一种利用植物秸秆糖化裂解改良土壤污染的制剂

技术领域

本发明涉及土壤改良领域，特别是一种利用植物秸秆糖化裂解改良土壤污染的制剂。

背景技术

土壤环境污染简称土壤污染，系指人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化的现象，土壤是一个复杂的系统，是包含土壤固体、间隙水和土壤空气组成，非独立于外界环境而存在，土地污染往往伴随着地表水、地下水和环境空气质量的变化，导致区域生态系统紊乱和破坏农产品质量安全，甚至危害人畜生命健康。土壤本身具有一定程度的净化能力，但随着现代工农业生产的发展，化肥、农药的大量使用，工业生产废水排入农田，城市污水及废物不断排入土体，这些环境污染物其数量和速度超过了土壤的承受容量和净化速度，从而破坏了土壤的自然动态平衡，使土壤质量下降，造成土壤的污染。

土壤污染就其危害而言，比大气污染、水体污染更为持久，其影响更为深远，因此也表明了土壤污染具有复杂、持久、来源广、防治困难等特点，土壤的污染物包括：无机物(酸、盐、碱和重金属)、化学肥料、放射性物质、有机农药、污泥、矿渣、煤粉灰、有机废弃物。

“民以食为天，食以安为先”，近年来土壤污染现象愈演愈烈，土壤安全问题引起人们的日益关注。我国自2005年4月起，花费8年时间，开展全国土壤污染状况及其预防措施的调查工作，调查范围包含约630万平方公里，占我国国土面积的65.6％。调查结果表明，我国至少有近3000万公顷的污染土地，其中严重污染区320个，约548万公顷，东南沿海、东北老工业基地等部分区域污染问题较为突出，无机污染物在全国占据比例较大，复合污染占总体比例较小，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大，其中东南、西南地区镉、汞、砷、铅4种重金属污染物含量较高，西北、东北地区含量较少。抽样调查结果显示，污染企业及其周边、工业废弃地及工业园区的点位超标率分别达到36.3％、34.9％和29.4％。我国的土壤质量近几年来一直在下降，除了发生一些常见的沙化、盐碱化以及水土流失等生态的恶化外，还有农药等有机污染物，土壤环境的污染大大加剧了土地资源的短缺。

针对我国土壤污染以及土壤质量不断恶化的的现状，我国于1995年制定了《土壤环境质量标准》和《土壤污染防治法》。围绕《土壤污染防治法》建立包括土壤环境保护法律法规体系、土壤环境标准体系、土壤污染防治技术体系、土壤环境质量监管体系等在内的土壤污染综合防治体系，加大环境综合治理力度，将实施土壤分类分级防治，优先保护农用地土壤环境质量安全，因此，加快土壤修复治理的研发及产业化，实现土壤环境污染绿色治理是目前亟需解决的问题。

发明内容

针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种利用植物秸秆糖化裂解改良土壤污染的制剂，可有效解决防止土壤污染、改良修复污染土壤、保护生态环境和农作物生长的问题。

本发明解决的技术方案是，由以下重量百分比计的原料制成：植物秸秆40-60％、酶类10-30％、葡萄糖5-20％、裂解酶1-10％、氧化还原酶1-20％和水10-30％，其中，先将植物秸秆粉碎，然后加水混合搅拌，再加入酶类、葡萄糖进行发酵，糖化水解，在15-30℃，堆积反应发酵4-24h，搅拌反应2-4h，再加入裂解酶、氧化还原酶，搅拌均匀，反应堆积10-24h，再加入有机酸调节PH为5-6，即得。

所述得植物秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆或修剪树枝。

所述的酶类为磷酸酶、硫酸酯酶、葡萄苷酶、尿酸氧化酶的一种或两种以上的混合物。

所述的有机酸为乙酸、柠檬酸的一种。

所述的裂解酶为天冬氨酸脱氨酶、羧肽酶、核酸酶、醛缩酶、柠檬酸裂合酶的一种。

所述的氧化还原酶为超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、多酚氧化酶、脂肪酸氧化酶的一种。

本发明制剂既可修复、改良污染土壤，又可抑制土壤病害，优化土壤中的微生物平衡，是土壤环境污染修复中土壤植物修复技术上的一大创新。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例1

本发明在具体实施时，可由以下重量百分比计的原料制成：玉米秸秆42％、磷酸酶2％、硫酸酯酶5％、葡萄苷酶1％、尿酸氧化酶5％、葡萄糖10％、天冬氨酸脱氨酶6％、多酚氧化酶4％和水25％，其中，先将植物秸秆粉碎，然后加水混合搅拌，然后加入磷酸酶、硫酸酯酶、葡萄苷酶、尿酸氧化酶、葡萄糖混合搅拌，在25℃，堆积反应发酵6h，搅拌反应2h，再加入天冬氨酸脱氨酶、多酚氧化酶，搅拌均匀，反应堆积裂变10h，再加入乙酸调PH为5-6，即得。

实施例2

本发明在具体实施时，可由以下重量百分比计的原料制成：小麦秸秆56％、磷酸酶5％、硫酸酯酶4％、葡萄苷酶2％、尿酸氧化酶1％、核酸酶8％、过氧化氢酶8％、葡萄糖6％和水10％，先将植物秸秆粉碎，然后加水混合搅拌，再加入磷酸酶、硫酸酯酶、葡萄苷酶、尿酸氧化酶、葡萄糖混合均匀，在30℃，堆积反应发酵12h，搅拌反应4h，再加入核酸酶、过氧化氢酶，搅拌均匀，反应堆积裂变17h，再加入柠檬酸调PH为5-6，即得。

实施例3

本发明在具体实施时，还可由以下重量百分比计的原料制成：修剪树枝47％、磷酸酶6％、硫酸酯酶5％、葡萄苷酶5％、葡萄糖10％、柠檬酸裂合酶4％、脂肪酸氧化酶8％和水15％，其中，先将植物秸秆粉碎，然后加水混合搅拌，再加入酶类、葡萄糖进行发酵，糖化水解，在20℃，堆积反应发酵24h，搅拌反应2h，再加入柠檬酸裂合酶、脂肪酸氧化酶，搅拌均匀，反应堆积20h，再加入柠檬酸调PH为5-6，即得。

本发明是利用植物修复的方法来解决土壤污染，土壤改良，土壤修复的一种绿色植物修复治理技术，并经有关实际应用和试验所证明，组份合理，易生产，使用效果好，经试用本产品有以下突出效果。以水稻、牧草为例，本发明制剂的使用效果对比试验情况如下：

一、水稻实验

1材料与方法

供试作物：水稻

供试地块：黑龙江省建三江农垦忠伟水稻种植农业合作社

因为长期使用化肥、农药使根层土壤板结、残毒、贫瘠化严重，选用植物修复基质土，对改良土壤、解除连作障碍、提高品质、减低残毒及增产具有较好的效果。

实验面积：100亩，对照田组和实施例1组各50亩，周期2年，定期调查生长情况，产量及产量原因。

1.实验步骤：翻耕土壤，施用本发明实施例1产品，每亩用量300公斤撒施用于底肥，100公斤用于追肥，对照田使用市售产品17-17-17复合肥，每亩用量300公斤撒施用于底肥，100公斤用于追肥，其他田间管理一样。

表1稻田耕层土壤理化性状

实验结果表明：耕层土壤理化性状有明显改善。

2.随着土壤理化性状的改善，水稻根系发育良好，分蘖数增加，叶绿素含量也增加，具体见表2：

表2水稻生理性状变化

如上表所示，施入本发明实施例1产品后有机质、速效养分含量、持水量、透气性增加，土壤容重减少，使耕层软化。另外，水稻单位面积相同，但使用基质土区域的水稻产量都高于使用复合肥的区域产量。

3.水稻产量对比，见表3

表3水稻产量的变化

如上表所示，本发明实施例1产品可使谷粒、稻草总增产幅度7.1-14.2％。

表4出米率与稻谷营养成分(％)

如上表所示，本发明实施例1产品能显著提高米的质量。

表5实施例1增产效益和经济效益

水稻价格2.2元/kg，复合肥3.2元/kg，基质土3.8元/kg，使用本发明实施例1产品远远优于复合肥，本发明产品的使用可改善土壤的理化性质，提高水稻产量和品质，降低生产成本，提高经济效益。

二、玉米实验

1材料与方法

供试作物：玉米

供试地块：辽宁省旱田，主要是棕壤土和白浆土，试验地设在棕壤土和白浆土上

实验面积：120亩，棕壤土和白浆土各60亩，对照田和实施例2产品平分棕壤土和白浆土，定期调查生长情况，产量及产量原因。

1)实验步骤：玉米品种：吉单5号，翻耕土壤，使用本发明实施例2产品，每亩用量200公斤撒施用于底肥，100公斤用于追肥，对照田使用17-17-17复合肥，每亩用量200公斤撒施用于底肥，100公斤用于追肥，其他田间管理一样。

每项实验处理五个试验点，这五点平均值如下表，经过两年的大田实验结果表明，耕层土壤的理化性质有所改变，当年的蔬菜、果树产量有所提高。

表6旱田耕层土壤理化性状

表7实施例2对玉米的增产效果

综上可知，随着土壤理化性质的改善，玉米生长发育也有了明显的好转，主要表现在茎秆粗壮，每株双穗率增加、穗长、穗粒行数均比对照增加，使用本发明实施例2产品的玉米双穗率是1.2％，对照组双穗率0.8％，产量差异明显，本发明实施例2产品对玉米的增产效果显著。

表8实施例2对玉米的根系影响

结果：使用本发明实施例2产品的玉米植株具有发达的根系，其中根系干重、主根数和气根数均高于对照复合肥。

三、大豆连作障碍及产量效果实验

1材料与方法

供试作物：大豆

供试地块：黑龙江鸡西，土壤为棕壤土和白浆土

实验面积：200亩，棕壤土和白浆土各100亩，对照田和实施例3平分，定期调查生长情况，产量及产量原因。

1)实验步骤：品种：大豆王中王，大豆连年耕作，土壤板结，病害严重，对大豆进行减肥增效实验，减少复合肥使用标准的亩用量的三分之一，每亩使用160公斤本发明实施例3产品，对照田使用17-17-17复合肥，每亩用量160公斤，其他田间管理一样。

表9大豆连作障碍及产量效果

以上表明，使用本发明产品效果显著，主要表现在使用本发明实施例3的大豆不仅生长旺盛，到秋季，结荚数、粒数及成熟后叶片仍保持绿色，不落果，表明基质土能减轻连作障碍，持续供应土壤养分，能提高大豆的产量。

四、本发明产品对微生物群数量及影响成分的影响实验

植物受重金属毒害主要与土壤的可溶性态和交换态重金属的含量有关，在不同的土壤环境下，包括土壤类型、土地利用方式、阳离子交换量(cec)、土壤的ph和Eh值、土壤的交替种类和含量等因素的差异，都会引起土壤重金属存在的形态的转化，从而影响到重金属对植物的毒害程度。

因长期使用化肥农药，土质变硬，无机物养分不易溶化，就沉积在土壤里，使土壤的盐分升高，最终土壤会酸化或盐碱化，重金属累积超标就危害植物生长和食品安全。

本发明产品施用可以增强土壤的透气性，土壤腐殖质的转化又给好氧菌提供营养食粮，有利于土壤内有益菌的大量繁殖，利用这些微生物益菌来钝化和氧化金属离子，使重金属大大降低，取来实验二、实验三中使用本发明产品30天的土壤图样进行观察，结果如下：

表10本发明产品对土壤微生物群数量的影响

观察结论可知：本发明产品施用到作物上，均能提高土壤中的固氮菌、根瘤菌、放线菌和细菌的数量增加，丝状真菌则减少，发现基质土施用后促进土壤中纤维素分解菌、硝酸细菌、硫化细菌和氨化细菌生长。

本发明又在黄褐土分别施用动物源有机肥、复合肥和本发明实施例3产品施用，每亩施用量(100kg)相同的情况下，对土壤中微生物区系的影响如下：

表11实施例3对土壤中微生物区系的影响(单位X108/g)

结果表明：施用本发明实施例3产品的地块，土壤微生物总量比对照增加57.9％，比动物源的有机肥、复合肥高6.09％和43.64％，均说明施用本发明实施例3产品能提高土壤微生物的繁殖量，同样刺激土壤内固氮菌、放线菌的繁殖，提高放线菌和真菌的比值，使土壤输送，提高了土壤阳离子交换量，增加土壤中全氮、全磷、碱解氮和速效磷钾的含量。

在肥力相近的土壤里使用本发明实施例3产品和复合肥，每亩施用量(100kg)相同的情况下，对土壤营养成分的影响如下表：

表12实施例3对土壤营养成分的影响

结果表明，在肥力相近的土壤里使用本发明实施例3产品和复合肥，种植甘薯和大豆，收获时土壤中的有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾和阳离子交换能力值均较大降低，而植株养分含量增加，使大豆和甘薯的增产分别为78.6％和52.2％。

五、本发明产品对作用重金属的置换和钝化实验

因长期使用化肥农药，土质变硬，无机物养分不易溶化，就沉积在土壤里，使土壤的盐分升高，最终土壤会酸化或盐碱化,重金属累积超标就危害植物生长和食品安全。

植物受重金属毒害主要与土壤的可溶性态和交换态重金属的含量有关，在不同的土壤环境下，包括土壤类型、土地利用方式、阳离子交换量(cec)、土壤的ph和Eh值、土壤的交替种类和含量等因素的差异，都会引起土壤重金属存在的形态的转化，从而影响到重金属对植物的毒害程度。基质土产品的性质就是以植物秸秆发酵，糖化为基础，补充土壤的碳源和还原剂，有些有机农药中的低分子被土壤滋生的微生物菌群所利用，从而降低或清除残留农药对植物的危害，以下在肥力相近的土壤里，使用复合肥和实施例1产品每亩施用量(100kg)相同的情况下，对植株的营养成分的影响如下表：

表13实施例1对植株的营养成分的影响

按照国家规定，蔬菜中pb含量≤0.10mg/kg，Cd含量≤0.05mg/kg，在使用复合肥的地块的蔬菜，对小白菜超出国家85.3倍，油菜超出标准84.3倍，大蒜超出75.3倍，小葱超出标准72.6倍，而使用本发明产品地块的白菜、油菜、大蒜、小葱检测数据含量倍数明显降低，pb，Cd超标倍数含量低于10倍，说明施用基质土的土壤对农药有降解作用，对降低重金属污染有明显作用。

六、本发明产品对牧草品质及土壤影响实验

1.探索植物基质土、活土龙微生物菌剂对退化草地植被和牧草治理方法，为今后有效提高海北地区草地治理工程提供经验和建设依据。

1.1试验选址地点及区域：海北州西海镇恰力盖天然草场(东经90°05′25″，北纬39°05′18″),试验区域面积240亩。

1.2试验时期：2019年6月-2019年10月，试验期限4个月。

1.3试验气候条件：试验区地处祁连山海晏山脉，地貌类型复杂，平均海拔3200米，高原大陆性气候,干旱多风，全年日照时数1336小时，年降水量399毫米，能满足植物生长发育所需的能量和水分需要，作物生长期间均温为8.4℃。

◇试验期间，长期阴天，光照不足，且极端天气多次出现，对试验效果带来一定影响。

1.4试验土壤：项目区土壤性质为栗钙土。

1.5试验材料：植物基质土、活土龙微生物菌剂(粉剂)。

1.6试验设计：试验设4个处理(分别为：A、B、AB、CK)，每个处理60亩。处理1(A)：本发明实施例1产品，在牧草生长期每隔15天对草地土壤撒施一次，每次50公斤，共撒施6次。

表14：植物基质土处理设计

处理2(B)：微生物菌剂，在牧草生长期每隔15天对草地土壤撒施一次，每次50公斤，共撒施6次。

表15：微生物菌剂处理设计

处理3(AB)：本发明实施例1产品与微生物菌剂每隔15天交替撒施，每次50公斤，各3次。

表16：本发明实施例1与微生物菌剂处理设计

处理4(CK)：对照组，不做任何处理。

1.7撒施过程

为保障肥效，撒施均在下午4时右左进行，在同等自然条件下，(自然降水除外)，撒施处理始期6月24日，因牧场耕作条件限制，考虑到产品撒施在地表，在裸露在地表等条件限制，产品持续期短，间隔15天撒施1次，共计6次，后5次分别为7月9日、7月24日、8月8日、8月23日、9月7日撒施，终期为9月7日，此时处理A、B草地已明显优于处理(CK)。方式为自制撒施器，撒施均匀。

表17：草地植被和牧草情况 单位：50公斤/亩

2、试验结果及分析

2.1产草量测定及分析

在牧草返青、撒施前，每个处理随机选取3个样方，每个样方大小为100cm×100cm齐地刈割，先将样品在105℃条件下杀青30分钟，再在70℃条件下烘干至恒重，称重，换算成亩产量；撒施30天、60天、90天后同样方法测定产草量。

表18施用本发明产品产草量测定(单位：K个)

表19施用微生物菌剂产草量测定(单位：K个)

表20交替施用本发明产品、微生物菌剂产草量测定(单位：KG)

2.2牧草营养成分分析

每个处理中随机选取1m

表21施用本发明产品营养成分测定

表22施用微生物菌剂营养成分测定

表23交替施用本发明产品和菌剂营养成分测定

表24对照组营养成分测定

以上表明，与对照组相比，单独使用本发明产品粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分具有明显提升，微生物菌剂和本发明产品同时使用效果不佳。

2.3土壤元素营养成分测定

每个处理取土壤表层、中土层化验土壤成分，测定N、P、K。

表25牧草营养成分分析(N、P、K)

在试验过程中，严格按照《海北地区放牧草场治理试验方案》执行，从试验检测数据来看，基质土对自然牧草的生长、抗逆、增产都优于其他制剂产品，从牧草品质的检测得知：粗蛋白比对照组提高0.8％、粗脂肪提高了14g/Kg、粗灰分提高了0.9％；从土壤成分检测得知：有机质比对照组提高了4.8g/kg、有机磷比对照组提高了2.4％，有机钾比对照组提高了48％，有机有效成分均有明显的提高，通过治理工程的实施，使草地植被和牧草生产力逐步得到恢复，试验区植被盖度由现在的30％左右提高到60％以上，优良牧草的覆盖度由治理前的40％左右提高到75％以上。综合分析，植物基质土在自然生长，无管理、无灌溉条件下撒施，能够取得优质牧草，并能够为开展“海北地区草地退化治理工程”提供经验和建设依据。

本发明经反复实地实验，其他实施例产品均取得了与实施例1-3产品相同或相似的实验结果，证明本发明产品效果显著。

七、结论

本发明产品能够有效缓解长期使用化肥、农药使根层土壤板结、残毒、贫瘠化的情况，对改良土壤、解除连作障碍、提高品质、减低残毒及增产均具有显著的效果，是改良土壤制剂上的创新，具有实际的应用和推广价值。