硼鎂鈣生物土壤調理劑的研究與開發

于廣武，孫 偉，劉金友，李曉冰

(1.中國科學院東北地理與農業生態研究所 黑龍江哈爾濱 130102； 2.金瑪〔寬甸〕肥業有限公司 遼寧丹東 118200； 3.金瑪〔寬甸〕肥業有限公司駐東北辦事處 黑龍江哈爾濱 150081)

改革開放以來，化肥在我國農業增產上所做出的貢獻是有目共睹的，但由于過分強調經濟效益而忽視了生態效益、社會效益和產品品質，致使我國大部分地區不同類型的土壤、空氣和地下水被農藥、重金屬、高濃度化肥嚴重污染，生態環境遭到不同程度的破壞。尤其是土壤受到了嚴重的破壞和污染，土壤理化性質變劣，有機質含量顯著下降，土壤酸化、鹽堿化等現象嚴重，致使全國70%以上的耕地已成為低產土壤，水、肥、汽、熱失調，土壤團粒結構被破壞，保水保肥能力下降。針對我國土壤污染現狀，根據節能減排、生態農業和農業可持續發展的需要，我國政府適時推出了“減肥增效”“化肥使用量零增長”“一控兩減三基本”等政策，以期對被農藥、重金屬、高濃度化肥所污染的土壤進行改良和修復。據此，大連金瑪硼業集團在中國科學院沈陽生態應用研究所和中國科學院東北地理與農業生態研究所的技術支持下，利用生產硼砂的廢棄物硼泥、低品位硼鎂礦石、高品位腐殖酸和有益復合微生物菌劑，研制開發出硼鎂鈣生物土壤調理劑。該生物土壤調理劑經多年、多點試驗，結果顯示其對改良土壤(尤其是我國南方酸性土壤)及修復被農藥、重金屬、高濃度化肥污染的土壤具有顯著的效果。

1 研發背景

1.1 治理環境污染的需要

據調查，目前我國生態環境惡化，耕層土壤被鉛、砷、汞、鎘、鉻等重金屬及農藥和高濃度化肥嚴重污染。“綠色和平”環保組織于2011—2012年間委托中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所對山東濰坊和廣東廣州周邊2個典型農區的土壤、水和大氣環境進行采樣調查，共采集了55個土壤樣品、42個水體樣品以及兩地持續30 d的空氣樣品，并對180種農藥殘留進行了檢測，結果顯示：所有土壤、水和空氣樣品中均含有百種以上的農藥；廣州周邊稻田土檢出農藥126～145種，蔬菜地檢出農藥125～144種；山東濰坊蔬菜地檢出農藥123～146種，小麥地檢出農藥122～134種；在地表水和地下水樣品中，廣州周邊檢出農藥131～139種，濰坊檢出農藥127～142種；空氣中也有大量農藥殘留，廣州周邊地區空氣中檢出144種農藥，山東濰坊蔬菜基地空氣中檢出農藥127～142種。檢測結果證明，農藥在土壤和水體中殘留濃度較高。

1.2 節能減排有利于生態農業的發展

生產硼鎂鈣生物土壤調理劑的主要原料是硼泥、腐殖酸和生物菌劑。硼泥是我國遼寧省硼工業的主要廢棄物，全省硼泥存量在20 000 kt左右。硼泥呈堿性，pH在9～10，所堆放之處寸草不生，不僅占用大量耕地，而且表面干燥的細粉隨風飄散，一些可溶性的鹽類物質隨水污染地下水和周圍農田，嚴重影響了當地的生態環境。因此，合理利用硼泥，結合腐殖酸和生物菌劑研發的硼鎂鈣生物土壤調理劑是節能減排和發展生態農業的需要。

1.3 土壤改良、修復及作物生長發育的需要

中國國土資源部在2005—2013年的調查結果顯示，全國土壤總點位超標率為16.1%，耕地超標率為19.4%。在造成土壤污染的各種原因中，包括工廠的有毒廢棄物的排放、污水灌溉、過度使用農藥和高濃度化肥等。

土壤污染危害十分嚴重，土壤污染具有隱蔽性、累積性和長期性。據統計，我國耕地面積不足世界的10%，卻使用了全世界近40%的化肥；我國單位面積耕地的農藥使用量是世界平均水平的2～3倍。除了化肥和農藥的濫用，近年來糧食重金屬污染事件屢見報端，全國耕地重金屬污染面積在16%以上，其中在大中城市、工礦區周邊情況相當嚴重。

硼泥中的主要組分鎂、硼、鐵、硅、鈣等都是植物生長所需的中微量元素和有益元素，特別是我國大部分耕地屬缺硼的土壤，對硼的潛在需求量很大，而我國又是一個硼資源不豐富且分配不均的國家，因此硼泥作為農業上的微肥來源之一具有廣闊的前景。通過對硼泥的深加工利用，可以生產出不同的復合微量元素肥料，如硼鎂磷肥、硼鎂肥、硼鈣鎂磷肥、硼鉀鎂鋅肥及含硼復合肥等。基于硼泥必須進行綜合利用才有效益這一現實，選擇硼泥在農業上的開發利用是有前途的，因為硼泥所含重金屬等有害雜質極其微量，無需提純分離，只要調整其酸堿度就可作為肥料撒施于土壤中。

調查結果表明，我國大部分地區都存在不同程度的微量元素缺乏問題，當作物的正常生長代謝己受到微量元素缺乏的影響時，施用微肥能促進作物生長、提高產量。根據全國第2次土壤普查數據，南方酸性土壤中硼、鎂、鈣、鉬的含量都非常低，而北方堿性土壤缺鐵、鋅、錳、鈣等中微量元素，我國缺少微量元素鐵、銅、鉬、硼、錳、鋅的耕地面積分別達5.0%、6.9%、21.0%、46.8%、34.5%和51.5%。

在所有微量元素中，缺硼最普遍，全國缺硼耕地面積多達5～10億畝(1畝=666.67 m2，下同)，主要分布于東南部地區(長江中下游)和黃土高原、華北平原、淮北平原。據有關資料統計：我國土壤全硼含量在0～500 mg/kg，平均為64 mg/kg；我國土壤全硼含量大致分布規律是由北向南、由西向東呈逐漸降低的趨勢。我國缺硼土壤主要分布于南方紅壤區，北方一些地區也有相當面積的土壤硼素不足。南方紅壤有效硼含量最低，變幅為痕量～0.58 mg/kg，平均含量為0.14 mg/kg；西北地區黃土母質發育的幾種土壤雖然全硼含量高，但有效硼含量較低，平均含量為0.29 mg/kg；內陸鹽土和濱海土水溶態硼含量最高，約為23 mg/kg。根據全國第2次土壤普查數據，貴州、四川、湖北、湖南、安徽、江蘇、江西、云南、河南、陜西、廣東、福建、廣西、吉林、河北、山東、山西等的耕地缺硼比例均大于60%。在油菜、棉花、花生、果樹、蔬菜等高需硼經濟作物的主要生產地，缺硼已嚴重制約當地農業生產的發展，已成為妨礙作物產量及品質提高的主要限制因子。

作物的生長發育需要吸收各種營養，但是決定作物產量的是土壤中那個相對含量最小的有效植物生長因素，產量在一定限度內隨著這個因素的增減而相應變化。因存在此限制因素，即使繼續增加其他營養成分也難以提高作物的產量。近100多年來，氮、磷、鉀化肥的施用量急劇增加，而隨作物帶走的中微量元素養分卻沒有得到系統補給，尤其是我國自20世紀80年代從美國大量進口磷酸二銨之后，全國土壤中磷積累過剩，致使土壤中氮不足、磷過剩、鉀極缺，鎂、硅、硼和鋅亟需補充。

腐殖酸肥料是近年來深受歡迎的新型肥料，其肥效優于化肥和農家肥，具有促進蔬菜生長發育、提高產量和品質、減少蔬菜病蟲害等作用，一般比等養分化肥增產10%以上。大量試驗證明，施用腐殖酸肥料的農作物的營養組成、口感、甜度、維生素含量、色澤、形態等都優于施用化肥的農作物。生物菌劑具有促進作物生長發育、防病抑病、提高肥料利用率、活化土壤益生菌等功能，將硼泥(中微量有益元素)與腐殖酸、生物菌劑有機結合，取長補短，優勢互補，可達到改良和修復土壤的目的。

1.4 配方合理、工藝先進

硼鎂鈣生物土壤調理劑是以硼泥粉為基礎原料，以硫酸為黏合劑，通過化學法直接在圓盤中造粒成型，然后通過撲粉工藝使微生物菌劑(液)與腐殖酸的混合物均勻黏附在顆粒表面，再經滾筒干燥機烘干而制得的一種具有多重功效的生物肥料或土壤調理劑。

1.4.1 硼泥的酸化處理

主要化學反應如下：

2MgO·B2O3·H2O+2H2SO4=2H3BO3+

2MgSO4

CaO+H2SO4=CaSO4↓+H2O

Na2O+H2SO4=Na2SO4+H2O

通過酸化反應，有效微量元素硼、鎂、鈣被解離出來，除了鈣為微溶外，硼和鎂是完全水溶的。控制硫酸的濃度和用量，將產品pH調整至6～7范圍內。

1.4.2 生產工藝

經過對各種工藝的篩選并兼顧經濟性，選擇了如下的生產工藝。

(1)酸化中和

濕硼泥投入雙軸混合機中，加入一定量的濃硫酸，使硼泥中的硼、鎂酸化分解并釋放出熱量。此過程應控制酸化程度，使部分氧化鎂形成一水硫酸鎂，硫酸用量為理論用量的20%～30%。

(2)硼泥硬化

攪拌一定時間后，放料并堆放于空地，待水分完全逸出后，硼泥開始硬化并自然干燥成塊。

(3)硼泥粉碎

粉碎酸化硼泥塊，此時塊狀硼泥中的有效成分(硼、鎂)已發生了化學變化，一部分已成為可溶性。

(4)酸化造粒

粉碎后的干粉以稀硫酸為黏合劑，在圓盤中造粒成型，然后通過撲粉工藝使微生物菌劑(液)與腐殖酸的混合物均勻黏附在顆粒表面，再經滾筒干燥機烘干后輸送至冷卻機中冷卻，最后經篩分即得成品。

該工藝的技術特點：濕硼泥經酸化處理后無需干燥即可得到硼泥干粉；以稀硫酸為黏合劑對干粉造粒，無需干燥即可得到強度很高、游離水含量很低的顆粒硼鎂肥成品；從濕硼泥酸化到以稀硫酸為黏合劑造粒，2個過程對硼的酸解率在65%左右，其中的鎂轉化為一水硫酸鎂。

由于在制造顆粒時采用了免干燥工藝，無燃煤消耗，降低了生產成本，為硼泥深加工開發利用創造了條件。顆粒硼鎂肥在使用過程中也非常方便，只要與大量元素肥料按比例混合均勻，人工或隨機基施于土壤中即可。由于顆粒硼鎂肥有效成分的65%左右是速效的，其余是緩效的，這就決定了此肥料具有長效性，可根據作物在不同生長期均衡供應養分。國內同類產品有全水溶的和全枸溶的，全水溶的產品在土壤中易淋溶損失，而全枸溶的產品往往無法滿足作物苗期對硼、鎂的需求。

2 技術指標

硼鎂鈣生物土壤調理劑項目投產以后，不僅實現了從硼鎂石開采到硼砂、硼酸、硼鎂肥生產的完整產業鏈，而且減輕了硼泥對環境的危害，使硼泥變廢為寶，為發展我國高新農業起到了重要作用。硼鎂鈣生物土壤調理劑主要技術指標如表1所示。

表1 硼鎂鈣生物土壤調理劑主要技術指標

3 技術特點及肥料特性

該產品屬于新型肥料范疇，主要技術特點如下。

(1)堿性硼泥化學活化技術

該技術利用腐殖酸、硫酸等物質部分活化堿性硼泥中的有益元素，使其能夠被作物直接吸收利用，即水溶速效成分。其主要養分鎂、硼、鐵、鈣、硫、硅等都是農作物所必需的有益中微量元素，所以具備了速效型中微量元素肥料的特點。

(2)穩定性肥料技術

該技術將長效復合肥添加劑(NAM)加入顆粒中，使其轉變成具有提高肥效作用的長效劑，并與復合肥配合使用，能使氮養分的釋放與作物對養分的需求相適應，減少氮的流失，提高氮的利用率；同時磷養分被活化，可提高磷的利用率，進而提高氮、磷、鉀養分利用率和肥效。

(3)功能性微生物肥料技術

在中微量元素型肥料中引入微生物技術，在豐富產品功能的同時，提高了肥料利用率，故可以減少化學肥料的使用量，并達到提高農作物品質的目的。

(4)堿性功能肥料生產技術

該肥料中富含的弱堿性物質、有機質、微量元素、有益微生物等能達到改良和修復被重金屬、農藥和高濃度化肥污染的土壤的目的。

因此，硼鎂鈣生物土壤調理劑具備了新型和多功能肥料的特性：①完全利用硼泥，使之變成有效的肥料，不產生二次污染；②養分含量高、品種全，既含有機養分(有機質、腐殖酸等)，又含中微量元素、有益元素，還含五大菌群微生物，適合于各種作物種植施用；③肥效高，可提高氮利用率10%、磷利用率5%、復合肥養分利用率12%～15%；④降低土壤酸性、培肥地力，微生物等營養元素可增強土壤的團粒結構，提高土壤的透氣性、保水性和保溫性，有利于作物茁壯生長發育；⑤肥料損失浪費少，既減少農業生產支出，又減輕環境污染，在糧食作物相同產量情況下，可減少氮肥或磷肥用量各20%左右，還可減少氮氧化物的排放，其中N2O排放量可減少64.7%；⑥作物活稈成熟，增產增收效果顯著；⑦養分全，該系列產品可分為中微量元素型底肥、追肥、口肥，在滿足作物對各種營養需求的同時，可改善產品品質；⑧土壤酸化會導致土壤質量和生產力下降，該產品可作為弱堿性肥料施用，是一種良好的土壤調理劑。

4 功能特點

(1)改良土壤

硼鎂鈣土壤調理劑為弱堿性肥料，最適合因長年使用化肥而出現土壤板結、酸化的地塊，連續使用該產品2年以上，可基本消除因酸性土壤對作物所造成的各種危害，是理想的降酸、補充有益微生物的土壤調理劑。

(2)補充微量元素

因生產過程中造粒工藝獨特，硼鎂鈣土壤調理劑中的鎂、硼、鋅等微量元素在成粒時全部成為螯合狀態，這些中微量元素被作物吸收后能促進作物的生長發育，提高抗逆性，促進作物提早成熟5～7 d。

(3)節省肥料

在微生物的作用下，可活化土壤，能減少大量元素肥料的使用量，尤其是磷肥的使用量可減少20%以上，氮肥和鉀肥使用量可減少5%～10%。

(4)增產增收

硼鎂鈣土壤調理劑成本低，每畝使用25 kg就能獲得增產10%以上的效果，對于喜硼、喜鋅的作物(如油菜、大豆、花生、水稻等)效果更佳，在中微量元素缺乏地區增產率還可進一步提高。若播種時沒有一次性深施肥，可在早期追肥時使用硼鎂鈣土壤調理劑，其效果與一次性施肥相當。

(5)使用方便

硼鎂鈣土壤調理劑可與復合(混)肥料任意混拌，常溫下不潮解、不板結、不粉化，更適合機械化播種。