸棒石能显著增加4种土壤的阳离子交换量，增加幅度介于3.38-37.8%之间。酸性土壤阳离子交换量的增加可以增强其对盐基阳离子的保持作用，降低淋失风险。可见，低品位凹凸棒石的结构负电荷、表面负电荷、表面积及孔道结构在提高酸性土壤阳离子交换量方面发挥了其相应的作用。

实施例5 低品位凹凸棒石降低有机农业酸性红壤镁淋失的效果

实施例5选用实施例3的田间试验红壤1，采用土柱淋溶试验考察不同低品位凹凸棒石（其中的凹凸棒石重量百分含量分别为9.81%、20.3%和35.0%）对有机农业酸性红壤镁淋失的影响。各处理下有机农业酸性红壤镁淋失率及降低幅度见表4。由表4可以看出，与施用前相比，添加低品位凹凸棒石可以显著降低酸性红壤镁淋失率，降低幅度分别为50.9%、57.6%、60.1%。这表明，低品位凹凸棒石可以有效降低红壤中镁的淋失，从而对红壤镁具有持留作用。这同实施例4的结果相一致，低品位凹凸棒石的添加增加了酸性红壤的阳离子交换量，阳离子交换量的增加增强了酸性红壤对阳离子镁的保持作用，从而降低了其淋失率。

值得说明的是，凹凸棒石含量介于35wt%-50wt%之间的低品位凹凸棒石也可作为酸性土壤的镁调理剂，只是其实施效果不够理想，故实用性不显著。粉碎粒径小于0.1mm或大于8mm的低品位凹凸棒石也可作为酸性土壤的镁调理剂，只是粒径小于0.1mm时破碎所消耗的能源太高，大于8mm时实施效果较差，故实用性不显著。低品位凹凸棒石的施入量小于1300kg/亩时，也同样具有作为酸性土壤镁调理剂的效果，只是需要增加施用次数，会额外增加劳动力成本，实用性不显著。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.低品位凹凸棒石作为有机农业酸性土壤镁调理剂，提高有机农业酸性土壤中镁含量、缓释有机农业酸性土壤中的镁素和减少有机农业酸性土壤中镁淋失的应用，所述低品位凹凸棒石的施入量为1300-1700kg/亩；所述低品位凹凸棒石指其中的凹凸棒石含量≤35wt%。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述应用是将低品位凹凸棒石粉碎后，施入到有机农业酸性土壤中。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述低品位凹凸棒石为天然存在的或经过物理选矿后废弃的凹凸棒石尾矿。

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