CN106069427A - 一种降低水稻糙米镉含量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低水稻糙米镉含量的方法，包括以下步骤：（1）在水稻秧苗移栽前7~14天，将重量比为4~12:1的生物质炭和钙镁磷肥混匀后按600~1000 kg/hm2的总用量均匀撒施在土壤表层，翻耕，3天后再施基肥，并淹水至水稻秧苗移栽；（2）移栽水稻秧苗，当水稻秧苗生长至孕穗期和灌浆期时，分别施用一次石灰水，两次施用的时间间隔为15~20天；每次施用的石灰水中含石灰的量为150~325 kg/hm2；所述石灰水的质量浓度为8~15%。该方法可以有效地降低水稻糙米中Cd含量的方法，同时可以为水稻提供各种营养元素，还可以使得水稻的增产。

Description

一种降低水稻糙米镉含量的方法
技术领域
本发明涉及一种降低水稻糙米镉含量的方法，属于农产品重金属污染防治技术领域。
背景技术
Cd是人体和植物的非必需元素，也是毒性最强的重金属元素之一，同时Cd也被公认为稻田主要的重金属污染元素。随着工业发展和城市化进程的日益加快，工业“三废”和城市生活污水垃圾的随意排放，以及含有重金属Cd的农药、化肥的不合理使用，使得环境中Cd的释放不断加剧，土壤中Cd的积累不断增加，将造成土壤生产力下降、农产品污染和生态环境破坏等生态环境问题。据不完全统计，我国耕地总面积的1/5左右受到了重金属污染，其面积约为2000万hm2；2014年4月环境保护部公布的第二次全国土地调查结果表明，我国受污染的农业用地占19.4％，其中轻微污染、轻度污染、中度污染、严重污染所占比例分别为13.7％、2.8％、1.8％、1.1％；同时，重金属Cd、Pb、Ni、As农田污染最为严重。
水稻作为我国第一大粮食作物，稻米是我国约65％以上的人口的主食。近几年我国关于镉大米的报道越来越多，如广东、广西、湖南等多地被报道出现大米镉超标事件；水稻作为对Cd吸收较强的大宗谷类作物，更易受Cd污染。一旦农田土壤受到Cd的污染，Cd容易被水稻根系吸收而进入植物体内，这不仅会影响水稻的生长发育，Cd还能通过食物链富集在糙米中，对人体健康造成严重的危害。大量研究表明，Cd易于在水稻籽粒中累积，尤其在土壤低Cd污染情况下，水稻籽粒中的Cd也容易超过国家食品中污染物限量标准(GB 2762-2012，Cd≤0.2mg·kg-1)。
稻米中的Cd含量不但会受到土壤污染状况及水稻品种的影响，还会受到栽培技术的影响。在水稻生长过程中，施肥、水分管理等农艺措施会改变土壤的理化状况和水稻的生长状况，因而会改变土壤中Cd的存在形态和对植物的有效性，影响水稻对Cd的吸收及分配。有研究表明，生物质炭一方面能有效地改善土壤状况，另一方面还会减少水稻对Cd的吸收；钙镁磷肥中的硅酸根、磷酸根等能和重金属Cd发生沉淀反应，进而降低土壤自由态Cd的含量，达到降低土壤中Cd有效性的效果。石灰的撒施能通过提高土壤pH值，降低土壤Cd的生物有效性，从而降低糙米中Cd的含量。
发明内容
本发明解决的技术问题是，提供一种在中轻度镉污染稻田中，资源化利用稻草秸秆还田，降低水稻糙米镉含量的方法。
本发明的技术方案是，提供一种降低水稻糙米镉含量的方法，包括以下步骤：
(1)在水稻秧苗移栽前7～14天，将重量比为4～12:1的生物质炭和钙镁磷肥混匀后按600～1000kg/hm2的总用量均匀撒施在土壤表层，翻耕，3天后再施基肥，并淹水至水稻秧苗移栽；
所述生物质炭是将水稻秸秆置于炭化炉中在缺氧条件下经300～500℃炭化后得到的固体产物，再经粉碎、过1mm的筛网得到的筛下料；
(2)移栽水稻秧苗，当水稻秧苗生长至孕穗期和灌浆期时，分别施用一次石灰水，两次施用的时间间隔为15～20天；每次施用的石灰水中含石灰的量为150～325kg/hm2；所述石灰水的质量浓度为8～15％。
进一步地，所述钙镁磷肥的主要成分为12％～14％的P2O5、25％～30％的CaO、30％～40％的SiO2、4％～6％的MgO。
进一步地，所述土壤中镉含量为0.3～1.5mg/kg。
进一步地，所述水稻秸秆的用量为5000～6000kg/hm2。
进一步地，施基肥后、水稻秧苗移栽前采用淹水0.5～1cm的浅水灌溉。
进一步地，在喷施石灰水前先将稻田灌水至水深2～3cm，再将石灰水均匀喷施到稻田中。
进一步地，水稻生长至分蘖期之前采用湿润灌溉，分蘖期采用淹水0.5～1cm的浅水灌溉，孕穗期至成熟期采用淹水2～4cm的深水灌溉，完熟期保持土壤湿润。
进一步地，炭化后粉末用0.1mol/L HCl溶液清洗，再用水清洗至pH呈中性，干燥。可以除去碱性的灰分，提高生物质炭的吸附性能。
本发明通过施加稻草秸秆生物质炭+钙镁磷肥，孕穗期和灌浆期土壤各喷施一次石灰水，并配合淹水管理措施，对资源化利用稻草秸秆，降低糙米中重金属Cd含量具有很好的防治效果。与单独施加生物质炭或钙镁磷肥相比，降镉效果明显增强，体现出了生物质炭+钙镁磷肥在降镉方面的协同作用。进一步地结合石灰水的灌溉，意外地发现降镉程度也非常明显。
本发明生物质炭具有较高的pH和较大的表面积，施入土壤后对Cd有较强的吸附能力和较高的吸附容量，其表面的含氧官能团还可与Cd2+形成络合物，从而降低土壤中Cd的生物有效性。
钙镁磷肥是一种含有磷酸根的硅铝酸盐玻璃体，也是一种多元素肥料，水溶液呈碱性。钙镁磷肥中的硅酸根、磷酸根等能和重金属Cd发生沉淀反应，进而降低土壤自由态Cd的含量，达到降低土壤中Cd有效性的效果。
石灰呈强碱性，灌浆期前后是水稻糙米吸收累积Cd的关键时期，石灰水的施加能通过提高土壤pH值，降低土壤Cd的生物有效性，从而达到抑制稻米对Cd的吸收累积的作用。
本发明除了降低重金属Cd的生物有效性外，生物质炭和钙镁磷肥的施加还可以提高稻田土壤肥效，为水稻提高养分成分。另外，对同块农田上季稻草进行炭化，这是对稻草的资源化和减量化利用的一种方式。
本发明水稻在长期淹水的还原条件下生长，土壤中Fe2+等金属离子和Cd2+的竞争吸附作用以及S2-和Cd2+的共沉淀作用均得到增强，通过水分调控管理能改变农田土壤氧化还原电位，降低土壤Cd活性，最终达到降低水稻中Cd含量的目的。
本发明还意外的发现使用，使用上述方法降镉的同时，稻米的产量非但没有降低，反而产量有10％左右的增加。
本发明的有益效果是，该方法可以有效地降低水稻糙米中Cd含量的方法，同时可以为水稻提供各种营养元素，还可以使得水稻的增产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
下述实施例以湖南省低镉累积水稻品种湘晚籼12号为试验品种，在湖南长沙市某县Cd污染二级以上水平土壤中种植，试验土壤的基本理化性质见表1，表1中OM表示土壤中有机质含量，CEC表示土壤中阳离子交换量。
表1试验田Cd污染土壤的基本性质
实施例实验设计：
同块稻田土壤上，设置5个处理，每个处理设置3个重复，每个实验样方面积为25m2(5m×5m)，总计15块小区，所有样方随机区组排列。
本实施例各处理具体操作管理包括以下步骤，同块稻田土壤上季水稻收获时，将全量稻草秸秆统一回收，用粉碎机或球磨机粉碎，过1mm的筛网获得的即为本发明所施用的生物质炭。生物质炭、钙镁磷肥均在水稻种植前7天，均匀撒施在土壤表层，翻耕将其与表层20cm土壤充分混匀，3天后再施基肥，并淹水至水稻秧苗移栽，生物质炭的施加量为720kg/hm2，钙镁磷肥的施加量为150kg/hm2。石灰水在水稻孕穗期(从种子萌发开始计算，约80d)和灌浆期(约100d)各喷施一次，每次喷施用量为300kg/hm2，石灰水喷施方式为在喷施石灰水前先将稻田灌薄水层(约3cm)，将溶解混匀后的石灰水均匀喷施到稻田中，让水层自然落干后在灌水。实验各处理如表2。
表2试验田水稻各处理方式
其中，CK处理水稻种植与农民正常耕作生产保持一致，A、B、C、D处理水分管理方式均按照本发明的步骤进行管理，即水稻生长至分蘖期之前采用湿润灌溉，分蘖期采用淹水0.5～1.5cm的浅水灌溉，孕穗期至成熟期采用淹水2～4cm深水灌溉，完熟期保持土壤湿润。
以上各处理田的化肥、农药施用均保持一致。水稻成熟期时，测定各处理水稻的基本农艺性状，水稻糙米Cd含量采用硝酸-高氯酸混合消解后用ICP-AES进行测定。结果如表3所示，表3中同列数据后字母不同(即a、b、ab之间)表示差异具有统计学意义(P<0.05)，即字母不同说明了处理间存在显著差异性。
表3各处理试验田水稻农艺性状及糙米Cd含量
由表3可知，从农业性状分析，与对照CK相比，A、B、D处理均能显著增加水稻每株平均干重，但对水稻株高和千粒重并未产生显著影响；C处理水稻的平均株高、每株平均干重以及千粒重与对照A处理相比均物无显著差异。从水稻产量分析，与对照CK相比，B、D处理均能增加稻米产量，分别达9.08％、8.46％。
从水稻糙米中Cd含量分析，A、B、C、D处理均能降低水稻糙米中Cd含量，其降Cd率分别为27.7％、39.3％、20.8％、50.9％。由此可知，水稻种植前生物质炭和钙镁磷肥混合施用对降低糙米中Cd含量的效果显著高于单独施加生物质炭；石灰水的喷施对降低糙米中Cd含量有较好的效果。然而，所有处理中，以使用本发明方法(施加生物质炭和钙镁磷肥+喷施石灰水)的水稻糙米镉含量最低，达到国家食品中污染物限量标准(GB 2762-2012)。可见，本发明的降Cd方法在资源化利用秸秆的同时，对降低水稻糙米中Cd含量有明显的效果，具有良好的推广应用前景，能为水稻秸秆还田下安全生产提供有效的科学理论和技术支持。

Claims (8)

1.一种降低水稻糙米镉含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在水稻秧苗移栽前7~14天，将重量比为4~12:1的生物质炭和钙镁磷肥混匀后按600~1000 kg/hm2的总用量均匀撒施在土壤表层，翻耕，3天后再施基肥，并淹水至水稻秧苗移栽；
所述生物质炭是将水稻秸秆置于炭化炉中在缺氧条件下经300~500℃炭化后得到的固体产物，再经粉碎、过1 mm的筛网得到的筛下料；
（2）移栽水稻秧苗，当水稻秧苗生长至孕穗期和灌浆期时，分别施用一次石灰水，两次施用的时间间隔为15~20天；每次施用的石灰水中含石灰的量为150~325 kg/hm2；所述石灰水的质量浓度为8~15%。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钙镁磷肥的主要成分为12%~14%的P2O5、25%~30%的CaO、30%~40%的SiO2、4%~6%的MgO。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述土壤中镉含量为0.3~1.5 mg/kg。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水稻秸秆的用量为5000~6000 kg/hm2。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施基肥后、水稻秧苗移栽前采用淹水0.5~1cm的浅水灌溉。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在喷施石灰水前先将稻田灌水至水深2~3cm，再将石灰水均匀喷施到稻田中。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，水稻生长至分蘖期之前采用湿润灌溉，分蘖期采用淹水0.5~1cm的浅水灌溉，孕穗期至成熟期采用淹水2~4cm的深水灌溉，完熟期保持土壤湿润。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，炭化后粉末用0.1mol/L HCl溶液清洗，再用水清洗至pH呈中性，干燥。
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