本發(fā)明涉及污染土處理領域，特別是涉及一種在錳污染土壤上安全種植農(nóng)作物的方法。

背景技術(shù)：

錳(mn)作為一種重要的礦產(chǎn)資源在我國正以前所未有的速度被開采、消耗。隨著錳礦的開采及“三廢”的無序排放，導致周邊土壤中以mn為主的重金屬含量過高，酸雨等外界因素導致的土壤酸化也可以使土壤中可溶性mn濃度增加。土壤中的mn過量會降低植物生產(chǎn)力、影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。已有的研究表明，土壤中mn過量將抑制植物對ca、mg、fe等一些必需元素的吸收，最終導致葉綠素的合成減少，光合效率下降；同時，mn也會對細胞的細胞膜造成傷害，破壞細胞內(nèi)保護酶的正常運轉(zhuǎn)，甚至取代某些酶中活性微量元素而使酶活性發(fā)生改變，從而導致植株內(nèi)部生理生化過程失調(diào)，影響植物的生產(chǎn)力和產(chǎn)量。mn污染已經(jīng)成為南方酸性土壤中限制農(nóng)作物生長的重要因子，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大影響。此外，mn超標的農(nóng)作物最終將通過食物鏈影響人體的健康。因此如何有效減少農(nóng)作物中mn的累積量，為農(nóng)作物的安全種植提供有效途徑已成為當前我國面臨的亟待解決的難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對錳污染土壤影響農(nóng)作物種植的問題，提供一種在錳污染土壤上安全種植農(nóng)作物的方法。

一種在錳污染土壤上安全種植農(nóng)作物的方法，包括以下步驟：

將秸稈在堿性溶液中浸泡24～48小時，撈出后于低氧或缺氧條件下200～600℃熱解1～2小時，熱解冷卻后粉碎，得到改良秸稈生物炭。

在錳污染的土壤上施用改良秸稈生物炭，并種植商陸，商陸分散種植。

商陸成長之后的次年，在商陸植株之間套種農(nóng)作物。

進一步地，堿性溶液為飽和石灰水。

進一步地，秸稈包括水稻秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈和油菜秸稈中的一種或幾種。

進一步地，改良秸稈生物炭的粒徑<0.5mm。

進一步地，改良秸稈生物炭的施用步驟包括：

在錳污染的土壤上深耕10～30cm，按30～120kg/畝施用改性生物炭，并細耕1～2次。

進一步地，商陸采用直播或育苗移栽法種植。

進一步地，商陸開淺穴播種，以行距60～120cm×30cm規(guī)格播種，每穴播種5～6粒，播后蓋土1～3cm，等苗高10～15cm時，每穴留苗1～3株。

進一步地，商陸成長過程中還包括去除多余花苔以及多余枝葉。

進一步地，錳污染的土壤為酸性土壤，優(yōu)選為紅壤。

進一步地，農(nóng)作物為喜陰或高桿的農(nóng)作物，優(yōu)選為玉米、大豆或油菜。

上述在錳污染土壤上安全種植農(nóng)作物的方法，將秸稈在堿性溶液中浸泡后熱解，一方面可以使制得的秸稈生物炭孔道數(shù)量相應増多，比表面積增大，增加生物炭表面-oh等的官能團，增加對土壤中包括mn在內(nèi)重金屬的固持效果。另一方面使制得的秸稈生物炭含有較多的堿性官能團，在施用的同時改良酸性土壤如紅壤，土壤ph的升高有利于包括mn在內(nèi)的重金屬形態(tài)向穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化，降低土壤中錳的生物有效性，減少其對生物毒性，有利于植物的生長，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。再通過錳的超富集植物商陸對土壤中殘留的活性錳進行富集，使得種植在商陸間的作物中的錳含量大大降低，從而實現(xiàn)安全種植的目的。

附圖說明

圖1為一種在錳污染土壤上安全種植農(nóng)作物方法的流程圖；

圖2為水稻秸稈生物炭和改良改良秸稈生物炭的掃描電鏡圖；bc為水稻秸稈生物炭；bc-ca為改良水稻秸稈生物炭。

具體實施方式

參照圖1，一種在錳污染土壤上安全種植農(nóng)作物的方法，包括以下步驟：

將秸稈在堿性溶液中浸泡24～48小時，撈出后于低氧或缺氧條件下200～600℃熱解1～2小時，熱解冷卻后粉碎，得到改良秸稈生物炭。

在錳污染的土壤上施用所述改良秸稈生物炭，并種植商陸，所述商陸分散種植。

商陸成長之后的次年，在商陸植株之間套種農(nóng)作物。

我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年可生成7億多噸秸稈，大量富余秸稈成為“用處不大”但必須處理掉的“廢棄物”。生物炭(biochar)是生物質(zhì)原材料(如秸稈)在低氧或缺氧的條件下，經(jīng)一定溫度熱解后生成的富炭多孔物質(zhì)。生物炭含碳高、孔隙發(fā)達、比表面積大、性質(zhì)穩(wěn)定，在生態(tài)修復、農(nóng)業(yè)和環(huán)保領域有著廣泛的應用。將生物炭添加到土壤中，不僅可以增加土壤肥力，還能固持土壤中的重金屬和有機污染物，降低其生物有效性。

但未經(jīng)過改良處理的秸稈生物炭孔道數(shù)量較少，生物炭表面-oh的官能團數(shù)量有限，因而其對土壤中的mn在內(nèi)的重金屬的固持效果較差。因此有必要進一步對其進行改良，增強其性能，提高其應用價值。申請人首次發(fā)現(xiàn)，熱解前先將秸稈在飽和石灰水中浸泡預處理，可以提高其制得的生物炭的生物相容性和增加對土壤中包括mn在內(nèi)重金屬的固持能力。在錳污染土壤中施用改良秸稈生物炭后，提高處理效果。

秸稈在堿性溶液中浸泡后熱解，一方面可以使制得的秸稈生物炭，孔道數(shù)量相應増多，比表面積增大，增加生物炭表面-oh等的官能團，增加對土壤中的包括mn在內(nèi)的重金屬的固持效果，參照圖2，圖2為經(jīng)飽和石灰水預處理后的水稻秸稈表面特征圖。另一方面使制得的秸稈生物炭含有的較多堿性官能團，可以改良酸性土壤，有利于植物的生長，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。此外，土壤ph的升高也有利于包括mn在內(nèi)的重金屬形態(tài)向穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化，降低土壤中錳的生物有效性，減少其對生物毒性。

而商陸屬多年生草本植物，是一種生物量大、生長快、地理分布廣、適應性強的錳超富集植物，在中國的大部分地區(qū)都可生長，朝鮮、日本、印度也有分布。其根系發(fā)達，根肉質(zhì)粗壯，分布深而廣，枝葉生長快速繁茂，具有很好的保水保土作用。

優(yōu)選，可在錳污染的土壤上施用改良秸稈生物炭后放置55～65天，以使改良秸稈生物炭對土壤中重金屬的固持效果達到一個較理想的效果。商陸種植時，各植株之間保持一定的間隔。為種植方便以及便于后續(xù)套種農(nóng)作物，商陸可逐行分布種植。商陸播種的時間可在每年的2～3月份，種植后第二年即可在商陸植株間種植喜陰或高桿的農(nóng)作物如玉米，大豆，油菜類。農(nóng)作物的種植方法及農(nóng)作物植株的行距可參考其直接種植在正常未被污染的土地的方法，種植時間可參照農(nóng)作物的種植時令。

本發(fā)明以施用改良秸稈生物炭、種植商陸后再套種其它農(nóng)作物的方式，提供一種可在mn污染土壤上安全種植農(nóng)作物的方法，實現(xiàn)修復mn污染土壤的同時也可以安全生產(chǎn)，從而獲得較高的土地利用價值。

上述在錳污染土壤上安全種植農(nóng)作物的方法，將秸稈在堿性溶液中浸泡后熱解，一方面可以使制得的秸稈生物炭孔道數(shù)量相應増多，比表面積增大，增加生物炭表面-oh等的官能團，增加對土壤中包括mn在內(nèi)重金屬的固持效果。另一方面使制得的秸稈生物炭含有較多的堿性官能團，在施用的同時改良酸性土壤如紅壤，土壤ph的升高也有利于包括mn在內(nèi)的重金屬形態(tài)向穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化，降低土壤中錳的生物有效性，減少其對生物毒性，有利于植物的生長，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。再通過錳的超富集植物商陸對土壤中殘留的活性錳進行富集，使得種植在商陸間的作物中的錳含量大大降低，從而實現(xiàn)安全種植的目的。

進一步地，堿性溶液為飽和石灰水。采用飽和石灰水對秸稈進行處理，成本比較低，并且對環(huán)境的影響較小，更為環(huán)保。

進一步地，秸稈包括水稻秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈和油菜秸稈中的一種或幾種。

秸稈作為一種農(nóng)業(yè)廢棄物，上述幾種秸稈種植面積廣，體量大，因而應用面較廣。

進一步地，改良秸稈生物炭的施用步驟包括：

在錳污染的土壤上深耕10～30cm，按30～120kg/畝施用改性生物炭，并細耕1～2次。

農(nóng)作物的根系長度大多在10～30cm之間，>30cm土層中mn對農(nóng)作物影響不大，太淺則不利于根系生長。因此，只需對10～30cm的表土層進行處理就可以了，從而降低了勞力和物力消耗。

進一步地，商陸采用直播或育苗移栽法種植。

進一步地，商陸開淺穴播種，以行距60～120cm×30cm規(guī)格播種，每穴播種5～6粒，播后蓋土1～3cm，等苗高10～15cm時，每穴留苗1～3株。

商陸植株行間距是60～120cm左右，每行的植株的距離是30cm左右。

進一步地，商陸成長過程中還包括去除多余花苔以及多余枝葉。

商陸6～8月開花，除留種者外，可將花苔全部剪掉，減少對土壤中養(yǎng)分消耗。此外還可以視商陸和農(nóng)作物的生長情況，將商陸多余的枝葉剪掉，多余枝葉經(jīng)過堆肥處理可以用于制作含錳有機肥料。

進一步地，錳污染的土壤為酸性土壤，如紅壤。

進一步地，農(nóng)作物為喜陰或高桿的農(nóng)作物如玉米、大豆或油菜。

實施例1

將玉米秸稈在飽和石灰水中浸泡48小時，撈出后于缺氧條件下200℃熱解3小時，熱解冷卻后粉碎，得到改良玉米秸稈生物炭。

實施例2

將小麥秸稈在飽和石灰水中浸泡48小時，撈出后于缺氧條件下300℃熱解2小時，熱解冷卻后粉碎，得到改良小麥秸稈生物炭。

實施例3

將水稻秸稈在飽和石灰水中浸泡36小時，撈出后于缺氧條件下400℃熱解1.5小時，熱解冷卻后粉碎，得到改良水稻秸稈生物炭。

實施例4

將油菜秸稈在飽和石灰水中浸泡24小時，撈出后于缺氧條件下600℃熱解1小時，熱解冷卻后粉碎，得到改良油菜秸稈生物炭。

對比例1

將水稻秸稈在缺氧條件下400℃熱解1.5小時，熱解冷卻后粉碎，得到水稻秸稈生物炭。

數(shù)據(jù)表征

取實施例3的改良水稻秸稈生物炭和對比例1的水稻秸稈生物炭進行電鏡掃描，掃描結(jié)果如圖2所示。其中，bc為水稻秸稈生物炭的掃描電鏡圖；bc-ca為經(jīng)石灰水浸泡預處理的制得的改良水稻秸稈生物炭。比較可發(fā)現(xiàn)改良水稻秸稈生物炭相比水稻秸稈生物炭表面的孔結(jié)構(gòu)更發(fā)達。

取實施例3的改良水稻秸稈生物炭和對比例1的水稻秸稈生物炭進行ph、bet比表面積和表面含氧官能團測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1改良水稻秸稈生物炭和水稻秸稈生物炭的基本理化性質(zhì)

生物炭比表面積的測定采用比表面儀。

生物炭表面含氧官能團含量的測定采用boehm滴定法：取100ml錐形瓶3個，分別加入0.5g相應生物炭和25ml的0.1mol/lnahco3、na2co3、hcl標準溶液，于25℃下恒溫搖床中震蕩48h后，以4000r/min離心10min，取濾液10ml移入100ml錐形瓶，再加入20ml超純水，用標定過的0.1mol/lnaoh滴定濾液中殘余的試劑，測定并計算出單位質(zhì)量生物炭所消耗的nahco3、na2co3和naoh的量，并最終計算得到各基團的數(shù)量。

堿性基團數(shù)量＝hcl溶液消耗量；

羧基數(shù)量＝nahco3溶液消耗量；

酚羥基量＝naoh溶液消耗量-na2co3溶液消耗量。

表1的結(jié)果表明改良水稻秸稈生物炭的孔道數(shù)量相應増多，比表面積顯著增大，-oh官能團的數(shù)量顯著提高，表面含氧官能團也相應提升。

田間試驗

試驗土壤為紅壤，ph為5.0～6.0。土壤中mn含量實測值為4592mg/kg，每畝分別施用0，30，60，90，120kg實施例3的改良水稻秸稈生物炭(bc-ca)，放置55～65天后開始種植商陸，商陸開淺穴播種，以行距50cm×30cm規(guī)格播種，每穴播種5粒，播后蓋土2cm，等苗高15cm時，每穴留苗2株。商陸成長之后的次年，在商陸植株之間套種農(nóng)作物。

同時設置未經(jīng)處理(ck)、商陸+農(nóng)作物、施用未改良的秸稈生物炭(bc)+農(nóng)作物和施用改良的秸稈生物炭(bc-ca)+農(nóng)作物的對照組。其中未種植商陸的對照組，可將商陸植株由相應的農(nóng)作物代替。

試驗結(jié)果如表2所示。

表2田間試驗結(jié)果

*bc為未經(jīng)石灰水浸泡處理的水稻秸稈生物炭；bc-ca經(jīng)石灰水浸泡預處理的水稻秸稈生物炭，ck為未經(jīng)處理的對照組。

從表2的試驗結(jié)果表明本發(fā)明公開的一種在錳污染土壤上安全種植農(nóng)作物的方法不僅可以降低土壤中mn的含量和生物有效性，顯著減少農(nóng)作物中mn的累積量，也可以改良土壤和增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，在實現(xiàn)修復mn污染土壤的同時安全種植農(nóng)作物，從而獲得較高的土地利用價值。本發(fā)明為錳污染土壤上農(nóng)作物的安全種植提供了一種新的途徑。

相應的錳元素的測定方法如下：

土壤、植物中錳總量的測定：稱取一定量樣品用hclo4-hno3消解后，用火焰原子吸收法測定。

土壤中殘渣態(tài)錳形態(tài)的分析：土壤中錳的賦存形態(tài)可以采用化學連續(xù)提取法進行分離，根據(jù)提取劑的種類和溶出能力可劃分為水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)。按表3所示的提取劑體系(1～4)依次對土壤中存在的各種形態(tài)錳進行連續(xù)提取，最后得到的土樣用hclo4-hno3消解，再用火焰原子吸收法測定并計算土壤中殘渣態(tài)錳的含量。

表3提取體系

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。