本发明涉及一种适用于北方碱性土壤重金属污染的复合调理剂。
背景技术：
导致土壤环境产生污染的重金属主要有汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素，以及因积累过量而产生生物毒性的铜(Cu)、镍(Ni)、锌(Zn)和锰(Mn)等常见元素。随着社会的发展，工业“三废”的排放、矿山的开采、化肥和农药的添加、污水灌溉及生活垃圾的排放等等造成这些重金属元素不断在土壤表层进行累积，从而对耕地、农产品以及人类健康带来严重的安全隐患。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示我国耕地土壤环境污染点位超标率达到19.4％，重金属污染问题较为突出。农业部农产品污染防治重金属实验室调查全国30万hm2基本农田保护区，结果表明农产品超标率达到12.1％，其中粮食重金属超标率达到10％以上。尤其近年来频发的“镉米”、“镉麦”、“血铅儿童”等重金属污染事件严重影响人类健康和社会稳定，因此，污染土壤的修复和粮食的安全生产迫在眉睫。
广义的土壤修复技术不仅是去除土壤中的污染物，还包括降低其生物有效性和迁移性，从而消减污染物对作物、周边环境和人体健康造成的风险。目前常见的土壤修复方法主要有物理修复技术，化学修复技术，以及微生物修复技术和植物修复技术。其中化学钝化技术主要是通过添加外源添加剂(如石灰类物质、含磷材料、金属氧化物、生物炭、凹凸棒石等)，与重金属发生吸附、沉淀、离子交换和氧化还原等一系列反应，改变重金属在土壤中的赋存形态，降低其生物有效性，从而减少重金属对土壤生物的毒害和在农产品中的积累。该方法虽然对于抑制农产品重金属累积简单快捷，但是容易出现土壤板结，作物减产等现象，且施加量大，易造成二次污染。微生物修复则是通过物理吸附、表面络合、离子交换和胞内积累等作用达到消减、净化与固定重金属的目的。该方法有助于提高土壤肥力、改善土壤微生态环境，但微生物活性易受环境因素影响，单独添加存活率低，修复周期较长，进而影响治理效率。当前的土壤重金属污染钝化剂多针对南方酸性土壤，通过施加碱性材料提高土壤pH即可有效降低土壤重金属的生物有效性，而针对北方土壤本身呈碱性的土壤，则无法通过此方法来达到钝化土壤重金属的目的。基于以上问题，研发适用于我国北方碱性土壤的复合修复技术具有重要意义。
技术实现要素：
本发明针对北方碱性土壤理化性质及重金属元素特征，在当前钝化技术的基础上，利用生物炭、有机肥、磷矿粉的吸附沉淀性能，以及芽孢杆菌的抑菌、解磷、钝化重金属能力，提供了一种兼具改善土壤理化性质、防治土传病害和钝化重金属镉铅的复合调理剂及其制备和使用方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于北方碱性土壤重金属污染的复合调理剂，包括生物炭、有机肥、微生物菌剂、磷矿粉，所述生物炭、有机肥、微生物菌剂、磷矿粉的质量比为40～65∶30～50∶3～5∶10～25。
优选的，所述生物炭的生物质原料为玉米、大豆、小麦、棉花中的一种、两种或多种秸秆。
优选的，所述有机肥为腐熟鸡粪。
优选的，所述微生物菌剂为枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌混合而成的复合菌剂，所述枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌的微生物数量比为2∶2∶1，所述枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌中每种菌剂的有效活菌数≥2.0×109cfu·g-1，所述复合菌剂的有效活菌数≥2.0×108cfu·g-1。
优选的，所述磷矿粉为中低品位磷矿石粉，所述中低品位磷矿石粉中P2O5含量＜30％。
一种适用于北方碱性土壤重金属污染的复合调理剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生物炭的生物质原料在缺氧条件下400～450℃热解6～8h，冷却后进行粉碎，过100目筛；
(2)将有机肥风干、粉碎，过100目筛；
(3)将微生物菌剂混合均匀，菌体离心沉淀分离后放入半乳糖保护剂进行真空冷冻干燥后制成复合微生物菌粉；
(4)将磷矿粉过100筛；
(5)将步骤(1)、(2)、(3)、(4)处理后的生物炭、有机肥、微生物菌剂、磷矿粉按照权利要求1所述配比混合后添加淀粉粘合剂和尿素进行滚筒造粒，颗粒直径1～2mm，即得该复合调理剂。
进一步，所述步骤(3)中微生物菌体沉淀物与保护剂的质量比为1∶1。
进一步，所述步骤(4)中淀粉粘合剂和尿素的质量比为2∶1，淀粉粘合剂和尿素混合物的加入量为生物炭、有机肥、微生物菌剂、磷矿粉混合体系总质量的3％。
在使用时，首先对待修复土壤进行重金属检测，判定土壤重金属污染程度，中度污染土壤以每亩150～200kg为宜，轻度污染土壤以80～120kg为宜；
其次，先对待修复污染田土壤进行深度翻耕(30～40cm)，将土壤大颗粒粉碎、耙平、打垄，依据土壤重金属污染程度进行均匀撒播复合调理剂，机械旋耕表层土壤(约20cm)使调理剂与表层土壤充分混匀，然后在土壤表层喷洒适量的水，使土壤含水量达到田间最大持水量的50％左右，至少稳定一周；
然后，按照正常农耕方法进行小麦播种及水肥管理；
最后，一般作底肥使用，也可分基施+追肥(70％+30％)，追施于返青期为宜，施后浇水。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明复合调理剂中生物炭本身可以通过吸附土壤中的重金属离子，进而降低重金属有效态的含量。同时还可以增加土壤有机质含量，增强土壤微生物的活性，改善土壤理化性质，促进作物的生长，减少重金属对作物的毒害作用。有机肥可以增加土壤阳离子交换量(CEC)，改善土壤理化性质，同时还可吸附重金属离子或与其发生络合反应，降低土壤重金属有效态含量。本发明采用的微生物菌剂为三种具有解磷功能的芽孢杆菌混合菌，可以将土壤中难溶性磷酸盐转化为可溶性磷酸盐，提高土壤中有效磷含量，增强植物吸收利用；同时这些可溶性磷酸盐还能够与土壤和作物中的可交换态镉铅形成沉淀，从而降低土壤铅的生物可利用性和作物体内铅的转运率。芽孢杆菌还可以通过分泌抑菌物质和蛋白酶，促进作物生长，减少病虫害的发生。磷酸盐可以沉淀重金属，提高土壤有效磷含量，促进作物生长，故常被用来作为钝化剂进行土壤重金属污染的修复，但占据我国88％磷矿资源的中低品磷矿，虽然含有较低的镉和丰富的钙、镁等元素，却由于其含磷率低、工业利用成分高而难以施用。
2、本发明复合调理剂中的生物炭、有机肥和磷矿粉通过固定复合微生物菌剂，可以改善微生物生长环境，提高芽孢杆菌在环境中的聚集度和存活率，同时本发明选取的芽孢杆菌还可以促进磷矿粉的活化，提高土壤磷的溶解率，进而促进植物磷的吸收和重金属铅镉的沉淀，同时磷矿粉中含有大量的钙、镁等元素，可以与重金属产生元素拮抗作用，从而减少作物对重金属的吸收。因此，以生物炭、有机肥和磷矿粉为载体固定芽孢杆菌的复合调理剂通过协同作用，强化各自的效应，不仅可以降低土壤重金属铅镉的有效性，还能同时改善土壤理化性质，防治土传病害，促进植物的生长。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
在中国北方某重度镉污染区进行小区试验，小区土壤理化性质为：pH值为7.87，全镉为3.37mg·kg-1，全铅为258.22mg·kg-1，有效态镉(DPTA提取)为2.01mg·kg-1，有效态铅(DPTA提取)为95.62mg·kg-1。
本实施例的主要实施方法如下：
1)生物炭是利用玉米秸秆作为生物质原料，在缺氧条件下400℃热解6h，冷却后进行粉碎，过100目筛；本实施例中采用400℃热解6h，也可以采用450℃热解8h，或在400～450℃下热解6～8h范围内均可；
2)有机肥是腐熟鸡粪，使用前风干、粉碎，过100目筛；
3)微生物菌剂为枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌按微生物数量比2∶2∶1混合而成的复合微生物菌剂，将各微生物菌剂按照相应配比混合均匀，菌体离心沉淀分离后放入半乳糖保护剂进行真空冷冻干燥制成复合微生物菌粉，其中，微生物菌体沉淀物与保护剂的质量比为1∶1，每种菌剂有效活菌数≥2.0×109cfu·g-1，所述复合调理剂的有效活菌数≥2.0×108cfu·g-1；
4)磷矿粉是利用镉含量较低的中低品位(P2O5＜30％)磷矿石粉碎过100目筛所得；
5)复合调理剂制备：将步骤1)、2)、3)、4)中物质混合均匀，其中，生物炭40份、有机肥40份、微生物菌剂3份、磷矿粉15份，并添加淀粉粘合剂和尿素(质量比为2∶1)混合物，采用滚筒造粒法进行造粒，颗粒直径为1～2mm，淀粉粘合剂和尿素混合物的加入量为生物炭、有机肥、微生物菌剂、磷矿粉混合体系总质量的3％；其中，生物炭40份、有机肥40份、微生物菌剂3份、磷矿粉15份仅为本实施例的一种实施方式，在生物炭、有机肥、微生物菌剂、磷矿粉的质量比为(40～65)∶(30～50)∶(3～5)∶(10～25)范围内均属于本发明的技术方案；
6)改良调理剂的施用：分对照组和处理组两组，每组三个平行小区，对照组除不施加调理剂外，其它均与处理组相同。先对待修复污染土壤进行深度翻耕(30～40cm)，将土壤大颗粒粉碎、耙平、打垄，处理组均匀撒播复合调理剂200kg，机械旋耕表层土壤(约20cm)使调理剂与表层土壤充分混匀，然后在土壤表层喷洒适量的水，使土壤含水量达到田间最大持水量的50％左右，至少稳定一周。
7)供试作物品种为淮麦22，按照正常农耕方法进行小麦播种及水肥管理。小麦收获后分别测定土壤pH值和重金属镉、铅有效态含量，小麦籽粒重金属镉铅含量。试验结果如表1：
表1产品在重度污染土壤试验结果
结果显示该复合调理剂处理下土壤pH值变化不大，土壤有效镉、有效铅含量较对照组平均降低61.2％、43.4％；处理组小麦籽粒镉、铅含量较对照组平均降低53.7％、55.3％，大大降低小麦籽粒重金属含量。
实施实例2
在中国北方某轻度镉污染区进行小区试验，小区土壤理化性质为：pH值为7.83，全镉为1.63mg·kg-1，全铅为117.23mg·kg-1，有效态镉(DPTA提取)为1.05mg·kg-1，有效态铅(DPTA提取)为71.35mg·kg-1。
调理剂施用方法同实例1所述。试验结果如表2：
表2产品在中度污染土壤试验结果
结果显示该复合调理剂处理下土壤pH值变化不大，土壤有效镉、有效铅含量较对照组平均降低67.3％、57.6％；处理组小麦籽粒镉、铅含量较对照组平均降低64.0％、52.8％，大大降低小麦籽粒重金属含量，镉、铅含量平均值达到国家食品安全重金属限量标准。
由以上结果可知该复合调理剂具有降低碱性土壤重金属镉和铅的有效态含量，保障冬小麦安全生产的作用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。