CN107986863A

CN107986863A - 一种叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料及其制备方法和应用

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Publication number: CN107986863A
Application number: CN201711286940.1A
Authority: CN
Inventors: 纪雄辉; 谢运河; 田发祥; 吴家梅; 彭华; 朱坚; 刘昭兵; 柳赛花; 官迪
Original assignee: Hunan Institute Of Agricultural Environment And Ecology
Current assignee: Hunan Institute Of Agricultural Environment And Ecology
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2018-05-04

Abstract

本发明公开了一种叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料，包含水和以下质量百分比的组分：氨基酸17％～22％、聚谷氨酸5％～6％、金属螯合物19％～28％、络合剂0.5％～0.8％、表面活性剂5％～8％。本发明还公开了该水溶肥料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氨基酸、聚谷氨酸加入水中，加热并搅拌，得到母液A；(2)在搅拌状态下，将金属螯合物和络合剂加入母液A中，完全溶解后得到母液B；(3)在搅拌状态下，将表面活性剂加入母液B中，完全溶解后得到该水溶肥料产品。施用本发明的水溶肥料能降低稻米镉含量、确保稻米镉含量符合食用安全标准，促进水稻增产提质，且不会对环境造成二次污染。

Description

一种叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于农业肥料技术领域，尤其涉及一种叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，人类活动(如工业生产、开矿、汽车尾气等)使自然界和农业环境中重金属含量明显增加，重金属污染已经成为人类面临的重大生态问题。镉是一种具有极高生物毒性的重金属元素，在环境系统中迁移极为活跃，已被联合国环境规划署、世界卫生组织和美国农业委员会等列为优先关注污染物之一。镉通过土壤-植物-(动物)-人类的食物链进入人体，从而引发人类一系列疾病，如日本的痛痛病事件就是食用镉污染严重超标的稻米引致的。

水稻是世界第二大粮食作物，也是中国第一大粮食作物。在诸多影响水稻安全质量的因素中，土壤污染及其导致的环境质量恶化是引发水稻质量问题的重要因素和源头，其中又以镉污染最为严重。雷鸣等采集检测湖南采矿区和冶炼区土壤样品及市场稻米样品的镉含量，结果表明，污染区土壤样品及市场稻米样品镉平均含量分别是0.43mg/kg和0.28mg/kg，对人体健康存在着潜在危害(参见：雷鸣，曾敏，郑袁明等.湖南采矿区和冶炼区水稻土重金属污染及其潜在风险评价[J]，《环境科学学报》，2008[28])。水稻较易从土壤中吸收富集镉等重金属，据调查统计，我国受镉污染的耕地面积已达8000万亩，被镉、砷等污染的耕地近1.8亿亩。水稻对镉的吸收富集不仅影响水稻的正常生长发育，导致水稻产量和品质下降，而且通过食物链进入人体，危害人类健康。因此，叶面阻控水稻吸收富集镉，保障粮食安全和人类健康，成为目前迫切需要解决的问题。

近年来，研究人员先后开发了多种能减少水稻吸收富集土壤环境中的有效镉的新技术和新方法，采取的措施主要有以下几种：一是采用物理法将镉从土壤中直接去除，如“客土法”；这种措施因工程修复所需资金较大，难以进行大面积推广。二是采用化学法改变土壤中镉的形态或价态，将其转化成不易溶解、迁移能力小且毒性小的化合物或矿物相形态，如使用化学原位稳定化技术；这种措施对土壤破坏较重，土壤中必须的中微量元素也发生沉淀，从而导致营养元素缺乏。三是生物修复法，如通过种植东南景天等镉超积累植物修复土壤；这种措施因超积累作物生物量少，后期处理难。四是叶面阻控技术，通过喷施叶面阻控剂，利用元素叶面阻控机理，将镉等重金属阻控于根部，减少其向地上部运转，特别是向籽粒运转，这种措施区别于以上三种传统方法，具有投入少，不产生二次污染，简单便捷等特点。目前，市场上常见的叶面肥普遍存在降隔效果不佳或不能降低作物镉含量的缺点，且不能促进作物对有益微量元素的吸收，因此，开发一种能够有效阻控水稻对重金属镉的吸收富集的环保型水溶肥料具有非常重要的意义，具有良好的市场应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种能叶面阻控水稻对镉的吸收、减少镉的运转、保护水稻正常生长发育、促进水稻增产提质和保障稻米镉含量符合食用安全标准的水溶肥料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料，所述水溶肥料包含水和以下质量百分比的组分：

氨基酸 17％～22％、

聚谷氨酸 5％～6％、

金属螯合物 19％～28％、

络合剂 0.5％～0.8％、

表面活性剂 5％～8％。

上述的水溶肥料，优选的，所述氨基酸包括脯氨酸、甘氨酸、半胱氨酸；以在水溶肥料中的质量百分比计，所述脯氨酸的含量为3％～4％，所述甘氨酸的含量为8％～10％，所述半胱氨酸的含量为6％～8％。

上述的水溶肥料，优选的，所述金属螯合物中至少包括EDTA-Zn、EDTA-Mn和EDTA-Cu；以在水溶肥料中的质量百分比计，所述EDTA-Zn的含量为7％～8％，所述EDTA-Mn的含量为4％～6％，所述EDTA-Cu的含量为3％～5％。更优选的，所述金属螯合物中还包括EDTA-Ca和/或EDTA-Fe；以在水溶肥料中的质量百分比计，所述EDTA-Ca的含量为3％～5％，所述EDTA-Fe的含量为2％～4％。

上述的水溶肥料，优选的，所述络合剂为乙二胺四乙酸二钠、二乙基三胺五乙酸、乙二胺二邻苯基乙酸钠中的一种或几种。络合剂的加入使得水溶肥料溶液更加稳定，同时还提供有机酸，供植物吸收利用。

上述的水溶肥料，优选的，所述表面活性剂为有机硅表面活性剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚(优选OP-10)、脂肪醇聚氧乙烯醚(优选AEO-9)中的一种或多种。加入的表面活性剂能提高肥料的润湿和渗透性能，有机硅表面活性剂还能提供对水稻生长有益的硅元素。

上述的水溶肥料，优选的，所述水溶肥料的pH值为3～10。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的水溶肥料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氨基酸、聚谷氨酸钠加入水中，加热并搅拌，得到母液A；

(2)在搅拌状态下，将金属螯合物和络合剂加入母液A中，完全溶解后得到母液B；

(3)在搅拌状态下，将表面活性剂加入母液B中，完全溶解后得到所述水溶肥料产品。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中是加热至60℃～70℃，搅拌的时间为0.5～1小时。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中搅拌是在恒温状态下进行，温度为60℃～70℃，搅拌时间为1～1.5小时。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中搅拌是在恒温状态下进行，温度为60℃～70℃，搅拌时间为0.5～1小时。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述本发明的水溶肥料的应用，具体包括以下步骤：将所述水溶肥料兑纯水稀释至少300倍，然后在水稻生长的分蘖期、孕穗期各均匀喷施一次，具体施用时间为非降雨天气的下午4点后，喷施用量为100ml/亩。

上述的本发明的技术方案主要是基于以下原理：

一是原料中氨基酸(特别是脯氨酸、甘氨酸、半胱氨酸)、聚谷氨酸被水稻吸收合成谷胱甘肽，锌、铜、锰等微量元素能刺激水稻体内解毒机制应答，促进水稻合成富含巯基的植物络合肽，谷胱甘肽和植物络合肽等在根系细胞富集，将进入水稻根系的镉吸附固定在根部、茎部细胞，减少向地上部的转运；二是锌、锰、铜、钙等通过拮抗作用，将大量的细胞转运蛋白和吸附点位占据，抑制进入水稻根系和茎部的镉向稻谷中的转运。

在各原料的协同作用下，施用本发明的水溶肥料可以有效实现叶面阻控水稻吸收富集镉的作用，从而降低了水稻可食部位中重金属镉的含量，并使稻米达到国家食品安全标准。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料，在前期大量实验的基础上，优选组合降镉效果较好的氨基酸、聚谷氨酸为原料，在金属螯合物、络合剂及表面活性剂作用下，精确定量各组分的含量，最大程度的抑制水稻体内镉的迁移运转，降低稻米镉含量，确保稻米镉含量符合食用安全标准。

(2)本发明的叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料，含有水稻生长所需营养剂，在保护水稻正常生长发育的同时，提高水稻抗病虫害的能力，促进水稻增产提质，且不会对环境造成二次污染。

(3)本发明的制备方法操作简单，无需使用特制的工具与设备，仅需普通的生产液体肥料反应釜即可制作，原料成本低，适用大规模农田使用。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种本发明的叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料，由以下质量百分比的原料制备而成：脯氨酸3％、甘氨酸8％、半胱氨酸8％、聚谷氨酸5％、EDTA-Ca3％、EDTA-Zn7％、EDTA-Fe3％、EDTA-Mn4％、EDTA-Cu4％、二乙基三胺五乙酸0.3％、乙二胺二邻苯基乙酸钠0.2％、有机硅表面活性剂4％、AEO-9 2％和水余量；其中，氨基酸包括脯氨酸、甘氨酸和半胱氨酸，金属螯合物包括EDTA-Ca、EDTA-Zn、EDTA-Fe、EDTA-Mn和EDTA-Cu，络合剂为二乙基三胺五乙酸和乙二胺二邻苯基乙酸钠的混合物，表面活性剂为有机硅表面活性剂和AEO-9的混合物；该水溶肥料的pH值为4.5。

本实施例的水溶肥料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按产品质量百分比的配比准备相应份数的原料；将脯氨酸、甘氨酸、半胱氨酸和聚谷氨酸加入水中，加热至60℃～70℃，充分搅拌0.5小时，得到母液A；

(2)在60℃～70℃恒温条件下，将EDTA-Ca、EDTA-Zn、EDTA-Fe、EDTA-Mn、EDTA-Cu、二乙基三胺五乙酸和乙二胺二邻苯基乙酸钠加入母液A中，搅拌1小时至完全溶解，得到母液B；

(3)在恒温60℃～70℃搅拌下，将有机硅表面活性剂和AEO-9加入母液B中，搅拌0.5小时至完全溶解，得到水溶肥料产品。

将本实施例制备的叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料在湖南省长沙县江背镇的镉污染稻田进行试验。试验地点(经度：113.341730，纬度：28.131636)，双季稻种植，土壤为板页岩发育的水稻土。土壤全镉含量0.72mg/kg，土壤有效态镉含量0.31mg/kg，污染主要原因可能是水泥厂引起的粉尘所致。试验开始前取基础土壤，测定土壤基本理化性质及重金属全量和有效态含量，供试土壤基本理化性质见表1；供试水稻品种为湘晚籼13号。

表1供试土壤基本理化性质

试验共设置2个处理，每个处理重复3次，每处供试小区面积为20m²，随机排列。小区周边设隔离行，小区田埂用塑料薄膜铺盖至田面20cm以下，各小区单灌单排。各处理除修复剂施用不同外，水肥及病虫害等农事操作相同。2个处理分别是处理CK₁、处理T1；处理CK₁是对照组，为常规施肥与喷施纯水结合；处理T1为常规施肥与喷施本实施的水溶肥料结合；各小区喷施时先用1m高的塑料薄膜围拢，高出水稻叶尖50cm，再兑纯水500倍稀释后均匀喷施，用量为100ml/亩；两个处理均于分蘖期、孕穗期各喷施一次，施用时间为阴天或晴天的下午4点后。

水稻成熟后各小区单打单收，晒干后测产，并取样分析稻米、植株镉含量。

测定水稻产量结果(见表2)表明：喷施纯水处理的平均产量为442.2kg/亩，分蘖期、孕穗期两次喷施本实施例水溶肥料的水稻产量为464.1kg/亩，比喷施纯水处理对照组增产5.0％；可见，分蘖期和孕穗期两次喷施本实施例水溶肥料有促进水稻增产的作用。

表2本实施例处理CK₁、处理T1的水稻产量(kg/亩)

测定水稻稻米镉含量结果(见表3)表明：分蘖期和孕穗期两次喷施纯水的稻米平均镉含量为0.29mg/kg，分蘖期和孕穗期两次喷施本实施例水溶肥料的稻米平均镉含量为0.20mg/kg，比喷施纯水处理降低了33.10％(P<0.05)，稻米镉含量降低达显著差异水平，并达到国家食品安全卫生标准。

表3本实施例处理CK₁、处理T1的水稻稻米镉含量(mg/kg)

测定水稻茎秆镉含量结果(见表4)表明：分蘖期和孕穗期两次喷施纯水的茎秆平均镉含量为1.52mg/kg，分蘖期和孕穗期两次喷施本实施例水溶肥料的茎秆平均镉含量为1.43mg/kg，比喷施纯水处理降低了5.82％。

表4本实施例处理CK₁、处理T1的水稻茎秆镉含量(mg/kg)

可见，喷施本实施例水溶肥料有促进水稻增产的作用，并降低水稻对镉的吸收积累，降低水稻茎秆和稻米的镉含量，尤其是显著降低稻米镉含量。与喷施纯水相比，分蘖期和孕穗期两次喷施本实施例水溶肥料的水稻产量增加了5.0％，稻米镉含量则下降了33.10％(P<0.05)，茎秆镉含量也下降了5.82％。

实施例2：

一种本发明的叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料，由以下质量百分比的原料制备而成：脯氨酸4％、甘氨酸10％、半胱氨酸8％、聚谷氨酸6％、EDTA-Ca5％、EDTA-Zn7％、EDTA-Fe2％、EDTA-Mn6％、EDTA-Cu3％、二乙基三胺五乙酸0.3％、乙二胺二邻苯基乙酸钠0.3％、有机硅表面活性剂5％、AEO-9 2％和水余量；其中，氨基酸包括脯氨酸、甘氨酸和半胱氨酸，金属螯合物包括EDTA-Ca、EDTA-Zn、EDTA-Fe、EDTA-Mn和EDTA-Cu，络合剂为二乙基三胺五乙酸和乙二胺二邻苯基乙酸钠的混合物，表面活性剂为有机硅表面活性剂和AEO-9的混合物；该水溶肥料的pH值为4.2。

本实施例的水溶肥料的制备方法，包括以下步骤：

将本实施例制备的叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料在湖南省长沙县春华镇进行试验。试验点为轻度污染试验点，位于湖南省长沙县春华镇山村的双季稻种植区域，土壤为第四纪红壤发育的水稻土，土壤全镉含量0.33mg/kg，土壤有效态镉含量0.15mg/kg。区域内稻米镉超标较严重，其污染原因主要是浏阳河污水灌溉所致。试验开始前取基础土壤，测定土壤基本理化性质及重金属全量和有效态含量，供试土壤基本理化性质见表5；供试水稻品种为湘晚籼12号。

表5供试土壤基本理化性质

试验共设置3个处理，每个处理重复3次，每处供试小区面积为30m²，随机排列。小区周边设隔离行，小区田埂用塑料薄膜铺盖至田面20cm以下，各小区单灌单排。各处理除修复剂施用不同外，水肥及病虫害等农事操作相同。3个处理分别是处理CK₂、处理T2、处理T3；处理CK₂是对照组，为常规施肥与喷施纯水结合；处理T2为常规施肥与喷施本实施的水溶肥料100ml/亩结合；处理T3为常规施肥与喷施本实施的水溶肥料200ml/亩结合；各小区喷施时先用1m高的塑料薄膜围拢，高出水稻叶尖50cm，再兑纯水500倍稀释后均匀喷施；两个处理均于分蘖期、孕穗期各喷施一次，施用时间为阴天或晴天的下午4点后。

测定水稻产量结果(见表6)表明：对照的平均产量为464.25kg/亩，喷施本实施例水溶肥100ml/亩的水稻产量为485.09kg/亩，比喷施纯水处理增产4.49％；喷施本实施例水溶肥200ml/亩的产量为486.91kg/亩，比喷施纯水处理增产4.88％；可见，喷施本实施例水溶肥有促进水稻增产的作用。

表6本实施例处理CK₂、处理T2、处理T3的水稻产量(kg/亩)

测定水稻稻米镉含量结果(见表7)表明：喷施纯水处理的的稻米平均镉含量为0.30mg/kg，喷施本实施例水溶肥100ml/亩的稻米平均镉含量为0.22mg/kg，比对照降低了25.6％；喷施本实施例水溶肥200ml/亩的稻米平均镉含量为0.19mg/kg，比喷施纯水处理降低了36.7％，差异显著。

表7本实施例处理CK₂、处理T2、处理T3的水稻稻米镉含量(mg/kg)

测定水稻茎秆镉含量结果(见表8)表明：喷施纯水的茎秆平均镉含量为1.30mg/kg，喷施本实施例水溶肥100ml/亩的茎秆平均镉含量为1.10mg/kg，比对照降低了15.36％；喷施本实施例水溶肥200ml/亩的秸秆平均镉含量为1.13mg/kg，比对照降低了13.57％，差异皆达显著水平；可见，喷施本实施例水溶肥可显著降低稻米和茎秆中的镉含量。

表8本实施例处理CK₂、处理T2、处理T3的水稻茎秆镉含量(mg/kg)

与喷施纯水相比，喷施本实施例水溶肥100、200ml/亩的水稻产量分别增加了4.49％和4.88％；稻米镉含量分别下降了25.6％和36.7％，茎秆镉含量分别下降了15.4％和13.6％，表明喷施本实施例水溶肥料可显著降低水稻稻米的镉含量。

Claims

1.一种叶面阻控水稻镉吸收的水溶肥料，其特征在于，所述水溶肥料包含水和以下质量百分比的组分：

2.根据权利要求1所述的水溶肥料，其特征在于，所述氨基酸包括脯氨酸、甘氨酸、半胱氨酸；以在水溶肥料中的质量百分比计，所述脯氨酸的含量为3％～4％，所述甘氨酸的含量为8％～10％，所述半胱氨酸的含量为6％～8％。

3.根据权利要求1或2所述的水溶肥料，其特征在于，所述金属螯合物中至少包括EDTA-Zn、EDTA-Mn和EDTA-Cu；以在水溶肥料中的质量百分比计，所述EDTA-Zn的含量为7％～8％，所述EDTA-Mn的含量为4％～6％，所述EDTA-Cu的含量为3％～5％。

4.根据权利要求3所述的水溶肥料，其特征在于，所述金属螯合物中还包括EDTA-Ca和/或EDTA-Fe；以在水溶肥料中的质量百分比计，所述EDTA-Ca的含量为3％～5％，所述EDTA-Fe的含量为2％～4％。

5.根据权利要求1或2所述的水溶肥料，其特征在于，所述络合剂为乙二胺四乙酸二钠、二乙基三胺五乙酸、乙二胺二邻苯基乙酸钠中的一种或几种；所述表面活性剂为有机硅表面活性剂、聚氧乙烯辛基苯酚醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或多种。

6.根据权利要求1或2所述的水溶肥料，其特征在于，所述水溶肥料的pH值为3～10。

7.一种如权利要求1～6中任一项所述的水溶肥料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将氨基酸、聚谷氨酸加入水中，加热并搅拌，得到母液A；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中是加热至60℃～70℃，搅拌的时间为0.5～1小时；所述步骤(2)中搅拌是在恒温状态下进行，温度为60℃～70℃，搅拌时间为1～1.5小时；所述步骤(3)中搅拌是在恒温状态下进行，温度为60℃～70℃，搅拌时间为0.5～1小时。

9.一种如如权利要求1～6中任一项所述的水溶肥料的应用，其特征在于包括以下步骤：将所述水溶肥料兑纯水稀释至少300倍，然后在水稻生长的分蘖期、孕穗期各均匀喷施一次，具体施用时间为非降雨天气的下午4点后，喷施用量为100ml/亩。