CN116267156B - 以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法 - Google Patents
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Abstract
以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，本发明的目的是为了解决现有氮、磷、钾肥料盲目施肥的问题。肥料化学计量配施方法：一、通过调查确定不同作物每亩土壤所需求的氮含量、磷含量、钾含量和钼含量；二、测定钼矿尾矿砂和生物炭中氮、磷、钾的含量；三、计算钼矿尾矿砂中的钼利用率；四、向土壤中施用钼矿尾矿砂补充土壤中(所匮乏)的钼元素，投加生物炭吸附钼矿尾矿砂释放的重金属元素，保证土壤重金属含量达标，同时生物炭携带的养分还能补充土壤中所匮乏的氮、磷、钾元素。本发明配施的肥料是利用钼矿尾矿砂和生物炭配施，能够对矿砂和生物炭中的养分元素进行充分高效的利用。其中钼矿尾矿砂代替钼肥，实现了资源化利用。
Description
技术领域
本发明属于废弃物资源化及安全利用技术领域，具体涉及一种以钼矿尾矿砂为原料的肥料配施方法。
背景技术
土壤是农业发展的基础。土壤中氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物生长所必需的大量元素。此外，作为植物必需的微量元素之一，钼(Mo)在植物的生长代谢中发挥着重要的作用，但土壤钼缺乏被大部分人忽视。因此对土壤氮、磷、钾和钼含量进行合理的调配是改善植物生长发育并增加作物产量的重要环节。
目前在农业生产过程中为了获得较高的作物产量而盲目施肥这一现象十分突出。化肥的过量使用不仅不利于农作物增产，还会破坏土壤。因此开发新型肥料、优化施肥结构有利于实现土壤养分的平衡供应和土壤可持续生产。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有氮、磷、钾肥料盲目施肥的问题，而提供一种以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法。
本发明以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法按照以下步骤实现：
S1、通过调查确定不同作物每亩土壤所需求的氮含量、磷含量、钾含量和钼含量；
S2、测定钼矿尾矿砂中氮、磷、钾和钼含量，并测定生物炭中氮、磷、钾的含量；
S3、通过下式(1)计算钼矿尾矿砂中的钼利用率εMo，混合基质为土壤、钼矿尾矿砂和生物炭的混合物；
S4、向土壤中施用钼矿尾矿砂补充土壤中(所匮乏)的钼元素，投加生物炭吸附钼矿尾矿砂释放的重金属元素，保证土壤重金属含量达标，同时生物炭携带的养分还能补充土壤中所匮乏的氮、磷、钾元素，每亩耕地尾矿砂投加量MMo的计算公式如式(2)所示，每亩耕地生物炭投加量MBC的计算公式如式(3)所示，每亩耕地投加的化肥量的计算公式如式(4)所示，从而完成以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法；
MMo—每亩耕地尾矿砂投加量(kg)；
MMo0—每亩耕地Mo需求量(kg)；
εMo—尾矿砂Mo元素的利用率；
MBc＝γxβi×MMo
(3)
MBC—每亩耕地生物炭投加量(kg)；
βi—生物炭投加质量比；
γ—pH系数；
式中，Mi—每亩耕地投加的调理元素i化肥量(kg)；
i—代表调理元素N、P或者K；
M1—每亩耕地耕层土壤的质量(kg)；
Mi0—作物根据不同地力和产量所需i元素含量(kg)；
miMo—钼矿尾矿砂中某一调理元素i的含量(kg/kg)；
miBC—生物炭中某一调理元素i的含量(kg/kg)；
αi—化学肥料中某一调理元素含量。
本发明钼矿尾矿砂含有大量Mo元素，具有代替钼肥实现土壤Mo元素补偿的潜力。此外，钼矿尾矿渣中还含有部分N、P、K元素，能够补偿土壤的N、P、K养分。但由于含有重金属元素，钼矿尾矿渣直接施入土壤后可能会造成重金属污染。因此辅以生物炭这种营养元素丰富且具有吸附效果的土壤调理材料可以保证新型肥料的施用安全。该新型肥料的开发不仅可以减少化学肥料的使用，还实现了变废为宝，极具环境效益与经济效益。
本发明建立了一种以钼矿尾矿砂为原料的新型肥料配施方法，该方法简便、可靠、有应用前景。本发明配施的肥料是利用钼矿尾矿砂和生物炭配施，能够对矿砂和生物炭中的养分元素进行充分高效的利用。其中钼矿尾矿砂代替钼肥，实现了资源化利用；生物炭不仅通过自身的吸附作用避免矿砂带来的二次污染，而且自身携带的养分元素能代替化学肥料进而实现化肥减量。这种配施方法具有较好的经济效益与环境效益。
本发明的方法可靠、准确性较高；依据土壤肥力需求来合理配施矿砂、生物炭、化肥，按照本方法施肥后的作物，产量大幅提升，且作物未检出超标的有害元素，说明本发明的方法可靠、准确性较高，能有效指导实际生产。
附图说明
图1为实施例中所述中性土中苜蓿生长状况图，左侧是CK(中性土)，右侧是中性土+尾矿砂+BC；
图2为实施例中所述酸性土中苜蓿生长状况图，左侧是CK(酸性土)，右侧是中性土+尾矿砂+BC；
图3为中性土中苜蓿各器官的Cd含量测试图；
图4为酸性土中苜蓿各器官的Cd含量测试图；
图5为中性土中苜蓿各器官的As含量测试图，对照组苜蓿茎中未检测出As；
图6为酸性土中苜蓿各器官的As含量测试图；
图7为中性土中苜蓿各器官的Cd含量测试图；
图8为酸性土中苜蓿各器官的As含量测试图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法按照以下步骤实施：
S1、通过调查确定不同作物每亩土壤所需求的氮含量、磷含量、钾含量和钼含量；
S2、测定钼矿尾矿砂中氮、磷、钾和钼含量，并测定生物炭中氮、磷、钾的含量；
S3、通过下式(1)计算钼矿尾矿砂中的钼利用率εMo，混合基质为土壤、钼矿尾矿砂和生物炭的混合物；
S4、向土壤中施用钼矿尾矿砂补充土壤中(所匮乏)的钼元素，投加生物炭吸附钼矿尾矿砂释放的重金属元素，保证土壤重金属含量达标，同时生物炭携带的养分还能补充土壤中所匮乏的氮、磷、钾元素，每亩耕地尾矿砂投加量MMo的计算公式如式(2)所示，每亩耕地生物炭投加量MBC的计算公式如式(3)所示，每亩耕地投加的化肥量的计算公式如式(4)所示，从而完成以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法；
MMo—每亩耕地尾矿砂投加量(kg)；
MMo0—每亩耕地Mo需求量(kg)；
εMo—尾矿砂Mo元素的利用率；
MBC＝γ×βi×MMp
(3)
MBC—每亩耕地生物炭投加量(kg)；
βi—生物炭投加质量比；
γ—pH系数；
式中，Mi—每亩耕地投加的调理元素i化肥量(kg)；
i—代表调理元素N、P或者K；
M1—每亩耕地耕层土壤的质量(kg)；
Mi0—作物根据不同地力和产量所需i元素含量(kg)；
miMo—钼矿尾矿砂中某一调理元素i的含量(kg/kg)；
miBC—生物炭中某一调理元素i的含量(kg/kg)；
αi—化学肥料中某一调理元素含量。
经过本实施方式肥料化学计量配施方法，土壤中施用钼矿尾矿砂和生物炭的优化质量比为20：1-10：1。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤S1中适用的作物为大豆、花生、水稻、油菜、花椰菜、甜菜、番茄、苜蓿或者棉花。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤S2中生物炭中氮的含量为5.0-80.0g/kg，磷的含量为3.0-60.0g/kg、钾的含量为10.0-100.0g/kg。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤S3中在中性土的条件下钼利用率εMo的取值为3.0％-18.0％，在酸性土的条件下钼利用率εMo的取值为1.5％-9.5％。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是公式(3)中βi的确定方式如下：通过尾矿砂重金属浸出实验，以mBC/mMo为纵坐标，重金属浸出量x为横坐标获得拟合函数，当重金属浸出量为0时的mBC/mMo值即为βi。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是所述的尾矿砂重金属浸出实验的过程如下：称取钼矿尾矿砂，分别与不同质量分数的生物炭混合，锥形瓶中加入50mL浓度为0.01mol/L的盐酸作为浸提剂，钼矿尾矿砂、生物炭和盐酸混合均匀后放入恒温振荡器中恒温振荡处理，再将混合液离心过滤，收集滤液并采用ICP-AES分析仪测定其中重金属(Cd和As)含量。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是所述的恒温振荡处理是以180r/min转速恒温振荡12h。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是控制恒温温度为20℃～25℃。
本实施方式优选温度为22℃。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是在中性土条件下，公式(3)中γ(pH系数)＝1。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是在酸性土条件下，公式(3)中γ(pH系数)＝1.2-2。
本实施方式根据生物炭的添加对土壤pH的调理效果以及对Cd和As的吸附效果，通过综合评估与参数选择确定γ的取值。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是钼矿尾矿砂的粒径为0.05mm～0.85mm。
实施例：本实施例以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法按照以下步骤实施：
S1、本实施例为盆栽实验，选取不同类型土壤进行实验，分别选用中性土和酸性土，其中中性土采自黑龙江省某农田(126°40′E，45°10′N)，酸性土采自江西省某农田(115°25′E，27°42′N)。表1为调查确定不同土壤类型每亩所需N、P、K和Mo含量。表2为具体实验处理各原料的添加量。
表1不同土壤类型每亩所需N、P、K和Mo含量
表2实验处理各原料的添加量
S2、测定钼矿尾矿砂中氮、磷、钾和钼含量，并测定生物炭中氮、磷、钾的含量；
钼矿尾矿砂中N：500mg/kg；P：176.8mg/kg；K：7.58g/kg；
生物炭中N：18.9g/kg；P：3.46g/kg；K:15.32g/kg；
S3、通过下式(1)计算钼矿尾矿砂中的钼利用率εMo，混合基质为土壤、钼矿尾矿砂和生物炭的混合物；
S4、向土壤中施用钼矿尾矿砂补充土壤中(所匮乏)的钼元素，投加生物炭吸附钼矿尾矿砂释放的重金属元素，保证土壤重金属含量达标，同时生物炭携带的养分还能补充土壤中所匮乏的氮、磷、钾元素，每亩耕地尾矿砂投加量MMo的计算公式如式(2)所示，每亩耕地生物炭投加量MBC的计算公式如式(3)所示，每亩耕地投加的化肥量的计算公式如式(4)所示，从而完成以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法；
MMo—每亩耕地尾矿砂投加量(kg)；
MMo0—每亩耕地Mo需求量(kg)；
εMo—尾矿砂Mo元素的利用率；
MBc＝γ×βi×MMo
(3)
MBC—每亩耕地生物炭投加量(kg)；
βi—生物炭投加质量比；
γ—pH系数；
式中，Mi—每亩耕地投加的调理元素i化肥量(kg)；
i—代表调理元素N、P或者K；
M1—每亩耕地耕层土壤的质量(kg)；
Mi0—作物根据不同地力和产量所需i元素含量(kg)；
miMo—钼矿尾矿砂中某一调理元素i的含量(kg/kg)；
miBC—生物炭中某一调理元素i的含量(kg/kg)；
αi—化学肥料中某一调理元素含量。
本实施例所用钼矿尾矿砂的粒径分布如下：0.45mm以上(9.29％)，0.45-0.2mm(50.50％)，0.2-0.125mm(27.68％)，0.125-0.097mm(5.53％)，0.097-0.075mm(3.26％)，0.075-0.054mm(2.20％)，0.054mm以下(1.54％)。
本实施例步骤S3中当为中性土时，钼利用率εMo＝17.7％；当为酸性土时，钼利用率εMo＝9.5％。
本实施例实验结果分析如下：
植物生长状况：
盆栽实验结束后，拍照记录各处理中苜蓿生长状况，图1分别为中性土对照组和中性土+尾矿砂+BC(生物炭)实验组；图2分别为酸性土对照组和酸性土+尾矿砂+BC实验组。通过图片可以看出无论是中性土还是酸性土，在添加尾矿砂和生物炭后，苜蓿的生长状况明显改善。
植物体内重金属含量：
将苜蓿根、茎、叶干样剪碎并研磨成粉末后用HNO3-HClO4(4:1v/v)消解，利用ICP-OES测定植株中Cd和As的浓度。
从图3和图4可获得中性土和酸性土不同处理中苜蓿各器官Cd含量的分布情况，以《饲料卫生标准版》(GB 13078-2017)为评价依据，对苜蓿各器官Cd含量进行安全性评价。《饲料卫生标准版》(GB 13078-2017)中规定饲料中Cd应该小于等于1mg/kg。本实验中，对照组生物量不够后续指标检测，中性土和酸性土各处理中苜蓿根、茎、叶中Cd含量都没有超过1mg/kg，因此苜蓿各器官重金属Cd含量均未超标，苜蓿安全性得到保障。因此尾矿砂和生物炭的添加不仅改善了苜蓿的生长状况，同时也保证了苜蓿体内Cd含量并未超标，能够安全利用。
从图5和图6可获得中性土和酸性土不同处理下苜蓿各器官As含量的分布情况，以《饲料卫生标准版》(GB 13078-2017)为评价依据，对苜蓿各器官As含量进行安全性评价。《饲料卫生标准版》(GB 13078-2017)中规定饲料中As应该小于等于4mg/kg。本实验中，中性土和酸性土各处理中苜蓿根、茎、叶As含量都没有超过4mg/kg，因此苜蓿各器官重金属As含量均未超标，苜蓿安全性得到保障，且相比较各器官As含量，结果表明As主要集中在苜蓿根部，在茎、叶中含量较少。
在图7和图8的苜蓿各器官测试图中，分别以中性土+BC(生物炭，投加量2.7g)和酸性土+BC(生物炭，投加量10g)为对照组，可以看出中性土+尾矿砂+BC(生物炭)实验组的苜蓿根、茎、叶重金属含量均低于对照组，酸性土+尾矿砂+BC(生物炭)实验组的苜蓿茎、叶重金属含量也低于对照组。
Claims (8)
1.以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，其特征在于该以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法按照以下步骤实现：
S1、通过调查确定不同作物每亩土壤所需求的氮含量、磷含量、钾含量和钼含量；
S2、测定钼矿尾矿砂中氮、磷、钾和钼含量，并测定生物炭中氮、磷、钾的含量；
S3、通过下式（1）计算钼矿尾矿砂中的钼利用率，混合基质为土壤、钼矿尾矿砂和生物炭的混合物；
（1）
S4、向土壤中施用钼矿尾矿砂补充土壤中的钼元素，投加生物炭吸附钼矿尾矿砂释放的重金属元素，保证土壤重金属含量达标，每亩耕地尾矿砂投加量M Mo 的计算公式如式（2）所示，每亩耕地生物炭投加量M BC 的计算公式如式（3）所示，每亩耕地投加的化肥量的计算公式如式（4）所示，从而完成以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法；
（2）
M Mo —每亩耕地尾矿砂投加量(kg)；
M Mo0 —每亩耕地Mo需求量(kg)；
ε Mo —尾矿砂Mo元素的利用率；
（3）
M BC —每亩耕地生物炭投加量(kg)；
β i —生物炭投加质量比；
γ—pH系数；
（4）
式中， Mi —每亩耕地投加的调理元素i化肥量(kg)；
i—代表调理元素N、P或者K；
M1—每亩耕地耕层土壤的质量(kg)；
Mi0—作物根据不同地力和产量所需i元素含量(kg)；
miMo—钼矿尾矿砂中某一调理元素i的含量(kg/kg)；
miBC —生物炭中某一调理元素i的含量(kg/kg)；
αi—化学肥料中某一调理元素含量；
其中公式（3）中β i 的确定方式如下：通过尾矿砂重金属浸出实验，以m BC /m Mo 为纵坐标，重金属浸出量x为横坐标获得拟合函数，当重金属浸出量为0时的m BC /m Mo 值即为β i ；
所述的尾矿砂重金属浸出实验的过程如下：称取钼矿尾矿砂，分别与不同质量分数的生物炭混合，锥形瓶中加入50 mL浓度为0.01 mol/L的盐酸作为浸提剂，钼矿尾矿砂、生物炭和盐酸混合均匀后放入恒温振荡器中恒温振荡处理，再将混合液离心过滤，收集滤液并采用ICP-AES分析仪测定其中重金属含量。
2.根据权利要求1所述的以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，其特征在于步骤S1中适用的作物为大豆、花生、水稻、油菜、花椰菜、甜菜、番茄、苜蓿或者棉花。
3.根据权利要求1所述的以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，其特征在于步骤S3中在中性土的条件下钼利用率的取值为3.0%-18.0%，在酸性土的条件下钼利用率的取值为1.5%-9.5%。
4.根据权利要求1所述的以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，其特征在于所述的恒温振荡处理是以180 r/min转速恒温振荡12h。
5.根据权利要求4所述的以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，其特征在于控制恒温的温度为20℃~25℃。
6.根据权利要求1所述的以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，其特征在于在中性土条件下，公式（3）中γ=1。
7.根据权利要求1所述的以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，其特征在于在酸性土条件下，公式（3）中γ=1.2-2。
8.根据权利要求1所述的以钼矿尾矿砂为原料的肥料化学计量配施方法，其特征在于钼矿尾矿砂的粒径为0.05mm~0.6mm。
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