CN111886994B

CN111886994B - 一种促进农作物生长及减少虫害的方法

Info

Publication number: CN111886994B
Application number: CN202010651609.0A
Authority: CN
Inventors: 鲁安怀; 柳彬; 徐海峰; 朱莹; 丁竑瑞; 李艳; 王长秋
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2040-07-08
Also published as: CN111886994A

Abstract

本发明公开了一种促进农作物生长及减少虫害的方法。将主要成分为方解石和白云石的天然矿物材料破碎后浸泡于水中一段时间，然后取浸泡过该天然矿物材料的水对农作物进行灌溉，可以促进作物生长、减低虫害、提高作物产量。大田试验结果显示，利用天然矿物处理后的水培育的农作物不仅产量比未经处理的水高，在抵抗虫害、作物口感、作物生长速度、作物成色等方面也比未经处理的水更加有优势。本发明方法克服了以往肥料对土壤的污染、重金属堆积、微生物活性降低等不利因素，充分利用自然界中的天然岩石，具有原料来源方便、操作方法简单、见效快等特点，相比于其他化肥、杀虫剂等具有诸多优势，在农业生产领域具有广泛的应用前景。

Description

一种促进农作物生长及减少虫害的方法

技术领域

本发明涉及农作物种植技术，特别涉及一种利用矿物水浇灌农作物促进其生长、减少虫害、提高作物产量的种植方法，属于矿物的农业研究和应用领域。

背景技术

农作物的生长离不开肥料的滋养，在我们的传统农业种植中，最常用的就是用化学和物理方法制成的含有一种或几种农作物生长需要的营养元素的肥料，也称无机肥料，包括氮肥、磷肥、钾肥、微肥、复合肥料等。它们成分单纯，养分含量高，肥效快，肥劲猛；某些肥料有酸碱反应，一般不含有机质，无改土培肥的作用。多年来由于化学肥料的长期使用，导致农业生态环境、土壤理化性质和土壤微生物区系受到不同程度的破坏。例如，土壤中重金属和有毒元素增加将直接危害人体健康，产生污染的重金属主要有Zn、Cu、Co和Cr。从化肥的原料开采到加工生产，总是给化肥带进一些重金属元素或有毒物质，其中以磷肥为主。我国施用的化肥中，磷肥约占20％。磷矿石作为磷肥的生产原料，含有大量有害元素F和As，同时矿石的加工过程还会带进其它重金属，如Cd、Cr、Hg。研究表明，无论是酸性土壤、微酸性土壤还是石灰性土壤，长期施用化肥还会造成土壤中重金属元素的富集。对长期施用硝酸铵、磷酸铵、复合肥的土壤监测发现，As的含量达50～60mg/kg。同时，随着进入土壤Cd的增加，土壤中有效Cd含量也会增加，作物吸收的Cd量也增加。此外，化肥的长期使用导致微生物活性降低，物质难以转化及降解，我国长期施用氮肥造成土壤营养失调，加剧土壤P、K的耗竭，导致NO₃-N累积。NO₃-N本身虽无毒，但若未被作物充分同化可使其含量迅速增加，摄入人体后被微生物还原为NO₂ ^-，使血液的载氧能力下降，诱发高铁血红蛋白血症，严重时可使人窒息死亡。同时，NO₃-N还可以在体内转变成强致癌物质亚硝胺，诱发各种消化系统癌变，危害人体健康。长期施用化肥加速土壤酸化。一方面与氮肥在土壤中的硝化作用产生硝酸盐的过程相关；另一方面，磷酸钙、硫酸铵、氯化铵等生理酸性肥料在植物吸收肥料中的养分离子后，土壤中H⁺增多，许多耕地土壤的酸化和生理性肥料长期施用有关。同时，KCl的长期施用，作物选择吸收造成生理酸性，使缓冲性小的中性土壤逐渐变酸。此外，氮肥在通气不良的条件下，可进行反硝化作用，以NH₃、N₂的形式进入大气，经氧化与水解作用转化成HNO₃，降落到土壤中引起土壤酸化，土壤酸化后可加速Ca、Mg从耕作层淋溶，从而降低盐基饱和度和土壤肥力。综上，化肥的长期使用将导致土壤呈现不同程度的破坏。

目前，研究发现了一种新型肥料——矿物肥，其含有大量的矿物质与有益微生物，含有农作物所需的各种营养元素和丰富的有机质，具有无污染、无公害、肥效持久、壮苗抗病、改良土壤、提高产量、改善品质等诸多优点，又能克服大量使用化肥、农药带来的环境污染、生态破坏、土壤地力下降等弊端。矿物肥可经过一定的处理后用来改善土壤环境，调节土壤pH，加快作物生长，有效降低虫害。

但就目前而言，矿物肥虽比化肥更具优势，但是处理成本相对较高，工艺较复杂，而且矿物本身也会含有各种重金属，可能对作物的生长有一定的影响。因此，如何利用矿物加快作物生长、减低虫害、提高作物产量是本发明研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够替代现有肥料促进作物生长、减低虫害、提高作物产量的方法，克服以往肥料对土壤的污染、重金属堆积、微生物活性降低等不利因素。为实现该目的，本发明充分利用一类天然岩石原料来源方便、操作方法简单、见效快等特点，开发了一种使用经该类岩石处理后的水灌溉农作物的方法，既能促进作物生长、提高作物产量，又能减少虫害和降低环境污染。

本发明的技术方案如下：

一种促进农作物生长及减少虫害的方法，将天然矿物材料破碎后浸泡于水中一段时间，然后取浸泡过该天然矿物材料的水(简称矿物水)对农作物进行灌溉；其中所述天然矿物材料的主要成分为方解石和白云石。

上述促进农作物生长和减少虫害的方法中，优选的，所述天然矿物材料的主要成分方解石和白云石的质量比为3:1。更优选的，所述天然矿物材料包含质量分数为72％～78％的方解石和20％～25％的白云石，以及质量分数≤5％的铁锰氧化物和石英。

所述天然矿物材料可以是天然开采的主要成分是方解石和白云石的岩石矿物，也可以是将天然方解石和白云石矿物按比例混合得到。

在本发明的实施例中，所利用的天然矿物材料是主要成分为方解石和白云石的天然岩石，二者的质量比为3:1。根据X射线衍射谱图，位于30.9°、41.1°和51.0°的3个最强峰，分别对应了三方晶系白云石的(104)、(11-3)、(11-6)面网(JCPDS 84-1208)，半定量分析结果为75％；位于29.4°，48.5°和47.5°的3个最强衍射峰，分别对应(104)、(116)和(018)面网，指示样品属于三方晶系方解石(JCPDS 81-2027)，半定量分析结果为25％。次要成分为铁锰氧化物和石英，次要成分所占质量分数不到5％；微量元素为Mn、Ti、Zn、Ba、Sr等，以Mn、Ti含量最多，不含放射性物质。

上述促进农作物生长和减少虫害的方法中，将所述天然矿物材料通过切割或其他方式破碎为边长为厘米级或更小的块体，优选破碎为尺寸不超过1cm的块体，然后每100L水中加入0.8～1kg天然矿物材料块体浸泡30min以上，过滤得矿物水。在本发明的实施例中，将天然岩石矿物切割为边长1cm的正方体，挑选表面相对光滑、颜色均一的块体1kg，置于100L自来水或井水中浸泡半小时，抽滤，滤去滤渣，进行后期的大田试验。进一步的，将切割或破碎后的天然矿物材料置于水中煮沸，持续沸腾2～5min，然后冷却至室温，过滤，取所得矿物水浇灌农作物。

所述天然矿物材料对极性水分子具有强的相互作用，甚至能削弱水的氢键强度，从而明显改变水的化学性质，大幅度提高水的光分解程度，从而能直接提高农作物光合作用效率。本发明所用天然矿物材料能够产生波数范围在400cm^-1～4000cm^-1的红外辐射，更集中的频率范围为400～2000cm^-1。

本发明利用常见的方解石和白云石两大自然界最为常见的碳酸盐矿物作为研究对象，所种植农作物包括红薯、土豆、花生、胡萝卜、大葱、大蒜、韭菜、白菜、黄瓜、茄子、辣椒和西红柿等常见的农作物，以实验室常见表征技术结合农林科技大田实验，设计了一种通过矿物水的灌溉达到农作物的增产、减少虫害的方法。通过不加矿物处理的水与处理后的水进行灌溉，对比作物的长势和产量，实验证明本发明方法种植的作物产量、虫害、生长速度都比没有经过处理的作物更具优势。本发明方法利用自然界广泛存在的天然矿物，具有良好的红外辐射性能，可以使水分子中的氢键断裂，操作简单，无毒无害，使其用途的广泛性得到增加，不会污染土壤，更不会残留重金属，对人体不会产生任何有害影响。因原料来源广泛，安全环保可靠，方法简单，本发明的矿物水相对于其他肥料的制备具有诸多优势，可以大面积应用于各种农作物的灌溉、林木生长等，在规模化农业生产中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是实施例一测得的天然矿物材料的X-射线衍射谱(a)和拉曼光谱特征(b)。

图2是实施例一的天然矿物材料的扫描电镜图。

图3是实施例二中天然岩石矿物100℃时的红外辐射能量谱。

图4是实施例三和实施例四中经天然矿物处理后的水与未经处理的水浇灌作物，作物发芽率、生长速度和抗倒伏的对比图，其中左侧为实验组，右侧为对照组；(a)和(b)显示经天然矿物处理后的水提高作物的发芽率；(c)显示经天然矿物处理后的水促进作物生长速率；(d)显示经天然矿物处理后的水使作物生长速度加快和提高抗倒伏能力。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明的技术方案，下面结合附图，通过实施例对本发明的实施过程进行详细阐述。

实施例一

选择主要成分为方解石和白云石的天然矿物作为处理水的原料，在实验室中，利用X-射线衍射谱、拉曼光谱和扫描电镜对矿物材料进行基本的物相鉴定和微形貌表征，获得图1和图2。该天然矿物材料主要成分为方解石和白云石，半定量分析结果分别约为75％和25％(质量分数)，还含有少量的铁锰氧化物及石英(不足5％)。具体分析方法如下：

A1、选料：取上述天然矿物，研磨后过200目筛备用；

A2、X-射线衍射分析：将过筛后的矿物在X’Pert Pro型衍射仪(荷兰PANalytical公司)上完成，管压40kV，管流40mA，Cu靶作为阳极材料，Ni滤波片将CuK_β滤掉产生Kα₁(λ＝0.15406nm)和Kα₂(λ＝0.15444nm)特征X射线。采用步进扫描模式，扫描范围5°～85°，步长0.02°，每步停留时间0.25s。利用Highscore Plus软件(version 4.6.1)进行卡片的检索物相的鉴定。

A3、拉曼光谱分析：将过筛后的矿物粘在双面胶带置于载玻片上进行拉曼测试，于inVia Reflex(英国Renishaw公司)上完成，激发波长为532nm，激光发射功率为50mW，狭缝宽度为65μm，50倍Leica物镜下实验。实验采用静态光栅，样品单次扫描时间为30s，累计次数为20次，测量误差±1cm^-1，数据获取范围为50～1300cm^-1。

A4、微形貌特征分析：将过筛后的矿物粉末溶于适量的无水乙醇中进行稀释，用移液枪取一滴稀释后溶液于硅片上，置于烘箱中烘烤五分钟待表面水分干燥后进行测试。

从图1可以看出，(a)图中位于30.9°、41.1°和51.0°的3个最强峰，分别对应了三方晶系白云石的(104)、(11-3)、(11-6)面网(JCPDS 84-1208)，半定量分析结果为75％；位于29.4°，48.5°和47.5°的3个最强衍射峰，分别对应(104)、(116)和(018)面网簇，指示样品属于三方晶系方解石(JCPDS 81-2027)，半定量分析结果为25％。(b)图中波数为462～464m^-1的峰，与石英(SiO₂)特征性Si-O键伸缩振动模式吻合，表明石英是次要矿物，297cm^-1、411cm^-1和617cm^-1的3个尖锐的谱峰，通过对比常见铁锰氧化物矿物的拉曼谱峰特征发现，这几个峰位与赤铁矿(α-Fe₂O₃)的3个特征性振动模式吻合，分别属于Fe-O键弯曲振动模式、Fe-O键弯曲振动模式和O-Fe-O键伸缩振动模式。图2的扫描电镜结果显示矿物颗粒大多为集合体，主要以块状形式出现，颗粒表面相对光滑，粒径大多集中1～5μm之间，上伏分布少量松散片状颗粒，粒径大多小于1μm。除此之外，一些颗粒的表面不规则，厚度不一，侧向出现多个参差状的棱角；部分颗粒还可见少许孔洞，均为受到后期改造作用所致(见图2中(a))。图2中(b)显示的颗粒形态和大小则出现了较大的变化，绝大部分的颗粒以松散的片状集合体形式出现，极少部分呈现出片状及针状，粒径大多在1～2μm，部分甚至低于1μm，结合X射线粉末衍射分析结果，这种片状的集合体实为石英，里面可能还有一些含铁的矿物，它们可能共同以微晶形式赋存在以白云石为主的矿物集合体中。

实施例二

对于实施例一给出的天然岩石矿物，利用傅里叶变换研究其红外发射光谱，获得图3。研究发现该天然岩石矿物材料在100℃时具有红外发射性能，包括以下步骤：

B1、称取200mg过筛后的天然岩石矿物材料样品粉末，在红外烘烤灯下照射5分钟，以去除大气中氧气和二氧化碳的干扰，用压力为20Mpa压片机压成厚约1mm、直径13mm的圆片；

B2、将制备好的圆片置于铜片制成的圆柱形加热器中，用螺丝进行固定；

B3、采用加热附件对圆柱形加热器进行升温至100℃，用TENSOR系列研究级傅立叶变换红外光谱仪VERTEX80V(德国Bruker公司)获取范围在400cm^-1～2000cm^-1的数据。

如图3所示，结合黑体辐射相关定律，从图中红外辐射能量谱可以看出，与相同条件下的黑体相对比，所述天然岩石矿物在400cm^-1～2000cm^-1具有高的红外辐射效果，其辐射的能量几乎在每个波数下都比黑体高，有强的辐射能力。

实施例三

通过下述步骤研究实施例一的天然矿物对农作物生长的影响：

C1、将所述天然矿物切成边长为1cm的正方体，称取1kg置于100L自来水中浸泡半小时后过滤，得到矿物水；

C2、分别量取100L未经矿物处理的自来水和井水作为对照；

C3、利用矿物水、自来水和井水浇灌农作物，在相同的时间内比较利用矿物水、自来水和井水处理过的作物的种子发芽率和生长速度以及产量。

结果显示，经矿物处理后的水浇灌农作物种子发芽率明显提高(参见图4中(a)和(b))。在两季种植试验中均发现，在相同温度、湿度和光照等条件下，与自来水和井水相比，矿物水浇灌的大葱、黄瓜、茄子、辣椒和西红柿等种子的发芽率提高10％左右，发芽时间提前2-3天，秧苗根茎比较发达。此外，矿物水浇灌农作物生长快、产量高。对比试验条件下矿物水浇灌的农作物苗杆生长强壮，长势较好(参见图4中(c))。使用矿物水浇灌的蒜苗生长杆茎粗壮、挺立、无弯曲，茎高平均增长1/3左右，蒜叶颜色明显葱绿，蒜头比较饱满。自来水或井水灌溉种植的花生每株平均30-40颗，而矿物水灌溉的花生平均每株40-50颗，最高单株产量达76颗，每颗花生果粒饱满。自来水或井水灌溉的红薯平均单株产量1.5-2.0公斤，而矿物水浇灌的红薯单株平均产量2.0-3.0公斤，最高单株产量达6.0公斤。

实施例四

同实施例三的方法用所述天然矿物处理水，对经过矿物水浇灌的农作物抗倒伏抗虫害性能进行研究。

在没有施用化肥和农药的对比试验条件下，于相同时间内比较矿物水、自来水和井水浇灌韭菜、茄子、辣椒、西红柿、黄瓜、红薯、白菜，观察植株的抗倒伏抗虫害状态，同时，观察作物的生长速度、果实颜色。

结果显示，使用天然矿物处理后的水浇灌的茄子、辣椒、西红柿等不倒伏，很少出现虫害现象(参见图4中(d))。没有用矿物水浇灌的这几种蔬菜则出现了倒伏现象，且需要喷洒农药，虫害严重。使用矿物水浇灌种植面积8000平方米的韭菜，在没有施加任何农药和化肥的条件下，韭菜产量平稳，基本20天复割一次，韭菜口感较好。当用自来水或井水灌溉韭菜时需要施加农药和化肥，15天复割一次，检测结果显示，农药残留严重，食用后常有腹胀腹泻现象。而当易腹泻人群食用矿物水灌溉的韭菜，却不发生腹泻现象。此外，矿物水浇灌农作物果实色泽亮口感好。对比试验条件下，使用矿物水浇灌黄瓜生长，花期长、生长快、产量高、口感甜脆。矿物水灌溉的红薯表皮光亮、颜色红润、内瓤细嫩、口感甘甜。矿物水浇灌的白菜长得快、叶子绿、口感甜。

从上述实施例可知，利用所述天然矿物处理后的矿物水作用于农作物至少具有以下优点：

1、原料来源方便，制作过程不涉及化学试剂，操作方法简单，无毒无害，效果显著；

2、加快作物生长、减低虫害、提高作物产量，可进行规模化的农业应用，有利于大范围推广；

3、扩大了矿物使用的用途和范围，并且该方法操作过程中原材料获取方便，整个操作过程不会产生副作用，矿物水灌溉后的土壤不会造成环境污染，不会造成重金属富集。

最后需要注意的是，公布具体实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及舒服的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种促进农作物生长及减少虫害的方法，将天然矿物材料破碎后浸泡于水中一段时间，然后取浸泡过该天然矿物材料的水对农作物进行灌溉；其中所述天然矿物材料包含质量分数为72%~78%的方解石和20%~25%的白云石，以及质量分数≤5%的铁锰氧化物和石英。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然矿物材料是天然开采的主要成分是方解石和白云石的岩石矿物，或者是天然方解石和白云石矿物混合得到的矿物材料。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述天然矿物材料破碎为边长为厘米级或更小的块体，然后每 100 L水中加入0.8~1 kg天然矿物材料块体浸泡30 min以上，过滤，取浸泡过天然矿物材料的水对农作物进行灌溉。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述天然矿物材料破碎为尺寸不超过1 cm的块体，然后浸泡于水中。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述天然矿物材料切割为边长1 cm的正方体，按每1 kg天然矿物材料加100 L水的比例浸泡半小时，抽滤，取滤液对农作物进行灌溉。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述天然矿物材料破碎后浸泡于水中煮沸，持续沸腾2~5 min，然后冷却至室温，过滤，取滤液浇灌农作物。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述农作物选自下列作物中的一种或多种：红薯、土豆、花生、胡萝卜、大葱、大蒜、韭菜、白菜、黄瓜、茄子、辣椒和西红柿。