一种白云石质凹凸棒石土壤改良材料的制备及应用

1.本发明公开了一种白云石质凹凸棒石土壤改良材料的制备及应用，属于土壤改良技术领域。


背景技术：

2.针对退化土壤，如何提高土壤质量、缓解土壤酸化与盐渍化、防治土壤重金属污染、减少土传病害传播以及增加作物产量是目前亟待解决的重要问题。修复土壤退化的主要方式是采用土壤改良剂，土壤改良剂能有效改善土壤理化性状和土壤养分状况，并对土壤微生物产生积极影响，从而提高退化土壤的生产力。目前土壤改良剂存在成本高、持久性差、功能单一且土壤改良周期长等问题。
3.凹凸棒石黏土是一种具有2:1 型结构的含水富镁铝硅酸盐类黏土矿物，具备的独特棒状晶体结构，能够有效改善土壤结构，有效改善因水肥管理不善等因素导致的土壤板结问题。凹凸棒石具有较大比表面积和丰富的内部纳米孔道，既能缓冲土壤酸碱性，又可以提高土壤保水保肥性，同时固定土壤中重金属，并调整土壤微生物群落结构。而且凹凸棒石富含植物生长发育所需的ca、mg、fe、si等各种中微量元素，这些微量元素能够很好地弥补土壤自身的养分短板，有效提升农作物品质和产量。
4.改性凹凸棒石与其他材料复配，可大幅度提升土壤性能，是非常理想的土壤改良剂。如“一种土壤调理剂及其制备方法和应用（cn202110410116.2）”将凹凸棒石与黄腐酸、黄芪粉渣、改性纤维素和味精尾液制备而成的土壤调理剂，应用于酸性土壤改良，可以改善土壤板结，提高土壤育肥保肥能力，降低土壤重金属污染。“一种环保型土壤改良剂及其制备方法（cn202111050698.4 ）”分别或以凹凸棒石或其他一维矿物与二维和三维天然矿物多孔材料复混，然后与有机肥、保水剂和生物菌剂相结合制备土壤改良材料，显著降低了土壤中重金属的含量。
5.但实际情况是自然环境中单一矿物很少，凹凸棒石矿常伴生有石英、白云石、蛋白石、蒙脱石、伊利石、高岭石等矿物，如采用提纯凹凸棒石则会加大材料成本费用，难以实现工业化应用。其中白云石与凹凸棒石黏土共生形成的白云石-凹凸棒石黏土混合矿物资源十分丰富，目前有研究表明白云石-凹凸棒石黏土中的白云石和凹凸棒石具有更加优异的纳米矿物特性，已被开发应用于水体中重金属的吸附，但在土壤改良方面尚未见报道。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种白云石质凹凸棒石土壤改良材料的制备方法，该白云石质凹凸棒石土壤改良材料可以用于盐碱土壤、重金属污染土壤和连作障碍土壤的改良修复。
7.一、白云石质凹凸棒石土壤改良材料的制备（1）白云石质凹凸棒石原矿自然条件下晾晒3个月以上，自然风干，粉碎至直径2mm以下，将白云石质凹凸棒石原矿粉与无机絮凝剂溶液混合制成浆料。其中，白云石质凹凸棒
石黏土中白云石质量含量不低于30% ，凹凸棒石含量不低于15%。无机絮凝剂溶液质量浓度为1.5%-10%；白云石质凹凸棒石原矿粉与无机絮凝剂溶液的质量比20:1-30:1。无机絮凝剂为硫酸亚铁水合物、氯化铁水合物、硫酸铁、氧化铁、聚合硫酸铁、聚合氯化铁、聚硅酸硫酸铁、聚合氯硫酸铁、聚合磷酸铝铁中的至少一种。
8.（2）将混合浆料进行超声处理，超声功率为 180-300 w、超声时间为 10-30 min，超声后500~600℃下煅烧1-2 h；（3）在煅烧后的混合材料中加入腐殖酸，再加入微生物菌剂，得到白云石质凹凸棒石土壤改良材料。其中，腐殖酸的加入量为白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量的10-15%。微生物菌剂的加入量为白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量的3-5%。微生物菌剂为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、聚磷菌、解钾菌、假单胞杆菌、放线菌、根瘤菌中的至少三种混合而成的混合菌。
9.本发明所制备的白云石质凹凸棒石土壤改良材料，各组分占总重量的重量百分比为：ca+mg≥20.0%，fe2o3≥1.0%，有机质≥10.0%，微生物含量≥3%。该白云石质凹凸棒石改良材料使用量30kg-100kg/亩，可以用于盐碱土壤改良、重金属污染土壤和连作障碍土壤修复。
10.本发明中白云石质凹凸棒石原矿，其中白云石含量》30%。除凹凸棒石以外，白云石作为土壤改良成分之一，其自身具有诸多优势。相比于传统的土壤改良剂石灰，白云石具有中和土壤酸度相对温和、更加长效等优势，可以向土壤补充钙、镁元素，同时阻控 al 毒性。超声处理一方面加速促进白云石和凹凸棒石与无机絮凝剂发生化学反应，另一方面疏通凹凸棒石黏土晶体孔道，均化产品。白云石凹凸棒石黏土主要组分是白云石、凹凸棒石，有少量的石英和蛋白石。矿物在高温热处理过程由于脱水、分解而发生系列变化，同时相互之间也发生化学反应，进一步提升了改良材料作用位点和吸附性能。腐殖酸和菌剂的加入，进一步提升改良材料对障碍土壤中养分贫瘠、微生物群落结构失衡的调整。
11.图1 为本发明制备所用白云石质凹凸棒石原料的扫描电镜，扫描电镜可以看出，白云石晶体中穿插凹凸棒石，说明白云石与凹凸棒石共生，白云石与凹凸棒石交错生长可以增大矿物比表面积，增强矿物表面活性，有利于其表面吸附土壤养分物质。矿物表面官能团种类比单一矿物更多，提高了吸附活性位点，更有利于提升保水保肥性能。
12.表1 为本发明制备所用白云石质凹凸棒石原料的主要化学成分，白云石质凹凸棒石主要由sio2、al2o3、mgo和cao等组成，凹凸棒石矿样品中sio2和cao的含量明显高于凹凸棒石晶体结构理论值，说明矿物样品中的杂质矿物中含有一定量的石英和碳酸盐矿物。
13.二、白云石质凹凸棒石土壤改良材料对设施连作土壤ph和cec的影响图2是白云石质凹凸棒石土壤改良材料对设施连作土壤 ph 的影响。土壤 ph 是化学性质的综合反映。它主要通过改变土壤表面的电荷性质、重金属的沉淀和溶解平衡、土壤有机质的溶解度等方面对土壤产生影响。土壤的ph与土壤各种元素循环和能力代谢等都有很大关系。采用不同量改良材料（0，15 kg/亩，30 kg/亩、60 kg/亩、90 kg/亩和120 kg/
亩）施入设施连作土壤培养8个月后，土壤ph值都有不同程度的提高，且ph值分别增加了0.08、0.81、0.83、0.86和0.78。
14.图3白云石质凹凸棒石土壤改良材料对设施连作土壤cec的影响。施用改良材料可以提高土壤的cec值，使其对阳离子的吸附、置换能力增强，进而增加了土壤对重金属、盐分的固定作用。改良材料的不同施用量均可提高土壤 cec，且施用量为60 kg/亩、90 kg/亩和 120 kg/亩时，cec处理效果最为明显，相比未使用改良材料的土壤，分别提高了27.9%、33.9%和33.1%。
15.设施土壤长期处在“高温、高湿、高复种指数、高施肥、无降水淋洗”等特殊条件下，随着种植年限增长，土壤出现酸化板结、盐渍化、养分失调、重金属超标等问题。白云石质凹凸棒石土壤改良材料进行设施连作土壤修复试验，通过不同材料用量比较可以看出，土壤改良材料对连作土壤的理化性能都有一定程度的改善，且土壤 cec 值和 ph 的提高，可以有效改善对连作土壤重金属赋存状态，其中以30kg-90kg添加量，修复效果最为显著。
16.三、白云石质凹凸棒石土壤改良材料对盐碱土壤微生态和理化性质的影响图4白云石质凹凸棒石土壤改良材料对盐碱土壤细菌数量的影响。采用牛肉膏蛋白胨培养基混菌法培养，根据每克土壤含菌数＝［菌落平均数
×
稀释倍数］
÷
［接种量毫升数
×
（1－含水量）］，计算出每克干土的含菌数，结果表明，改良材料可以提高盐碱土壤中细菌含量，且在每亩用量在90kg以内，细菌含量随施用量增大而增大，说明改良材料调整了盐碱土壤微生态环境，但不同用量间差异不显著。
17.由表2可以看出施用改良材料后均可以降低盐碱土壤 ph，其中亩施用量90kg，降低了0.1个单位。与 ck 相比，不同用量处理均可提高土壤水解氮、全氮、全钾、全磷和有机质含量。
18.四、白云石质凹凸棒石土壤改良材料对镉污染土壤中有效态 cd
2+ 含量作用效果图5白云石质凹凸棒石土壤改良材料对重金属污染土壤有效态 cd
2+ 含量影响。重金属固化材料对田间 cd
2+ 污染土壤修复过程中发现，与对照相比，添加修复材料后土壤有效态镉含量均显著降低，且降幅随矿物材料用量的增加而增大，但不同用量间未达到显著差异。主要是由于固化材料通过调节土壤理化性质，使重金属发生沉淀、吸附、络合等反应，从而降低重金属的活性，进而降低重金属对植物和人体的毒害，达到修复重金属污染土壤
的目的。
19.综上所述，本发明直接利用白云石和凹凸棒石共生原矿制备具有高效、离子交换能力强和交换容量大等优点的白云石质凹凸棒石土壤改良材料，不仅实现了连作障碍土壤、盐碱土壤和重金属污染土壤的修复，而且能有效提高含伴生矿凹凸棒石原矿的利用效率。
附图说明
20.图1为白云石质凹凸棒石扫描电镜；图2为白云石质凹凸棒石土壤改良材料对设施连作土壤 ph 的影响；图3为白云石质凹凸棒石土壤改良材料对设施连作土壤cec的影响；图4为白云石质凹凸棒石土壤改良材料对盐碱土壤细菌数量的影响；图5为白云石质凹凸棒石土壤改良材料对重金属污染土壤有效态 cd
2+ 含量影响。
具体实施方式
21.下面通过具体实施例对本发明的技术作进一步说明，但实施例不能理解为是对技术方案的限制。
22.实施例1将白云石质凹凸棒石矿粉与3%聚合硫酸铁溶液以固液比27:1混合，以200w超声功率处理20min，然后回转炉中530℃煅烧处理2h，然后加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量15%腐殖酸，再加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量5%枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和聚磷菌（质量比为1:1:1）的混合菌，得到产品。所得产品含ca+mg25.7%，fe2o32.8%，有机质15.7%，微生物5.0%。
23.实施例2将白云石质凹凸棒石矿粉与5%聚合氯化铁溶液以固液比25:1混合，以300w超声功率处理10min，然后回转炉中500℃煅烧处理1.5h，然后加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量15%的腐殖酸，再加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量5%的枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、聚磷菌和解钾菌（质量比为1:1:1:1）的混合菌，得到产品。所得产品含ca+mg22.3%，fe2o32.5%，有机质15.8%，微生物5.2%。
24.实施例3将白云石质凹凸棒石矿粉与10%聚合磷酸铝铁溶液以固液比20:1混合，以250w超声功率处理30min，然后回转炉中500℃煅烧处理2h，然后加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量10%的腐殖酸，再加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量5%的枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、聚磷菌、根瘤菌和解钾菌（质量比为1:1:1:1:1）的混合菌，得到产品。所得产品含ca+mg22.6%，fe2o32.2%，有机质12.1%，微生物5.1%。
25.实施例4将白云石质凹凸棒石矿粉与8%硫酸铁溶液以固液比28:1混合，以280w超声功率处理15min，然后回转炉中600℃煅烧处理1h，然后加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量10%的腐殖酸，再加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量3.5%的枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、假单胞杆菌、根瘤菌和解钾菌（质量比为1:1:1:1:1）的混合菌，所得产品含ca+
mg21.6%，fe2o32.3%，有机质11.2%，微生物3.7%。
26.实施例5将白云石质凹凸棒石矿粉与10%氯化铁溶液以固液比26:1混合，以280w超声功率处理30min，然后回转炉中500℃煅烧处理2h，然后加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量15%的腐殖酸，再加入白云石质凹凸棒石土壤改良材料总质量5%的枯草芽孢杆菌、假单孢杆菌、聚磷菌、根瘤菌和解钾菌（质量比为1:1:1:1:1）的混合菌，所得产品含ca+mg23.2%，fe2o32.0%，有机质17.6%，微生物5.2%。