CN102974606B

CN102974606B - 可降低稻米镉累积的土壤调理方法

Info

Publication number: CN102974606B
Application number: CN 201210570480
Authority: CN
Inventors: 刘昭兵; 纪雄辉; 谢运河; 彭华
Original assignee: HUNAN SOIL AND FERTILIZER INST
Current assignee: Hunan Yufeng Agricultural Ecological Engineering Co., Ltd.
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN102974606A

Abstract

本发明公开了一种可降低稻米镉累积的土壤调理方法，包括以下步骤：在对酸性重金属镉污染土壤进行翻耕施肥前，将土壤调理剂亚硫酸盐均匀撒施在酸性重金属镉污染土壤的表面，然后再施用基肥，充分拌匀；并结合土壤淹水调理，在水稻生长期间使土壤处于淹水状态，使酸性重金属镉污染土壤的Eh处于-150mV～-300mV的低电化学势的还原环境，利用生成的还原产物对土壤中的镉进行有效的吸附和生成化学沉淀，完成对土壤的调理过程。本发明的方法操作简单、可靠，使用后见效快，经济效益明显，对防治土壤重金属镉污染，保障粮食安全具有重要意义。

Description

可降低稻米镉累积的土壤调理方法

技术领域

本发明属于环境科学、土壤学和植物营养学研究领域，尤其涉及一种重金属污染土壤的修复方法。

背景技术

重金属镉（Cd）是生物毒性极强的环境污染元素之一（陈朗、宋玉芳等：“土壤镉污染毒性效应的多指标综合评价”，《环境科学》，2008，29[9]），在联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质中位居首位。镉对人体的危害极大，可引发“骨痛病”、肾损害等（陈英旭，《环境学》，中国环境科学出版社，2005）。镉是多种矿物的伴生矿，受日益发展的采矿、冶炼、电镀和印染等工业以及来自农业投入品自身的影响，农田土壤镉污染已逐渐成为影响经济发展和人类身体健康的重要环境问题。在土壤——植物系统中，镉污染具有多源性、隐蔽性、一定程度上的长距离传输性和污染后果的严重性，而水稻是吸收镉能力最强的谷类作物（Chaney R L,Reeves PG, Ryan J A,Simmons R W，Welch R M,Scott Angle J:“An improved understanding of soil Cd risk to humans and low cost methods to phytoextract Cdfrom contaminated soils to prevent soil Cd risks”,《Biometals》,2004,17[5]）。上世纪末，我国镉污染耕地面积已达1.3×10⁴hm²，涉及11个省市的25个地区，每年生产“镉米”5.0×10⁷kg（王凯荣：“我国农田镉污染现状及其治理利用对策”，《农业环境保护》，1997，16[6]），有调查表明，湖南省重金属污染元素中以镉污染较为普遍，污染稻田含镉2.8mg/kg～51.3mg/kg，比背景值高23～572倍（王凯荣、郭焱等：“重金属污染对稻米品质影响的研究”，《农业环境保护》，1993，12[6]）。而在耕地土壤镉含量较高的前提下，镉的土壤环境容量非常小，土壤中镉含量稍有增加，就会使农作物中镉含量相应提高。因而，土壤镉污染引起的稻米超标问题屡有发生，严重威胁到农产品质量安全和人类身体健康。

食物链传递成为重金属威胁人类身体健康的首要途径，而稻米的清洁生产依赖于土壤环境质量，对于镉污染土壤的修复，目前主要有客土法、化学修复、生物修复和农艺措施等，客土法修复成本较高，生物修复耗时较长，而农艺措施以及廉价的化学修复是经济可行的方法之一。据统计，目前我国的农田镉污染中以中轻度污染为主，而中轻度污染土壤可以通过有效的化学修复与农艺调控措施相结合以保障农产品质量安全，从而在一定程度上缓解人口与耕地资源的矛盾，有利于发展循环农业，构建和谐社会。然而，现有的化学修复方法和农艺措施种类繁多，每一种方法各有优劣利弊，如何选择和开发最优化、最经济、最有效的土壤修复方法一直是困扰本领域技术人员的技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低成本、环境友好、资源节约、操作简单且可降低稻米镉累积的土壤调理方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种可降低稻米镉累积的土壤调理方法，包括以下步骤：在对酸性重金属镉污染土壤进行翻耕施肥前，将土壤调理剂亚硫酸盐均匀撒施在所述酸性重金属镉污染土壤的表面，然后再施用基肥，充分拌匀；并结合土壤淹水调理，在水稻生长期间使土壤尽量处于淹水状态，使所述酸性重金属镉污染土壤处于低电化学势的还原环境（Eh处于-150mV～-300mV），利用生成的还原产物对土壤中的镉进行有效的吸附和生成化学沉淀，完成对土壤的调理过程。

上述的土壤调理方法中，所述土壤调理剂亚硫酸盐优选为强碱弱酸盐，其溶液呈弱碱性。这样将土壤调理剂加入土壤后能使土壤pH值随Eh的降低而缓慢升高。所述土壤调理剂亚硫酸盐更优选为亚硫酸钠，尽量避免与具有较强氧化性的物质同时使用，以确保其达到降低土壤Eh的调理效果。

上述的土壤调理方法中，所述还原产物中含有可使土壤中重金属镉转化为难溶态CdS的S^2-。

上述的土壤调理方法中，所述还原产物中还优选含有可吸附土壤中重金属镉的铁盐胶体。

上述的土壤调理方法中，所述酸性重金属镉污染土壤一般指含全量镉0.3mg/kg～3.0mg/kg、且pH值小于6.5的镉污染土壤。

上述的土壤调理方法中，当所述酸性镉污染土壤中全量镉含量为0.3mg/kg～1.0mg/kg（即轻度污染）时，所述土壤调理剂亚硫酸盐的施用量优选为1125kg/hm²～2250kg/hm²；当所述酸性镉污染土壤中全量镉含量为1.0mg/kg～3.0mg/kg（即中度污染）时，所述土壤调理剂亚硫酸盐的施用量优选为2250kg/hm²～6750kg/hm²。

上述的土壤调理方法中，所述土壤淹水调理过程中控制灌溉水中的镉含量优选低于0.005mg/L。

上述本发明技术方案的技术原理主要基于以下几点：

（1）通过加入土壤调理剂亚硫酸盐（优选亚硫酸钠），可使淹水后的土壤氧化还原电位（Eh）进一步降低，使土壤处于低电化学势的还原环境，有利于还原物质的产生，如形成Fe²⁺，Fe²⁺可与Cd²⁺竞争植物根际吸收，因为植物根系对镉的吸收借助于铁的运输蛋白，而Fe²⁺与铁的运输蛋白优先结合将极大地降低镉与其结合的几率，减少植物对镉的吸收；此外，所形成的铁盐等胶体，也可在一定程度上增强土壤对镉的吸附作用，降低镉的迁移能力；

（2）由于土壤调理剂亚硫酸盐中含有亚硫酸根离子，在降低土壤氧化还原电位的同时，在还原条件下可进一步转化得到S^2-，从而促使土壤中的活性镉向难溶态的CdS转化，最终降低镉的生物有效性，其离子反应方程式主要为：

（3）由于添加的土壤调理剂如亚硫酸钠属于强碱弱酸盐，其溶液呈弱碱性，加入淹水土壤后使土壤pH值随Eh的下降而缓慢上升，pH升高有利于降低土壤镉的生物有效性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：首先，本发明的调理方法中采用的土壤调理剂亚硫酸盐，不仅来源广泛、成本较低，而且能有效降低酸性镉污染稻田土壤中镉的生物有效性；其次，本发明的调理方法中采用的土壤淹水调理措施不仅操作简单、见效快，与土壤调理剂配合使用后不会对现有土壤的微环境造成消极影响。总体而言，本发明的方法操作简单、可靠，使用后见效快，经济效益明显，对防治土壤重金属镉污染，保障粮食安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1中采用本发明方法处理后对土壤氧化还原电位（Eh）的影响效果图。（图中的字母a～f表示不同处理间LSD检验的差异显著性p<0.05）

图2为本发明实施例1中采用本发明方法处理后降低盆栽试验水稻糙米镉含量的影响效果图。（图2中的字母a～e表示不同处理间LSD检验的差异显著性p<0.05）

图3为本发明实施例2中采用本发明方法处理后降低田间试验水稻糙米镉含量的影响效果图。（图2中的字母a、b表示不同处理间LSD检验的差异显著性p<0.05）

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例采用盆栽试验研究本发明对酸性镉污染土壤（潮泥田）降低稻米镉的效果。本实施例的盆栽酸性镉污染土壤的化学性状见下表1。

表1：实施例1中供试土壤的化学性状

首先采用本发明的土壤调理方法对本实施例的酸性镉污染土壤进行调理，包括以下步骤：试验使用陶瓷盆钵，装盆前的酸性镉污染土壤经过风干过筛（孔径为0.5cm×0.5cm）混匀，然后在对酸性重金属镉污染土壤进行施肥前，将酸性镉污染土壤装入盆中，每盆装土5.0kg，再将土壤调理剂亚硫酸钠均匀撒施在酸性重金属镉污染土壤的表面，同时每盆再施用相同量的氮、磷、钾肥料，充分拌匀；再配合土壤淹水调理措施（保持土壤长期处于淹水状态），淹水灌溉管理过程中控制灌溉水中的镉含量低于0.005mg/L，使酸性重金属镉污染土壤处于低电化学势的还原环境（Eh处于-150mV～-300mV），利用生成的还原产物，包括S^2-、还原态铁、锰等，还原态铁锰在水稻根际通过根系泌氧形成活性氧化态铁锰胶体，对土壤中的镉进行有效的吸附；还原产物中S^2-可使土壤中重金属镉转化为难溶态CdS（已有实验研究证明），完成对土壤的调理过程。

上述本实施例的试验共设置以下7个处理：

S0，不施调理剂；

S1，施用本发明方法的土壤调理剂亚硫酸钠0.5g/kg（折合田间用量约为1125kg/hm²）；

S2，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）1.0g/kg（折合田间用量约为2250kg/hm²）；

S3，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）2.0g/kg（折合田间用量约为4500kg/hm²）；

S4，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）3.0g/kg（折合田间用量约为6750kg/hm²）；

S5，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）5.0g/kg（折合田间用量约为11250kg/hm²）；

S6，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）6.0g/kg（折合田间用量约为13500kg/hm²）。

以上每个处理重复四次，随机区组排列，并设置保护行。

本实施例试验期间栽培管理措施与田间管理一致，水稻于添加土壤调理剂亚硫酸钠平衡3天后移栽。土壤氧化还原电位采用便携式Eh计原位测定，土壤中全量镉采用硝酸-高氯酸-氢氟酸混合消解后原子吸收分光光度法（石墨炉）测定镉含量，水稻糙米中的镉采用硝酸-高氯酸混合消解后以原子吸收分光光度法（石墨炉）测定。

试验结果表明，在淹水条件下，使用本发明方法对土壤氧化还原电位存在显著影响，土壤氧化还原电位随亚硫酸钠用量的增加而显著下降（见图1）。由图1可见，土壤的Eh变化表现为Logistic规律，整体上，平均添加1g/kg Na₂SO₃，氧还电位降低13.5mV；添加2g/kgNa₂SO₃可使土壤还原电位进一步降低；在0g/kg～2g/kg之间时，每添加1g/kg Na₂SO₃，氧还电位降低32.1mV。

试验结果还表明，使用本发明的方法对水稻糙米中镉含量影响显著（影响效果见图2）。由图2可见，糙米Cd含量在一定范围内随着亚硫酸钠添加量的增加而降低，当亚硫酸钠添加量为0.5g/kg时，水稻糙米Cd含量已显著低于对照（S0），降幅达到21.0%，当亚硫酸钠添加量为3.0g/kg时，水稻糙米Cd含量已基本降至最低（降幅41.3%），此后继续增加硫酸钠用量水稻糙米Cd含量无明显变化。由此可见，本发明方法对降低酸性镉污染土壤上稻米镉的效果显著，适量施用可显著降低水稻的吸收累积。

实施例2：

本实施例采用田间小区试验研究本发明对供试酸性镉污染土壤（红黄泥）降低稻米镉的效果。本实施例的酸性镉污染土壤的化学性状见下表2。

表2：实施例2中供试土壤的化学性状

首先采用本发明的土壤调理方法对本实施例的酸性镉污染土壤进行调理，包括以下步骤：在对田间的酸性重金属镉污染土壤进行翻耕施肥前，将土壤调理剂亚硫酸盐均匀撒施在酸性重金属镉污染土壤的表面，然后再施用氮、磷、钾肥料，充分拌匀；再配合土壤淹水调理措施，保持土壤长期处于淹水状态，淹水灌溉管理过程中控制灌溉水中的镉含量优选低于0.005mg/L，使酸性重金属镉污染土壤处于低电化学势的还原环境（Eh处于-150mV～-300mV），利用生成的还原产物，包括S^2-、还原态铁、锰等，还原态铁锰在水稻根际通过根系泌氧形成活性氧化态铁锰胶体，对土壤中的镉进行有效的吸附；还原产物中S^2-可使土壤中重金属镉转化为难溶态CdS（已有实验研究证明），完成对土壤的调理过程。

本实施例的上述试验共设置以下5个处理：

S0，不施调理剂；

S1，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）1125kg/hm²；

S2，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）2250kg/hm²；

S3，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）4500kg/hm²；

S4，施用本发明方法的土壤调理剂（亚硫酸钠）6750kg/hm²；

上述所有处理的化肥、农药施用和灌溉管理均一致。水稻于添加土壤调理剂亚硫酸钠平衡3天后移栽。水稻糙米镉含量采用硝酸-高氯酸混合消解后原子吸收分光光度法（石墨炉）测定。

本实施例的方法对降低水稻糙米镉含量的效果明显（见图3）。施用本发明调理剂（亚硫酸钠）2250kg/hm²，水稻糙米镉含量较对照显著降低（降幅38.5%），接近国家粮食卫生标准（GB2715-2005）。因此，采用本发明方法能显著降低水稻糙米中的镉含量，对酸性镉污染稻田土壤具有明显效果。

Claims

1.一种可降低稻米镉累积的土壤调理方法，包括以下步骤：在对酸性重金属镉污染土壤进行翻耕施肥前，将土壤调理剂亚硫酸盐均匀撒施在所述酸性重金属镉污染土壤的表面，然后再施用基肥，拌匀；并结合土壤淹水调理，在水稻生长期间使土壤处于淹水状态，使所述酸性重金属镉污染土壤的Eh处于-150mV～-300mV的低电化学势的还原环境，利用生成的还原产物对土壤中的镉进行吸附和生成化学沉淀，完成对土壤的调理过程；

所述还原产物中含有可使土壤中重金属镉转化为难溶态CdS的S^2-；所述还原产物中含有可吸附土壤中重金属镉的铁盐胶体。

2.根据权利要求1所述的土壤调理方法，其特征在于，所述土壤调理剂亚硫酸盐为强碱弱酸盐，其溶液呈弱碱性。

3.根据权利要求2所述的土壤调理方法，其特征在于，所述土壤调理剂亚硫酸盐为亚硫酸钠。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的土壤调理方法，其特征在于，所述酸性重金属镉污染土壤中含全量镉0.3 mg/kg～3.0 mg/kg，且pH值小于6.5。

5.根据权利要求4所述的土壤调理方法，其特征在于，当所述酸性镉污染土壤中全量镉含量为0.3 mg/kg～1.0 mg/kg时，所述土壤调理剂亚硫酸盐的施用量为1125 kg/hm²～2250 kg/hm²；当所述酸性镉污染土壤中全量镉含量为1.0 mg/kg～3.0 mg/kg时，所述土壤调理剂亚硫酸盐的施用量为2250 kg/hm²～6750 kg/hm²。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的土壤调理方法，其特征在于，所述土壤淹水调理过程中控制灌溉水中的镉含量低于0.005 mg/L。