于廣武，孫 偉，劉金友，李曉冰

(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑龍江哈爾濱 130102； 2.金瑪〔寬甸〕肥業(yè)有限公司 遼寧丹東 118200； 3.金瑪〔寬甸〕肥業(yè)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(nóng)業(yè)增產(chǎn)上所做出的貢獻是有目共睹的，但由于過分強調(diào)經(jīng)濟效益而忽視了生態(tài)效益、社會效益和產(chǎn)品品質(zhì)，致使我國大部分地區(qū)不同類型的土壤、空氣和地下水被農(nóng)藥、重金屬、高濃度化肥嚴(yán)重污染，生態(tài)環(huán)境遭到不同程度的破壞。尤其是土壤受到了嚴(yán)重的破壞和污染，土壤理化性質(zhì)變劣，有機質(zhì)含量顯著下降，土壤酸化、鹽堿化等現(xiàn)象嚴(yán)重，致使全國70%以上的耕地已成為低產(chǎn)土壤，水、肥、汽、熱失調(diào)，土壤團粒結(jié)構(gòu)被破壞，保水保肥能力下降。針對我國土壤污染現(xiàn)狀，根據(jù)節(jié)能減排、生態(tài)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)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(nóng)藥、重金屬、高濃度化肥所污染的土壤進行改良和修復(fù)。據(jù)此，大連金瑪硼業(yè)集團在中國科學(xué)院沈陽生態(tài)應(yīng)用研究所和中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所的技術(shù)支持下，利用生產(chǎn)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(fù)合微生物菌劑，研制開發(fā)出硼鎂鈣生物土壤調(diào)理劑。該生物土壤調(diào)理劑經(jīng)多年、多點試驗，結(jié)果顯示其對改良土壤(尤其是我國南方酸性土壤)及修復(fù)被農(nóng)藥、重金屬、高濃度化肥污染的土壤具有顯著的效果。

1 研發(fā)背景

1.1 治理環(huán)境污染的需要

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

1.2 節(jié)能減排有利于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展

生產(chǎn)硼鎂鈣生物土壤調(diào)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(yè)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(xì)粉隨風(fēng)飄散，一些可溶性的鹽類物質(zhì)隨水污染地下水和周圍農(nóng)田，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。因此，合理利用硼泥，結(jié)合腐殖酸和生物菌劑研發(fā)的硼鎂鈣生物土壤調(diào)理劑是節(jié)能減排和發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的需要。

1.3 土壤改良、修復(fù)及作物生長發(fā)育的需要

中國國土資源部在2005—2013年的調(diào)查結(jié)果顯示，全國土壤總點位超標(biāo)率為16.1%，耕地超標(biāo)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(nóng)藥和高濃度化肥等。

土壤污染危害十分嚴(yán)重，土壤污染具有隱蔽性、累積性和長期性。據(jù)統(tǒng)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(nóng)藥使用量是世界平均水平的2～3倍。除了化肥和農(nóng)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(qū)周邊情況相當(dāng)嚴(yán)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(nóng)業(yè)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(chǎn)出不同的復(fù)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(fù)合肥等?；谂鹉啾仨氝M行綜合利用才有效益這一現(xiàn)實，選擇硼泥在農(nóng)業(yè)上的開發(fā)利用是有前途的，因為硼泥所含重金屬等有害雜質(zhì)極其微量，無需提純分離，只要調(diào)整其酸堿度就可作為肥料撒施于土壤中。

調(diào)查結(jié)果表明，我國大部分地區(qū)都存在不同程度的微量元素缺乏問題，當(dāng)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(chǎn)量。根據(jù)全國第2次土壤普查數(shù)據(jù)，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(dá)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(dá)5～10億畝(1畝=666.67 m2，下同)，主要分布于東南部地區(qū)(長江中下游)和黃土高原、華北平原、淮北平原。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)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(guī)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(qū)，北方一些地區(qū)也有相當(dāng)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(qū)黃土母質(zhì)發(fā)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(nèi)陸鹽土和濱海土水溶態(tài)硼含量最高，約為23 mg/kg。根據(jù)全國第2次土壤普查數(shù)據(jù)，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(jīng)濟作物的主要生產(chǎn)地，缺硼已嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，已成為妨礙作物產(chǎn)量及品質(zhì)提高的主要限制因子。

作物的生長發(fā)育需要吸收各種營養(yǎng)，但是決定作物產(chǎn)量的是土壤中那個相對含量最小的有效植物生長因素，產(chǎn)量在一定限度內(nèi)隨著這個因素的增減而相應(yīng)變化。因存在此限制因素，即使繼續(xù)增加其他營養(yǎng)成分也難以提高作物的產(chǎn)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(yǎng)分卻沒有得到系統(tǒng)補給，尤其是我國自20世紀(jì)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(yōu)于化肥和農(nóng)家肥，具有促進蔬菜生長發(fā)育、提高產(chǎn)量和品質(zhì)、減少蔬菜病蟲害等作用，一般比等養(yǎng)分化肥增產(chǎn)10%以上。大量試驗證明，施用腐殖酸肥料的農(nóng)作物的營養(yǎng)組成、口感、甜度、維生素含量、色澤、形態(tài)等都優(yōu)于施用化肥的農(nóng)作物。生物菌劑具有促進作物生長發(fā)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(jié)合，取長補短，優(yōu)勢互補，可達(dá)到改良和修復(fù)土壤的目的。

1.4 配方合理、工藝先進

硼鎂鈣生物土壤調(diào)理劑是以硼泥粉為基礎(chǔ)原料，以硫酸為黏合劑，通過化學(xué)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(jīng)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(diào)理劑。

1.4.1 硼泥的酸化處理

主要化學(xué)反應(yīng)如下：

2MgO·B2O3·H2O+2H2SO4=2H3BO3+

2MgSO4

CaO+H2SO4=CaSO4↓+H2O

Na2O+H2SO4=Na2SO4+H2O

通過酸化反應(yīng)，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(chǎn)品pH調(diào)整至6～7范圍內(nèi)。

1.4.2 生產(chǎn)工藝

經(jīng)過對各種工藝的篩選并兼顧經(jīng)濟性，選擇了如下的生產(chǎn)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(yīng)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(fā)生了化學(xué)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(jīng)滾筒干燥機烘干后輸送至冷卻機中冷卻，最后經(jīng)篩分即得成品。

該工藝的技術(shù)特點：濕硼泥經(jīng)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(zhuǎn)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(chǎn)成本，為硼泥深加工開發(fā)利用創(chuàng)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(jù)作物在不同生長期均衡供應(yīng)養(yǎng)分。國內(nèi)同類產(chǎn)品有全水溶的和全枸溶的，全水溶的產(chǎn)品在土壤中易淋溶損失，而全枸溶的產(chǎn)品往往無法滿足作物苗期對硼、鎂的需求。

2 技術(shù)指標(biāo)

硼鎂鈣生物土壤調(diào)理劑項目投產(chǎn)以后，不僅實現(xiàn)了從硼鎂石開采到硼砂、硼酸、硼鎂肥生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，而且減輕了硼泥對環(huán)境的危害，使硼泥變廢為寶，為發(fā)展我國高新農(nóng)業(yè)起到了重要作用。硼鎂鈣生物土壤調(diào)理劑主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 硼鎂鈣生物土壤調(diào)理劑主要技術(shù)指標(biāo)

3 技術(shù)特點及肥料特性

該產(chǎn)品屬于新型肥料范疇，主要技術(shù)特點如下。

(1)堿性硼泥化學(xué)活化技術(shù)

該技術(shù)利用腐殖酸、硫酸等物質(zhì)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(yǎng)分鎂、硼、鐵、鈣、硫、硅等都是農(nóng)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(wěn)定性肥料技術(shù)

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

(3)功能性微生物肥料技術(shù)

在中微量元素型肥料中引入微生物技術(shù)，在豐富產(chǎn)品功能的同時，提高了肥料利用率，故可以減少化學(xué)肥料的使用量，并達(dá)到提高農(nóng)作物品質(zhì)的目的。

(4)堿性功能肥料生產(chǎn)技術(shù)

該肥料中富含的弱堿性物質(zhì)、有機質(zhì)、微量元素、有益微生物等能達(dá)到改良和修復(fù)被重金屬、農(nóng)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(diào)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(chǎn)生二次污染；②養(yǎng)分含量高、品種全，既含有機養(yǎng)分(有機質(zhì)、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(fù)合肥養(yǎng)分利用率12%～15%；④降低土壤酸性、培肥地力，微生物等營養(yǎng)元素可增強土壤的團粒結(jié)構(gòu)，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(fā)育；⑤肥料損失浪費少，既減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)支出，又減輕環(huán)境污染，在糧食作物相同產(chǎn)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(chǎn)增收效果顯著；⑦養(yǎng)分全，該系列產(chǎn)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(yǎng)需求的同時，可改善產(chǎn)品品質(zhì)；⑧土壤酸化會導(dǎo)致土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力下降，該產(chǎn)品可作為弱堿性肥料施用，是一種良好的土壤調(diào)理劑。

4 功能特點

(1)改良土壤

硼鎂鈣土壤調(diào)理劑為弱堿性肥料，最適合因長年使用化肥而出現(xiàn)土壤板結(jié)、酸化的地塊，連續(xù)使用該產(chǎn)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(diào)理劑。

(2)補充微量元素

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

(3)節(jié)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(chǎn)增收

硼鎂鈣土壤調(diào)理劑成本低，每畝使用25 kg就能獲得增產(chǎn)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(qū)增產(chǎn)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(diào)理劑，其效果與一次性施肥相當(dāng)。

(5)使用方便

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