CN102204436B - 一种阻抑污染农田水稻Cd/Pb吸收的土壤处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻抑污染农田水稻Cd/Pb吸收的土壤处理方法。属于环境污染治理和农产品质量安全技术领域。在Cd/Pb污染田，其Cd低于5mgkg^-1，Pb低于500mgkg^-1，在前茬作物收获后，将生物质炭土壤改良材料撒施于污染田表层，施用量为10-40tha^-1，并使之与耕层土壤充分混匀；本发明原料丰富，成本低廉，操作简单，在不影响产量情况下，有效降低糙米Cd/Pb含量，阻抑水稻Cd/Pb吸收效果显著。生物质炭土壤改良材料按40吨/公顷的用量，与不施用生物质炭土壤改良材料的处理相比，水稻籽粒Cd/Pb降低幅度在40%-50%。

Description

一种阻抑污染农田水稻Cd/Pb吸收的土壤处理方法

技术领域

本发明涉及一种Cd/Pb污染农田阻抑水稻Cd/Pb吸收，降低其籽粒积累，并且没有二次污染的土壤处理方法。

技术背景

据估计，我国受镉(Cd)、砷(As)、铬(Cr)、铅(Pb)等重金属污染的耕地面积达2000多万公顷，约占总耕地面积的五分之一。每年因土壤污染而减产粮食约1000万吨，另外还有1200万吨粮食污染物超标，两者的直接经济损失达200多亿元。据中国农业部进行的全国污灌区调查结果显示，在约140万公顷的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染土地占46.7%，中度污染占9.7%，严重污染占8.4%，其中以Cd和Hg的污染面积最大，以Cd污染最为普遍，农产品Cd污染对人体健康的风险最大，特别是对于就地消费的自耕农[龚伟群等，2006； 张良运等，2009；甄燕红等，2009]。在长江三角洲地区的某大城市周边，有近万亩连片农田受Cd、 Pb、 As、 铜(Cu)、锌(Zn)等多种重金属污染，使 10 %土壤面积不能安全生产农产品[中国科学院地学部. 东南沿海经济快速发展地区环境污染及其治理对策[J]. 地球科学进展, 2003, (4): 493-496]。在沈阳张士灌区污染面积达到1460公顷，重污染区米中含镉量达1-2 mg kg^-1，轻度污染区米中含镉量也达0.2-0.4 mg kg^-1；有许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中Cd、Cr、As、Pb等重金属含量接近或超出临界值。据农业部环境监测系统近年来的调查表明，我国24个省市城郊、污灌区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中，大田农作物污染超标的农产品种植面积为60.6万公顷，占监测调查总面积的20%；其中重金属含量超标的农产品产量与面积约占污染物超标农产品总量与总面积的80%以上，尤其是Cd、Pb、Hg和 Cu等复合污染最为突出。近年来，农田重金属环境污染和农产品污染公害事件不断出现，控制农田重金属污染和保障农产品重金属安全生产的技术已越来越成为关系国计民生的科技需求。

以往重金属污染土壤的改良和污染治理主要有两个途径：钝化修复是通过土壤施用农化产品钝化土壤重金属，从而达到减少作物吸收的目的；生物修复是通过大生物量超级累植物、土壤微生物或者土壤动物生物富集和钝化而减少土壤中有效态重金属含量，从而达到作物安全生长和减少作物潜在吸收重金属的目的。当石灰用量1.875 t ha^-1时糙米Cd含量降低30%，未达到《食品中污染物限量》，随着时间增长，其抑制水稻吸Cd的后效显著降低，成本500-930元每公顷；硅肥用量为15 t ha^-1时，水稻糙米Cd含量可分别比对照降低78.5%，糙米Cd含量降低到0.41 mg kg^-1, 未达到《食品中污染物限量》，成本1500-2500元每公顷；钙镁磷肥用量为15 t ha^-1时，水稻糙米Cd含量68.91%，达到0.15 mg kg^-1, 达到《食品中污染物限量》，成本3800-6800元每公顷，但钙镁磷肥过量施用会带来磷污染，从而会带来水体富营养化的潜在风险，并因成本、效益等问题，实际应用困难。超级累植物修复耗时长，一般至少需要几十年，甚至上百年，修复时污染农田不能进行生产，造成耕地资源搁置浪费，不符合我国农业实际。因此，寻找地成本土壤处理技术而达到污染耕地农产品安全生产是农产品产地环境保护和食物安全的根本途径。

近年来，农业废弃物生物质热裂解炭化工艺技术日益成熟[潘根兴, 张阿凤, 邹建文, 李恋卿, 张旭辉, 郑金伟. 农业废弃物生物质炭转化还田作为低碳农业途径的探讨[J]. 生态与农村环境学报, 2010, (4). 2010, 26 (4): 394-400.]，其农业应用具有固碳减排的重要作用[Afeng Zhang, Liqiang Cui, Gengxing Pan, Lianqing Li, Qaiser Hussaina, Xuhui Zhanga, Jinwei Zheng, David Crowley. Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain, China. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2010, 139(4): 469-475.]。作物秸秆、畜禽粪便、城市垃圾、污泥等有机生物质都可以采用热裂解工艺转化为生物质炭，这些农业废弃物资源量大，全国禽畜粪便年排放量约27亿吨，我国每年的农作物秸秆就有5亿多吨，其处理不但是循环经济的需要，更是避免焚烧排放和堆置的环境污染的需要，还具有自主减排的碳交易的潜在市场[张阿凤, 潘根兴, 崔立强. 水稻土施用生物质炭对土壤性质和作物产量的影响[J] . 农业环境科学学报, 2011, 出版中.]。因此，如果作为重金属污染土壤的处理剂，成本低，资源供应有保障，可收到改善土壤肥力、固碳减排和处理污染的多重效果，并且不会带来二次污染，在国际上被称为新的绿色革命技术[Taylor P., The Biochar revolution. Transforming Agriculture & Environment, 2010.]。因而，发展生物质炭环境污染土壤处理具有广泛的市场前景。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种阻抑污染农田水稻Cd/Pb吸收的土壤处理方法，

该方法是根据生物质炭土壤改良材料的重金属Cd/Pb的吸附和固定能力的研究结果，通过田间试验证明其对污染田重金属Cd/Pb的钝化效果和对水稻Cd/Pb的阻抑效果，提出施用生物质炭土壤改良材料处理重金属污染田，从而达到作物正常生长并大幅度降低作物对污染田中有毒重金属Cd/Pb吸收和籽粒积累的目的。

本发明为了实现以上目的，采用如下技术方案：

一种阻抑污染农田水稻Cd/Pb吸收的土壤处理方法，该方法步骤如下：

a. 生物质炭土壤改良材料施用方法：重金属Cd含量低于5 mg kg^-1，Pb低于500 mg kg^-1污染田，在其上季作物收获后但未灌水前，首先将污染田表层20厘米土层翻耕并打碎，并将污染田表层耙平，将污染田四周起垄20厘米，然后将生物质炭土壤改良材料按每公顷10-40吨的用量均匀的撒施在土壤表层，同时施用基肥，其用量为300 kg N ha^-1，125 kg P₂O₅ ha^-1，125 kg K₂O ha^-1，然后将生物质炭土壤改良材料和基肥与表层20厘米土壤耙匀；

b. 作物生产管理：在水稻插秧前，对步骤a所述的方法处理后的污染田进行灌溉，初次灌水2-5厘米，3-5天后将育秧田的秧苗插在此田块上，水稻生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地管理模式相同。

本专利使用的生物质炭土壤改良材料购自河南省商丘三利新能源有限公司的炭基肥料系列，由小麦秸秆生产制造。

本发明的工作原理：利用生物质炭土壤改良材料疏松多孔、碱性或微碱性，比表面积大，稳定性有机质和螯合性有机官能团丰富，对Cd/Pb吸附固定能力强的特点，用于Cd/Pb污染田处理，降低Cd/Pb活性而达到阻抑作物对污染土壤中Cd/Pb的吸收积累的目的。

本发明具有以下有益效果：

1) 施用简单，成本低廉，对环境无不良影响，实现了农业废弃物生物质循环利用；本发明施用的生物质炭土壤改良材料，有利于消纳农业废弃物生物质炭化产品，我国重金属污染农田2000多万公顷，如果按照每公顷40吨，2年施用一次，需要8亿吨，而我国农作物秸秆产生量每年7亿吨，全部炭化后生物质炭土壤改良材料产品即为2.45亿吨，有利于促进生物质炭土壤改良材料产业化生产和秸秆循环利用；

2) 水稻正常生长，产量不会受到影响，改善了土壤结构，提高了土壤有机碳库；施用生物质炭土壤改良材料土壤处理后，土壤表层有机碳含量大幅度提高了10.3%-57.0%，pH升高了0.22-0.38个单位。

    3) 阻抑水稻Cd/Pb吸收效果显著。生物质炭土壤改良材料按40吨/公顷的用量，与不施用生物质炭土壤改良材料的处理相比，水稻籽粒Cd/Pb降低幅度在40%-50%；在污染田，其重金属含量为Cd 4.83 mg kg^-1, Pb 162.23 mg kg^-1，该方法处理后水稻糙米Cd含量由不施用该处理剂的0.72 mg kg^-1降低到0.41 mg kg^-1降低了43.1%；而水稻糙米Pb含量由不施用该处理剂的0.70 mg kg^-1 降低到0.40 mg kg^-1降低了42.9%。

附图说明

图1 污染田施用生物质炭土壤改良材料后水稻产量变化图。

图2 污染田施用生物质炭土壤改良材料水稻糙米Cd/Pb含量变化图。

具体实施方式

实施例1

选取重金属全量为Cd 4.83 mg kg^-1、全量Pb 为162.33 mg kg^-1的污染农田，分成12个小区，每个小区20平方米，在其上季作物收获后但未灌水前，首先将12个小区表层20厘米土层翻耕并打碎，并将各小区土壤表层耙平，将每个小区四周起垄20厘米，然后将生物质炭土壤改良材料在其中9个小区的土壤表层上均匀的撒施，9个小区中每3个小区上的生物质炭土壤改良材料用量是一样的，分别为每公顷10、20和40吨，12个小区随机排列，同时施用基肥，其用量为300 kg N ha^-1，125 kg P₂O₅ ha^-1，125 kg K₂O ha^-1，然后将生物质炭土壤改良材料和基肥与表层20厘米土壤耙匀。

在水稻插秧前，施用生物质炭土壤改良材料的污染田进行灌溉，初次灌水2-5厘米，3-5天后将育秧田的秧苗插在此田块上，水稻生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地管理模式相同。12个小区除生物质炭土壤改良材料用量不一样以外，其它条件都一样。

污染田施用生物质炭土壤改良材料之后，水稻产量没有显著差异(附图1)。水稻糙米里面的Cd/Pb含量显著降低(附图2)。施用生物质炭土壤改良材料10、20和40吨/公顷与没施用生物质炭土壤改良材料的处理相比平均糙米Cd含量由对照的0.72 mg kg^-1，分别降低到0.59 mg kg^-1，0.48 mg kg^-1，0.41 mg kg^-1，分别下降了18.1%，33.3%和43.1%；平均糙米Pb含量由对照的0.70 mg kg^-1，分别降低到0.60 mg kg^-1，0.40 mg kg^-1，0.43 mg kg^-1，分别下降了14.3%，42.9%和38.6%。生物质炭土壤改良材料与常规改良剂相比，原料易得，成本低廉，对环境无不良影响，而且还为农业废弃物找到了很好的解决途径。

Claims (1)

1.一种阻抑污染农田水稻Cd/Pb吸收的土壤处理方法，其特征在于该方法步骤如下：

a. 生物质炭土壤改良材料施用方法：重金属Cd含量低于5 mg kg^-1，Pb低于500 mg kg^-1污染田，在其上季作物收获后但未灌水前，首先将污染田表层20厘米土层翻耕并打碎，并将污染田表层耙平，将污染田四周起垄20厘米，然后将生物质炭土壤改良材料按每公顷10-40吨的用量均匀的撒施在土壤表层，同时施用基肥，基肥的用量为300 kg N ha^-1，125 kg P₂O₅ ha^-1，125 kg K₂O ha^-1，然后将生物质炭土壤改良材料和基肥与表层20厘米土壤耙匀；

b. 作物生产管理：在水稻插秧前，对步骤a所述的方法处理后的污染田进行灌溉，初次灌水2-5厘米，3-5天后将育秧田的秧苗插在此田块上，水稻生长期间的追肥、灌溉管理与植保措施与当地管理模式相同。

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