CN103658162A - 一种在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于作物学技术领域，具体涉及太湖流域稻区在土壤重金属镉铅砷轻中度污染土壤农田上持续生产安全晚粳稻米的技术方法，包括水稻基因型品种的筛选和验证，根据各基因型在一般对照大田轻度污染条件和人工添加重金属的中度污染条件下的综合表现，筛选出籽粒Cd、As、Pb含量相对较低，且农艺性状、稻米品质优的水稻基因型品种；对所筛选出的水稻基因型品种，结合施用可以显著抑制稻米重金属积累的硅肥，进而实现在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米。本发明的目的在于提供一种生态环保、经济有效、成本低廉的在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米的方法。
Description
技术领域
本发明属作物学技术领域，具体涉及在土壤重金属镉铅砷轻中度污染土壤农田上持续生产安全晚粳稻米的技术方法。
背景技术
随着工业“三废”排放量增加，农业自身面源污染的加剧，全球水稻田土壤重金属污染问题日益严重，由此造成土壤生产力下降、农产品污染与生态环境破坏等严重问题，已成为阻碍农业生产持续、高效发展的主要因子之一，更为严重的是土壤中的这些有毒重金属可通过水稻吸收并在籽粒中积累，经食物链进入人体，从而威胁广大城乡居民的身体健康。我国稻田土壤和稻米有毒重金属的污染也日趋严重。据统计，目前我国受镉（Cd）、砷（As）、铅（Pb）等有毒重金属污染的耕地面积近2000万hm2，约占总耕地面积的1/5，由此造成的经济损失仅仅在粮食作物上每年就达200亿元之多。一些工业发达地区，如长三角和珠三角，土壤重金属的富集和污染更为严重。为了减轻或避免有毒重金属对人类的危害，一些国际组织和许多国家对有关食品制定了有毒重金属的最大允许量，如国际粮农组织和国际卫生组织提出，水稻和小麦等粮食Cd的AMV为0.10mg/kg。
水稻是全球也是我国最重要的粮食作物，稻米是我国城乡居民赖以生存的主粮之一。但目前稻米重金属含量超标的问题十分突出，据农业部稻米及其制品质量监督检验测试中心2002年对全国市场稻米安全性抽检结果，Pb和Cd超标的试样分别达28.4%和10.3%，也有少量试样表现As超标，长江三角洲地区历来是我国的“鱼米之乡”，但土壤重金属的富集和污染趋势也已很明显，稻米重金属污染也十分严重。据研究，太湖地区水稻土表层土壤Zn、Pb和Cd有效态含量逐年上升，土壤Pb、Cd污染通量已接近或高于国际规定的上限，对食物安全构成了严重威胁。浙江省是长三角地区经济发展最快的地区之一，近年来，稻田土壤和稻米重金属污染的现状也不容乐观，杭州市富阳诸家坞畈受重金属污染，土壤Pb含量为58mg/kg、Cu为237mg/kg、Zn为1040mg/kg，稻米Pb为12.4mg/kg和Cu为15.4mg/kg，大大超过粮食国家卫生标准。湖州市部分田块也出现了重金属Cd、Pb和Cr等污染现象。浙江省地质调查院2002年对浙北地区土壤重金属污染现状评价结果表明，浙北地区属于清洁和基本清洁的农田占81%，轻度污染的占10%，中度以上污染的占9%，其中重污染的占3%，并主要集中在杭州、宁波、绍兴市及城郊地区，在浙江嘉兴、富阳、绍兴、浦江取省晚稻联品试验的土壤和11个基因型稻米测定分析，结果表明，四地土壤和稻米有毒重金属污染较为严重，超标的有毒重金属元素主要包括镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）等。
虽然有些重金属是植物生长必需元素，但所有重金属在较高浓度时对植物都会产生毒害作用。稻田受重金属污染后，土壤中的有毒重金属可能被植物吸收通过食物链进入人体，从而不仅降低稻米的市场竞争力，更为可怕的是将威胁人类健康。例如， Cd中毒会引起肾功能障碍、肺损害、骨损伤、痛痛病（骨软化症）、癌症、心血管病。As对人的心肌、呼吸中枢、生殖系统、造血机制、免疫系统都有不同程度的损伤。Tsukahara等研究表明，稻米是日本成年人体内最主要的Cd来源之一，体内约30-40%Cd来源于经稻米摄入。据研究，稻米是亚洲人体内主要的Cd摄入源之一，尽管国家和地区间有差异，但总体上经稻米Cd摄入量占总Cd摄入量的比例，菲律宾马尼拉地区约为20%，中国大陆大部分地区、中国台湾、孟加拉国和泰国等约为30-40%，马来西亚的Kuala Lumpur较高，达53%。因此，降低稻米重金属含量对于保障人体健康具有极其重要的意义。
随着社会经济的快速发展，人民生活水平日益提高，稻米消费者对稻米品质的要求日趋提高，稻米安全质量业已成为国内外市场竞争力的重要因素。因此，面对水稻生产新的产需形势和目前土壤有毒重金属污染的严峻局面，生产有毒重金属积累量低于AMV的安全稻米，是实现稻农增收、农业增效和保障人们身体健康的一条重要途径。稻米中有毒重金属积累的高低，是土壤气候、品种（基因型）和农艺措施等因素综合作用的结果。为了减少粮食作物食用部分吸收和积累有毒重金属，最根本的措施是进行土壤修复降低土壤中的重金属含量。但采用常规的物理与化学治理技术（如客土法、淋溶法、施用化学改良剂等），不仅费用昂贵，或需要特殊的仪器设备和培训专门的技术人员，而且有可能导致二次污染。近年来兴起的植物修复，是目前国际上该领域的研究热点。植物修复的基础是特定植物能在地上部积累高含量的有毒重金属，但目前除Zn和Ni等少数重金属发现可用于生产实践的超积累植物外，其它重金属尚无理想的超积累植物，离实际应用还有较大距离。因此，抑或是采取农艺措施降低现有栽培品种的重金属吸收和积累量，抑或是选育低重金属积累品种，是目前达到降低水稻籽粒重金属吸收和积累目标的现实途径。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种绿色环保，持续，经济，有效的在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米的方法。
实现本发明的技术方案如下：一种在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米的方法，主要由以下步骤构成：包括水稻基因型品种的筛选以及对所筛选出的水稻基因型品种结合施加经过筛选的硅肥；
所述水稻基因型品种的筛选主要由以下步骤构成：
（1）品种选择和种植：选取的水稻基因型品种，统一通过大田常规湿润育秧，选生长一致的秧苗分别移栽种植于一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中；
（2）取样和预处理：一般大田土壤种植的成熟期水稻，每小区随机取约5丛30-40稻穗，脱粒，水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤种植的成熟期水稻，每小区各取中间4丛约30-40稻穗，脱粒，将一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中所取稻穗脱粒的籽粒干燥后用脱糙机脱成糙米，后用精米机碾成精米，用粉碎机粉碎成精米粉，过100目筛；
（3）样品重金属测定：采用湿式消解法，称取精米粉样品0.3000g，置于100ml小烧杯中，加入10ml硝酸+高氯酸配成的混合酸，加玻盖浸泡10-12h，加热消解，80℃消解2h，后升温到120℃，直至消解液呈无色透明或略带淡黄色，冷却后用去离子水冲洗、定容至50ml容量瓶，用定量滤纸过滤后待测，用石墨炉原子吸收光谱仪测定稻米中Cd含量，用原子荧光吸收光谱仪测定稻米中As、Pb含量；
（4）对比筛选：通过测定的实际数据与按照农业部“无公害食品——大米”规定的Cd、As、Pb含量限量标准相对照，筛选出未超标的水稻基因型品种，同时选取对照品种，根据各基因型品种在一般大田土壤轻度污染条件和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中度污染条件下的综合表现，各基因型较对照品种的农艺性状和稻米品质、田间表现和病虫害等的综合表现，筛选出籽粒Cd、As、Pb含量相对较低，且农艺性状、稻米品质优于或与对照品种相似的水稻基因型品种；
（5）验证与鉴定：连续三年将所筛选出的水稻基因型品种统一通过大田常规湿润育秧，选生长一致的秧苗分别移栽种植于一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中，重复步骤（2）和（3），通过测定的实际数据与按照农业部“无公害食品——大米”规定的Cd、As、Pb含量限量标准相对照，验证和鉴定所筛选出的水稻基因型品种是否可在轻中度污染农田上持续生产。
作为优选，所述步骤（1）中选取的水稻基因型品种，水稻统一通过大田常规湿润育秧，秧龄为28天，5-6叶时，选生长一致的秧苗分别移栽种植于一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中。
作为优选，所述对所筛选出的水稻基因品种结合施加经过筛选硅肥主要由以下步骤构成：
（1）选料和施肥：选取30种成熟期较接近的水稻基因型品种，包括所筛选出的水稻基因型品种，进行裂区试验，主区为三种施肥方式，对照田：一般常规施肥方法，总用肥量，N 202.5 kg/hm2，P2O5 31.5 kg/hm2，K2O 187.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O为1.00∶0.16∶0.93，氮肥分基肥∶蘖肥∶长粗肥∶穗肥为40%∶20%∶20%∶20%的比例施用，基肥施用碳铵，追肥施用尿素；磷肥施用过磷酸钙，作基肥用，钾肥施用氯化钾，分基肥和穗肥各50%施用；猪粪田：施入猪粪制成的有机肥7500 kg/hm2，减少N、P、K肥各20%；鸡粪田：施入养鸡场已干燥的鸡粪制成的有机肥6240 kg/hm2，减少N、P、K肥各20%；其中猪粪田和鸡粪田中的有机肥作基肥一次性于移栽前15天施入并浅翻耕，化肥施用方法同对照田；裂区为两种施肥方式：硅肥：硅肥含有效SiO2达53.18%，以90 kg/hm2在水稻基因型品种移栽后30天内，拌细土均匀施入；对照：不施硅肥；再裂区30个，即30个水稻基因型品种进行种植，统一育秧，25天秧龄后移栽；
（2）取样和预处理：水稻成熟收割后取样，每一品种，随机选取5丛水稻，收集谷粒样品，每份样品包含约30-40个稻穗，同时，收集茎杆样品，约土壤上部8-12cm左右，稻穗脱粒，风干，然后使用自动脱糙机将稻穗脱粒的籽粒分成稻壳和糙米两部分，用精米机将糙米磨成精米，用粉碎机粉碎成精米粉，茎杆样品在65°C 下烘干至恒重，经磨粉机粉，常温下保存；
（3）样品重金属测定：选取0.2g左右精米粉精确称量后放入50ml聚丙烯消化管，加入2ml浓硝酸，过夜，然后采用三段温度微波消解，55℃消解10min，然后在75℃下消解10min，最后95℃消解30min，微波消解后的精米粉采用消化炉在100℃下消解1h，然后再在120℃下消解1h，最后140℃下消解至颜色变澄清，精米粉经消解后，冷却至室温，用滤纸过滤，随后用超纯水将滤液稀释定容至50ml，最后采用ICP-MS对溶液的重金属浓度进行测定；
（4）分析和结论：对步骤（3）中所取得的实际数据采用DPS数据处理系统分析处理，猪粪、鸡粪有机肥增加土壤重金属积累的结果是增加重金属在稻米中的积累，而硅肥显著缓解长期施用猪粪、鸡粪有机肥的稻米重金属积累，增加产量，筛选出的水稻基因型品种在移栽后结合增施硅肥，可以在土壤重金属轻中度污染农田上持续安全生产。
本发明具有以下优点及有益效果：1、所筛选出的水稻基因型品种经济安全与农业部“无公害食品——大米”规定作为比较，有毒重金属元素镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）均符合标准，安全可靠，可持续、有效在土壤重金属轻中度污染农田上生产；2所筛选出的有机肥显著缓解长期施用猪粪、鸡粪有机肥的稻米重金属积累，增加稻米产量，与所筛选出的水稻基因型品种结合，可以在土壤重金属轻中度污染农田上持续安全生产；3、选取固定的区域进行水稻基因型品种和有机肥的种植筛选，绿色环保，无污染。
附图说明
图1为本发明在鸡粪田和猪粪田施硅肥前后对稻米重金属含量的影响的对比图，其中CM表示鸡粪田，PM表示猪粪田，横坐标分别表示在鸡粪田和猪粪田中施硅肥前后的稻米重金属含量Cu、Zn、As、Cd、Ni，顺序依次排列，纵坐标表示稻米重金属含量百分比。
图2为本发明中在常规对照田、鸡粪田和猪粪田施硅肥前后对稻米重金属含量Cu的影响的对比图，其中C表示常规对照田，CM表示鸡粪田，PM表示猪粪田，横坐标分别表示施硅肥前后的常规对照田、鸡粪田和猪粪田的Cu，纵坐标表示稻米重金属含量Cu的浓度。
图3为本发明中在常规对照田、鸡粪田和猪粪田施硅肥前后对稻米重金属含量Zn的影响的对比图，其中C表示常规对照田，CM表示鸡粪田，PM表示猪粪田，横坐标分别表示施硅肥前后的常规对照田、鸡粪田和猪粪田的Zn，纵坐标表示稻米重金属含量Zn的浓度。
图4为本发明中在常规对照田、鸡粪田和猪粪田施硅肥前后对稻米重金属含量As的影响的对比图，其中C表示常规对照田，CM表示鸡粪田，PM表示猪粪田，横坐标分别表示施硅肥前后的常规对照田、鸡粪田和猪粪田的As，纵坐标表示稻米重金属含量As的浓度。
图5为本发明中在常规对照田、鸡粪田和猪粪田施硅肥前后对稻米重金属含量Cd的影响的对比图，其中C表示常规对照田，CM表示鸡粪田，PM表示猪粪田，横坐标分别表示施硅肥前后的常规对照田、鸡粪田和猪粪田的Cd，纵坐标表示稻米重金属含量Cd的浓度。
图6为本发明中在常规对照田、鸡粪田和猪粪田施硅肥前后对稻米重金属含量Ni的影响的对比图，其中C表示常规对照田，CM表示鸡粪田，PM表示猪粪田，横坐标分别表示施硅肥前后的常规对照田、鸡粪田和猪粪田的Ni，纵坐标表示稻米重金属含量Ni的浓度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例。
实现本发明所述的一种在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米的方法，包括水稻基因型品种的筛选以及对所筛选出的水稻基因型品种结合施加经过筛选的硅肥，其中水稻基因型品种的筛选主要由以下步骤构成：
（1）选种和种植：
在2005、2006年连续进行了二年一般大田环境和水泥池中人工添加Cd、As、Pb污染土壤环境筛选以及受工业污染、土壤Cd、As、Pb污染中度的大田中验证基础上，土壤重金属含量设置（参见表1），通过鉴定、筛选出在一般大田和土壤Cd、As、Pb中度污染条件下籽粒Cd、As、Pb低积累和富Fe的中间育种材料和品系、品种，共118个水稻基因型品种。
表1、供试不同环境土壤基本性质
注明：CK为一般大田土壤（CK: common paddy field soil）；HM为人为污染土壤（HM: artificially-treated soil）。
2007年在浙江嘉兴（N 30°50’ 08.2’’，E 120°43’ 03.7’’） 进行种植筛选，将118份水稻基因型品种统一通过大田常规湿润育秧，当秧龄28d（5-6叶）时，选生长一致的秧苗移栽分别移栽种植于一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中，一般大田土壤区，株行距20×15cm，小区面积8m2，每丛种植2本；水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤区，株行距20×15cm，每小区种植4×3共12丛，每丛种植2本，四周设置保护行。本发明中一般大田土壤用CK表示，水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤用HM表示。
（2）取样和预处理：
CK区，由于温室生长对于水稻的生育期和生长等有一定影响，因而仅记载齐穗期、成熟期，计算全生育期，成熟期，田间实地测量株高，每小区随机取5丛约30-40稻穗，风干后考种，计算每穗实粒数、每穗总粒数、结实率、千粒重和单株产量，稻谷用于测定稻米品质和稻米Cd、As、Pb、Fe含量；HM区，成熟期，各小区去除边行，各取中间4丛的约30-40稻穗，脱粒，用于测定稻米品质和稻米Cd、As、Pb、Fe含量，CK和HM的稻谷籽粒干燥后在室温下储存2周，用试验用脱糙机脱成糙米，后用试验用精米机碾成精米，用不锈钢粉碎机粉碎成精米粉，过100目筛备用。
（3）样品重金属测定：
称取精米粉样品0.3000g，置于100ml小烧杯中，加入10ml硝酸+高氯酸配成的混合酸，硝酸和高氯酸体积比4:1，加玻盖浸泡10-12h，于智能控温电热板加热消解，80℃消解2h，后升温到120℃，直至消解液呈无色透明或略带淡黄色，冷却后用去离子水冲洗、定容至50ml容量瓶，用定量滤纸过滤后待测，同时，用GBW10010（GSB-1大米）样品作为校准样品。
用石墨炉原子吸收光谱仪测定稻米中Cd含量，用原子荧光吸收光谱仪测定稻米中As、Pb含量，为了减少测定误差，消解后的样品另分一半用ICP-MS测定，用于数据校正，对于两者差异较大的样品再统一消解后重新测定，用原子荧光吸收光谱仪测定稻米中As、Pb含量。
参见表2，对于118个水稻基因型品种，籽粒Cd含量，CK（轻度污染）下平均为0.1456mg/kg，最高为0.2504 mg/kg，最低为0.0603 mg/kg，绝对变异（最大值/最小值，Max./Min）为4.15，HM（人工添加中度污染条件）下平均0.3735mg/kg，最高为0.8599 mg/kg，最低为0.1268 mg/kg，绝对变异为6.78；籽粒Pb含量，CK下平均为179.13μg/kg，最高为315.50μg/kg，最低为72.01μg/kg，绝对变异为4.38，HM下平均694.69μg/kg，最高为1279.79μg/kg，最低为215.84μg/kg，绝对变异为5.93；籽粒As含量，CK下平均为115.91μg/kg，最高为193.33μg/kg，最低为58.41μg/kg，绝对变异为3.31，HM下平均384.30μg/kg，最高为907.97μg/kg，最低为206.31μg/kg，绝对变异为4.40。
结果表明，HM下各基因型籽粒Cd、As、Pb含量较CK均有增加，但增加幅度因品种有很大差异。对于118个基因型的平均值，HM下较CK的增加幅度，籽粒Cd含量增加1.57倍，籽粒As含量增加2.32倍，籽粒Pb含量增加2.88倍。对于绝对变异值，HM下均较CK，籽粒Cd含量增大63.4%，籽粒As含量增大32.9%，籽粒Pb含量增大35.4。这说明在土壤污染Cd、As、Pb加重的情况下，基因型间籽粒积累Cd、As、Pb的差异增大。
表2. CK和HM条件下各份材料的籽粒Cd、As、Pb含量
（4）对比筛选：
参见表3，按照农业部“无公害食品——大米”规定的Cd、As、Pb含量限量标准（Cd 0.2 mg/kg，As 0.5 mg/kg、Pb 0.2 mg/kg），选取品种秀水63作为对照品种，根据各基因型在CK轻度污染条件和HM中度污染条件下的综合表现，以及各基因型较对照品种秀水63的农艺性状和稻米品质、田间表现和病虫害等的综合表现，筛选出13个籽粒Cd、As、Pb含量相对较低，且农艺性状、稻米品质优于或与对照品种秀水63相似的基因型（见表2、3）。
筛选出的13个基因型，籽粒Cd含量，CK下平均为0.1138mg/kg，最高为0.1703 mg/kg，最低为0.0870 mg/kg，HM下平均0.2010mg/kg，最高为0.2736 mg/kg，最低为0.1268 mg/kg；籽粒Pb含量，CK下平均为158.89μg/kg，最高为266.06μg/kg，最低为80.03μg/kg，HM下平均531.45μg/kg，最高为903.87μg/kg，最低为229.67μg/kg；籽粒As含量，CK下平均为95.60μg/kg，最高为119.73μg/kg，最低为27.19μg/kg，HM下平均365.52μg/kg，最高为907.97μg/kg，最低为229.43μg/kg。
与对照品种秀水63相比，除CK下籽粒Cd平均含量相近外，筛选出的基因型3种元素在CK和HM下均明显较小。按照农业部“无公害食品——大米”规定的Cd、As、Pb含量限量标准（NY5115-2002）（Cd 0.2 mg/kg，As 0.5 mg/kg、Pb 0.2 mg/kg），CK（轻度污染）条件下，籽粒Cd、Pb 、As含量分别100%、61.5%、100%的基因型未超标，其中三个重金属同时未超标的比例为61.5%；HM（中度污染）条件下，籽粒Cd、Pb 、As含量分别53.8%、0%、92.3%的基因型未超标，从筛选试验和多点试验的结果中，秀水09和秀水128不仅籽粒Cd、As、Pb积累量较低，且产量高、品质优，表现最为突出。
表3. 筛选出的目标材料在CK和HM条件下籽粒Cd、As、Pb含量
（5）验证和鉴定：
连续三年将所筛选出的水稻基因型秀水09、秀水128和作为对照品种的秀水63统一通过大田常规湿润育秧，选生长一致的秧苗分别移栽种植于一般大田土壤（CK）和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤（HM）中，土壤重金属含量设置同表1，三次重复。
参见表4，按照农业部“无公害食品——大米”规定的Cd、As、Pb含量限量标准（Cd 0.2 mg/kg，As 0.5 mg/kg、Pb 0.2 mg/kg）。在CK条件下，秀水09、秀水128和秀水63均未超过标准，但秀水63的含量明显高于这二个品种，秀水09和秀水128籽粒Cd、Pb、As含量分别比秀水63下降5.1%、16.5%、24.5%和10.2%、38.6%、14.1%；在HM污染土壤条件下，秀水63籽粒中的镉和铅均超标、砷已濒临超标，而秀水09和秀水128除Pb超标外，Cd、As含量仍在安全范围内，秀水09和秀水128籽粒Cd、Pb、As含量分别比秀水63下降55.2%、65.7%、27%和46.8%、66.7%、32.0%（表3-4）。鉴定结果表明，秀水09和秀水128具有稳定的籽粒Cd、Pb、As低积累特性，属低积累品种，说明秀水09和秀水128是可以土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全的晚粳稻米。
表4、秀水09、秀水128和对照田籽粒重金属镉、铅、砷积累特性鉴定结果
注：**表示同一年度内统计分析差异达极显著水平。
本发明采取应用筛选出的籽粒重金属低积累品种，结合苗期施用有机肥的农艺措施，实现在重金属Cd、Pb、As中、轻度污染土壤上持续、经济、有效地生产出安全稻米，也为水稻籽粒重金属低积累环保型品种的选育和稻米安全生产提供理论和实践指导，推动水稻安全、优质、高效生产。
本发明对所筛选出的水稻基因品种结合施加经过筛选的硅肥主要由以下步骤构成：
（1）选料和施肥：
土壤和有机肥的NPK含量参见表5，选取30种成熟期较接近的水稻基因型品种，包括所筛选出的水稻基因型品种，进行裂区试验，主区为三种施肥方式，对照田：一般常规施肥方法，总用肥量，N 202.5 kg/hm2，P2O5 31.5 kg/hm2，K2O 187.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O为1.00∶0.16∶0.93，氮肥分基肥∶蘖肥∶长粗肥∶穗肥为40%∶20%∶20%∶20%的比例施用，基肥施用碳铵（含N 17.1%），追肥施用尿素(含N 46.6%)；磷肥施用过磷酸钙（含P2O5 14.0%），作基肥用，钾肥施用氯化钾（折含K2O 62.9%），分基肥和穗肥各50%施用；猪粪田：施入猪粪制成的有机肥（含水量低于25%）7500 kg/hm2，减少N、P、K肥各20%；鸡粪田：施入养鸡场已干燥的鸡粪制成的有机肥（含水量低于20%）6240 kg/hm2，减少N、P、K肥各20%；其中猪粪田和鸡粪田中的有机肥作基肥一次性于移栽前15天施入并浅翻耕，化肥施用方法同对照田；裂区为两种施肥方式：硅肥：硅肥含有效SiO2达53.18%，以90 kg/hm2在水稻基因型品种移栽后30天内（分蘖期），拌细土均匀施入；对照：不施硅肥；再裂区30个，即30个水稻基因型品种进行种植，小区面积2.76m2，3次重复，统一育秧，25天秧龄后移栽，行株间距为20×20 cm。
（2）取样和预处理：水稻成熟收割后取样，每一品种，随机选取五丛水稻，收集谷粒样品，每份样品包含约30-40个稻穗，同时，收集茎杆样品，约土壤上部10cm左右，稻穗脱粒，风干，然后使用自动脱糙机将稻穗脱粒的籽粒分成稻壳和糙米两部分，用精米机将糙米磨成精米，用粉碎机粉碎成精米粉，茎杆样品在65℃下烘干至恒重，经磨粉机粉，常温下保存。
（3）样品重金属测定：选取0.2g左右精米粉精确称量后放入50ml聚丙烯消化管，加入2ml浓硝酸，过夜，然后采用三段温度微波消解，55℃消解10min，然后在75℃下消解10min，最后95℃消解30min，微波消解后的精米粉采用消化炉在100℃下消解1h，然后再在120℃下消解1h，最后140℃下消解至颜色变澄清，采用大米成分标准物质（GBW10010）为参照对分析，对分析过程进行质量控制，同时，稻谷样品和空白样品也包含其中。
精米粉经消解后，冷却至室温，用滤纸过滤，随后用超纯水将滤液稀释定容至50ml，最后采用ICP-MS对溶液的重金属浓度进行测定。
（4）分析和结论：对步骤（3）中所取得的实际数据采用DPS数据处理系统分析处理，参见表6，对于水稻稻谷产量，与对照相比，施猪粪显著增产，而施鸡粪虽有所增产但未达显著水平，在对照田，施用硅肥可显著增加产量，但在施用猪粪和鸡粪的处理中施硅肥对产量的影响不显著，每穗实粒数的反应与产量相似，但硅肥和有机肥施用对千粒重均无显著影响其中施用猪粪或硅肥有利于增产的原因主要归因于每穗实粒数的增加。
表5. 试验田土壤和所用有机肥NPK含量（g/kg）和重金属含量（mg/kg）
表6. 不同处理对水稻产量及其产量性状的影响
注：C，常规对照；C+Si，对照+硅肥；CM，施鸡粪；CM+Si，鸡粪+硅肥；PM，施猪粪；PM+Si，猪粪+硅肥；SS，平方和；F–F值，方差分析；* 和**分别表示差异显著和极显著（* Significantly different at the 0.05 probability level. ** Signifi cantly different at the 0.01 probability level）。
参见表5，猪粪和鸡粪均含有较高的N、P、K含量，但Zn、Cu、As等重金属含量也较高，尤其是猪粪中As含量高于中国土壤环境质量二级标准的2倍；Cd高于标准的7倍；Cu和Zn约高于标准20和7倍；在鸡粪中，Cd、Cu和Zn含量约高于标准3、7和9倍。猪粪中有较高的As、Cd、Cu和Zn，而鸡粪中Cd、Cu和Zn含量较高，土壤的As、Cd、Pb、Cr、Ni、Cu和Zn含量均低于中国土壤环境质量二级标准（GB15618-1995）。施用有机肥试验后再取土壤样品测定，结果表明，尽管土壤中这些重金属含量仍在中国土壤环境质量二级标准（GB15618-1995）范围内，但施用有机肥处理的土壤As、Cu和Zn含量明显高于对照田（P<0.05）。
参见表7，猪粪田块也明显高于鸡粪田块，施用猪粪和鸡粪会引进土壤重金属的积累，且猪粪的风险也大于鸡粪。
表7. 不同处理对土壤重金属含量的影响
注：C，常规对照； CM，施鸡粪； PM，施猪粪。
参见图1-图6，测定分析结果表明，施用猪粪和鸡粪有机肥显著增加稻米中重金属的积累。与对照相比，施鸡粪处理的稻米As、Cd、Ni、Cu和Zn含量分别增加41.0%、 8.8%、 27.1%、17.6%和4.6%，猪粪处理的稻米As、Cd、Ni、Cu和Zn分别增加94.2%、 59.3%、42.4%、37.4%和26.2%，可知由于有机肥中重金属含量较高，随着畜禽养殖排泄物被用作有机肥施用，也导致了土壤重金属含量的提高，长期施用畜禽养殖排泄物有机肥导致农田中As、Cd、Cu和Zn的积累，这些重金属在农田耕作层中快速积累，稻米重金属含量也表现出与有机肥中重金属含量相似的趋势，即猪粪比鸡粪重金属含量高，施猪粪田块生产的稻米重金属含量也高于施鸡粪田块，猪粪的重金属风险较高。
在对照田块，硅肥施用降低了稻米一些重金属的含量，稻米As、 Cd、 Ni、Cu和Zn含量分别下降24.6%、26.2%、26.7%、15.1%和14.5%。在施用有机肥的田块，硅肥施用也显著抑制了稻米重金属积累。与对照相比，仅施有机肥的田块稻米重金属含量显著增加，但有机肥处理施用硅肥后，稻米重金属含量出现下降，硅肥施用于鸡粪田块，稻米Cd、Ni、Cu和Zn含量分别下降18.4%、15.3%、2.4%和4.1%；硅肥施用于猪粪田块，虽然稻米重金属含量仍高于其对照，但稻米重金属含量明显呈下降趋势。
猪粪、鸡粪有机肥增加土壤重金属积累的结果是增加重金属在稻米中的积累，而硅肥显著缓解长期施用猪粪、鸡粪有机肥的稻米重金属积累，增加产量，筛选出的水稻基因型品种在移栽后结合增施硅肥，可以在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产。
Claims (3)
1.一种在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米的方法，其特征在于：包括水稻基因型品种的筛选以及对所筛选出的水稻基因型品种结合施加经过筛选的硅肥；
所述水稻基因型品种的筛选主要由以下步骤构成：
（1）品种选择和种植：选取的水稻基因型品种，统一通过大田常规湿润育秧，选生长一致的秧苗分别移栽种植于一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中；
（2）取样和预处理：一般大田土壤种植的成熟期水稻，每小区随机取约5丛30-40稻穗，脱粒，水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤种植的成熟期水稻，每小区各取中间4丛约30-40稻穗，脱粒，将一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中所取稻穗脱粒的籽粒干燥后用脱糙机脱成糙米，后用精米机碾成精米，用粉碎机粉碎成精米粉，过100目筛；
（3）样品重金属测定：采用湿式消解法，称取精米粉样品0.3000g，置于100ml小烧杯中，加入10ml硝酸+高氯酸配成的混合酸，加玻盖浸泡10-12h，加热消解，80℃消解2h，后升温到120℃，直至消解液呈无色透明或略带淡黄色，冷却后用去离子水冲洗、定容至50ml容量瓶，用定量滤纸过滤后待测，用石墨炉原子吸收光谱仪测定稻米中Cd含量，用原子荧光吸收光谱仪测定稻米中As、Pb含量；
（4）对比筛选：通过测定的实际数据与按照农业部“无公害食品——大米”规定的Cd、As、Pb含量限量标准相对照，筛选出未超标的水稻基因型品种，同时选取对照品种，根据各基因型品种在一般大田土壤轻度污染条件和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中度污染条件下的综合表现，各基因型较对照品种的农艺性状和稻米品质、田间表现和病虫害等的综合表现，筛选出籽粒Cd、As、Pb含量相对较低，且农艺性状、稻米品质优于或与对照品种相似的水稻基因型品种；
（5）验证与鉴定：连续三年将所筛选出的水稻基因型品种统一通过大田常规湿润育秧，选生长一致的秧苗分别移栽种植于一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中，重复步骤（2）和（3），通过测定的实际数据与按照农业部“无公害食品——大米”规定的Cd、As、Pb含量限量标准相对照，验证和鉴定所筛选出的水稻基因型品种是否可在轻中度污染农田上持续生产。
2.根据权利要求1所述的一种在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米的方法，其特征在于：所述步骤（1）中选取的水稻基因型品种，水稻统一通过大田常规湿润育秧，秧龄为28天，5-6叶时，选生长一致的秧苗分别移栽种植于一般大田土壤和水泥池中人工添加重金属Cd、As、Pb污染的土壤中。
3.根据权利要求1所述的一种在土壤重金属轻中度污染农田上持续生产安全晚粳稻米的方法，其特征在于：所述对所筛选出的水稻基因品种结合施加经过筛选硅肥主要由以下步骤构成：
（1）选料和施肥：选取30种成熟期较接近的水稻基因型品种，包括所筛选出的水稻基因型品种，进行裂区试验，主区为三种施肥方式，对照田：一般常规施肥方法，总用肥量，N 202.5 kg/hm2，P2O5 31.5 kg/hm2，K2O 187.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O为1.00∶0.16∶0.93，氮肥分基肥∶蘖肥∶长粗肥∶穗肥为40%∶20%∶20%∶20%的比例施用，基肥施用碳铵，追肥施用尿素；磷肥施用过磷酸钙，作基肥用，钾肥施用氯化钾，分基肥和穗肥各50%施用；猪粪田：施入猪粪制成的有机肥7500 kg/hm2，减少N、P、K肥各20%；鸡粪田：施入养鸡场已干燥的鸡粪制成的有机肥6240 kg/hm2，减少N、P、K肥各20%；其中猪粪田和鸡粪田中的有机肥作基肥一次性于移栽前15天施入并浅翻耕，化肥施用方法同对照田；
裂区为两种施肥方式：硅肥：硅肥含有效SiO2达53.18%，以90 kg/hm2在水稻基因型品种移栽后30天内，拌细土均匀施入；对照：不施硅肥；
再裂区30个，即30个水稻基因型品种进行种植，统一育秧，25天秧龄后移栽；
（2）取样和预处理：水稻成熟收割后取样，每一品种，随机选取5丛水稻，收集谷粒样品，每份样品包含约30-40个稻穗，同时，收集茎杆样品，约土壤上部8-12cm左右，稻穗脱粒，风干，然后使用自动脱糙机将稻穗脱粒的籽粒分成稻壳和糙米两部分，用精米机将糙米磨成精米，用粉碎机粉碎成精米粉，茎杆样品在65℃下烘干至恒重，经磨粉机粉，常温下保存；
（3）样品重金属测定：选取0.2g左右精米粉精确称量后放入50ml聚丙烯消化管，加入2ml浓硝酸，过夜，然后采用三段温度微波消解，55℃消解10min，然后在75℃下消解10min，最后95℃消解30min，微波消解后的精米粉采用消化炉在100℃下消解1h，然后再在120℃下消解1h，最后140℃下消解至颜色变澄清，精米粉经消解后，冷却至室温，用滤纸过滤，随后用超纯水将滤液稀释定容至50ml，最后采用ICP-MS对溶液的重金属浓度进行测定；
（4）分析和结论：对步骤（3）中所取得的实际数据采用DPS数据处理系统分析处理，猪粪、鸡粪有机肥增加土壤重金属积累的结果是增加重金属在稻米中的积累，而硅肥显著缓解长期施用猪粪、鸡粪有机肥的稻米重金属积累，增加产量，筛选出的水稻基因型品种在移栽后结合增施硅肥，可以在土壤重金属轻中度污染农田上持续安全生产。
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