CN105425850B - 一种水稻根际有效态重金属控制系统及方法 - Google Patents

一种水稻根际有效态重金属控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种水稻根际有效态重金属控制系统，包括模拟稻田装置及稻田水分精细化管理装置，模拟稻田装置包括上端开口的外壳、装于外壳中用于植入水稻的表层土壤，表层土壤由金属污染稻田土壤中分层采集回填至外壳中形成，外壳中装入水直至超出表层土壤表面形成上覆水，表层土壤中插入根际水分采集器及与根际Eh和pH监测设备连接的Eh探针和pH探针；稻田水分精细化管理装置包括田间Eh和pH监管设备及与田间Eh和pH监管设备连接的智能化灌排设备。本发明还提供一种水稻根际有效态重金属控制方法。本发明可减少当前重金属污染稻田在田间水分管理时的盲目性，提高田间水分含量管理的科学性，获得田间水分管理抑制水稻吸收有效态重金属的最大效益。

Description

一种水稻根际有效态重金属控制系统及方法
技术领域
本发明涉及耕地资源保护与重金属污染土壤治理领域，具体是一种水稻根际有效态重金属控制系统及方法。
背景技术
国土资源部最新统计数据表明，全国18.26亿亩耕地面积有12％以上受到镉、铅、砷、汞等重金属污染，稻田重金属污染及其引发的稻米重金属超标问题尤为严重。2013年发生的湖南省镉大米事件更是震惊国内外，除湖南以外，我国南方广东、广西、福建、浙江等地均存在大米镉超标现象，超标率约在5％～15％。长期食用重金属超标的粮食，会严重伤害人体肝、肾和神经系统，威胁人民群众生命健康安全。我国60％的人口以稻米为主食，稻田重金属污染降低了土壤质量，破坏了我国珍贵的土地资源，极大削弱了稻米稳产增产的基础，积极开展重金属污染稻田的修复治理是合理利用土地资源、解决稻米重金属污染、保障我国基本口粮安全的根本出路。
有效态重金属容易被农作物吸收利用，是农田重金属污染控制的工作核心；削减农作物根际有效态重金属含量，降低其活性与迁移性对保障农产品安全种植十分重要。水分管理是较为常用且效果显著的稻田有效态重金属调控措施。一般来说，田间含水量与土壤Eh(氧化还原电位)密切相关，降低田间含水量会导致Eh升高，根际有效态重金属含量、作物吸收量随之增加。田间含水量的改变还可通过Eh影响土壤pH值，进而调控重金属有效性，根际有效态重金属含量一般随着pH值的降低而增加。因此，改变土壤水分来调节Eh和pH，可达到降低根际重金属活性的目的。研究发现，长期淹水后稻田土壤镉的生物有效性下降，水稻糙米镉含量比湿润灌排处理降低了70.7％；全生育期淹水后，稻米镉含量仅为0.39mg/kg，而采用干湿交替与排水烤田等常规水分管理的稻米镉含量高达1.12mg/kg。与传统灌排方式相比，全生育期淹水显著降低了土壤有效态镉、根胶膜镉及糙米、谷壳、秸秆中镉含量。不难看出，田间水分管理可显著降低水稻根际有效态重金属含量，是值得大力推广应用的重金属污染土壤的农艺修复措施。
从降低水稻根际有效态重金属含量来说，长期淹水和全生育期淹水操作简单，效果明显。然而，水稻对根际有效态重金属的吸收性能在不同生育期存在差异，对淹水抑制根际有效态重金属含量而言，水稻全生育期内的稻田水分条件(淹水深度)并非完全一致，也无必要一致。现有研究表明，稻田水分条件与根际有效态重金属含量之间关系十分复杂，难以定量；但根际有效态重金属含量与土壤Eh和pH等关系较为明确，具备定量的基础。因此，量化根际有效态重金属含量与土壤Eh和pH的关系，借助土壤Eh和pH的监测与调控，间接开展稻田水分含量的精细化管理，最大限度削减根际有效态重金属含量，减少水稻对根际有效态重金属的吸收累积十分重要，但可借鉴的技术方法匮乏。
发明内容
本发明提供一种水稻根际有效态重金属控制系统及方法，通过土壤Eh和pH等的监测与调控间接开展稻田水分的精细化管理，为降低水稻全生育期内的根际有效态重金属含量提供科学依据，可以减少当前重金属污染稻田在田间水分管理时的盲目性，提高田间水分含量管理的科学性，获得田间水分管理抑制水稻吸收有效态重金属的最大效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种水稻根际有效态重金属控制系统，包括模拟稻田装置及稻田水分精细化管理装置，所述模拟稻田装置包括上端开口的外壳、装于外壳中用于植入水稻的表层土壤，表层土壤由金属污染稻田土壤分层采集回填至外壳中形成，外壳中还装入水直至超出表层土壤表面形成上覆水，表层土壤中插入根际水分采集器及与根际Eh和pH监测设备连接的Eh探针和pH探针；所述稻田水分精细化管理装置包括田间Eh和pH监管设备及与田间Eh和pH监管设备连接的智能化灌排设备。
如上所述的水稻根际有效态重金属控制系统，田间Eh和pH监管设备用于监测并管理水稻根际的Eh和pH，稻田智能化灌排设备用于根据水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间以及田间Eh和pH监管设备监测的水稻根际的Eh和pH自动调节田间水分含量，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间由模拟稻田装置获得且预先存储于稻田智能化灌排设备中。
如上所述的水稻根际有效态重金属控制系统，田间Eh和pH监管设备包括土壤环境信息中心、与土壤环境信息中心连接的插入稻田表层土壤中的Eh在线监测传感器和pH在线监测传感器，智能化灌排设备包括设置在稻田进水口上的进水阀、设置在稻田排水口上的排水阀、与进水阀和排水阀连接的水分控制中心，土壤环境信息中心与智能化灌排设备的水分控制中心通信连接，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间预先存储于水分控制中心，Eh和pH监测数据由土壤环境信息中心记录，通过无线通信的方式发送给智能化灌排设备的水分控制中心，水分控制中心将土壤环境信息中心发送的Eh和pH监测值与存储值进行比对，判读相应土壤pH值范围下的Eh监测值是否满足要求，当Eh监测值不在相应pH值范围下的Eh取值区间时，水分控制中心便对进水阀和排水阀予以管理，直至土壤环境信息中心获得的Eh监测值位于存储的Eh取值区间。
如上所述的水稻根际有效态重金属控制系统，所述外壳采用有机玻璃或PVC制成圆柱或方柱状。
如上所述的水稻根际有效态重金属控制系统，所述外壳采用有机玻璃或PVC制成圆柱或方柱状。
一种水稻根际有效态重金属控制方法，包括如下步骤：
步骤一、构建模拟稻田装置，所述模拟稻田装置包括上端开口的外壳、装于外壳中用于植入水稻的表层土壤，表层土壤由金属污染稻田土壤中分层采集回填至外壳中形成，外壳中还装入水直至超出表层土壤表面形成上覆水，表层土壤中插入根际水分采集器及与根际Eh和pH监测设备连接的Eh探针和pH探针；
步骤二、在水稻生育期的各个阶段，调控稻田上覆水的淹水深度，设置不同田间含水条件，利用根际水分采集器获取不同田间含水条件下的根际水样，测定根际有效态重金属含量，同时利用根际Eh和pH监测设备测定与记录不同田间含水条件下根际Eh和pH值；
步骤三、利用不同田间含水条件下的根际有效态重金属含量与相应Eh和pH数据，通过最小二乘法建立Eh、pH与有效态重金属含量之间的定量关系；
步骤四、以水稻根际有效态重金属含量最低为原则，定量有效态重金属含量与Eh、pH之间的关系，计算获得水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间；
步骤五、基于模拟稻田装置中获得的根际有效态重金属含量与Eh和pH的定量关系，在稻田中建设稻田水分精细化管理装置，包括田间Eh和pH监管设备及与田间Eh和pH监管设备连接的智能化灌排设备；
步骤六、田间Eh和pH监管设备获得的水稻根际Eh与pH监测值发送给智能化灌排设备，智能化灌排设备预先存储模拟稻田装置中获得的水稻生育期内Eh和pH取值范围区间；
步骤七、当田间Eh和pH监测值背离智能灌排设备中Eh和pH存储值的范围区间时，智能化灌排系统开始自动管理田间水分含量，通过逐步补水或排水，调控稻田水分条件，直至水稻根际的Eh与pH值满足管理需求，实现通过田间水分管理控制水稻根际有效态重金属含量的目的。
如上所述的水稻根际有效态重金属控制方法，田间Eh和pH监管设备包括土壤环境信息中心、与土壤环境信息中心连接的插入稻田表层土壤中的Eh在线监测传感器和pH在线监测传感器，智能化灌排设备包括设置在稻田进水口上的进水阀、设置在稻田排水口上的排水阀、与进水阀和排水阀连接的水分控制中心，土壤环境信息中心与智能化灌排设备的水分控制中心通信连接，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间预先存储于水分控制中心，Eh和pH监测数据由土壤环境信息中心记录，通过无线通信的方式发送给智能化灌排设备的水分控制中心。
如上所述的水稻根际有效态重金属控制方法，根际水分采集器通过采样管与储液袋连通。
由于采用了上述方案，本发明突出的技术创新和显著进步为：
(1)构建水稻根际Eh、pH与有效态重金属含量间的定量关系，为通过根际Eh和pH监测与调控间接进行田间水分管理提供了科学依据。
(2)借助Eh和pH监管开展重金属污染稻田的田间水分管理，细化了水稻全生育期的淹水深度的需求范围，减少了田间水分管理的盲目性。
(3)利用田间Eh和pH监管设备、稻田自动灌排设备构建了一套田间水分精细化管理系统，依托Eh和pH的监测反馈，自动控制灌排设备，促成了田间水分的按需式自动化管理。
(4)田间水分精细化技术主要依赖现有稻田的灌排系统，仅新增少量土壤Eh和pH传感器等廉价设备，田间改造投入少，管理操作简单，效果突出，借助合理淹水深度，最大限度的控制水稻根际有效态重金属含量，可在不影响正常农作条件下保障重金属污染农田稻米安全生产，具有极大经济效益和应用前景。
附图说明
图1为本发明中模拟稻田装置的结构示意图；
图2为本发明中稻田水分精细化管理装置的结构示意图。
图中：1-1—外壳，1-2—表层土壤，1-3—上覆水，1-4—水稻，1-5—根际Eh和pH监测设备，1-6—Eh探针，1-7—pH探针，1-8—根际水分采集器，1-9—采样管，1-10—储液袋；
2-1—表层土壤，2-2—水稻；2-3—上覆水；2-4—土壤环境信息中心，2-5—Eh在线监测传感器，2-6—pH在线监测传感器，2-7—水分控制中心，2-8—进水口，2-9—排水口，2-10—进水阀，2-11—排水阀。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种水稻根际有效态重金属控制系统，包括图1所示的模拟稻田装置以及图2所示的稻田水分精细化管理装置，所述模拟稻田装置用于量化根际有效态重金属含量最低时的土壤Eh和pH控制范围，构建水稻根际Eh、pH与有效态重金属含量间的定量关系，计算获得水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间。所述稻田水分精细化管理装置用于根据所述构建的水稻根际Eh、pH与有效态重金属含量间的定量关系对田间水分进行精细化管理。
如图1所示，所述模拟稻田装置包括上端开口的外壳1-1、装于外壳1-1中的表层土壤1-2，表层土壤1-2由金属污染稻田土壤中分层采集回填至外壳1-1中形成。
表层土壤1-2用于植入水稻1-4，外壳1-1中还装入水直至超出表层土壤1-2表面形成上覆水1-3，表层土壤1-2中插入与根际Eh和pH监测设备1-5连接的Eh探针1-6和pH探针1-7，表层土壤1-2中还插入有根际水分采集器1-8，根际水分采集器1-8通过采样管1-9与储液袋1-10连通。
所述外壳1-1可采用有机玻璃或PVC等材质制成圆柱或方柱状，深度约0.80m，内部直径或边长不低于20cm。
利用所述模拟稻田装置量化根际有效态重金属含量最低时的土壤Eh和pH控制范围，构建水稻根际Eh、pH与有效态重金属含量间的定量关系，计算获得水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间具体过程如下：
(1)分层(10-20cm)采集深度为60cm的重金属污染稻田土壤，测定各土层的容重与含水率。然后，在模拟稻田装置(图1)中，分层回填所采集的重金属污染稻田土壤，调节水分含量，使土壤容重与含水率与田间采样时一致。
(2)模拟稻田装置内分层填充了60cm重金属污染稻田土，表层土壤1-2上填充一定深度的上覆水1-3。上覆水1-3的水质符合《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)。
(3)在模拟稻田装置中培育水稻1-4，进入幼苗期后(幼苗密度为2-3株)，在表层土壤(20cm内)1-2的水稻1-4根际周边安装根际水分采集器1-8；与此同时，采用根际Eh和pH监测设备1-5(如丹麦Unisense微电极系统)、Eh探针1-6、pH探针1-7原位实时监测水稻1-4根际的Eh和pH值。根际水分采集器1-8(可采用市售的荷兰Rhizon土壤水分采样器)、采样管1-9与储液袋1-10可高效采集根际土壤中孔隙水和间隙水。
(4)在水稻1-4各个生长阶段(营养生长阶段，营养生长与生殖生长并进阶段，生殖生长阶段)，设置上覆水1-3的不同田间含水条件(淹水0cm、2cm、5cm、8cm、10cm、20cm等)。水稻主要从根际土壤水分中吸收重金属。在每种田间含水条件下，利用根际Eh和pH监测设备1-5测定与记录根际Eh和pH，当Eh与pH相对稳定后，利用根际水分采集器1-8采集根际水样。采用国际推荐的DTPA(二乙酸氨五乙酸)提取法测定有效态重金属含量。
(5)利用水稻1-4全生育期内获得的根际有效态重金属含量，以及同步监测获得的Eh与pH，采用最小二乘法，分别定量有效态重金属含量与土壤Eh与pH的关系。
(6)参照食用农产品产地环境质量评价标准(HJ/T 332-2006)，划分土壤pH范围(pH≤5.5；5.5<pH≤6.5；6.5<pH≤7.5；pH>7.5)，以稻田根际有效态重金属含量最小为原则，确定各pH值范围下的Eh取值区间，从而获得水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间。
如图2所示，所述稻田水分精细化管理装置包括土壤环境信息中心2-4、与土壤环境信息中心2-4连接的插入稻田表层土壤2-1中的Eh在线监测传感器2-5和pH在线监测传感器2-6，还包括设置在稻田进水口2-8的进水阀2-10、设置在稻田排水口2-9上的排水阀2-11、与进水阀2-10和排水阀2-11连接的水分控制中心2-7。所述模拟稻田装置获得的水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间预先存储于智能化灌排设备的水分控制中心2-7。
所述稻田水分精细化管理装置用于根据所述构建的水稻根际Eh、pH与有效态重金属含量间的定量关系对田间水分进行精细化管理的具体过程如下：
(1)基于模拟稻田装置中获得根际有效态重金属含量与Eh和pH的定量关系，在种植水稻2-2的稻田内，建设田间水分精细化控制系统，对稻田上覆水2-3深度进行调控。该系统由田间Eh和pH监管设备与智能化灌排设备组成。田间Eh和pH监管设备包括Eh在线监测传感器2-5、pH在线监测传感器2-6，以及与各传感器相连的土壤环境信息中心2-4。智能化灌排设备由智能化灌排设备由水分控制中心2-7、进水阀2-10与排水阀2-11组成。
(2)田间Eh和pH监管设备主要用于监测并管理水稻根际的Eh和pH，分别于稻田表层土壤2-1安装Eh在线监测传感器2-5和pH在线监测传感器2-6，测定其Eh和pH值。Eh在线监测传感器2-5和pH在线监测传感器2-6与土壤环境信息中心2-4相连，Eh和pH监测数据由土壤环境信息中心2-4记录，通过无线通信的方式发送给智能化灌排设备的水分控制中心2-7。
(3)稻田智能化灌排设备用于自动调节田间水分含量。在稻田进水口(2-8)与排水口(2-9)处安装进水阀(2-10)与排水阀(2-11)，水分控制中心(2-7)利用无线通信的方式控制进水阀(2-10)与排水阀(2-11)的启闭，实现稻田水分的智能化管理。
(4)智能化灌排设备的水分控制中心2-7预先存储了稻田模拟系统中获得的土壤各pH值范围下的Eh取值区间。水分控制中心2-7将土壤环境信息中心2-4发送的Eh和pH监测值与存储值进行比对，判读相应土壤pH值范围下的Eh监测值是否满足要求。当Eh监测值不在相应pH值范围下的Eh取值区间时，水分控制中心2-7便对进水阀2-10和排水阀2-11予以管理。当Eh监测值偏低时，开启排水阀2-11，降低田间水分；反之，当Eh监测值偏高时，开启进水阀2-10，增加田间水分。
(5)智能化灌排设备在调控田间水分过程中，水分控制中心2-7反复判读土壤环境信息中心2-4获得的Eh监测值是否位于存储的Eh取值区间，直至满足要求。
(6)在水稻2-1各生育期内，利用稻田安装的Eh在线监测传感器2-5和pH在线监测传感器2-6、土壤环境信息中心2-4与智能化灌排设备的配合运行，对田间水分进行精细化管理，确保水稻2-1根际有效态重金属含量最低，进而保障稻米的安全生产。
田间水分精细化管理系统不仅适用于单一水分调控，还可用于监测重金属污染稻田其他修复措施如钝化、固化/稳定化、施肥改良等对土壤环境条件Eh和pH的改变情况，间接评估其对土壤结构与理化性状的影响。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种水稻根际有效态重金属控制系统，其特征在于：包括模拟稻田装置及稻田水分精细化管理装置，所述模拟稻田装置包括上端开口的外壳(1-1)、装于外壳(1-1)中用于植入水稻(1-4)的表层土壤(1-2)，表层土壤(1-2)由金属污染稻田土壤分层采集回填至外壳(1-1)中形成，外壳(1-1)中还装入水直至超出表层土壤(1-2)表面形成上覆水(1-3)，表层土壤(1-2)中插入根际水分采集器(1-8)及与根际Eh和pH监测设备(1-5)连接的Eh探针(1-6)和pH探针(1-7)；所述稻田水分精细化管理装置包括田间Eh和pH监管设备及与田间Eh和pH监管设备连接的智能化灌排设备。
2.如权利要求1所述的水稻根际有效态重金属控制系统，其特征在于：田间Eh和pH监管设备用于监测并管理水稻根际的Eh和pH，稻田智能化灌排设备用于根据水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间以及田间Eh和pH监管设备监测的水稻根际的Eh和pH自动调节田间水分含量，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间由模拟稻田装置获得且预先存储于稻田智能化灌排设备中。
3.如权利要求1或2所述的水稻根际有效态重金属控制系统，其特征在于：田间Eh和pH监管设备包括土壤环境信息中心(2-4)、与土壤环境信息中心(2-4)连接的插入稻田表层土壤(2-1)中的Eh在线监测传感器(2-5)和pH在线监测传感器(2-6)，智能化灌排设备包括设置在稻田进水口(2-8)上的进水阀(2-10)、设置在稻田排水口(2-9)上的排水阀(2-11)、与进水阀(2-10)和排水阀(2-11)连接的水分控制中心(2-7)，土壤环境信息中心(2-4)与智能化灌排设备的水分控制中心(2-7)通信连接，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间预先存储于水分控制中心(2-7)，Eh和pH监测数据由土壤环境信息中心(2-4)记录，通过无线通信的方式发送给智能化灌排设备的水分控制中心(2-7)，水分控制中心(2-7)将土壤环境信息中心(2-4)发送的Eh和pH监测值与存储值进行比对，判读相应土壤pH值范围下的Eh监测值是否满足要求，当Eh监测值不在相应pH值范围下的Eh取值区间时，水分控制中心(2-7)便对进水阀(2-10)和排水阀(2-11)予以管理，直至土壤环境信息中心(2-4)获得的Eh监测值位于存储的Eh取值区间。
4.如权利要求1所述的水稻根际有效态重金属控制系统，其特征在于：所述外壳(1-1)采用有机玻璃或PVC制成圆柱或方柱状。
5.如权利要求1所述的水稻根际有效态重金属控制系统，其特征在于：根际水分采集器(1-8)通过采样管(1-9)与储液袋(1-10)连通。
6.一种水稻根际有效态重金属控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、构建模拟稻田装置，所述模拟稻田装置包括上端开口的外壳(1-1)、装于外壳(1-1)中用于植入水稻(1-4)的表层土壤(1-2)，表层土壤(1-2)由金属污染稻田土壤中分层采集回填至外壳(1-1)中形成，外壳(1-1)中还装入水直至超出表层土壤(1-2)表面形成上覆水(1-3)，表层土壤(1-2)中插入根际水分采集器(1-8)及与根际Eh和pH监测设备(1-5)连接的Eh探针(1-6)和pH探针(1-7)；
步骤二、在水稻生育期的各个阶段，调控稻田上覆水的淹水深度，设置不同田间含水条件，利用根际水分采集器(1-8)获取不同田间含水条件下的根际水样，测定根际有效态重金属含量，同时利用根际Eh和pH监测设备(1-5)测定与记录不同田间含水条件下根际Eh和pH值；
步骤三、利用不同田间含水条件下的根际有效态重金属含量与相应Eh和pH数据，通过最小二乘法建立Eh、pH与有效态重金属含量之间的定量关系；
步骤四、以水稻根际有效态重金属含量最低为原则，定量有效态重金属含量与Eh、pH之间的关系，计算获得水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间；
步骤五、基于模拟稻田装置中获得的根际有效态重金属含量与Eh和pH的定量关系，在稻田中建设稻田水分精细化管理装置，包括田间Eh和pH监管设备及与田间Eh和pH监管设备连接的智能化灌排设备；
步骤六、田间Eh和pH监管设备获得的水稻根际Eh与pH监测值发送给智能化灌排设备，智能化灌排设备预先存储模拟稻田装置中获得的水稻生育期内Eh和pH取值范围区间；
步骤七、当田间Eh和pH监测值背离智能灌排设备中Eh和pH存储值的范围区间时，智能化灌排系统开始自动管理田间水分含量，通过逐步补水或排水，调控稻田水分条件，直至水稻根际的Eh与pH值满足管理需求，实现通过田间水分管理控制水稻根际有效态重金属含量的目的。
7.如权利要求6所述的水稻根际有效态重金属控制方法，其特征在于：田间Eh和pH监管设备包括土壤环境信息中心(2-4)、与土壤环境信息中心(2-4)连接的插入稻田表层土壤(2-1)中的Eh在线监测传感器(2-5)和pH在线监测传感器(2-6)，智能化灌排设备包括设置在稻田进水口(2-8)上的进水阀(2-10)、设置在稻田排水口(2-9)上的排水阀(2-11)、与进水阀(2-10)和排水阀(2-11)连接的水分控制中心(2-7)，土壤环境信息中心(2-4)与智能化灌排设备的水分控制中心(2-7)通信连接，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间预先存储于水分控制中心(2-7)，Eh和pH监测数据由土壤环境信息中心(2-4)记录，通过无线通信的方式发送给智能化灌排设备的水分控制中心(2-7)。
8.如权利要求6所述的水稻根际有效态重金属控制方法，其特征在于：根际水分采集器(1-8)通过采样管(1-9)与储液袋(1-10)连通。
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