CN106508540A - 在镉污染土壤中生产低镉含量水稻的方法 - Google Patents

在镉污染土壤中生产低镉含量水稻的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在镉污染土壤中生产低镉含量水稻的方法，包括如下步骤：(1)在镉污染土壤上进行水稻基因型品种的筛选；(2)对所筛选出的水稻基因品种，在插入水稻前，首先施用熟石灰平衡6‑10天，然后施基肥，最后将生物有机肥施入农田，加入量为熟石灰每亩70～80Kg，生物有机肥每亩100～200Kg。该方法绿色环保，持续，经济，有效，在重度污染土壤上能安全生产低镉含量的水稻。

Description

在镉污染土壤中生产低镉含量水稻的方法
技术领域
本发明涉及作物学技术领域，具体涉及在土壤重金属镉污染农田土壤上持续生产安全稻米的技术方法。
背景技术
随着我国工业和城市化的不断发展，工业和生活废水排放、污水灌溉、汽车废气排放等造成的土壤重金属污染问题也日益严重。2006年，环境保护部对30万hm2的基本农田保护区土壤中的重金属抽测了3.6万hm2，重金属超标率达12.1％。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；除此之外，重金属离子可以在细胞表面和细胞内取代其他金属离子与蛋白质、核酸、多糖等大分子物质结合，导致各种代谢紊乱，对生物体造成严重危害。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，农业部1995年对我国污灌区的调查显示，全国有140万m2的污灌面积，遭受重金属污染的土地面积占污灌区总面积的64.8％，其中8.4％、9.7％、46.7％的面积分别受到重金属的重度、中度和轻度污染。我国每年因土壤污染而减少的粮食产量高达1000万t，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。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。
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％。据调查，由于矿业的快速发展，安徽省某矿业城市的一些地区的水稻土表层土壤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。铜、金等多金属矿床的开发和冶炼过程中产生的尾矿、矿渣和矿业酸性废水，是矿区土壤环境重金属污染的重要来源。在安徽某矿区水稻试验的土壤、32个基因型稻米及12个展示品种测定分析，结果表明，该地区土壤和稻米镉(Cd)超标均严重。
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产量、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。但采用单一的治理技术如物理、化学、生物修复等，并不能达到预期的效果。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种降低镉污染土壤中生长的水稻镉含量的方法，该方法是一种镉污染稻田水稻安全生产的方法，绿色环保，持续，经济，有效，在镉污染土壤上能安全生产低镉含量的水稻。
实现本发明的技术方案如下：
一种在镉污染土壤中生产低镉含量水稻的方法，包括如下步骤：
步骤一、在镉污染土壤上进行水稻基因型品种的筛选；
步骤二、对所筛选出的水稻基因品种，在插入水稻前，首先施用熟石灰平衡6-10天，然后施基肥，最后将生物有机肥施入农田，加入量为熟石灰每亩70～80Kg，生物有机肥每亩100～200Kg。基肥按照当地高产栽培技术施肥量施肥，亩施48％复合肥(16-16-16)75公斤、硫酸锌1公斤、尿素18公斤、氯化钾6公斤。
步骤一中所述重度镉污染土壤中镉含量为1.5-2.5mg/kg，有效态镉含量为0.6-1.2mg/kg，土壤为酸性pH为5.5-6.5。
所述低积累镉水稻品种筛选主要包括以下步骤：
(1)水稻品种的选择：广泛选取粳稻和籼稻品种若干个，其中粳稻又包括①常规粳稻：中熟中粳、迟熟中粳、早熟晚粳、中熟晚粳；
②杂交粳稻：中粳类型、晚粳类型；
③常规籼稻；
④杂交籼稻：两系杂交中籼、三系杂交中籼；
(2)试验设计：先是通过大田的常规湿润育秧，选取长势一致的秧苗移栽于土壤镉污染的大田，进行育秧移栽；参试水稻品种按类型分区，区内随机排列，3次重复，每个小区面积6-10m2，设置保护行并适当增加保护行宽度；
(3)取样和预处理：水稻至成熟期按照三点取样法采取3穴，采集的植株样品用自来水和蒸馏水洗净并放置烘箱内烘干表面水份，将植株茎、叶、穗分离，植株茎、叶先称取干物重后直接用粉碎机进行粉碎后装袋待测，水稻穗子先测得千粒重、每穗粒数、结实率、每穴穗数等农艺性状，再用脱壳机脱去水稻籽粒壳，最后用粉碎机磨成精米粉装袋待测；
(4)样品重金属测定：采用硝酸消解法，称取精米粉样品0.1500g左右，置于聚丙烯消化管中，加入10ml硝酸盖上盖子静置过夜，然后放入微波消解仪中进行三段温度微波消解，直至消解液呈无色透明或略带淡黄色，取出至通风橱中冷却赶酸。冷却后用去离子水冲洗、定容至50ml容量瓶待测，用石墨炉原子吸收光谱仪测定稻米中Cd含量；
(5)测产：按照常规方法进行水稻考种测得其千粒重、每穗粒数、每一小区总穗数；并将全部水稻收获测得每一水稻品种实际总产量；
(6)对比筛选：通过测定的实际重金属Cd含量数据与按照农业部“无公害食品-大米”规定的Cd含量限量标准相对照(Cd 0.2mg/kg)，根据各基因型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含量相对较低，且农艺性状、稻米品质较好的水稻基因型品种；
所述水稻基因型品种在第一年筛选出新科稻21、徐稻7号、镇稻14、徐稻5号、新两优106、两优6206等六个镉低积累品种；在第二年将如上低积累镉水稻品种种植时施加熟石灰和生物有机肥；
其中生物有机肥以重量分数计，由以下成分组成：鸡粪180～200份、过磷酸钙38～42份、油饼45～55份、煤灰25～35份、膨润土24-30份、麦麸50～70份、玉米面35～45份、土豆粉20～30份、酒糟50～80份、菌包40～60份。
其中所述的油饼选自豆油饼、菜籽油饼、花生油饼中的一种或几种。
其中所述的煤灰为灰色至黑色，是煤炭在燃烧炉中燃烧产生的微细颗粒集合体；粒径为100-300目。
所述的膨润土选自钙基膨润土或者钠基膨润土，优选钙基膨润土；粒径为100-300目。
所述的酒糟是米、麦、高梁等酿酒后剩余的残渣。
所述的菌包为培养食用菌用过的菌渣，使用时粉碎到粒径为100-300目，菌渣优选杏鲍菇菌渣，原始杏鲍菇用培养基(生产杏鲍菇前的培养基)由以下重量配比的原料制成：桑树枝粉30-45份，麦麸20-25份，豆粕5-10份，玉米芯5-15份，玉米粉5-10份，轻质碳酸钙0.5-1.5份。
有机肥的制备方法为将各成分称量，混匀即可。
步骤二中将生物有机肥施入农田后再插秧移栽所筛选出的水稻基因品种，水稻生长过程中采用常规水肥管理，成熟后获得稻米的镉含量符合国家标准，食用安全。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)若所筛选出的水稻基因型品种在重度污染土壤中能安全生产并且明显表现出对重金属Cd的低积累，表明该品种对Cd有极高的耐性和抗性，预测其可持续、有效在土壤重金属轻中度污染农田上生产；
(2)所施加的熟石灰和生物有机肥安全、经济、有效，无二次污染，可以降低水稻中的Cd含量。
(3)本发明采用熟石灰与生物有机肥配合，生物有机肥含丰富的有机质，可改善土壤的理化性质，增强土壤肥力，且有机质对重金属离子的吸附和螯合作用很强，可降低植物的吸收；而熟石灰性物质，可有效增加土壤pH值，使得重金属向碳酸盐、氢氧化物沉淀转化，降低重金属的有效性，从而抑制作物对重金属的吸收。因此，选育重金属低积累品种并配合熟石灰加生物有机肥的复合钝化法，可以得到重金属Cd含量符合农业部“无公害食品-大米”规定的Cd含量限量标准(Cd 0.2mg/kg)的水稻品种。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明在土壤Cd污染农田的常规粳稻籽粒Cd含量
图2为本发明在土壤Cd污染农田的常规粳稻产量
图3为本发明在土壤Cd污染农田的常规粳稻和杂交粳稻籽粒Cd含量
图4为本发明在土壤Cd污染农田的常规粳稻和杂交粳稻产量
图5为本发明在土壤Cd污染农田的常规籼稻和杂交籼稻籽粒Cd含量
图6为本发明在土壤Cd污染农田的常规籼稻和杂交籼稻产量
图7为本发明在土壤Cd污染农田的杂交籼稻籽粒Cd含量
图8为本发明在土壤Cd污染农田的杂交籼稻产量
图9为本发明实施例1在Cd污染农田的空白与熟石灰+生物有机肥展示水稻籽粒Cd含量
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
本发明第一步水稻基因型品种的筛选如下：
本发明做了如下试验，测量了在土壤Cd污染农田的常规粳稻籽粒Cd含量(图1)和产量(图2)，同时测量了在土壤Cd污染农田的常规粳稻和杂交粳稻籽粒Cd含量(图3)和产量(图4)，测量了在土壤Cd污染农田的常规籼稻和杂交籼稻籽粒Cd含量(图5)和产量(图6)，测量，测量了在土壤Cd污染农田的杂交籼稻籽粒Cd含量(7)和产量(图8)，其中所述土壤Cd重度污染农田的Cd含量为2mg/kg。
综合以上的试验结果，粳稻品种籽粒对Cd积累量平均为0.6568mg/kg，籼稻为1.3138mg/kg，由此看出粳稻品种较籼稻品种籽粒对Cd的积累量低且对Cd的耐性更稳定。从产量来看，粳稻品种平均产量为634.34公斤/亩，籼稻为630.96公斤/亩，由此看出粳稻品种较籼稻品种产量稍高一些。
综合图1-图8筛选的结果选出新科稻21、徐稻7号、镇稻14、徐稻5号、新两优106、两优6206等六个综合表现较好的品种，其在重金属重度污染农田中表现出对Cd的显著低积累且其产量也较理想，可见其对重金属Cd具有十分好的抗性和耐性。
选取新科稻21、徐稻7号、镇稻14、徐稻5号、新两优106、两优6206六个水稻品种，插入水稻前，首先施用熟石灰，平衡7天，然后按照当地高产栽培技术施肥量施基肥，亩施48％复合肥(16-16-16)75公斤、硫酸锌1公斤、尿素18公斤、氯化钾6公斤，最后将生物有机肥施入农田，加入量为熟石灰每亩75Kg，生物有机肥每亩120Kg。
其中生物有机肥的实施例如下：
以下实施例中菌包为杏鲍菇菌渣，其原始用培养基由以下重量配比的原料制成：桑树枝粉35份，麦麸25份，豆粕10份，玉米芯10份，玉米粉7份，轻质碳酸钙1份。
酒糟为高粱酒残渣。
实施例中膨润土为钙基膨润土。
本发明以下实施例中所用土壤Cd重度污染农田的Cd含量为2mg/kg。
表1为实施例1-6的生物有机肥配方，表2为实施例7-9、对比例1-2的生物有机肥配方。
表1实施例1-6的生物有机肥配方
表2实施例7-9、对比例1-2的生物有机肥配方
实施例 7 8 9 对比例1 对比例2
鸡粪 182 186 188 188 188
过磷酸钙 42 41 40 40 40
豆油饼 46 48 50 50 50
煤灰 35 33 31 31 31
膨润土 24 25 26 26 -
麦麸 55 57 59 59 59
玉米面 45 43 41 41 41
土豆粉 21 23 25 25 25
酒糟 54 58 63 63 63
菌包 46 48 50 - 50
对比例1在实施例9的基础上去掉了膨润土，对比例2在实施例9的基础上去掉了菌包。
图9为本发明实施例1在土壤Cd重度污染农田的空白(不加熟石灰与生物有机肥)与熟石灰+生物有机肥展示水稻籽粒Cd含量；
将熟石灰加生物有机肥展示与空白展示的结果进行对比可看出，熟石灰加生物有机肥展示的水稻籽粒Cd含量平均为0.25246mg/kg，而空白展示的水稻籽粒Cd含量为0.38517mg/kg，施用熟石灰和生物有机肥后水稻籽粒的Cd含量减少了34.5％。
表3-表6为土壤Cd污染农田的空白、仅用熟石灰、仅用修复生物有机肥修复及熟石灰与生物有机肥复合修复的水稻籽粒Cd含量及水稻产量试验数据。
表3土壤Cd污染农田的空白、熟石灰展示及熟石灰与生物有机肥复合修复的水稻籽粒Cd含量
表4土壤cd污染农田的空白、熟石灰展示及熟石灰与生物有机肥复合修复的水稻产量
表5土壤Cd污染农田的空白、生物有机肥展示及熟石灰与生物有机肥复合修复的水稻籽粒cd含量
表6土壤Cd污染农田的空白、生物有机肥展示及复合修复的水稻产量
从表3到表6的数据可以看出，本发明熟石灰与生物有机肥对水稻重金属Cd的含量降低具有协同作用，并且加入生物有机肥后产量提高。
从以上试验可以看出，经过熟石灰与生物有机肥处理后，徐稻5号的Cd最低，本发明采用徐稻5号对其他实施例、对比例做了试验，数据见表7。
表7实施例2-9、对比例1-2及熟石灰与生物有机肥复合修复的水稻Cd含量及产量
实施例 Cd含量 产量
实施例2 0.16110 420.60
实施例3 0.16102 420.50
实施例4 0.15189 419.45
实施例5 0.15191 419.46
实施例6 0.15199 420.20
实施例7 0.16112 421.00
实施例8 0.16109 422.11
实施例9 0.15187 422.55
对比例1 0.19220 409.20
对比例2 0.20002 409.50
从以上对比可以看出，对比例1和对比例2的Cd含量比实施例9高，产量比实施例9低，可见生物有机肥中的膨润土和菌包具有协同作用。
采用以上方法，将徐稻5号连续生产5年，所得水稻Cd含量均低于0.2mg/kg。
因此，在重金属Cd重度污染的酸性或微酸性土壤中筛选的对重金属Cd有高度抗性和耐性的上述水稻品种配合施用熟石灰和生物有机肥在酸性或微酸性重金属Cd污染的农田中可安全稳定生产。
以上内容描述了本发明的基本原理和主要特征，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种在镉污染土壤中生产低镉含量水稻的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在镉污染土壤上进行水稻基因型品种的筛选；
步骤二、对所筛选出的水稻基因品种，在插入水稻前，首先施用熟石灰平衡6-10天，然后施基肥，最后将生物有机肥施入农田，加入量为熟石灰每亩70～80Kg，生物有机肥每亩100～200Kg。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一所述镉污染土壤中镉含量为1.5-2.5mg/kg。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水稻基因型品种的筛选主要包括以下步骤：
(1)水稻品种的选择；
(2)试验设计：先是通过大田的常规湿润育秧，选取长势一致的秧苗移栽于土壤镉污染的大田，进行育秧移栽；参试水稻品种按类型分区，区内随机排列，3次重复，每个小区面积6-10m2，设置保护行并适当增加保护行宽度；
(3)取样和预处理：水稻至成熟期按照三点取样法采取3穴，采集的植株样品用自来水和蒸馏水洗净并放置烘箱内烘干表面水份，将植株茎、叶、穗分离，植株茎、叶先称取干物重后直接用粉碎机进行粉碎后装袋待测，水稻穗子先测得千粒重、每穗粒数、结实率、每穴穗数农艺性状，再用脱壳机脱去水稻籽粒壳，最后用粉碎机磨成精米粉装袋待测；
(4)样品重金属测定：采用硝酸消解法，称取精米粉样品0.1500g，置于聚丙烯消化管中，加入10ml硝酸盖上盖子静置过夜，然后放入微波消解仪中进行三段温度微波消解，直至消解液呈无色透明或略带淡黄色，取出至通风橱中冷却赶酸。冷却后用去离子水冲洗、定容至50ml容量瓶待测，用石墨炉原子吸收光谱仪测定稻米中Cd含量；
(5)测产：按照常规方法进行水稻考种测得其千粒重、每穗粒数、每一小区总穗数；并将全部水稻收获测得每一水稻品种实际总产量；
(6)对比筛选：通过测定的实际重金属Cd含量数据与按照农业部“无公害食品-大米”规定的Cd含量限量标准相对照，筛选出籽粒Cd含量低的水稻品种。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物有机肥以重量分数计，由以下成分组成：鸡粪180～200份、过磷酸钙38～42份、油饼45～55份、煤灰25～35份、膨润土24-30份、麦麸50～70份、玉米面35～45份、土豆粉20～30份、酒糟50～80份、菌包40～60份。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的膨润土选自钙基膨润土或者钠基膨润土，粒径为100-300目。
6.权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的膨润土为钙基膨润土。
7.权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的菌包为培养食用菌杏鲍菇用过的菌渣，杏鲍菇菌渣使用时粉碎到粒径为100-300目。
8.权利要求7所述的方法，其特征在于，杏鲍菇菌渣的原始培养基由以下重量配比的原料制成：桑树枝粉30-45份，麦麸20-25份，豆粕5-10份，玉米芯5-15份，玉米粉5-10份，轻质碳酸钙0.5-1.5份。
9.权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的油饼选自豆油饼、菜籽油饼、花生油饼中的一种或几种。
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