CN116715556A - 一种三元复合阻控剂及其应用与一种三元复合阻控剂对土壤修复效果的评价方法 - Google Patents

一种三元复合阻控剂及其应用与一种三元复合阻控剂对土壤修复效果的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生态修复技术领域,尤其涉一种三元复合阻控剂及其应用与一种三元复合阻控剂对土壤修复效果的评价方法。本发明提供了一种三元复合阻控剂,包括如下质量份数的组分:营养组分1~3份、矿源黄腐酸钾1~3份、微生物复合肥1~3份;所述营养组分包括如下质量比的组分:硅酸钙:熟石灰:硫酸钾:硫酸镁为33:60~65:7:3.4~3.6;所述矿源黄腐酸钾中腐殖酸的含量≥60%;所述矿源黄腐酸钾中矿源黄腐酸的含量≥50%;所述矿源黄腐酸钾中氧化钾的含量≥12%。本发明的三元复合阻控剂可以降低土壤有效态镉和稻米镉含量,在提高土壤肥力的同时具有良好的修复效果,能够降低水稻对镉的吸收并改善土壤菌群结构。

Description

一种三元复合阻控剂及其应用与一种三元复合阻控剂对土壤 修复效果的评价方法
技术领域
本发明涉及生态修复技术领域,尤其涉及一种三元复合阻控剂及其应用与一种三元复合阻控剂对土壤修复效果的评价方法。
背景技术
为达到安全生产,土壤原位钝化修复技术可以通过添加化学调理剂来改变镉在土壤中的赋存形态,从而减少其生物有效性,保障农产品的安全生产。此外,调理剂还可以增加土壤有机碳和活性矿物含量、改善微生物活性。土壤矿物通过减缓或阻止微生物对土壤有机质的分解作用固定有机碳。同时,土壤微生物是维持土壤生物学特性的重要组成部分,阻控剂对微生物群落和多样性的变化可用于研究其对重金属污染土壤的生态调节作用,并评估其对农田土壤生态安全的影响。然而,目前鲜有研究三元复合阻控剂对污染土壤镉修复效果的环境质量评价方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三元复合阻控剂及其应用与一种三元复合阻控剂对土壤修复效果的评价方法。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种三元复合阻控剂,包括如下质量份数的组分:
营养组分1~3份、矿源黄腐酸钾1~3份、微生物复合肥1~3份;
所述营养组分包括如下质量比的组分:
硅酸钙:熟石灰:硫酸钾:硫酸镁为33:60~65:7:3.4~3.6;
所述矿源黄腐酸钾中腐殖酸的含量≥60%;
所述矿源黄腐酸钾中矿源黄腐酸的含量≥50%;
所述矿源黄腐酸钾中氧化钾的含量≥12%。
作为优选,所述微生物复合肥中的有效活菌浓度≥0.2×108cfu/g;
所述微生物复合肥中的N+P2O5+K2O的含量≥8%。
作为优选,所述微生物复合肥中的微生物包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌杆菌和米曲霉中的一种或多种。
本发明还提供了所述的三元复合阻控剂在制备具有修复土壤环境,提高土壤肥力,降低作物对镉的吸收的肥料和/或改良剂中的应用。
本发明还提供了一种三元复合阻控剂对土壤修复效果的评价方法,包括如下步骤:
(1)将含镉土壤与所述的三元复合阻控剂混合,栽培作物;待作物成熟后,收集土壤,作物的根、茎、叶以及籽粒得到待测土壤样本、待测根样本、待测茎样本、待测叶样本以及待测籽粒样本;
(2)利用DTPA浸提法提取测定待测土壤样本中的有效态镉含量;利用原子吸收光谱法测定待测根样本、待测茎样本、待测叶样本以及待测籽粒样本中的镉含量,评估三元复合阻控剂对镉的修复效果;
(3)对所述待测土壤样本进行理化性质分析,评估三元复合阻控剂对土壤肥力的影响;
(4)采用同步辐射的红外显微成像分析法检测所述待测土壤样本中的有机碳、黏土矿物、铁氧化物的分布,评估三元复合阻控剂对土壤矿物固碳的作用;
(5)检测所述待测土壤样本中微生物的α多样性指数,评估三元复合阻控剂对土壤微生物群落结构的影响。
作为优选,所述含镉土壤与三元复合阻控剂混合的质量比为100:0.5~1.5。
作为优选,所述理化性质分析的指标包括pH值、有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量、交换性钙含量、交换性镁含量、有效硫和有效硅中的一种或多种。
作为优选,所述同步辐射的红外显微成像分析法中的参数设置为:
光斑孔径为7.9×7.9μm2、扫描步长为7.9×7.9μm2、分辨率为4cm-1、光谱范围为4000~600cm-1、64次扫描。
作为优选,所述作物为水稻。
本发明还提供了所述的评价方法在预测阻控剂对土壤改良效果中的应用。
本发明的技术效果和优点:
本发明通过田间试验,测定植株不同部位镉含量与土壤镉生物有效性、土壤肥力与矿物固碳、微生物群落结构,分析三元复合阻控剂对水稻植株镉与土壤镉有效性、土壤理化性质与矿物固碳、微生物群落结构的影响,从不同角度评估其对农田土壤生态环境质量的作用。
附图说明
图1为空白对照组(CK)和实验组(MOB)水稻根、茎、叶和糙米中的镉含量。
图2为空白对照组(CK)和实验组(MOB)土壤中有效态镉含量。
图3为空白对照组(CK)和实验组(MOB)土壤中矿物和不同有机化合物的分布变化。
图4为空白对照组(CK)和实验组(MOB)土壤中细菌群落组成的变化。
具体实施方式
检测所述待测土壤样本中微生物的α多样性指数和群落组成的方法:
提取所述待测土壤样本的DNA,利用1%琼脂糖凝胶电泳检测待测土壤样本的DNA。将DNA送至上海美吉生物医药科技有限公司进行测序分析。对测序得到的原始数据进行质控检测、过滤,得到有效数据。首先使用Qiime(1.7.0,http://qiime.org/)按如下标准去除低质量序列:i.平均质量分数<20分,长度<50bp的序列;ii.Barcode错配1个碱基及以上的序列;iii.引物中错配>2个碱基的序列。然后使用FLASH(1.2.7,http://ccb.jhu.edu/software/FLASH/)对序列进行拼接,基于重叠序列长度>10bp,重叠区域不允许有模糊碱基的标准。最后使用mothur去除嵌合体,得到有效数据。
按照97%的相似性阈值划分OTU,并去除只含有1条序列的OTU(singleton)。为了保证不同样品测序深度一致,对所有样品的序列按相同的序列数进行抽平,抽平后的数据用于后续的注释及统计分析。以1×e-20做为E值的最小阈值,去除E>1×e-20的参考序列,然后从剩下的序列中选取得分最高的参考序列对该OTU进行注释。如果所有检索到的参考序列所对应的E值都大于1×e-20,则标记该代表序列尚无同源序列,分类位置不能确定。
通过上述的表征得到土壤细菌的α多样性和群落组成,探究三元复合阻控剂作用下土壤微生物群落结构的变化,明晰阻控剂施用对农田土壤中微生物群落结构的影响。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
在本发明实施例中所述的含镉土壤采自粤西某农田,其镉(Cd)含量为1.95mg/kg,超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中镉的风险筛选值(水田,5.5<pH≤6.5,0.4mg/kg),但低于污染风险管制值(水田,5.5<pH≤6.5,2.0mg/kg)。
本发明实施例所述的矿源黄腐酸钾购自山西新核能肥业有限公司,所述的矿源黄腐酸钾中腐殖酸的含量≥60%;矿源黄腐酸的含量≥50%;氧化钾的含量≥12%。
所述微生物复合肥购自滨州市澳尔农化有限公司,所述所述微生物复合肥中的有效活菌浓度≥0.2×108cfu/g;所述微生物复合肥中的N+P2O5+K2O的含量≥8%;所述微生物复合肥中的微生物为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌杆菌和米曲霉。
实施例1
采用S形采样法采集粤西某农田表层10cm土壤,去除石块、根系等杂物后的土样在通风阴凉处晾干,过2mm筛,得到含镉土壤。经过检测采集得到的含镉土壤中的镉含量为1.95mg/kg。含镉土壤用于盆栽实验。
取3.3kg硅酸钙、6.5kg熟石灰、0.7kg硫酸钾和0.35kg硫酸镁混合均匀得到营养组分,备用。
取5kg营养组分、5kg购买自的矿源黄腐酸钾、5kg购买自的微生物复合肥混合均匀,得到三元复合阻控剂。
取3kg含镉土壤于塑料盆中,按照常规施肥用量补充氮、磷、钾肥料,平衡7d。然后加入三元复合阻控剂0.03kg,充分混合均匀后泡水放置7d,作为实验组(MOB);同时设置空白对照(CK),空白对照不加三元复合阻控剂,每个处理重复3次。挑选长势良好、根系数量比较接近的水稻幼苗进行水稻插秧,水稻品种为美香占2号。加水至没过土壤表面3cm,形成淹水环境,每天加水保持土壤淹水状态。水稻在温室大棚中种植,透光通风,无雨水,其它管理方式完全相同。
待水稻成熟后,采集空白对照和实验组的土壤,除去根茎等杂质后得到待测土壤样本。
实施例2
三元复合阻控剂对镉的修复效果
采用DTPA浸提法提取和测定待测土壤样本中有效态镉含量(GB/T23739-2009)。将成熟的水稻晾晒至恒重,分离其根、茎、叶、稻谷。根、茎、叶清洗烘干后粉碎,得到待测根样本、待测茎样本和待测叶样本。将待测根样本、待测茎样本和待测叶样本分别进行消解,石墨炉原子吸收光谱仪(PEAA600)测定消解液中镉的含量,得到根中镉含量,茎中镉含量和叶中镉含量。稻谷脱粒、脱壳后得到糙米,稻米为待测籽粒样本,将糙米研磨和消解,石墨炉原子吸收光谱仪(PEAA600)测定消解液中镉的含量,得到糙米中的镉含量,即籽粒中镉含量。结果如图1~2所示。在整个消解和分析测定过程中,使用植物标准样品GBW10048(GSB-26)进行质量控制,其中标样中镉的回收率为94.7%。
图1~2显示,三元复合阻控剂处理后,水稻不同部位的镉含量均显著降低。相较于空白对照组,三元复合阻控剂(实验组)处理组中水稻根、茎、叶和糙米的镉含量分别降低了47%、78%、55%和83%。在土壤中,三元复合阻控剂显著降低了有效态镉含量,从1.37mg/kg降至0.85mg/kg,具有明显的镉阻控效果。因此,三元复合阻控剂在减轻土壤镉污染、降低糙米镉含量方面表现出良好的效果。
实施例3
三元复合阻控剂对土壤肥力指标的影响。
电位法测定待测土壤样本的pH值;重铬酸钾-油浴法测定待测土壤样本中的有机质含量;碱解扩散法测定待测土壤样本中的碱解氮含量;碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定待测土壤样本中的有效磷含量;采用乙酸铵提取-原子吸收法测定待测土壤样本中的速效钾含量。EDTA络合滴定法测定待测土壤样本中的交换性钙和镁含量;磷酸盐-乙酸提取-硫酸钡比浊法测定待测土壤样本中有效硫含量;柠檬酸提取-钼蓝比色法法测定待测土壤样本中有效硅含量。具体结果如表1所示。
表1三元复合阻控剂对土壤肥力指标的影响
土壤性质 CK MOB
pH值 5.87±0.35 7.23±0.11**
有机质(g/kg) 40.85±0.15 51.88±2.40**
全氮(g/kg) 2.40±0.05** 2.07±0.02
全磷(g/kg) 0.94±0.01 0.95±0.01
全钾(g/kg) 20.57±0.44 23.87±0.48**
碱解氮(mg/kg) 184.94±4.70** 91.79±2.77
有效磷(mg/kg) 21.56±0.59 103.99±1.01**
速效钾(mg/kg) 28.94±0.59 375.35±12.72**
交换性钙(g/kg) 1.93±0.02 6.76±0.50**
交换性镁(g/kg) 0.19±0.01 0.21±0.03*
有效硫(g/kg) 0.10±0.02 0.96±0.02**
有效硅(g/kg) 0.14±0.01 0.69±0.02**
表1显示,三元复合阻控剂的添加显著提高了土壤pH值,由5.87增加至7.23,有效缓解了土壤酸化的问题。此外,三元复合阻控剂处理还能显著增加土壤有机质和全钾含量,分别提高了27.0%和16.0%,但土壤全氮含量降低了14%。土壤中碱解氮、有效磷和有效钾等常被选作评价土壤肥力的参数,对土壤速效养分而言,三元复合阻控剂处理显著增加了土壤有效磷(3.8倍)、速效钾(12.0倍)、交换性钙(2.5倍)、交换性镁(10.5%)、有效硫(8.6倍)、有效硅(3.9倍)。显著降低了土壤碱解氮(50.4%)含量。这些结果表明,三元复合阻控剂的应用可以提高土壤养分含量,从而改善土壤肥力和促进作物生长。
实施例4
三元复合阻控剂对土壤矿物固碳的作用
利用合肥国家同步辐射实验室(NSRL)的红外显微成像分析不同形态有机碳、黏土矿物、铁氧化物的分布。将1mg待测土壤样本与20ml去离子水充分混合,制成均匀的悬浮液。采用全封闭式快速冷冻切片机(CM 1950,Leica,Germany)进行低温(-20℃)冷冻切片,切片厚度为10μm。将切好的样品放置在直径为30mm的氟化钡(BaF2)窗片上,并在干燥器中过夜干燥,以制备样品。在合肥国家同步辐射实验室的BL01B线站上使用BrukerVERTEX 70v红外光谱仪(Ettlingen,Germany)和红外显微镜(Hyperion3000,Bruker Optics,Ettlingen,Germany)进行测量,在反射模式下采集光谱,光斑孔径为7.9×7.9μm2、扫描步长为7.9×7.9μm2、分辨率为4cm-1、光谱范围为4000~600cm-1以及64次扫描。使用OPUS 5.5处理光谱图,基线校正后,使用指定的峰位来表征黏土矿物(Clay-OH,3620cm-1)、脂肪族化合物(2920cm-1)、多肽(1653cm-1)、木质素(1513cm-1)、多糖(1117cm-1)、铁氧化物(Fe-O,690cm-1)的图像。采用线性回归(Origin 2019,OriginLabCo.,Northampton,MA,USA)分析不同矿物(粘土矿物、铁氧化物)与各种有机化合物之间的相关性。结果如图3和表2。
表2三元复合阻控剂对土壤矿物固碳的作用
表中,决定系数(R2)代表了矿物(黏土矿物、铁氧化物)和其他有机物分布的相关性。
表2和图3显示,粘土矿物与所有有机大分子的相关性均高于铁氧化物与有机大分子的相关性;然而,在添加三元复合阻控剂后,情况发生了变化,铁氧化物与脂肪族化合物、多肽和木质素的相关性均高于粘土矿物与脂肪族化合物、多肽和木质素的相关性,这似乎意味着三元复合阻控剂增强了铁氧化物对有机碳的固定作用。土壤矿物(包括粘土矿物和铁氧化物)与有机大分子分布的相关性顺序为:矿物-脂肪族化合物>矿物-多糖>矿物-多肽>矿物-木质素。添加三元复合阻控剂后,这种相关性均有不同程度的增加,表明三元复合阻控剂增加了有机碳在矿物表面的结合。土壤有机碳可以通过形成有机物-矿物或有机物-金属氧化物复合体来保护自身不被微生物降解。综上所述,三元复合阻控剂的使用提高了有机碳在土壤矿物上的固定作用,特别是对于铁氧化物。以上结果有助于更深入地理解农田土壤镉污染修复过程中提高土壤固碳潜力和土壤有机碳稳定性的可能途径。
实施例5
三元复合阻控剂对土壤微生物群落结构的影响
利用DNA提取试剂盒,提取待测土壤样本DNA,并使用1%琼脂糖凝胶电泳检测提取得到的待测土壤样本的DNA。然后将DNA送至上海美吉生物医药科技有限公司进行测序分析。对测序得到的原始数据进行质控检测、过滤,得到有效数据。首先使用Qiime(1.7.0,http://qiime.org/)按如下标准去除低质量序列:i.平均质量分数<20分,长度<50bp的序列;ii.Barcode错配1个碱基及以上的序列;iii.引物中错配>2个碱基的序列。然后使用FLASH(1.2.7,http://ccb.jhu.edu/software/FLASH/)对序列进行拼接,基于重叠序列长度>10bp,重叠区域不允许有模糊碱基的标准。最后使用mothur去除嵌合体。
按照97%的相似性阈值划分OTU,并去除只含有1条序列的OTU(singleton)。为了保证不同样品测序深度一致,对所有样品的序列按相同的序列数进行抽平,抽平后的数据用于后续的注释及统计分析。选取每个OTU中最长的序列作为该OTU的代表序列,使用BLASTn在NCBI非冗余数据库中对代表序列进行检索和比对,以1×e-20做为E值的最小阈值,去除E>1×e-20的参考序列,然后从剩下的序列中选取得分最高的参考序列对该OTU进行注释。如果所有检索到的参考序列所对应的E值都大于1×e-20,则标记该代表序列尚无同源序列,分类位置不能确定。
通过上述的表征得到土壤细菌的α多样性和群落组成,探究三元复合阻控剂作用下土壤微生物群落结构的变化,明晰阻控剂施用对农田土壤中微生物群落结构的影响。结果如表3和图4所示。
表3三元复合阻控剂对土壤细菌多样性指数的变化
α多样性指数 CK MOB
Shannon 5.39±0.14 4.56±0.45*
Simpson 0.014±0.003 0.038±0.028
Chao1 998.03±51.45 635.46±23.25**
ACE 945.69±44.99 606.25±40.93**
Goods_coverage 99.0% 99.3%*
表3显示,覆盖率大于99%的基因序列可以准确代表土壤中的细菌群落。相比空白对照组,添加三元复合阻控剂显著增加了Goods_coverage指数,但Shannon、Chao1和ACE指数分别下降了15%、36%和36%。此外,空白对照组和三元复合阻控剂实验组之间的Simpson指数没有显著差异(P>0.05)。
图4显示,在门水平上,仅有3.2%~5.5%的序列未检索到相似序列或相对丰度低于1%。剩下的序列主要由厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、类杆菌门(Bacteroidota)、氯曲菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、脱硫菌门(Desulfobacterota)、扁平菌门(Planctomycetota)、Campilobacterota、放线菌门(Actinobacteriota)、粘球菌门(Myxococcota)、硝基螺菌门(Nitrospirota)、蓝菌门(Cyanobacteria)、金霉素菌门(Gemmatimonadota)、Armatimonadota以及Hydrogenedentes组成。其中,厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)在空白对照和实验组中的相对丰度均较高。方差分析表明,三元复合阻控剂处理显著降低了厚壁菌门、氯曲菌门和酸杆菌门的相对丰度,同时显著提高了土壤中变形菌门和类杆菌门的相对丰度。在三元复合阻控剂处理组中,变形菌门和类杆菌门的相对丰度占到了50%以上的丰度。相关研究表明,变形菌门和类杆菌门能够分解各种有机物,如碳水化合物、蛋白质和脂肪酸等,从而释放出有机质和营养物,促进氮和磷的循环,有利于土壤的健康和植物的生长。此外,类杆菌门中的某些物种还能够与植物共生,从而促进植物的生长和健康。综上所述,三元复合阻控剂能够有效地调节土壤中细菌群落的丰度和结构组成。
由以上实施例可知,施用三元复合阻控剂能够提高土壤肥力和微域环境的健康状况。通过对土壤微生物群落分布和环境因子的分析,发现三元复合阻控剂的施用对农田土壤中微生物群落结构有显著的影响,可以降低土壤有效态镉和稻米镉含量,改善土壤微生物群落结构。该阻控剂在提高土壤肥力的同时具有良好的修复效果,能够降低水稻对镉的吸收,并改善土壤菌群结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三元复合阻控剂,其特征在于,包括如下质量份数的组分:
营养组分1~3份、矿源黄腐酸钾1~3份、微生物复合肥1~3份;
所述营养组分包括如下质量比的组分:
硅酸钙:熟石灰:硫酸钾:硫酸镁为33:60~65:7:3.4~3.6;
所述矿源黄腐酸钾中腐殖酸的含量≥60%;
所述矿源黄腐酸钾中矿源黄腐酸的含量≥50%;
所述矿源黄腐酸钾中氧化钾的含量≥12%。
2.根据权利要求1所述的三元复合阻控剂,其特征在于,所述微生物复合肥中的有效活菌浓度≥0.2×108cfu/g;
所述微生物复合肥中的N+P2O5+K2O的含量≥8%。
3.根据权利要求2所述的三元复合阻控剂,其特征在于,所述微生物复合肥中的微生物包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌杆菌和米曲霉中的一种或多种。
4.权利要求1~3任意一项所述的三元复合阻控剂在制备具有修复土壤环境,提高土壤肥力,降低作物对镉的吸收的肥料和/或改良剂中的应用。
5.一种三元复合阻控剂对土壤修复效果的评价方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将含镉土壤与权利要求1~3任意一项所述的三元复合阻控剂混合,栽培作物;待作物成熟后,收集土壤,作物的根、茎、叶以及籽粒得到待测土壤样本、待测根样本、待测茎样本、待测叶样本以及待测籽粒样本;
(2)利用DTPA浸提法提取测定待测土壤样本中的有效态镉含量;利用原子吸收光谱法测定待测根样本、待测茎样本、待测叶样本以及待测籽粒样本中的镉含量,评估三元复合阻控剂对镉的修复效果;
(3)对所述待测土壤样本进行理化性质分析,评估三元复合阻控剂对土壤肥力的影响;
(4)采用同步辐射的红外显微成像分析法检测所述待测土壤样本中的有机碳、黏土矿物、铁氧化物的分布,评估三元复合阻控剂对土壤矿物固碳的作用;
(5)检测所述待测土壤样本中微生物的α多样性指数和群落组成,评估三元复合阻控剂对土壤微生物群落结构的影响。
6.根据权利要求5所述的评价方法,其特征在于,所述含镉土壤与三元复合阻控剂混合的质量比为100:0.5~1.5。
7.根据权利要求6所述的评价方法,其特征在于,所述理化性质分析的指标包括pH值、有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量、交换性钙含量、交换性镁含量、有效硫和有效硅中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的评价方法,其特征在于,所述同步辐射的红外显微成像分析法中的参数设置为:
光斑孔径为7.9×7.9μm2、扫描步长为7.9×7.9μm2、分辨率为4cm-1、光谱范围为4000~600cm-1、64次扫描。
9.根据权利要求5~8任意一项所述的评价方法,其特征在于,所述作物为水稻。
10.权利要求5~9任意一项所述的评价方法在预测阻控剂对土壤改良效果中的应用。
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