CN108405594A - 一种抑制稻米镉累积的酸性镉污染土壤调理方法 - Google Patents

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刘昭兵
纪雄辉
谢运河
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    • B09C1/105—Reclamation of contaminated soil microbiologically, biologically or by using enzymes using fungi or plants

Abstract

本发明公开了一种抑制稻米镉累积的酸性镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：在酸性镉污染土壤进行翻耕前，将碱性含钙磷肥均匀撒施在所述酸性镉污染土壤的表面，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酸性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酸性镉污染土壤调理方法。
背景技术
镉(Cd)为人体非必需元素，生物毒性极强(陈朗、宋玉芳等：“土壤镉污染毒性效应的多指标综合评价”，《环境科学》，2008，29[9])，在人体中的半衰期达20～40年之久， 可引发“骨痛病”、肾损害等(陈英旭，《环境学》，中国环境科学出版社，2005)，在联合 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中位居首位。受日益发展的采矿、 冶炼、电镀和印染等工业以及来自农业投入品自身的影响，农田土壤镉污染形式日趋严峻。 2014年公布的全国土壤污染状况调查公报显示，镉位列无机污染物首位，其中耕地土壤点位 超标率为19.4％，主要集中在中轻度污染(《全国土壤污染状况调查公报》，2014)。而水 稻已被证实为吸收镉能力最强的大宗谷类作物之一(Chaney R L,Reeves P G,Ryan J A,Simmons RW,Welch R M,ScottAngle J:“An improved understanding ofsoil Cd riskto humans and low cost methods to phytoextract Cd from contaminated soils toprevent soil Cd risks”, 《Biometals》,2004,17[5])，因此，耕地镉污染已严重威胁到我国的粮食质量安全。如何有 效阻断重金属污染物的食物链传递途径，一直是科学界研究的热点。
食物链传递是镉等重金属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(World Health Organization:“Evaluation of Certain FoodAdditives and Contaminants”.《Thirty-Third Report of the Joint FAO/WHO ExpertCommittee on Food Additives.Geneva:WHO Technical Series》,1989，837)。稻米作为一种主食，其质量安全尤 为重要。而稻米的清洁生产依赖于良好的土壤环境质量。对于目前的轻度酸性镉污染土壤， 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，从而在 一定程度上缓解人口与耕地资源的矛盾，有利于发展循环农业。然而，现有的化学修复方法 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，但因亚硫酸盐具有一定的生物毒性，存在致癌风险，而使其 应用受到限制。而利用复合材料修复镉污染土壤虽然效率较高，但因材料成分及制备工艺的 复杂性使成本增加，且易改变土壤环境导致风险升高。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，但在水资源缺乏的地方难以实 行，且易导致水稻减产。因此，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酸性镉污染 土壤调理方法，包括如下步骤：
(1)在酸性镉污染土壤进行翻耕前，将碱性含钙磷肥均匀撒施在所述酸性镉污染土壤的 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，使所述酸性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酸性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，即完成对酸性镉污染土壤的调理过程。
上述的酸性镉污染土壤调理方法，优选的，所述酸性镉污染土壤中，含全量镉为0.3 mg/kg～1.0mg/kg，有效磷含量低于20mg/kg，且土壤pH值小于6.5。
优选的，所述碱性含钙磷肥为钙镁磷肥。钙镁磷肥(Cd含量低于0.5mg/kg)施用一定 量后能显著提高土壤中有效磷、交换性钙的含量，同时使土壤pH值升高。
更优选的，所述碱性含钙磷肥中镉含量低于0.5mg/kg。
更优选的，当所述酸性镉污染土壤中全量镉含量为0.3mg/kg～0.6mg/kg时，所述碱性含 钙磷肥的施用量以P2O5计为225kg/hm2～450kg/hm2；当所述酸性镉污染土壤中全量镉含量为 0.6mg/kg～1.0mg/kg时，所述碱性含钙磷肥的施用量以P2O5计为450kg/hm2～900kg/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。
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钙镁磷肥，可在一定程度上提高酸性土壤的pH值，从而促使 土壤中的活性镉向难溶态转化，最终降低镉的生物有效性，但不会使土壤的pH值急剧升高 而破坏土壤中的微环境；其离子反应方程式主要为：
(2)由于添加的土壤调理剂钙镁磷肥中含有大量的磷酸根，在土壤溶液中磷酸根可与镉 离子形成磷酸镉沉淀，其离子反应方程式主要为：
(3)由于添加的土壤调理剂钙镁磷肥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；
(4)因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，所形成的铁盐等胶体，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碱性含钙磷肥，是一种普通作物肥料，不仅 来源广泛、成本较低，能有效降低酸性镉污染稻田土壤中镉的生物有效性，从而有效降低镉 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，施入土壤后不会对现有土壤的 微环境造成破坏，且其含有的钙和磷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。
3、本发明的调理方法中采用的水稻灌浆关键生育期(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土壤有效态镉含量的影响 效果图(图1中的字母a、b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水稻糙米镉含量的影响效 果图(图2中的字母a、b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土壤有效态镉含量的影响 效果图(图3中的字母a、b表示不同处理间LSD检验的差异显著性p<0.05)。
图4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水稻糙米镉含量的影响效 果图(图4中的字母a、b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酸性镉污染土壤调理方法，采用盆栽试验研究本发明对 酸性镉污染土壤(潮泥田)降低稻米镉累积的效果，本实施例的盆栽酸性镉污染土壤的化学 性状见下表1。
表1：实施例1中供试土壤的化学性状
本实施例的酸性镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：
(1)试验使用陶瓷盆钵，装盆前的酸性镉污染土壤经过风干过筛(孔径为0.5cm×0.5cm) 混匀，然后将酸性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 在重金属酸性镉污染土壤的表面，每盆再施用氮、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，利用磷与镉共沉 淀、钙与镉拮抗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，其它时期进行湿润灌溉，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2个处理：
CK，不施土壤调理剂+常规管理(水稻分蘖和乳熟期两次晒田)；
CW，采用本发明的土壤调理方法：施用土壤调理剂钙镁磷肥(以P2O5计)0.30g/kg(折 合田间用量约为675kg/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5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钙镁磷肥平衡 3天后移栽，水稻品种为湘早籼24号，供试土壤调理剂钙镁磷肥全镉含量为0.13mg/kg。灌 溉为自来水，水中镉含量未检出。土壤中全量镉采用硝酸-高氯酸-氢氟酸混合消解后原子吸 收分光光度法(石墨炉)测定，土壤中有效态镉采用DTPA提取后原子吸收分光光度法(石 墨炉)测定，水稻糙米中的镉采用硝酸-高氯酸混合消解后以原子吸收分光光度法(石墨炉) 测定。
试验结果表明，采用本发明方法可显著降低酸性镉污染土壤中镉的有效性，与对照(CK) 相比，土壤有效态镉含量降低48.6％(见图1)；采用本发明方法显著降低了水稻糙米中镉含 量，较对照(CK)降低了42.2％(见图2)，达到食品安全国家标准(GB2762-2017)。由 此可见，本发明方法对控制酸性轻度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酸性镉污染土壤调理方法，采用田间小区试验研究本发 明对供试酸性镉污染土壤(红黄泥)降低稻米镉累积的效果，本实施例的酸性镉污染土壤的 化学性状见下表2。
表2：实施例2中供试土壤的化学性状
本实施例的酸性镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：
(1)在对田间的重金属酸性镉污染土壤进行翻耕前，将土壤调理剂钙镁磷肥均匀撒施在 重金属酸性镉污染土壤的表面，然后再施用氮、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，利用磷与镉共沉 淀、钙与镉拮抗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(已有实验研究证明)，其它时期进行湿润灌溉， 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2个处理：
CK，不施土壤调理剂+常规管理(水稻分蘖和乳熟期两次晒田)；
CW，采用本发明的土壤调理方法：施用土壤调理剂钙镁磷肥(以P2O5计)300kg/hm2)+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钙镁磷肥平衡3天后移 栽，水稻品种为泰优390，供试土壤调理剂钙镁磷肥全镉含量为0.13mg/kg。灌溉水镉含量为 0.0002mg/L。土壤中全量镉采用硝酸-高氯酸-氢氟酸混合消解后原子吸收分光光度法(石墨 炉)测定，土壤中有效态镉采用DTPA提取后原子吸收分光光度法(石墨炉)测定，水稻糙 米中的镉采用硝酸-高氯酸混合消解后以原子吸收分光光度法(石墨炉)测定。
本实施例采用的方法对降低土壤有效态镉和水稻糙米镉含量的效果明显(见图3、4)。 与对照(CK)相比，采用本发明方法的土壤有效态镉含量降低40.5％，水稻糙米镉降低39.2％。 采用本发明方法后的糙米镉含量达到食品安全国家标准(GB2762-2017)。因此，采用本发 明方法能显著降低水稻糙米中的镉含量，对酸性镉污染稻田土壤具有明显效果。

Claims (10)

1.一种抑制稻米镉累积的酸性镉污染土壤调理方法，包括如下步骤：
(1)在酸性镉污染土壤进行翻耕前，将碱性含钙磷肥均匀撒施在所述酸性镉污染土壤的表面，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，使所述酸性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酸性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，即完成对酸性镉污染土壤的调理过程。
2.根据权利要求1所述的酸性镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述酸性镉污染土壤中，含全量镉为0.3mg/kg～1.0mg/kg，有效磷含量低于20mg/kg，且土壤pH值小于6.5。
3.根据权利要求1所述的酸性镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述碱性含钙磷肥为钙镁磷肥。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的酸性镉污染土壤调理方法，其特征在于，所述碱性含钙磷肥中镉含量低于0.5mg/kg。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的酸性镉污染土壤调理方法，其特征在于，当所述酸性镉污染土壤中全量镉含量为0.3mg/kg～0.6mg/kg时，所述碱性含钙磷肥的施用量以P2O5计为225kg/hm2～450kg/hm2；当所述酸性镉污染土壤中全量镉含量为0.6mg/kg～1.0mg/kg时，所述碱性含钙磷肥的施用量以P2O5计为450kg/hm2～900kg/hm2。
6.根据权利要求1所述的酸性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所述的酸性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所述的酸性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。
9.根据权利要求1所述的酸性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所述的酸性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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