降低镉污染土壤镉含量的土壤调理剂及其使用方法与流程

1.本发明属于重金属污染土壤的治理及修复技术领域，具体是一种降低镉污染土壤镉含量的土壤调理剂及其使用方法。


背景技术：

2.硒是人体必需的微量元素，参与合成人体内多种酶和蛋白质，具有增强免疫力、抗氧化、防癌抗癌等重要作用。目前针对土壤中硒的活化主要是添加土壤调理剂，如秸秆生物炭、钙镁磷肥、壳聚糖等材料，通过改善土壤物理、化学及生物特性，提高土壤中硒的生物有效性；土壤中镉的钝化主要是通过原位化学固定法来实现，往土壤中加入有机质、沸石和磷酸盐等外源添加物，以此来调节和改变重金属在土壤中的物理化学性质，使其发生沉淀、吸附、离子交换、腐殖化和氧化还原等一系列的反应，降低其在土壤环境中的生物有效性和可迁移性，从而减少重金属元素对动植物的毒性。
3.湖北恩施地区硒资源优势显著，开发利用前景广阔，但是高硒地区的土壤也存在高镉现象，此现象严重制约了恩施州富硒产业的发展，因此，如何改善富硒区域高镉污染现象，是目前亟需解决的问题。
4.尽管前人的相关研究成果中，不同钝化材料对土壤中镉的钝化效果均已得到验证，但钝化材料对重金属污染土壤的修复效果会受到土壤类型、作物基因型等相关因素的影响。尤其是针对恩施州富硒高镉污染地区导致土壤污染的同时对农作物的栽培存在一定的影响，资源和环境友好利用存在一定的风险，因此降低镉易富集作物的毒性还需要进一步处理和修复。


技术实现要素：

5.为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种降低镉污染土壤镉含量的土壤调理剂及其使用方法，该土壤调理剂制备便利，该使用方法高效便捷，能够改善土壤理化性状、降低镉的生物有效性以及提高硒的生物有效性，进一步保障资源和环境友好利用。
6.本发明提供的技术方案是：
7.一种降低镉污染土壤镉含量的土壤调理剂，所述土壤调理剂包括：15-55份重量的稻壳生物炭，6-7份重量的硅钙钾镁肥，35-75份重量的蛭石，3-4份重量的硅肥。
8.优选地，所述稻壳生物炭设置为40份重量，所述硅钙钾镁肥设置为7份重量，所述蛭石设置为50份重量，所述硅肥设置为3份重量。
9.优选地，所述硅钙钾镁肥中有效硅的质量分数≥25％，有效钙的质量分数≥25％，有效镁的质量分数≥12％。
10.优选地，所述蛭石的粒径为0.5～2mm。
11.优选地，所述硅肥中sio2的质量分数≥50％，si的质量分数≥25％。
12.本发明还提供一种采用上述的土壤调理剂对镉污染土壤进行改良的使用方法，包括如下步骤：
13.1)将镉污染地区的土壤翻耕，翻耕深度为20cm；
14.2)将土壤调理剂均匀撒至土壤中，控制量在土壤的0.3％-0.6％之间；
15.3)淹水浸泡1周；
16.4)灌水养护1周，待灌水养护结束后即可种植农作物。
17.本发明的上述技术方案基于以下原理：
18.1)本发明选用的稻壳炭作为生物炭，其采用高温限氧法用于在缺氧环境下炭化后进行高温裂解而成，其主要作用为提高土壤有机质与ph值来降低土壤中镉的有效性，其机理是生物炭中丰富的官能团能与重金属形成表面络合物，增加土壤中有机物质对镉的吸附与沉淀，降低土壤中镉的迁移率与解吸量；
19.2)本发明选用的硅钙钾镁肥作为含磷材料，其主要作用是与镉生成[cd5(po4)3oh]、cd5(po4)3cl等难溶的沉淀物，降低土壤中游离态镉含量，另一方面是补充植株所需要的微量元素，提高植株抗逆性；
[0020]
3)本发明选用的蛭石作为粘土矿物，其矿物晶格结构可以将镉离子固定在其中，从而降低土壤中交换态的镉含量，使之难以被植物吸收利用。且蛭石具有改善土壤结构、改良酸性土壤、增加土壤透气性、含水性等作用，在土壤中与肥料反应加大土壤缓冲性。
[0021]
4)本发明选用的硅肥作为硅钙类材料，硅肥在土壤里经过水解后会以凝胶态硅酸的形式存在，以此通过吸附作用缓解植株重金属胁迫；此外，硅与镉的共络合也是一种有效缓解水稻植株镉毒性的机制。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的土壤调理剂采用多种效果较优的材料复配而成，其中的每一种组分都具有富硒降镉的效果；施用的土壤主要针对高硒高镉的黄棕土壤，从而实现富硒土地资源的安全开发利用；试验用土采集的恩施天然高硒高镉土壤进行效果验证，具有较好的实验效果，具有推广前景；使用方法简单，可操作性强，使用后经济效益明显，对防治高硒高镉地区的污染土壤、保障粮食安全具有重要意义。
附图说明
[0023]
图1是本发明实施例中撒施土壤调理剂后水稻叶片中根系活力以及mda、sod、pod、cat活性的对比效果图；
[0024]
图2是本发明实施例中进行盆栽应用时水稻镉含量的对比效果图；
[0025]
图3是本发明实施例中进行盆栽应用时水稻硒含量的对比效果图。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0027]
实施例
[0028]
一种降低镉污染土壤镉含量的土壤调理剂，该土壤调理剂包括稻壳生物炭，6-7份重量的硅钙钾镁肥，35-75份重量的蛭石，3-4份重量的硅肥。其中，所述硅钙钾镁肥中有效硅的质量分数≥25％，有效钙的质量分数≥25％，有效镁的质量分数≥12％；所述硅肥中sio2的质量分数≥50％，si的质量分数≥25％；所述蛭石的粒径为1mm。
[0029]
作为本实施例的进一步，所述稻壳生物炭设置为40份重量，所述硅钙钾镁肥设置
为7份重量，所述蛭石设置为50份重量，所述硅肥设置为3份重量。
[0030]
盆栽应用：
[0031]
采集恩施州富硒高镉地区表层耕作黄棕土壤(采集高度范围0-20cm)作为盆栽用土，“繁优709”杂交水稻为供试水稻品种，于某富硒产业实验研究基地内开展盆栽试验，试验全程都在大棚中进行，保持通风与足够的光照。
[0032]
整个应用设置四个处理：
[0033]
1)对照组：不施用任何的土壤调理剂；
[0034]
2)处理1：施用15份重量稻壳生物炭、7份重量硅钙钾镁肥、75份重量蛭石及3份重量硅肥均匀混合的土壤调理剂；
[0035]
3)处理2：施用40份重量稻壳生物炭、7份重量硅钙钾镁肥、50份重量蛭石及3份重量硅肥均匀混合的土壤调理剂；
[0036]
4)处理3：施用55份重量稻壳生物炭、6份重量硅钙钾镁肥、35份重量蛭石及4份重量硅肥均匀混合的土壤调理剂。
[0037]
上述的四个处理重复五次，共计二十个盆栽，随机区组排列，并设置保护行。试验期间栽培管理措施与田间管理一致，以比较本发明的土壤调理剂及改良方法的钝化效果。
[0038]
施用上述3个处理组的土壤调理剂对镉污染土壤进行改良的使用方法，包括如下步骤：
[0039]
1)将盆栽中的黄棕土壤翻耕，翻耕深度为20cm；
[0040]
2)将土壤调理剂均匀撒至黄棕土壤中，土壤调理剂的控制量在土壤整体质量的0.5％；
[0041]
3)淹水浸泡1周；
[0042]
4)灌水养护1周，待灌水养护结束后即可种植农作物。
[0043]
对照组与3个处理组中测定结果如表1～3所示。
[0044]
表1：水稻叶片中根系活力以及mda、sod、pod、cat活性的测定结果
[0045]
[0046][0047]
表2：成熟期水稻株高、分蘖数、叶绿素和千粒重的测定结果
[0048][0049]
表3：对成熟期水稻籽实中硒与镉含量的影响结果
[0050][0051]
注：表1～表3中同列不同小写字母表示处理间在p＜0.05水平差异显著，不同大写字母表示处理间在p＜0.01水平差异极显著。
[0052]
根据表1及图3可知：各处理丙二醛(mda)含量与对照组相比都有所降低，而根系活力、sod、pod和cat酶活性表现出不同程度的增加，表明土壤调理剂的施用缓解了植株细胞膜脂过氧化损害，有利于植株细胞免受毒害。其中，丙二醛(mda)通常被作为评价植株细胞膜脂过氧化损害的指标，mda含量越低，反映水稻植株受镉毒害程度越低。植物抗氧化防御
系统中超氧化物歧化酶(sod)、过氧化物酶(pod)和过氧化氢酶(cat)是植物抗氧化系统中主要的酶，可作为植物抗逆性的生理指标，三者通过协同作用维持植物体内的自由基含量保持稳态水平。
[0053]
根据表2可知：与对照组相比，施用土壤调理剂处理组的株高与分蘖数呈极显著增加，因此说明土壤调理剂对高硒高镉土壤中水稻的生长具有一定的促进作用；千粒重相较于对照组也有增加效果，说明土壤调理剂具有促进水稻提质增产的潜力；与对照组相比，土壤调理剂的施用极显著提高了水稻植株叶片的叶绿素含量，可能与提高光合作用有关。
[0054]
根据表3图1及图2可知：施用土壤调理剂后，四个处理组的硒含量均有所升高，最高为处理3即施用55份重量稻壳生物炭、6份重量硅钙钾镁肥、35份重量蛭石及4份重量硅肥均匀混合的土壤调理剂，硒含量上升53.30％；另一方面，四个处理组的镉含量呈现明显下降趋势，处理2即施用40份重量稻壳生物炭、7份重量硅钙钾镁肥、50份重量蛭石及3份重量硅肥均匀混合的土壤调理剂时镉下降幅度最大，达到84.18％。总体而言，添加土壤调理剂在促进植物对硒的吸收的同时，也抑制了水稻根系从土壤中吸收镉。
[0055]
综合分析实验结果，施用本发明的土壤调理剂，有效提高了水稻的抗逆性，提高了水稻中硒的含量，降低了水稻中镉的含量，其中施用处理2的土壤调理剂达到最优降镉效果。
[0056]
本发明中土壤调理剂的每一种组分都具有富硒降镉的效果，是采用多种效果较优的材料复配而成；施用的土壤主要针对高硒高镉的土壤，从而实现富硒土地资源的安全开发利用；试验用土采集的恩施天然高硒高镉土壤进行效果验证，而非实验室添加硒与镉元素调配的高硒高镉土壤；使用方法简单，可操作性强。
[0057]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明原理和实质的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。