本发明属于土壤改良剂的技术领域，具体涉及一种改善酸性土壤的土壤改良剂及其使用方法和应用。
背景技术：
由于我国社会经济的迅速发展和环境污染治理的落后，土壤重金属污染引发的环境问题和食品安全问题日益严重。华南地区因重金属矿区分布较多，且其典型的酸性红壤特性，使其土壤重金属污染问题尤为严峻，为当地的农业高质量发展和农产品安全生产提出更大的挑战。施用土壤改良剂作为一种高效经济的调控措施，寻找适宜华南地区酸性土壤的土壤改良剂，降低蔬菜等农作物对农田土壤重金属的吸收，是保障我国农产品质量安全、农业可持续发展和居民身体健康的迫切需求。
另外，随着农林业生产的快速发展和农村城市化进程的加快，越来越多农林业有机废弃物被未经处理或利用就直接排入环境，对农产品产地土壤造成了严重的环境污染和资源浪费。而这些有机废弃物中大多含有的丰富的有机质作为重金属离子的螯合剂，对重金属表现出强烈的吸附固定能力，能使重金属的生物有效性降低，阻控植物对其的吸收累积。目前，利用农林业有机废弃物制备的生物炭作为一种新型环境多功能材料，在生物、农业、环境、能源等领域有了广泛的应用前景。如何将生物炭作为一种新型的吸附材料与其他成分制成复合材料，投入到对农业土壤环境中重金属污染物的去除，保障农产品质量安全和品质提升也日益成为一个新的研究热点。
硼作为植物生长必需的微量元素，对促进植物细胞壁形成、碳水化合物合成运输和蛋白质合成具有重要作用，而这些过程同样在植物对重金属吸收累积机理中有重要意义。蔬菜作为需硼量较大的植物，土壤硼供应不足容易发生缺硼症，增加病虫害的发生，影响产量和品质，而硼对缓解植物重金属毒害和植物重金属吸收的调控效应也逐渐引起研究者的关注。但缺硼土壤广泛分布在世界各地，在我国华南地区旱地土壤上，硼是两种最缺乏的微量元素之一。而且由于华南农田土壤偏酸性特点，土壤重金属污染问题导致的蔬菜重金属污染问题也日趋严重。随着人们的健康意识逐渐增加，对农产品质量安全和品质营养的要求不断提高。
十字花科芸薹属叶菜在广东省乃至全国和世界范围内的蔬菜生产中占有重要地位，同时也是对土壤缺硼较敏感和重金属污染风险较高的蔬菜类别。针对华南地区酸性土壤的缺硼特性和重金属污染风险较高的状况，以及芸薹属叶菜对缺硼敏感的特性，如何保障缺硼酸性土壤上的芸薹属叶菜高品质安全生产是一个亟待解决的技术问题，对有机废弃物资源的有效利用和为解决我国华南地区缺硼且重金属污染风险较高的农产品产地酸性土壤重金属污染问题，提升蔬菜品质和质量安全有重要科学意义。因此，亟需开发一种针对华南地区缺硼且重金属污染风险较高的酸性土壤进行有效改善的土壤改良剂。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种改善酸性土壤的土壤改良剂及其使用方法和应用，通过硼改性生物炭以及蚕沙有机质的结合使用，维持土壤酸碱平衡，促进土壤速效养分含量的积累和增加土壤有机质含量，降低土壤重金属的生物有效性，对促进芸薹属蔬菜生长和品质提升并降低蔬菜重金属含量具有明显效果。
本发明的技术内容如下：
本发明提供一种改善酸性土壤的土壤改良剂，所述土壤改良剂包括硼改性生物炭和蚕沙有机质；
所述硼改性生物炭的制备包括如下步骤：
1）竹质生物炭的制备：以干燥的毛竹竿和/或毛竹凋落枝叶为原料，将原料粉碎成10~20cm的小段之后，放在真空箱式气氛炉内，通入n2作为保护气，以8~12℃/min速度升温至550~650℃后恒温炭化1.5~2h，冷却至室温后，研磨粒径为通过20目筛孔的竹质生物炭颗粒；
2）硼溶液的制备：将硼砂溶入水中配置成0.5%~1%硼溶液；
3）硼改性生物炭的制备：将竹质生物炭、硼溶液和水混合，超声处理，超声频率为40~120khz，时间为1.5~2h，将超声得到的混合物经水浴蒸干、粉碎，即得到硼改性生物炭；
所述竹质生物炭、硼溶液和水的混合比例为（10~20）:（1~2）:（25~30）；
所述竹质生物炭具有来源广、比表面积大、孔隙度高、含氧官能团丰富等优点，可通过表面孔隙吸附、离子交换、改变土壤ph等物理、化学方式来改变重金属的存在形态，降低土壤中重金属的迁移性和生物有效性，最终达到土壤重金属污染修复和控制植物（如蔬菜）重金属积累的目的。生物炭通常呈碱性，是酸性土壤中良好的土壤改良剂载体，硼则可以通过对细胞壁合成、多糖代谢等过程的影响来调控作物对重金属的吸收，经过硼改性的生物质炭可以进一步改善农作物产地土壤环境和提高土壤质量安全，从而控制农作物对土壤重金属的吸收累积。
所述蚕沙有机质的制备：收集废弃的蚕叶梗、蚕粪和垫料的混合物，用水浇湿，湿度控制在35~45%，将混合物堆成条形堆或者圆形堆，高度以1.2~1.5cm为宜，用草帘或塑料布盖好；3～5d后堆内温度缓慢上升，7～8d后堆内温度可达60～70℃，及时检测温度和湿度，经20~25天内进行翻堆一次，根据需要适当加水保湿，保持湿度在35~45%，促进腐熟，翻堆之后，再过20~30天，即可全部腐熟，待自然风干后适当粉碎，即得到蚕沙有机质颗粒；
所述蚕沙作为家蚕养殖过程中幼虫排出的粪便和食剩残桑以及蚕座中的垫料混合物，含有丰富的营养物质和丰富的微生物菌群，有助于改良土壤结构，调节土壤酸碱平衡，还可以提高营养元素利用率，更能进一步有效促进作物生长，提高农作物生物量，优化营养元素在植物各部位的分配效率，提升作物品质。
本发明还提供了一种用于农作物产地土壤改良剂的使用方法，包括如下步骤：先在土壤中撒上硼改性生物炭颗粒，翻土混合均匀，待20~40天后，土壤中的重金属被充分吸附稳定之后，再撒上蚕沙有机质颗粒，使用期间控制土壤水分在饱和持水量的50%~65%，5天之后的土壤即可进行播种或移栽；
所述硼改性生物炭颗粒的使用量为25~35g/kg土壤；
所述蚕沙有机质颗粒的使用量为20~60g/kg土壤。
本发明的有益效果如下：
本发明的用于酸性土壤的土壤改良剂，使用桑蚕养殖废弃物蚕沙和毛竹林生产中的废弃竹竿及其凋落枝叶为原料，通过硼改性生物炭以及蚕沙有机质的结合使用，维持土壤酸碱平衡，促进土壤速效养分含量的积累和增加土壤有机质含量，有助于减少华南地区酸性土壤中的土壤养分损失和重金属生物有效性，有效降低蔬菜对重金属的积累；
本发明的土壤改良剂的使用方法，先撒用硼改性生物质炭，后撒用蚕沙有机质，以硼改性竹质生物炭进行基底改良土壤。生物炭疏松多孔的性质可以减少蚕沙有机质养分通过下渗淋洗等情况的损失，在保障生物炭对土壤重金属的吸附固定效果的前提下，避免了一次性将所有成分混合使用时生物炭对蚕沙中养分的吸附而效果发挥不充分的影响；并且，将其应用于芸薹属蔬菜种植的酸性重金属污染土壤中，对降低蔬菜重金属含量并促进芸薹属蔬菜生长和品质提升方面，达到了明显效果。且蚕沙来源于桑蚕养殖废弃物，对促进有机废弃物资源化利用和改善目前我国农业废弃物造成的环境污染和资源浪费问题有重要意义。本发明针对华南地区酸性缺硼土壤特性和蔬菜重金属污染风险较高的现状，有明显的改善作用。
附图说明
图1为不同处理下土壤有机质和土壤ph值的变化图；
图2为不同处理下土壤重金属镉、铅有效态含量的变化图；
图3为不同处理下菜心和小白菜的生物量的变化图；
图4为不同处理下菜心和小白菜中镉含量的变化图；
图5为不同处理下菜心和小白菜中铅含量的变化图；
图6为不同处理下菜心和小白菜中维生素c含量的变化图；
图7为不同处理下菜心和小白菜中蛋白质含量的变化图；
图8为不同处理下菜心和小白菜中硝酸盐含量的变化图；
图9为不同处理下菜心和小白菜中亚酸盐含量的变化图。
具体实施方式
以下通过具体的实施案例以及附图说明对本发明作进一步详细的描述，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
若无特殊说明，本发明的所有原料和试剂均为常规市场的原料、试剂。
实施例1
一种改善酸性土壤的土壤改良剂及其使用方法
1.硼改性生物炭的制备：
1）竹质生物炭的制备：取干燥的毛竹竿和毛竹凋落枝叶粉碎成10~20cm的小段之后，放在真空箱式气氛炉内，通入n2作为保护气，以10℃/min速度升温至600℃后恒温炭化1.5h，冷却至室温后，研磨粒径为通过20目筛孔的竹质生物炭颗粒；
2）硼溶液的制备：将硼砂溶入水中配置成0.8%硼溶液；
3）硼改性生物炭的制备：将竹质生物炭、硼溶液和水以10:1:25混合，超声处理，超声频率为80khz，时间为1.5h，将超声得到的混合物经水浴蒸干、粉碎，即得到硼改性生物炭；
2.蚕沙有机质的制备：收集废弃的蚕叶梗、蚕粪和垫料的混合物，用水浇湿，湿度控制在40%，将混合物堆成高为1.2~1.5cm条形堆，用草帘布盖好；3～5d后堆内温度缓慢上升，7～8d后堆内温度可达60～70℃，及时检测温度和湿度，经20天内进行翻堆一次，根据需要适当加水保湿，促进腐熟，翻堆之后，再过20天，即可全部腐熟，待自然风干后适当粉碎，即得到蚕沙有机质颗粒；
3.使用方法：先在土壤中撒上30g/kg土壤的硼改性生物炭颗粒，翻土混合均匀，待30天后，土壤中的重金属被充分吸附稳定之后，再撒上20g/kg土壤的蚕沙有机质颗粒，使用过程使土壤水分达饱和持水量的60%，5天之后的土壤即可进行播种或移栽。
实施例2
一种改善酸性土壤的土壤改良剂及其使用方法
1.硼改性生物炭的制备：
1）竹质生物炭的制备：取干燥的毛竹竿和毛竹凋落枝叶粉碎成10~20cm的小段之后，放在真空箱式气氛炉内，通入n2作为保护气，以8℃/min速度升温至550℃后恒温炭化1.5h，冷却至室温后，研磨粒径为通过20目筛孔的竹质生物炭颗粒；
2）硼溶液的制备：将硼砂溶入水中配置成0.5%硼溶液；
3）硼改性生物炭的制备：将竹质生物炭、硼溶液和水以15:1:25混合，超声处理，超声频率为40khz，时间为1.5h，将超声得到的混合物经水浴蒸干、粉碎，即得到硼改性生物炭；
2.蚕沙有机质的制备：收集废弃的蚕叶梗、蚕粪和垫料的混合物，用水浇湿，湿度控制在35%，将混合物堆成高度为1.2~1.5cm的条形堆，用草帘盖好；3～5d后堆内温度缓慢上升，7～8d后堆内温度可达60～70℃，及时检测温度和湿度，经22天内进行翻堆一次，根据需要适当加水保湿，促进腐熟，翻堆之后，再过25天，即可全部腐熟，待自然风干后适当粉碎，即得到蚕沙有机质颗粒；
3.使用方法：先在土壤中撒上30g/kg土壤的硼改性生物炭颗粒，翻土混合均匀，待20~40天后，土壤中的重金属被充分吸附稳定之后，再撒上60g/kg土壤的蚕沙有机质颗粒，使用过程使土壤水分达饱和持水量的60%，5天之后的土壤即可进行播种或移栽。
实施例3
一种改善酸性土壤的土壤改良剂及其使用方法
1.硼改性生物炭的制备：
1）竹质生物炭的制备：取干燥的毛竹竿粉碎成10~20cm的小段之后，放在真空箱式气氛炉内，通入n2作为保护气，以10℃/min速度升温至600℃后恒温炭化1.8h，冷却至室温后，研磨粒径为通过20目筛孔的竹质生物炭颗粒；
2）硼溶液的制备：将硼砂溶入水中配置成0.5%硼溶液；
3）硼改性生物炭的制备：将竹质生物炭、硼溶液和水以15:2:28混合，超声处理，超声频率为100khz，时间为2h，将超声得到的混合物经水浴蒸干、粉碎，即得到硼改性生物炭；
2.蚕沙有机质的制备：收集废弃的蚕叶梗、蚕粪和垫料的混合物，用水浇湿，湿度控制在35%，将混合物堆成高为1.2~1.5cm的圆形堆，用塑料布盖好；3～5d后堆内温度缓慢上升，7～8d后堆内温度可达60～70℃，及时检测温度和湿度，经23天内进行翻堆一次，根据需要适当加水保湿，促进腐熟，翻堆之后，再过25天，即可全部腐熟，待自然风干后适当粉碎，即得到蚕沙有机质颗粒；
3.使用方法：先在土壤中撒上25g/kg土壤的硼改性生物炭颗粒，翻土混合均匀，待20天后，土壤中的重金属被充分吸附稳定之后，再撒上30g/kg土壤的蚕沙有机质颗粒，使用过程使土壤水分达饱和持水量的50%，5天之后的土壤即可进行播种或移栽。
实施例4
一种改善酸性土壤的土壤改良剂及其使用方法
1.硼改性生物炭的制备：
1）竹质生物炭的制备：取毛竹凋落枝叶粉碎成10~20cm的小段之后，放在真空箱式气氛炉内，通入n2作为保护气，以12℃/min速度升温至650℃后恒温炭化2h，冷却至室温后，研磨粒径为通过20目筛孔的竹质生物炭颗粒；
2）硼溶液的制备：将硼砂溶入水中配置成1%硼溶液；
3）硼改性生物炭的制备：将竹质生物炭、硼溶液和水以20:2:30混合，超声处理，超声频率为120khz，时间为2h，将超声得到的混合物经水浴蒸干、粉碎，即得到硼改性生物炭；
2.蚕沙有机质的制备：收集废弃的蚕叶梗、蚕粪和垫料的混合物，用水浇湿，湿度控制在45%，将混合物堆成高为1.2~1.5cm的圆形堆，高度以为宜，用塑料布盖好；3～5d后堆内温度缓慢上升，7～8d后堆内温度可达60～70℃，及时检测温度和湿度，经25天内进行翻堆一次，根据需要适当加水保湿，促进腐熟，翻堆之后，再过30天，即可全部腐熟，待自然风干后适当粉碎，即得到蚕沙有机质颗粒；
3.使用方法：先在土壤中撒上35g/kg土壤的硼改性生物炭颗粒，翻土混合均匀，待40天后，土壤中的重金属被充分吸附稳定之后，再撒上50g/kg土壤的蚕沙有机质颗粒，使用过程使土壤水分达饱和持水量的65%，5天之后的土壤即可进行播种或移栽。
对比例1
空白土壤对照，不添加硼改性生物炭以及蚕沙有机质。
对比例2
对比例2为实施例1的对照组，其土壤改良剂及其使用方法中未加硼改性生物炭，其它步骤不变。
对比例3
对比例3为实施例2的对照组，其土壤改良剂及其使用方法中未加硼改性生物炭，并且其蚕沙使用量为对比例2的3倍，其它步骤不变。
对比例4
对比例4为实施例1的对照组，其土壤改良剂及其使用方法中未加蚕沙有机质，其它步骤不变。
将经过实施例1、实施例2以及对比例1~4的使用方法处理过的土壤，种植芸薹属叶菜菜心和小白菜，种植30天之后，对菜心和小白菜进行各项指标检测，结果如下：
如图1所示，为不同处理下土壤中有机质含量和土壤ph值的变化，相比对比例，经过实施例1和实施例2处理的土壤，对土壤的理化性质状况起到了明显的调节作用，通过本发明处理的土壤，使得土壤中有机质含量和ph值有所提高。
如图2所示，为不同处理下土壤中重金属镉和铅的有效态含量的变化，可见经过实施例1和实施例2处理的土壤，降低了土壤中重金属镉和铅的有效态含量，减缓了对种植作物的危害。
如图3所示，为不同处理下菜心和小白菜的生物量的变化，相比对比例，经过实施例1和实施例2处理的土壤，因土壤状况得到了改良，从而对芸薹属叶菜（菜心和小白菜）的生长状况起到了明显的促进作用，通过本发明处理的土壤，使得种植得到芸薹属叶菜可食用部分生物量明显增加。
如图4和图5所示，为不同处理下菜心和小白菜中镉含量和铅含量的变化，相比对比例，经过实施例1和实施例2处理的土壤，能够有效控制所种植的芸薹属叶菜（菜心和小白菜）的重金属含量，提升蔬菜质量安全水平。
如图6、图7、图8和图9所示，分别为不同处理下菜心和小白菜中维生素c（vc）含量、蛋白质含量、硝酸盐含量和亚酸盐含量的变化。可见，相比对比例，经过实施例1和实施例2处理的土壤，能够有效控制芸薹属叶菜（菜心和小白菜）重金属含量的同时提升蔬菜的多项品质指标。表明通过本发明处理的土壤，使得种植得到的芸薹属叶菜的vc含量和蛋白质含量增加了，硝酸盐含量和亚硝酸盐含量降低了。
1.一种改善酸性土壤的土壤改良剂，其特征在于，所述土壤改良剂包括硼改性生物炭和蚕沙有机质。
2.由权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于，所述硼改性生物炭的制备包括如下步骤：将竹质生物炭、硼溶液和蒸馏水混合，超声处理、蒸干、粉碎即得到硼改性生物炭。
3.由权利要求2所述的土壤改良剂，其特征在于，所述竹质生物炭、硼溶液和水的混合比例为（10~20）:（1~2）:（25~30）。
4.由权利要求2所述的土壤改良剂，其特征在于，所述竹质生物炭的制备为：以干燥的毛竹竿和/或毛竹凋落枝叶为原料，将原料粉碎成10~20cm的小段之后，放在真空箱式气氛炉内，通入n2作为保护气，以8~12℃/min速度升温至550~650℃后恒温炭化1.5~2h，冷却至室温后，研磨得到竹质生物炭颗粒。
5.由权利要求2所述的土壤改良剂，其特征在于，所述硼溶液的制备为：将硼砂溶入水中配置成0.5%~1%硼溶液。
6.由权利要求1所述的土壤改良剂，其特征在于，所述蚕沙有机质的制备：收集废弃的蚕叶梗、蚕粪和垫料的混合物，用水浇湿，湿度控制在35~45%，堆起发酵，3～5d后堆内温度缓慢上升，7～8d后堆内温度可达60～70℃，经20~25天内进行翻堆一次，保持湿度在35~45%，再过20~30天，即可全部腐熟，待自然风干后粉碎，即得到蚕沙有机质颗粒。
7.一种权利要求1~6任一项所述的改善酸性土壤的土壤改良剂的应用，其特征在于，所述土壤改良剂用于改善华南地区的酸性土壤及其重金属污染问题，用于芸薹属蔬菜种植土壤地重金属污染的改良。
8.一种权利要求1~6任一项所述的改善酸性土壤的土壤改良剂的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：先在土壤中撒上硼改性生物炭颗粒，翻土混合均匀，间隔20~40天，待土壤中的重金属被充分吸附稳定之后，再撒上蚕沙有机质颗粒，使用期间控制土壤水分在饱和持水量的50%~65%。
9.由权利要求8所述的土壤改良剂的使用方法，其特征在于，所述硼改性生物炭颗粒的使用量为25~35g/kg土壤。
10.由权利要求8所述的土壤改良剂的使用方法，其特征在于，所述蚕沙有机质颗粒的使用量为20~60g/kg土壤。
技术总结