CN108326024A - 一种抑制稻米镉累积的镉污染土壤调理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制稻米镉累积的镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：在镉污染土壤进行翻耕前，将土壤调理剂均匀撒施在所述镉污染土壤的表面，然后施用基肥，充分拌匀，结合水稻灌浆关键生育期进行淹水灌溉，使所述镉污染土壤在淹水灌溉条件下生成还原产物，利用所述还原产物对镉污染土壤中的镉进行吸附和/或生成化学沉淀，其他生育时期进行湿润灌溉，即完成对镉污染土壤的调理过程。本发明的调理方法操作简单、可靠，使用后见效快，经济效益明显，对防治土壤重金属镉污染、保障粮食安全具有重要意义。

Description

一种抑制稻米镉累积的镉污染土壤调理方法
技术领域
本发明属于农业环境领域，尤其涉及一种抑制稻米镉累积的镉污染土壤调理方法。
背景技术
受工业“三废”排放及农业投入品不合理使用等影响，我国面临的环境问题日益凸显。据2014年全国土壤污染状况调查公报显示，镉(Cd)已位居无机污染物之首(《全国土壤污染状况调查公报》，2014)。臭名昭著的镉被列入联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质之首。镉为人体非必需元素，在人体中的半衰期达20～40年之久，可引发“骨痛病”等多种疾病(陈英旭，《环境学》，中国环境科学出版社，2005)。食物链传递是镉进入人体的重要途径之一，世界卫生组织建议每人每天摄入的镉量不应超过68μg(WorldHealth Organization:“Evaluation of Certain Food Additives and Contaminants”.《Thirty-Third Report of the Joint FAO/WHO Expert Committee on FoodAdditives.Geneva:WHO Technical Series》,1989，837)。由于水稻具有较强的镉吸收能力(Chaney R L,Reeves P G,Ryan J A,Simmons R W,Welch R M,Scott Angle J:“Animproved understanding ofsoil Cd risk to humans and low cost methods tophytoextract Cd from contaminated soils to prevent soil Cd risks”,《Biometals》,2004,17[5])，在我国，因农田镉污染导致的稻米镉超标风险急剧上升，近年来频发的镉大米事件已为粮食质量安全敲响警钟。稻米是我国的主粮，如何有效阻断镉在稻米中的累积一直是科学界研究的热点。
土壤环境质量是农产品质量的基石。对于中轻度镉污染土壤，可以通过快速的化学修复和农艺调控措施相结合以达到保障农产品质量安全的目的，从而满足边修复边生产，在一定程度上缓解人口与耕地资源的矛盾。当前的化学修复方法和农艺调控措施种类繁多，每一种方法各有优劣利弊，如利用亚硫酸盐作为土壤调理剂修复镉污染土壤，虽然效果较明显，但也存在一定局限性，因亚硫酸盐具有一定的生物毒性，存在致癌风险。而利用复合钝化材料修复镉污染土壤虽然效率较高，但因其材料成分复杂及制备工艺要求较高而推高成本，且复合钝化材料因引入多种物质成分易改变土壤环境而增加风险。水分管理被认为是调控镉污染土壤中镉活性最有效的农艺措施之一，其中长期淹水模式简单有效，但长期淹水对水稻生长不利，因为长期淹水使土壤缺氧，微生物活性减弱，有机质分解缓慢，有毒物质增加，从而导致水稻根系生长不良，吸收养料的能力减弱，较易引发病害，最终导致减产，而且在水资源紧缺的地方更难实行。综上所述，如何选择和开发最优化、最经济、最有效的土壤修复方法一直是困扰本领域技术人员的技术难题。
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，提供一种操作简单、环境友好、资源节约、低成本、且可有效降低稻米镉累积的土壤调理方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种抑制稻米镉累积的镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：
(1)在镉污染土壤进行翻耕前，将土壤调理剂均匀撒施在所述镉污染土壤的表面，然后施用基肥，充分拌匀；
(2)移栽水稻，在水稻灌浆关键生育期进行淹水灌溉，使所述镉污染土壤在淹水灌溉条件下生成还原产物，利用所述还原产物对镉污染土壤中的镉进行吸附和/或生成化学沉淀，其他生育时期进行湿润灌溉，即完成对镉污染土壤的调理过程。
上述的镉污染土壤调理方法，优选的，所述镉污染土壤中，含全量镉为0.3mg/kg～0.9mg/kg，氯离子含量低于50mg/kg。
优选的，所述土壤调理剂为氯化钙。
更优选的，所述土壤调理剂中镉含量低于0.2mg/kg。
更优选的，所述土壤调理剂的使用量为1125kg/hm2～2250kg/hm2。
优选的，所述水稻灌浆关键生育期为灌浆前4周和灌浆后4周。即以水稻开始灌浆为临界点，灌浆开始前第4周起进行淹水，直至灌浆开始后第4周结束淹水，连续淹水时间为8周。因为灌浆前4周为水稻营养生长期吸收累积镉的主要时期，而灌浆后4周为生殖生长期吸收累积镉的主要时期，在该关键生育期选择淹水灌溉可有效抑制土壤中镉的活性，从而降低水稻对镉的吸收累积。
更优选的，进行所述淹水灌溉时土壤表面水层深度为2-3cm，进行所述湿润灌溉时土壤表面无明水。
更优选的，所述淹水灌溉过程中，控制灌溉水中镉含量低于0.005mg/L，控制灌溉水中氯离子含量低于20mg/L。
优选的，所述还原产物包括还原性硫离子、亚铁、铁的氢氧化物沉淀和锰的氢氧化物沉淀中的一种或几种。
更优选的，所述还原性硫离子为S2-，所述铁的氢氧化物沉淀包括Fe(OH)2和/或Fe(OH)3，所述锰的氢氧化物沉淀为Mn(OH)2。
上述本发明技术方案的技术原理主要基于以下几点：
(1)通过加入土壤调理剂氯化钙，可有效提高土壤中的氯离子含量，氯离子可与镉离子络合，从而降低镉的生物有效性，减少水稻对镉的吸收累积，其离子反应方程式主要为：
(2)由于添加的土壤调理剂氯化钙中含有大量的钙离子，施入后可显著提高土壤中交换性钙含量，而钙与镉存在较强的竞争效应，尤其是在水稻根系吸收镉时钙与镉的竞争效应可显著抑制水稻对镉的吸收；
(3)因配合水稻灌浆关键生育期(灌浆前4周和灌浆后4周)采取土壤淹水调理，使土壤处于低电化学势的还原环境，有利于还原物质的产生，例如：土壤中的含S物质可进一步转化得到S2-，从而促使土壤中的活性镉向难溶态的CdS转化，最终降低镉的生物有效性，其离子反应方程式主要为：还原条件下形成亚铁Fe2+可与Cd2+竞争植物根际吸收，因为植物根系对镉的吸收借助于铁的运输蛋白，而Fe2+与铁的运输蛋白优先结合将极大地降低镉与其结合的几率，减少植物对镉的吸收；此外，所形成的铁的氢氧化物沉淀等胶体，也可在一定程度上增强土壤对镉的吸附作用，降低镉的迁移能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的调理方法操作简单、可靠，使用后见效快，经济效益明显，对防治土壤重金属镉污染、保障粮食安全具有重要意义。
2、本发明的调理方法中采用的土壤调理剂为氯化钙，是一种普通的化工原料，不仅来源广泛、成本较低，能有效降低镉污染稻田土壤上稻米的镉累积，而且相比于其他土壤调理剂，成分较简单，施入土壤后不会对现有土壤的微环境造成破坏，其含有的钙不仅能促进作物生长，提高作物产量，还能在一定程度上改善农产品品质，其含有的氯在适量条件下也能促进作物生长。
3、本发明的调理方法中采用的水稻关键生育期(灌浆前4周和灌浆后4周)土壤淹水灌溉，其它时期湿润灌溉的措施，与长期淹水管理模式相比，不仅操作简单、见效快，不会导致水稻出现明显减产，而且可在一定程度上节约水资源，与土壤调理剂配合使用后也不会对现有土壤的微环境造成消极影响，能进一步降低稻米的镉累积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中采用本发明方法处理后降低盆栽试验麻沙泥上水稻糙米镉含量的影响效果图(图1中的字母a～c表示不同处理间LSD检验的差异显著性p<0.05)。
图2为本发明实施例1中采用本发明方法处理后降低盆栽试验潮泥田上水稻糙米镉含量的影响效果图(图2中的字母a～c表示不同处理间LSD检验的差异显著性p<0.05)。
图3为本发明实施例2中采用本发明方法处理后降低田间试验红黄泥上水稻糙米镉含量的影响效果图(图3中的字母a～c表示不同处理间LSD检验的差异显著性p<0.05)。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、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：
一种本发明的抑制稻米镉累积的镉污染土壤调理方法，采用盆栽试验研究本发明对镉污染土壤(麻沙泥、潮泥田)降低稻米镉累积的效果，本实施例的盆栽镉污染土壤的化学性状见下表1。
表1：实施例1中供试土壤的化学性状
本实施例的镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：
(1)试验使用陶瓷盆钵，装盆前的镉污染土壤经过风干过筛(孔径为0.5cm×0.5cm)混匀，然后将镉污染土壤装入盆中，每盆装土5.0kg，再将土壤调理剂氯化钙均匀撒施在重金属镉污染土壤的表面，每盆再施用氮肥、磷肥和钾肥，充分拌匀；
(2)配合水稻灌浆关键生育期(灌浆前4周和灌浆后4周)淹水灌溉措施，土壤表面水层深度为2-3cm，水分管理过程中控制灌溉水中的镉含量低于0.005mg/L，同时控制灌溉水中的氯离子含量低于20mg/L，利用钙与镉拮抗、氯与镉络合以及淹水还原条件下生成的还原产物，包括S2-、还原态铁、锰等，还原态铁、锰在水稻根际通过根系泌氧形成活性氧化态铁、锰胶体，对土壤中的镉进行吸附；还原产物中S2-可使土壤中重金属镉转化为难溶态CdS，其他生育时期进行湿润灌溉，土壤表面无明水，完成对土壤的调理过程。
上述本实施例的试验共设置以下3个处理：
CK，不施土壤调理剂+常规水分管理(水稻分蘖和乳熟期各晒田一次)；
T1，施用土壤调理剂氯化钙1.0g/kg(折合田间用量约为2250kg/hm2)+常规水分管理(水稻分蘖和乳熟期各晒田一次)；
T2，采用本发明的土壤调理方法：施用土壤调理剂氯化钙1.0g/kg(折合田间用量约为2250kg/hm2)+配合水稻灌浆关键生育期(灌浆前4周和灌浆后4周)，其它时期湿润灌溉；
以上每个处理重复4次，随机区组排列，并设置保护行。
本实施例试验期间栽培管理措施与田间管理一致，水稻于添加土壤调理剂氯化钙平衡7天后移栽，水稻品种为泰优390，供试土壤调理剂氯化钙全镉含量0.03mg/kg。灌溉为自来水，水中镉含量未检出，氯含量为0.33mg/L。土壤及氯化钙中全量镉采用HNO3-H2O2-HF微波消解后ICP-MS测定，土壤中有效态镉采用DTPA提取后ICP-MS测定，土壤中氯离子采用水浸提后电位滴定法测定，水稻糙米中的镉采用HNO3-H2O2微波消解后ICP-MS测定，灌溉水中氯含量采用莫尔法进行沉淀滴定。
试验结果表明，采用本发明方法可显著降低镉污染土壤上水稻对镉的吸收累积。麻沙泥上采用本发明方法处理(T2)的水稻糙米镉含量较对照处理(CK)降低87.1％，较T1处理降低69.1％(见图1)；潮泥田上采用本发明方法处理(T2)的水稻糙米镉含量较对照处理(CK)降低73.4％，较T1处理降低57.2％(见图2)。两种供试镉污染土壤上采用本发明方法处理的水稻糙米镉含量均达到食品安全国家标准(GB2762-2017)。由此可见，本发明方法对控制镉污染土壤上稻米镉累积的效果明显。
实施例2：
一种本发明的抑制稻米镉累积的镉污染土壤调理方法，采用田间小区试验研究本发明对供试镉污染土壤(红黄泥)降低稻米镉累积的效果，本实施例的镉污染土壤的化学性状见下表2。
表2：实施例2中供试土壤的化学性状
本实施例的镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：
(1)在对田间的重金属镉污染土壤进行翻耕前，将土壤调理剂氯化钙均匀撒施在重金属镉污染土壤的表面，然后再施用氮、磷、钾肥料，充分拌匀；
(2)配合水稻灌浆关键生育期(灌浆前4周和灌浆后4周)淹水灌溉措施，土壤表面水层深度为2-3cm，水分管理过程中控制灌溉水中的镉含量低于0.005mg/L，同时控制灌溉水中的氯离子含量低于20mg/L，利用钙与镉拮抗、氯与镉络合以及淹水还原条件下生成的还原产物，包括S2-、还原态铁、锰等，还原态铁、锰在水稻根际通过根系泌氧形成活性氧化态铁、锰胶体，对土壤中的镉进行吸附；还原产物中S2-可使土壤中重金属镉转化为难溶态CdS，其他生育时期进行湿润灌溉，土壤表面无明水，完成对土壤的调理过程。
本实施例的上述试验共设置以下3个处理：
CK，不施土壤调理剂+常规水分管理(水稻分蘖和乳熟期各晒田一次)；
T1，施用土壤调理剂氯化钙1500kg/hm2+常规水分管理(水稻分蘖和乳熟期各晒田一次)；
T2，采用本发明的土壤调理方法：施用土壤调理剂氯化钙1500kg/hm2+配合水稻灌浆关键生育期(灌浆前4周和灌浆后4周)淹水灌溉，其它时期湿润灌溉；
以上每个处理重复3次，随机区组排列，并设置保护行。
上述所有处理的化肥、农药施用均一致。水稻于添加土壤调理剂氯化钙平衡7天后移栽，水稻品种为金优207，供试土壤调理剂氯化钙全镉含量为0.03mg/kg。灌溉水中镉含量为0.0007mg/L，氯含量为2.16mg/L。土壤及氯化钙中全量镉采用HNO3-H2O2-HF微波消解后ICP-MS测定，土壤中有效态镉采用DTPA提取后ICP-MS测定，土壤中氯离子采用水浸提后电位滴定法测定，水稻糙米中的镉采用HNO3-H2O2微波消解后ICP-MS测定，灌溉水中氯含量采用莫尔法进行沉淀滴定。
试验结果表明，本实施例采用的方法对降低水稻糙米镉含量的效果明显，糙米镉含量达到食品安全国家标准(GB2762-2017)(见图3)。与对照(CK)相比，采用本发明方法的水稻糙米镉含量降低63.9％，与T1处理相比，采用本发明方法的水稻糙米镉含量降低40.8％。可见，采用本发明方法能显著抑制水稻糙米中的镉累积。

Claims (10)

1.一种抑制稻米镉累积的镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：
(1)在镉污染土壤进行翻耕前，将土壤调理剂均匀撒施在所述镉污染土壤的表面，然后施用基肥，充分拌匀；
(2)移栽水稻，在水稻灌浆关键生育期进行淹水灌溉，使所述镉污染土壤在淹水灌溉条件下生成还原产物，利用所述还原产物对镉污染土壤中的镉进行吸附和/或生成化学沉淀，其他生育时期进行湿润灌溉，即完成对镉污染土壤的调理过程。
2.根据权利要求1所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述镉污染土壤中，含全量镉为0.3mg/kg～0.9mg/kg，氯离子含量低于50mg/kg。
3.根据权利要求1所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述土壤调理剂为氯化钙。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述土壤调理剂中镉含量低于0.2mg/kg。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述土壤调理剂的使用量为1125kg/hm2～2250kg/hm2。
6.根据权利要求1所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述水稻灌浆关键生育期为灌浆前4周和灌浆后4周。
7.根据权利要求1或6所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，进行所述淹水灌溉时土壤表面水层深度为2-3cm，进行所述湿润灌溉时土壤表面无明水。
8.根据权利要求1或6所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述淹水灌溉过程中，控制灌溉水中镉含量低于0.005mg/L，控制灌溉水中氯离子含量低于20mg/L。
9.根据权利要求1所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述还原产物包括还原性硫离子、亚铁、铁的氢氧化物沉淀和锰的氢氧化物沉淀中的一种或几种。
10.根据权利要求9所述的镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述还原性硫离子为S2-，所述铁的氢氧化物沉淀包括Fe(OH)2和/或Fe(OH)3，所述锰的氢氧化物沉淀为Mn(OH)2。
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