用潜在资源提取有效态元素研究(J).doc

用潜在资源提取有效态元素研究毕坤 林极峰 兰 辛 项世军(贵阳市食品生物工程研究所)地质工作为贵州寻找了大量的磷、硫、钾、天然气、地下水，以及防治地质灾害等作出了贡献。在有关单位的支持下，在地质为农业服务中，开拓了地质生态农业工作。近年来得到贵阳市科学技术委员会的资助，利用丰富的岩石潜在资源，对其中的矿物元素进行开发性研究，研制出以硒为代表的多元素复合添加剂，为贵州农业生产增添了一个新的矿物肥源。1 潜在资源的概念 笔者在地质生态农业的研究中，对矿物元素的内涵作了说明，它是地质环境中的基本物质，是地质资源的核心。为了开发利用该资源，在此对潜在资源的含义说明如下：潜在资源，是指矿物或者元素的品位和开采厚度达不到工业大规模开采利用的资源。广义地说组成岩石地质体的矿物成分，凡是能供给农作物生长的目前尚未开发的矿物元素统称潜在资源。本研究就是利用未开发的岩石，或者是已经开发的矿渣所含的矿物元素，用化学方法进行快速提取，研制达到农作物生长动态平衡所需要的最佳元素含量，供农作物生长之需，让农产品达到最佳质量效应。2 岩石中的潜在资源量 贵州不同时代地层中的岩石，经岩石矿物地球化学评价，选择矿物元素B、K、P、Zn、Mn、Ni、Mo、V、Ba、Se、S、Sr、La、Ce、Si、A1、Mg、Ca等含量最丰富的岩石，据调查资源量十分丰富，可上百亿吨，是贵州农业可持续发展的重要资源。3 有效态元素添加剂研制的原理31 提取有效态元素的科学依据 地质与农业有密切的关系，其核心问题是地质地球化学与生物地球化学在地质生态农业中的动态平衡，也就是岩石、土壤中矿物元素与农作物中矿物元素的动态平衡关系，它涉及生命动力的问题。什么是生命的动力，宗教说认为，上帝创造了世界，恩赐了生命；外星说认为，生命来自以外星；自然说认为，生命来自以化学演化(恩格斯)；群子说认为， 自然界统一于Mndeleef元素群，但并不是所有的元素，而是与水分子络合的若干种高能态离子群，它们是非生命变成有生命的最重要、最深层次的动力。金日光先生(2001年)介绍了八种类型的生命相关含水离子群，认为高能态化的生命动力元素络合离子，对生态、对农作物有特殊的丰产效果，所以生产丰产动力元素是高科技发展我国优质高产高效农业的根本出路。 1995年以来，我们经过对不同岩石组合及稀土矿中的矿物元素进行提取试验，初步探索出了提取方法，提取的有效态元素溶液，喷施烤烟获得了一定的增产效果。1996年系统研究了贵州茶叶的矿物元素含量，掌握了地质环境中的矿物元素与茶叶品质的关系。1999年开阳富硒大米的问世，进一步验证了富硒大米中的硒元素来自富硒地质环境。以上工作提示了岩石中的矿物元素是补偿农作物生长主要场所，但是自然生态环境中矿物元素的转化力度较为有限，应该采起人工的方法，使岩石中的矿物元素快速转化为农作物容易吸收有效态元素溶液，促进农作物的生长，提高农产品的质量。在此情况下，建议贵阳市科委资助立项进行研究，得到贵阳市科委的支持，经过两年的研究，获得了本研究成果。2001年8月在昆明召开的农业地质学术交流会上，得到了“农土缺乏生命动力源(素)”的资料，说明本研究与高科技的生命相关含水离子群丰产动力元素研究方法和研究结果相类似，为本研究的科学性找到了深层次的科学道理，所以本研究也应该属于高科技的范围。有效态元素添加剂的研究成功，为贵州农业可持续发展增添新的动力，对我省丰富的含钾岩石、海绿石及其他农业地质资源的开发利用，脆弱喀斯特生态农业环境中788的中低产田改造，发展优势特色农业将起到积极的作用。 矿物元素是生物生长必需或不可缺少的元素，它们都来自地质环境。应用地质与农业结合的地质生态农业科学原理，地质环境是控制农作物生长质量的内在先决条件，农作物对地质环境有很强的依赖性、选择性、适应性，优质农产品有“易地而竭，隔界不长”的规律，地质环境是农业产业结构调整中因地制宜的“地”宇的具体体现。在地质生态农业科学的指导下，根据我省富硒副锌大米及优质农产品开发的实践，结合贵州岩石大部分呈裸露状态得天独厚的地质地理条件，用人工的方法，将岩石中的常量元素、微量元素释放出来，成为供应农作物生长的添加剂。为了加速矿物元素资源库的转化，根据它们的物理化学性质，用最科学的方法，将岩石矿物中的元素最大限度地转化为可溶态，或者转化为容易溶解的物质，供农作物生长吸收。贵州富硒、富锌农产品的开发，推动了从岩石矿物中提取有效态元素的工作，在贵阳市科学技术委员会的资助下，经过两年的科技攻关，已将岩石中的矿物元素，转化成为农作物生长需要的液体肥料，农田种植试验的结果，能增加产量提高品质，尤其对农产品质量的提高效果显著，对进行综合平衡施肥，发展优质农产晶生产有较大的作用。32 有效态元素添加剂研制的原理 在自然条件下矿物元素的迁移形式有空气迁移、水迁移、生物迁移。影响转化的因素受原子化学键、电价、电负性、离子半径、环境pH值、氧化还原电位(Eh)、土壤胶体、腐殖酸、水、二氧化碳及其他元素的协同和拮抗作用等，转化过程较为复杂，但是仍然脱离不了它的基本转化过程。以方硒锌矿(ZnSeS)为例介绍其转化过程。 ZnSeS+6O2ZnO+SeO3十SO2 在不同的介质中 H2SeSe十2H+2e Se2Se十2e 然后 Se+6(OH)Se32-+3H2O+4e Se32-+2(OH-1)SeO2+H2O十2e 由此再转化为硒酸盐 Se42-十2H2O+2eH+SeO3+3OH 2H2SeO3十O22H2SeO4 其他矿物元素如Ca、Mg、P、K、Si、Mo、Se、B、V、Fe、Zn等能溶解在不同的介质中。本项目从以上硒的转化原理，用贵阳市开阳县含硒的岩石资源中，同时进行元素整体浸取，所以在溶液中凡能溶解的元素，都有一定的浓度存在溶液之中，这就是有效态元素复合添加剂制作的科学原理。4 有效态元素的浸取试验41 试验材料 开阳县禾丰地区矿物元素丰富的岩石岩粉，化学试剂，容器，加工设备等。42 工艺流程 如图1。其中的SNP催化剂是本试验配制的特殊的专用催化剂。43 实验结果 本实验经过一年多的工作，反复进行多次试验，逐步探索了一套比较理想的工艺流程，研制成功有效态元素添加剂，其中硒元素的浸出率从2，主要来自地质环境、大气层和人工补给的尿素、氨氮、有机肥料。磷 磷的主要作用在于促进光合作用及参与细胞核蛋白、淀粉素、糖脂、磷脂等的重要成分，是植物内能量(ATP)代谢、碳水化合物代谢、氮代谢等物质运移的媒体，磷供应不足，以上作用将受到阻碍，并会降低氮和磷的吸收。锌 锌也是人体必需的微量元素之一，具有重要的生理功能，它参与细胞的构成，可促使细胞的分裂、生长和繁殖。医学研究表明，锌的主要表现为：促进核酸和蛋白质合成，有利于儿童生长发育、提高智商水平和加速创伤组织愈合；提高超氧化物歧化酶(SOD)的活性，增强细胞膜的稳定性，从而起到抗衰老、抑制肿瘤发生的作用等等。缺锌对生长发育期儿童影响最为突出，锌有提高智商水平和学习能力作用，故人们把锌誉为智慧元素。在植物生长中是伸长生长的必须元素，是促进蛋白质、乳酸氢酶、谷氨酸脱氢酶的组成部分，并参与光合作用。硒 硒是人体必需的微量元素，它是谷胱甘肽过氧化酶GSHPx的必需成分，在提纯的酶中，硒含量为4molSelmol酶。硒的主要生理功能是通过GSHPx保护机体免受氧化损害。硒同样是农作物必需的微量元素，硒的抗氧化作用的功能实用于农作物，农产品中硒的含量在生物景观界限指标和限量指标之内，对提高人体的免疫能力，防治心血管疾病、预防衰老，延年益寿等有重要的保健作用，被人们称为生命元素。富硒农产品是人体补充硒的最加选择。钙 钙是农作物细胞壁的组成部分，细胞壁中的钙盐属偏碱性，对细胞壁溶液的酸碱度有调节作用，能影响化学成分的酸碱平衡，属偏碱性金属的作用。碳酸盐岩地区岩石中富钙，因溶解流失土壤中则贫钙，农作物得不到充分的补偿，往往农产品缺钙。镁 镁与钙一样属于偏碱性元素，它是农作物叶绿素及碳水化合物转化酶的重要组成部分，可占叶绿素的2，缺镁叶绿素难以形成，它的存在还将提高磷酸化酶的活性。镁和钙一样土壤中一般贫镁，农产品也存在缺乏镁的问题，在喀斯特地区应该补充镁和钙。硅 农作物细胞壁的组成部分，在有机体内的平均含量为02，水稻属于喜硅作物，补充硅可以提高水稻的产量和质量。铝 铝的生理作用目前还不完全清楚。由于它的化学反应性强，能与许多无机物和有机物组成络合物，能改变土壤的酸碱度，高浓度的铝能抑制Mg、Fe、Zn、Mo元素，低浓度的铝能积累N、K、B、Mn元素，起拮抗和协调作用。农作物对铝吸收的宽容度比较大，一般不会产生中毒现象。铁 能促进农作物叶绿素的形成，缺铁时叶绿素形成受阻，另外铁与酶的形成有关。锰 锰也能参加叶绿素的形成，同时是许多酶的活化剂及部分酶的辅基成分，缺锰会引起缺绿症并影响氮素代谢和光合作用。硼 硼是植物的必需元素，对植物体的糖代谢起主要作用。植物对硼的需要量比较大，土壤中的硼应该小于110-6，可溶态的含量一般为0.04ml/l，适量的硼可促进生物的生长，过量的硼则引起中毒。钼 钼是生物必需的微量元素。钼有促进植物生长的功能，对作物施以钼酸氨肥料可提高其产量，尤其是对豆科作物。钼能缓解镉中毒症状，在硝酸盐含量高的地区，钼能使硝酸盐氧化，促使植物体内氮的代谢。另外植物合成蛋白质需要钼，铜能缓和钼过量，反过来钼能缓解铜过量，实量的铜和钼结合可以使农作物获得丰收。钒 钒是生物的必需元素，实量的钒有利于脂肪的代谢和胆骨醇的分解。汞、铅、砷、镉 目前一般认为它们属于有害元素，一提到这几个元素就产生望而生畏的感觉。它们在地壳中的存在，是生态平衡的表现，而且是重要的金属矿物，有很高的利用价值。在生态环境中只要不超过一定的含量，对生物都是有益的物质，由于研究不够它们的有益之处未被发现，一旦发现会对人类作出贡献，如目前研制砒霜治剂可以治疗癌症。过量的汞、铅、砷、镉的确存在严重的危害，在开发利用它们的同时，必须进行严格的环境监测，做好环境保护，控制这几个元素的限量指标。以上讨论了十八个元素在生物中的功能，可以说明它们在农作物生长中，以整体性、组合性、多元性、平衡性、特殊性参与农作物生长，都有各自的作用，缺少一个元素及其含量不足或者过剩，都影响农作物生长。其他元素不再列举。53 配制方法用甲溶液和乙溶液按一定的比例混合，再经过SNP催化剂催化，将其调整为pH值57的中偏酸性溶液，制成有效态元素添加剂溶液，提供农业生产作农作物叶面喷施或根施用，它符合农业部门提出的综合平衡施肥的办法。54 多元素有效态添加剂是一种无污染的绿色产品本产品严格按照农作物对矿物元素要求的界限指标和限量指标制作，溶液和残渣全部回收，为无污染的零排放工程，不危害生态环境。6 有效态元素添加剂的农作物种植试验效果61 叶面喷施或根施的用量按照常规叶面喷施方法，以叶面上不滴水为原则，根据单位体积添加剂中硒元素的浓度，加水配制成3050Kg溶液，供一亩土地的农作物施用。62 喷施次数在农作物旺长期、挂果前和挂果后各喷施一次为宜，喷后观察农作物长势，视情况减少喷施次数，切勿过量喷施。如果发现农作物有损伤、枯萎等不良现象，则停止使用。63 喷施效果农作物的种植试验，对水稻、玉米、烤烟、水果、蔬菜等进行了喷施试验，对农产品的色、香、味、形产生了明显的效果。在开阳县城关镇试验种植了玉米、苤蓝、茄子。玉米喷施后比不喷施的叶子多长2叶一心，杆粗壮，叶墨绿。喷施两次的苤蓝个大，水分多，吃味回甜，纤维细肉嫩，四个苤蓝的重量304361g。不喷施的苤蓝个小，水分少，吃味微苦辣，纤维粗，和喷施相同大小的苤蓝重量为240297g。贵阳市修文县小河沟苹果的试验，也取得了和苤蓝类似的效果。乌当区林业局张学仁提供的资料，喷施枇杷的果大，水分多，甘甜，比不喷施的枇杷好吃。水稻、烤烟、玉米、葡萄、桃子、辣椒等正在试验之中。目前得到的试验结果，农产品的感官质量明显提高，已体现了它的功效。至于各种元素在农作物中的含量及对农产品质量的影响，需等农作物秋收全部样品测试分析结果，再分析矿物元素与农产品质量的关系。64 有效态元素添加剂的安全性添加剂为pH值57的中偏酸性溶液，应用结果农作物都茁壮成长，未发现伤害农作物的现象。其中Se、K、P、Mo、V、Sr、Zn、La、Ce含量丰富，限量元素Hg、Pb在限量指标以内，As、Cd、Cr元素对农作物不会产生过量的中毒病症。所以只要不过量喷施，有效态元素添加剂都具有安全性。农作物生长过程中有选择矿物元素吸收量的特性，一般不会过量吸收有害元素。经过农作物正常生长得到的农产品，其矿物元素进入人体后，更具有安全性和可靠性。65 有效态元素添加剂的广谱性从目前使用的情况，多元素有效态添加剂的应用范围广泛，实用于各种农作物的生长，本试验将进一步加大试验力度，扩大应用范围，验证它的广谱性。7 有效态元素添加剂的经济、社会、环境效益71 经济效益有效态元素添加剂是本研究开发生产的天然以硒为代表的多元素新型矿物肥料。该产品工业化生产成本比较低，以每亩土地喷施3050kg需要量的材料计算，估计一定浓缩的添加剂每亩地用量的销售价格30元左右，比贵阳生产的“生长素”和“喷施宝”价格低，效果好。每年生产20万亩用量的有效态元素添加剂，产值可达到600万元左右，直接经济效益相当可观。72 社会效益(1)目前我省开发的富硒大米，市场价格为每公斤6元，比当地普通大米每公斤1.4元升值四倍，附加值每公斤增加4.6元，亩产500kg富硒大米，制成250kg优质富硒大米，产值1150元，200kg普通大米，产值280元，合计每亩产值1430元，比每亩普通大米产值700元增加一倍，产生了社会效益。如果用20万亩耕地进行产业化生产优质大米，形成品牌效应，每年增加产值1.4亿元，农民将得到比较大的实惠，地方财政也将得到较大收入。(2)目前已经种植试验的水果、蔬菜，一般都能达到优质农产晶、绿色产品的水平，销售应该以质论价，生产者将增加经济收入。如今年乌当一果园种植的富硒优质枇杷，果园价为36元kg，供不应求。市场上销售的无公害蔬菜，价格比普通蔬菜的附加值高。(3)有效态元素添加剂的应用效果如能得到认可，可以减少对其他化肥的购买量，降低农民的生产成本，对农民产生社会效益。73 环境效益(1)有效态元素添加剂本身是对环境无污染的产品，能保证生产更多的优势特色绿色产品和保健产品。(2)贵州被称为脆弱的喀斯特生态环境，主要表现在土层薄、矿物元素交换能力差，土地贫瘠，导致我省中低产田比例很大，使用有效态元素添加剂能改变我省中低产田农作物的产量和质量，促进农业产业结构调整，加强喀斯特生态环境建设，产生环境效益。8 结 论利用贵州岩石中丰富的矿物元素资源，生产以硒为代表的有效态元素添加剂，试验已经成功，获得了一套浸取方法和建立了工艺流程，制定了有效态元素浓度的技术经济指标，其他元素都有一定的浸取率，是一种安全性比较好的绿色环保产品。经过多次试验配制成功的有效态元素添加剂，它的特点有：原料为资源丰富的达到或者达不到工业要求的岩石矿物；经过科学的 简单工艺流程生产而成；富含生物生长必需的硒元素，硒的含量达到生物生长的界限和限量技术经济指标；含有