一种硅钙镁肥土壤调理剂及其制备方法和应用

本发明属于土壤改良技术领域，具体涉及一种硅钙镁肥土壤调理剂及其制备方法和应用。

背景技术：

由于工农业的快速发展而造成的土壤重金属污染实例随处可见，尤其是土壤中重金属cd的含量超标。土壤中的镉可被作物吸收富集，并通过食物链进入人体内，进而对人类健康构成一定威胁。此外，重金属的生物毒性以及其在生物体内的累积能力并不是由其总量决定，而是由重金属形态及其生物有效性决定。因此，对镉污染土壤进行修复，通过改变镉在土壤中的赋存形态，降低其在土壤中的移动性和有效性对于国家乃至全世界的粮食安全生产都具有重要的作用。

众多土壤重金属污染修复方法中，原位钝化阻控技术因其成本低、周期短、效率高、稳定性好的特性被广泛关注，但该技术中钝化剂的选择是关键。原位钝化阻控技术在南方酸性水稻田cd污染控制方面应用较多，其主要作用机制是通过提高土壤ph来降低土壤cd的有效性。而对于北方微碱性土壤若过度提高土壤ph易造成土壤板结、肥力下降，造成农作物减产。因此，研发适用于北方微碱性土壤cd污染控制的钝化阻控材料显得尤为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅钙镁肥土壤调理剂及其制备方法和应用，所述硅钙镁肥土壤调理剂原料来源广泛，且可显著钝化微碱性土壤中的镉，并减少作物对镉的吸收。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种硅钙镁肥土壤调理剂，硅钙镁肥土壤调理剂包括以下质量百分含量的有效成分：sio220％～25％，cao20％～25％，mgo7％～11％，k2o4％～8％，和麦饭石25％～35％。

优选的，所述硅钙镁肥土壤调理剂的制备原料包括白云石、钾长石、石灰石和麦饭石；所述白云石、钾长石、石灰石和麦饭石的质量比为(40～42)：(33～37)：(31～37)：(25～35)。

本发明还提供了上述硅钙镁肥土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：将白云石、钾长石和石灰石经过1160～1200℃高温煅烧后，与麦饭石进行混合，得所述硅钙镁肥土壤调理剂。

本发明还提供了上述硅钙镁肥土壤调理剂或利用上述制备方法制备得到的硅钙镁肥土壤调理剂在钝化微碱性土壤中重金属的应用，所述微碱性土壤的ph值为7.5～8.5。

本发明还提供了一种钝化微碱性土壤中重金属的方法，包括以下步骤：将上述硅钙镁肥土壤调理剂或利用上述制备方法制备得到的硅钙镁肥土壤调理剂撒施在微碱性土壤表面，耙进土壤中；所述微碱性土壤的ph值为7.5～8.5。

优选的，所述硅钙镁肥土壤调理剂的撒施质量为所述微碱性土壤耕层土壤质量的0.5％～3％。

优选的，所述重金属包括镉。

本发明还提供了上述硅钙镁肥土壤调理剂或利用上述制备方法制备得到的硅钙镁肥土壤调理剂在减少作物重金属吸收量中的应用。

优选的，所述作物包括小麦。

本发明还提供了一种减少作物吸收重金属的方法，包括以下步骤：将上述硅钙镁肥土壤调理剂或利用上述制备方法制备得到的硅钙镁肥土壤调理剂撒施在微碱性土壤表面，耙进土壤中；所述微碱性土壤的ph值为7.5～8.5。

本发明提供了一种硅钙镁肥土壤调理剂，原料主要由白云石、麦饭石等矿物组成，材料来源广泛且价格便宜，且所述硅钙镁肥土壤调理剂中含有大量的硅、钙、镁、钾等元素，可用作肥料。本申请首次将其应用于土壤重金属污染修复，尤其北方微碱性石灰性土壤的重金属污染修复。本发明实施例中通过盆栽和大田实验证实，所述硅钙镁肥土壤调理剂可提高土壤ph值0.48～0.91，显著降低土壤dtpa态镉含量；显著降低土壤中可交换态镉含量和碳酸盐结合态镉含量，提高了铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态镉含量；显著降低小麦各个器官中镉含量，从而达到对微碱性土壤cd污染钝化修复的技术效果。

附图说明

图1为硅钙镁肥土壤调理剂sem图(×700)；

图2为硅钙镁肥土壤调理剂eds能谱图；

图3为硅钙镁肥土壤调理剂对土壤ph值的影响；

图4为硅钙镁肥土壤调理剂对土壤dtpa提取态镉含量的影响；

图5为硅钙镁肥土壤调理剂对土壤中镉形态分布的影响；

图6为硅钙镁肥土壤调理剂对小麦不同器官镉含量的影响；

图7为硅钙镁肥土壤调理剂对小麦籽粒镉含量的影响。

具体实施方式

本发明提供了一种硅钙镁肥土壤调理剂，所述硅钙镁肥土壤调理剂包括以下质量百分含量的有效成分：sio220％～25％，cao20％～25％，mgo7％～11％，k2o4％～8％，和麦饭石25％～35％。

本发明所述硅钙镁肥土壤调理剂的有效成分优选包括以下质量百分含量的成分：sio222％，cao23％，mgo9％，k2o6％，和麦饭石30％。本发明所述硅钙镁肥土壤调理剂的制备原料优选包括白云石、钾长石、石灰石和麦饭石；所述白云石、钾长石、石灰石和麦饭石的质量比优选为(40～42)：(33～37)：(31～37)：(25～35)，更优选为41:36:34:30。本发明对所述白云石、钾长石、石灰石和麦饭石的来源并没有特殊限定，利用本领域的常规市售矿石即可。本发明所述硅钙镁肥土壤调理剂的ph值为10.44，全镉含量0.324mg/kg，且利用扫描电子显微镜能谱(sem-eds)对硅钙镁肥调理剂进行扫描拍摄，放大倍数为700倍时，硅钙镁肥土壤调理剂为楞状，表面较为光滑(图1)；eds图谱显示出硅钙镁肥土壤调理剂中各种元素含量比例，硅钙镁肥土壤调理剂中含有大量si、ca等元素(图2)。

本发明还提供了上述硅钙镁肥土壤调理剂的制备方法，包括以下步骤：将白云石、钾长石和石灰石经过1160～1200℃高温煅烧后，与麦饭石进行混合，得所述硅钙镁肥土壤调理剂。

本发明所述白云石、钾长石和石灰石经过高温煅烧后，白云石生成mgo和cao，石灰石生成cao，与钾长石中k2o·al2o3·6sio2反应，再与麦饭石细粉进行混合，得到所述硅钙镁肥土壤调理剂。

本发明还提供了上述硅钙镁肥土壤调理剂或利用上述制备方法制备得到的硅钙镁肥土壤调理剂在钝化微碱性土壤中重金属的应用，所述微碱性土壤的ph值为7.5～8.5。

本发明所述微碱性土壤优选为北方微碱性土壤，所述微碱性土壤的ph值为7.5～8.5。本发明实施例中，优选利用石灰性潮土(ph为8.24，有机质含量为22.10g/kg，碱解氮含量为75.32mg/kg，速效磷含量为27.69mg/kg，速效钾含量为134.69mg/kg，全镉含量为4.93mg/kg)进行盆栽实验，利用河南省新乡市某地镉污染土壤(ph为8.03，有机质含量为20.35g/kg，碱解氮含量为72.46mg/kg，速效磷含量为24.36mg/kg，速效钾含量为120.53mg/kg，全镉含量为1.7～2.2mg/kg)进行大田实验。

本发明所述硅钙镁肥土壤调理剂可钝化土壤中重金属，所述重金属优选包括镉。在本发明实施例中，利用所述硅钙镁肥土壤调理剂进行盆栽实验和大田实验，均可以显著降低土壤dtpa态镉含量，且土壤dtpa态镉含量随着硅钙镁肥施用量的增加而降低；可以显著降低土壤可交换态镉含量和碳酸盐结合态镉含量，且随着添加量的增加，可交换态镉和碳酸盐结合态镉含量降低幅度增大；同时提高了铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态镉含量，且随着硅钙镁肥添加量的增加，三种形态镉含量增加幅度也增大。

本发明还提供了一种钝化微碱性土壤中重金属的方法，包括以下步骤：将上述硅钙镁肥土壤调理剂或利用上述制备方法制备得到的硅钙镁肥土壤调理剂撒施在微碱性土壤表面，耙进土壤中；所述微碱性土壤的ph值为7.5～8.5。

本发明所述硅钙镁肥土壤调理剂的撒施质量优选为所述微碱性土壤耕层土壤质量的0.5％～3％；所述耕层土壤优选为表层0～20cm的土壤。本发明所述重金属优选包括镉。

本发明还提供了上述硅钙镁肥土壤调理剂或利用上述制备方法制备得到的硅钙镁肥土壤调理剂在减少作物重金属吸收量中的应用。

本发明所述作物优选包括小麦。本发明实施例中利用小麦进行盆栽实验和大田实验，添加所述硅钙镁肥土壤调理剂可以显著降低小麦各个器官中镉含量，随着硅钙镁肥土壤调理剂添加量的增加，小麦根和茎叶镉含量下降幅度都增大；添加硅钙镁肥土壤调理剂可以显著降低小麦颖壳和籽粒中镉含量，且随着硅钙镁肥土壤调理剂添加量的增加，小麦颖壳和籽粒镉含量降低幅度减少。

本发明还提供了一种减少作物吸收重金属的方法，包括以下步骤：将上述硅钙镁肥土壤调理剂或利用上述制备方法制备得到的硅钙镁肥土壤调理剂撒施在微碱性土壤表面，耙进土壤中；所述微碱性土壤的ph值为7.5～8.5。

本发明所述方法优选与上述方法相同，在此不再赘述。

下面结合实施例对本发明提供的一种硅钙镁肥土壤调理剂及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

硅钙镁肥土壤调理剂的制备原料包括白云石、钾长石、石灰石和麦饭石，其质量比为41:36:34:30；将白云石、钾长石、石灰石、麦饭石破碎、烘干后，经球磨机磨成细粉(120目>95％)，按照白云石、钾长石、石灰石的质量比为41:36:34配料，混合均匀后于马弗炉以1160～1200℃高温煅烧35min后，取出冷却后，再磨成细粉(120目>95％)与麦饭石细粉进行混合。硅钙镁肥土壤调理剂，ph为10.44，全镉含量0.324mg/kg，具体成分含量包括：sio222％，cao23％，mgo9％，k2o6％，麦饭石30％。

利用扫描电子显微镜能谱(sem-eds)对硅钙镁肥调理剂进行扫描拍摄，放大倍数为700倍。由图1可知，硅钙镁肥土壤调理剂为楞状，表面较为光滑。eds图谱(图2)显示出硅钙镁肥土壤调理剂中各种元素含量比例，硅钙镁肥中含有大量si、ca等元素。

实施例2

1、盆栽试验方案

供试土壤为石灰性潮土，污水灌溉区农田表层0～20cm土，土壤基本理化性质：ph为8.24，有机质含量为22.10g/kg，碱解氮含量为75.32mg/kg，速效磷含量为27.69mg/kg，速效钾含量为134.69mg/kg，全镉含量为4.93mg/kg。小麦品种为涡麦66，每盆装污染土约8kg。施加底肥为复合肥(n-p2o5-k2o＝24-14-8)，定量浇水维持土壤相对含水量约60％左右。试验共计三个处理，每个处理三个重复，分别为：(1)不添加调理剂(ck1)；(2)硅钙镁肥土壤调理剂1.2％(g1)；(3)硅钙镁肥土壤调理剂3％(g2)；其中％为硅钙镁肥土壤调理剂占土壤质量的百分含量，下同。

2、大田试验方案

大田土壤基本理化性质为ph为8.03，有机质含量为20.35g/kg，碱解氮含量为72.46mg/kg，速效磷含量为24.36mg/kg，速效钾含量为120.53mg/kg，全镉含量为1.7～2.2mg/kg，小麦品种为矮抗58。大田试验共计3个处理，每个处理3次重复。分别为：(1)不添加调理剂(ck2)；(2)硅钙镁肥土壤调理剂0.5％(g3)；(3)硅钙镁肥土壤调理剂1％(g4)。每个小区面积为20m²(4m×5m)。小区之间留1m间隔，小区周边留1m保护行。土壤调理剂均匀撒在土壤表面后耙进0～20cm表层土壤。按照当地习惯施用氮磷钾复合肥(n-p2o5-k2o＝24-14-8)750kg/hm²作基肥。小麦整个生长期共灌溉浇水3次，浇水方式为小区漫灌，各小区单独进水，互不干扰。

3、硅钙镁肥土壤调理剂对土壤ph值的影响

结果如图3所示，无论盆栽还是大田，与对照相比，硅钙镁肥土壤调理剂处理均可以显著提高土壤ph值，且土壤ph值随着硅钙镁肥土壤调理剂施用量的增加而增加。盆栽试验中，硅钙镁肥土壤调理剂3％(g2)处理时土壤ph值增加0.91单位。大田试验中，硅钙镁肥土壤调理剂1％(g4)处理时土壤ph值增加0.48单位。

4、硅钙镁肥土壤调理剂对土壤dtpa提取态镉含量的影响

土壤dtpa态镉含量是衡量土壤重金属镉污染程度和危害程度的一个重要指标，且很容易被植物吸收利用。如图4所示，无论盆栽还是大田，与对照相比，硅钙镁肥土壤调理剂处理均可以显著降低土壤dtpa态镉含量，且土壤dtpa态镉含量随着硅钙镁肥土壤调理剂施用量的增加而降低。盆栽试验中，硅钙镁肥土壤调理剂3％(g2)处理对土壤dtpa提取态镉含量降低效果最好，从2.31mg/kg降到0.61mg/kg，降幅达73.60％。大田试验中，硅钙镁肥土壤调理剂0.5％(g3)处理对土壤dtpa提取态镉含量降低效果最好，从0.79mg/kg降到0.48mg/kg，降幅达39.24％。

5、硅钙镁肥土壤调理剂对土壤镉化学形态的影响

采用tessier连续提取法处理土壤样品，提取出可交换态(ex)、碳酸盐结合态(ca)、铁锰氧化物结合态(om)、有机结合态(ox)、残渣态(re)镉。由图5可知，土壤镉形态主要以可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态为主。与对照相比，添加硅钙镁肥土壤调理剂可以显著降低土壤可交换态镉含量和碳酸盐结合态镉含量，且随着添加量的增加，可交换态镉和碳酸盐结合态镉含量降低幅度增大，降低范围分别为53.05％～63.30％、32.36％～59.72％；；相应地添加硅钙镁肥土壤调理剂提高了铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态镉含量(增加范围分别为:401.83％～479.63％、29.78％～90.52％和23.97％～56.20％)，且随着硅钙镁肥添加量的增加，三种形态镉含量增加幅度也增大。

6、硅钙镁肥土壤调理剂对小麦不同器官cd含量的影响

小麦不同器官cd含量不同，这是由于小麦吸收转运重金属受诸多因素的影响，如土壤ph值、土壤本身理化性状、土壤中重金属形态等等。由图6可知，与对照相比，添加硅钙镁肥土壤调理剂可以显著降低小麦各个器官中镉含量。随着硅钙镁肥土壤调理剂添加量的增加，小麦根和茎叶镉含量下降幅度都增大，其中硅钙镁肥3％(g2)处理时，小麦根镉含量从21.48mg/kg降低到0.51mg/kg，茎叶镉含量从4.0mg/kg降低到1.43mg/k(降低幅度达64.30％)。与对照相比，添加硅钙镁肥土壤调理剂可以显著降低小麦颖壳和籽粒中镉含量，且随着硅钙镁肥土壤调理剂添加量的增加，小麦颖壳和籽粒镉含量降低幅度减少。与对照相比，硅钙镁肥1.2％(g1)处理时，小麦颖壳和籽粒镉含量降低效果最好，其中颖壳镉含量从1.91mg/kg降低到0.26mg/kg，降低幅度为86.39％，籽粒镉含量从4.81mg/kg降低到0.44mg/kg，降低幅度为90.85％。

7、硅钙镁肥土壤调理剂对小麦籽粒cd含量的影响

如图7所示，无论盆栽还是大田，与对照相比，硅钙镁肥土壤调理剂处理均可以显著降低小麦籽粒镉含量，且随着硅钙镁肥土壤调理剂添加量的增加，小麦籽粒镉含量降低幅度减少。盆栽试验中，与对照相比，硅钙镁肥土壤调理剂1.2％(g1)处理时，小麦籽粒镉含量降低效果最好，籽粒镉含量从4.81mg/kg降低到0.44mg/kg，降低幅度为90.85％。大田试验中，与对照相比，硅钙镁肥土壤调理剂0.5％(g3)处理时，小麦籽粒镉含量降低效果最好，籽粒镉含量从0.23mg/kg降低到0.16mg/kg，降低幅度为30.43％。

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。