CN109647877B - 一种镉污染农田土壤边生产边修复的调控方法 - Google Patents
一种镉污染农田土壤边生产边修复的调控方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种镉污染农田土壤边生产边修复的调控方法,将镉污染土壤风干过筛,施加调控剂组分A、B和C,并施加尿素,混匀;种植水稻,除分蘖期后期落干3天,其余时间均保持2~3cm水层,直到收获前3天落干,收获水稻;土壤重新晾干过筛,施加调控剂组分D和E,并施加尿素,混匀;种植伴矿景天,并保持土壤水分在田间最大持水量的60%~70%,种植4~6个月后收获伴矿景天地上部;重复上述步骤2~5次,完成修复。本发明能够达到即保证水稻安全生产又能加快修复进程的双重目的。该方法可以同时兼顾污染土壤上水稻达标生产和伴矿景天高效修复。
Description
技术领域
本发明涉及重金属污染土壤的治理技术,具体涉及一种镉污染农田土壤伴矿景天-水稻轮作边生产边修复的调控方法。
背景技术
随着近几十年我国工业化、城市化进程的快速发展,农田土壤重金属污染问题日益突出。农田土壤镉(Cd)污染不仅对农作物产生毒害作用,降低农作物的产量和质量,而且可通过土壤-作物-食物的迁移方式被人体吸收进而危害人体健康,因此,对重金属污染土壤进行治理刻不容缓。
依据土壤重金属的污染程度,可采取不同的利用与修复措施。对于重度污染土壤,通常已不再适合种植食用农产品,可以改变利用方式,结合土壤改良与重金属钝化措施,种植非食用经济类作物。对于中轻度污染土壤,目前主要采用的是化学钝化,降低土壤重金属活性,减少农作物重金属吸收和积累,做到达标生产;但化学钝化并未彻底去除重金属,随时间推移及环境条件的改变,钝化的重金属存在再次释放的风险。
针对中轻度污染土壤的另一种技术,是种植超积累植物来吸收去除土壤重金属,逐年降低土壤重金属含量,实现污染土壤的彻底修复。例如,在酸性镉中轻度污染红壤上,种植超积累植物伴矿景天,耕层土壤Cd去除率每季可以达到30%以上;而对于弱酸性或中性镉中轻度污染土壤,种植伴矿景天每季对土壤中Cd的去除率在10-20%。实际应用过程,可以将伴矿景天同水稻进行轮作,实现污染边生产边修复。
但在土壤重金属还未降低到安全水平前,如何来减少农作物对土壤重金属的吸收积累,做到农产品达标生产,同时又能增加超积累植物对土壤重金属的吸收去除,缩短修复周期,则是难点。传统的钝化技术,如施加石灰,可以降低土壤重金属活性,减少水稻重金属吸收,但也会降低后茬伴矿景天的修复效率;反过来,伴矿景天季施用一些活化剂可以提高修复效率,但又会增加后茬水稻吸收Cd的风险。因此,亟需一种能同时兼顾水稻达标生产和伴矿景天高效修复的方法。
发明内容
解决的技术问题:本发明针对镉中轻度污染土壤,提供一种镉污染农田土壤边生产边修复的调控方法。本发明可以减少水稻镉吸收,实现稻米安全生产;水稻收获后种植超积累植物伴矿景天,可以增加伴矿景天对土壤镉的吸收去除效率,缩短修复周期;重复上述步骤,达到即保证水稻安全生产又能加快修复进程的双重目的。该方法可以同时兼顾污染土壤上水稻达标生产和伴矿景天高效修复。
技术方案:一种镉污染农田土壤边生产边修复的调控技术,步骤为:(1)将镉污染土壤风干、过2mm筛,施加调控剂组分A、B、C,并施加适量尿素,混匀;(2)种植水稻,除分蘖期后期落干3天,其余时间均保持2~3cm水层,直到收获前3天落干,收获水稻;(3)土壤重新晾干、过2mm筛,施加调控剂组分D和E,并施加适量尿素,混匀;(4)种植伴矿景天,并保持土壤水分在田间最大持水量的60%~70%,种植4~6个月后收获伴矿景天地上部;(5)重复上述步骤(1)~(4)2~5次,完成修复。
上述调控剂组分A:硫酸铵((NH4)2SO4)2~5份,硫酸钙(CaSO4·2H2O)3~15份,硫酸锌(ZnSO4)1~2份,三者混合物。优选用量为土壤重量的0.02~0.5wt%。
上述调控剂组分B:磷酸二氢钾(KH2PO4)3~8份,钙镁磷肥1~4份,两者中至少一种。优选用量为土壤重量的0.1~1wt%。
上述调控剂组分C:水稻或小麦秸秆,优选用量为土壤重量的0.1~2wt%。
上述调控剂组分D:硫磺(S),优选用量为土壤重量的0.02~2wt%。
上述调控剂组分E:氯化钾(KCl),优选用量为土壤重量的0.01~0.1wt%。
上述水稻优选种植时间为每年6-11月,优选Cd低积累品种,种植期间,除分蘖期后期落干3天,收获前3天落干,其余时间保持2~3cm水层。
上述伴矿景天优选种植时间为每年11月至次年6月,并保持土壤水分在田间最大持水量的60%~70%。
有益效果:(1)本发明采用水稻-伴矿景天轮作方式,可以不用影响水稻的正常种植,在生产的同时完成污染土壤的修复。
(2)本发明在水稻季所用的调控剂A中,硫酸根成分配合淹水处理,被还原成S2-,使土壤Cd形成稳定的CdS沉淀,减少水稻Cd积累;当水稻收获落干水分并进入伴矿景天种植时,CdS会被氧化释放出Cd,同时酸化土壤,利于后茬伴矿景天对Cd的修复。
(3)本发明在水稻季所用的调控剂组分A和B中,含有的锌、硅、钙、镁等成分,不仅可以促进水稻生长改善稻米品种,而且可以适当提高土壤pH降低土壤Cd活性,在水稻根系吸收养分时还可以与Cd形成竞争关系,抑制水稻对Cd的吸收和在籽粒中的积累;另外,这些成分本身被植物吸收或被土壤固定,不影响后茬伴矿景天对Cd的吸收。锌元素有利于后茬伴矿景天的生长。
(4)本发明在水稻季所用的调控剂组分B中,磷成分的加入,可以与土壤中Cd形成沉淀,减少水稻Cd吸收;而磷本身被水稻吸收或被土壤固定,不影响后茬伴矿景天对Cd的吸收。
(5)本发明在水稻季所用的调控剂组分C中,水稻或小麦秸秆的加入,配合水稻种植期间的淹水处理,可以提供更多的电子供体,强化组分A中硫酸盐的还原,有利于重金属Cd的沉淀。
(6)本发明在伴矿景天季所用的调控剂组分D中,硫磺成分配合旱作,被氧化成硫酸根并产酸,降低土壤pH活化土壤中Cd,强化伴矿景天对Cd的吸收,提高修复效率;而其自身氧化后的硫酸根(相当于组分A)在下季水稻淹水状态时,又会起到降低Cd活性的作用。
(7)本发明在伴矿景天季所用的调控剂组分D中,K元素的吸收有利于伴矿景天生长,同时K元素的吸收会释放H+,有利于活化土壤Cd,增加伴矿景天对Cd的吸收。
(8)本发明从总体上解决了镉中轻度污染土壤修复过程中,在镉尚未降低安全水平之前,同时满足水稻达标生产和伴矿景天高效修复的需求。
附图说明
图1为硫磺处理对伴矿景天和下季水稻土壤溶液pH的影响;
图2为硫磺处理对伴矿景天和下季水稻土壤溶液Cd的影响。
具体实施方式
以下通过实施案例对本发明作进一步说明,而非限制本发明。
实施例1
本实施例验证稻季P和Zn处理对水稻和后茬伴矿景天的效应
1材料与方法
供试土壤采自湖南湘潭某Cd污染修复基地耕层0~15cm,Cd含量0.28mg·kg-1,Zn含量73mg·kg-1,pH值为4.63,有机质含量为31.2g·kg-1,全量氮、磷、钾含量分别为1.50、0.40和11.8g·kg-1,速效氮、磷、钾含量分别为93.0、0.68和56.0mg·kg-1。将供试土壤风干、过2mm孔径尼龙筛。供试水稻为短生育期品种W184以及伴矿景天幼苗。
盆栽试验所有土壤统一施加尿素0.5g·kg-1,K2HPO4 0.74g·kg-1作为基肥(含P100mg·kg-1),在此基础上共设5个处理,处理1为对照(CK),处理2(P200)和处理3(P400)施P量分别为200mg·kg-1和400mg·kg-1,即在基肥基础上增施100mg·kg-1和300mg·kg-1P(以NaH2PO4形式加入),处理4(Zn10)和5(Zn20)分别增施Zn 10mg·kg-1和20mg·kg-1(以ZnCl2形式加入)。每个处理重复4盆,每盆装土1.5kg。2016年8月1日起移栽水稻幼苗每盆4穴,生长114d后收获,然后移栽伴矿景天幼苗每盆4株,生长105d后收获。水稻除分蘖末期和成熟期烤田,其余时间用去离子水浇灌,使盆中保持2~3cm水层,并于抽穗期追施尿素0.3g·kg-1;伴矿景天季土壤水分保持在最大田间持水量的70%左右,并于生长50d时追施尿素0.2g·kg-1。
水稻成熟后,收获秸秆和稻穗,并用不锈钢土钻每盆取4钻作为1个混合土样。伴矿景天成熟后用同样的方法采集土壤和地上部。植物洗净烘干,测定重金属含量。土壤测定pH、养分、总量及CaCl2提取态重金属等。
试验处理所得的数据采用Excel 2013和SPSS 16.0软件进行分析,不同处理间数据的差异性分析采用方差分析法(LSD)进行多重比较,显著性水平为0.05(下同)。
2结果与分析
2.1磷锌处理对稻季土壤镉锌磷有效性的影响
表1为不同处理稻季土壤有效态Cd、Zn、P含量。由表1可知,与对照(P 100mg·kg-1)相比,稻季增施P肥对土壤CaCl2提取态Cd和Zn浓度影响不显著,另外,P200和P400处理均显著提高土壤速效P含量,分别升高66.3%和72.8%。与对照相比,Zn20处理中CaCl2提取态Cd浓度显著降低30%。增施Zn显著提高土壤CaCl2提取态Zn浓度,Zn20和Zn10处理分别使Zn浓度升高166%和72%。
表1磷锌处理对稻季土壤镉锌磷有效性的影响
2.2磷锌处理对水稻生长和元素吸收的影响
与对照相比,P和Zn处理水稻秸秆和籽粒生物量均无显著性差异(表2)。增施P肥使水稻秸秆P浓度显著升高,P200和P400处理分别是对照的2.3和5.3倍,籽粒中P浓度有上升趋势但未达显著水平;与对照相比,P处理对秸秆Cd和Zn含量以及籽粒Zn含量影响都不显著,但籽粒Cd浓度有降低趋势。Zn10和Zn20处理均显著提高了水稻秸秆P含量,但籽粒中P含量均有所降低;Zn处理使秸秆中Zn含量均显著升高,Zn10和Zn20处理分别升高27.5%和53.6%。增施Zn使籽粒中Cd含量显著降低,Zn10和Zn20处理分别降低23.8%和28.6%,并且都降到国家食品安全限值0.2mg·kg-1以下。与对照相比,P和Zn处理都降低了Cd和P的转运系数,同时Zn处理也降低了Zn的转运系数。
表2磷锌处理对水稻生长和元素吸收的影响
2.3磷锌处理对后茬土壤和伴矿景天生长及元素吸收的影响
与对照相比,稻季增施P处理后茬土壤中有效P含量有上升趋势,但与稻季相比P含量显著降低,稻季增施P对后茬土壤CaCl2提取态Cd含量无显著影响(表3);在P400处理中土壤CaCl2提取态Zn含量显著降低。增施Zn对后茬土壤CaCl2提取态Cd含量无明显影响,但Zn10和Zn20处理分别使后茬土壤CaCl2提取态Zn含量升高90.1%和222.7%。与对照相比,稻季增施P和Zn对后茬伴矿景天地上部干重和Cd含量都没有产生明显影响;Zn处理使伴矿景天Zn含量显著升高,Zn10和Zn20处理分别升高19.8%和47.1%。
表3稻季磷锌处理对后茬土壤及伴矿景天生物量和元素吸收的影响
3小结
通过水稻和伴矿景天轮作,探讨稻季增施P和Zn对水稻生长和重金属吸收以及对后茬伴矿景天吸收重金属的影响,结果表明,Cd污染酸性红壤上,稻季增施P和Zn显著降低了Cd从水稻秸秆向籽粒的转运,进而降低了稻米Cd含量,有利于稻米的安全生产。稻季P和Zn处理对后茬土壤Cd有效性影响不显著,对后茬伴矿景天生长和Cd吸收没有产生显著影响。因此,稻季适当增施P肥和Zn肥,可作为镉污染土壤水稻与伴矿景天轮作“边生产边修复”的调控手段。
实施例2
本实施例验证稻季硫酸盐处理对水稻和后茬伴矿景天的效应
1材料与方法
供试土壤采集江苏太仓农田表层0-20cm,河流冲积母质水稻土,土壤Cd总量1.2mg·kg-1,pH 6.4,有机质含量为54.1g·kg-1,全氮1.80g·kg-1,有效磷55.0mg·kg-1、速效钾150mg·kg-1。土壤风干过10目(2mm)筛。采用温室盆栽试验,每盆装土共1.5kg。并按照N100mg·kg-1,P 30mg·kg-1,K 80mg·kg-1加入底肥。设置3个处理,分别施加硫酸钠(Na2SO4)0、151.5、302.9mg·kg-1,即SO4 2-浓度分别为0、90、180mg·kg-1。每个处理重复4盆。
每盆移栽水稻幼苗(品种为湘早籼24号)6株,每天用去离子浇灌保持水层2~3cm,生长40天后收获,同时采集土壤样品测定醋酸铵提取态Cd浓度;然后每盆移栽伴矿景天幼苗4株,保持土壤水分在最大田间持水量的60~70%,生长100天后收获。测定水稻和伴矿景天的生物量和重金属浓度。
2结果与分析
与对照相比(表4),稻季施加硫酸盐对水稻和伴矿景天的生物量未产生显著影响。但施加硫酸盐处理降低了水稻季土壤醋酸铵提取态Cd浓度,进而降低了水稻地上部Cd浓度,而且在180mg·kg-1处理时达到显著水平。这主要是水稻淹水还原作用,硫酸盐被还原为S2-,与Cd形成金属硫化物,再加上pH的升高,抑制了水稻对Cd的吸收。稻季施加硫酸盐还显著增加了后茬伴矿景天地上部Cd浓度,这主要是旱作下金属硫化物被氧化,再次释放,有利于伴矿景天对Cd的吸收。
表4稻季硫酸盐处理对水稻和后茬伴矿景天的效应
3小结
稻季施加硫酸盐,配合淹水可以降低土壤Cd有效性,抑制水稻对Cd的吸收,而对于后茬伴矿景天Cd吸收还有促进作用。因此,可以作为Cd污染土壤水稻-伴矿景天轮作的调控措施之一。
实施例3
本实施例验证硫磺处理对伴矿景天和下季水稻的效应
1材料与方法
供试土壤采集江苏太仓农田表层0-20cm,河流冲积母质水稻土,土壤Cd总量1.2mg·kg-1,pH 6.4,有机质含量为54.1g·kg-1,全氮1.80g·kg-1,有效磷55.0mg·kg-1、速效钾150mg·kg-1。土壤风干过10目(2mm)筛。采用温室盆栽试验,每盆装土共1.5kg,并按照N100mg·kg-1,P 30mg·kg-1,K 80mg·kg-1加入底肥。设置3个处理,添加0、0.5、2g·kg-1硫磺粉末(60目),每个处理重复4盆(S0、S0.5、S2)。
每盆扦插伴矿景天幼苗4棵,并45度倾斜插入10cm规格的土壤溶液采样器,每天浇去离子水保持土壤水分在最大田间持水量的70%左右,生长100天收获。然后种植水稻苏香粳100,用去离子水浇灌,除分蘖末期和成熟期烤田,其余时间使盆中保持2~3cm水层,并于抽穗期追施尿素0.3g·kg-1,水稻生长120天后收获秸秆、籽粒。土壤溶液采样在不同时间段抽取土壤溶液,测pH、Cd、SO4 2-等浓度。
2结果与分析
2.1土壤溶液pH、Cd浓度动态
土壤溶液pH(图1):由于伴矿景天季硫磺的氧化产酸,pH在总体上呈现先下降后稳定的趋势,其中在10-20天内,硫磺的氧化速率最快,pH可能下降最快;到景天季后期,因为土壤的缓冲作用,pH基本稳定。水稻季pH总体趋势是先上升后稳定,上升的原因是淹水嫌气条件下形成的还原性碳酸铁、锰水解而产生了氢氧化亚铁和氢氧化亚锰,降低了土壤溶液中H+的浓度。
土壤溶液Cd(图2):对照处理土壤溶液Cd浓度的在伴矿景天基本维持稳定,在水稻季下降。硫磺处理下,伴矿景天季前期因为硫磺的氧化产酸作用,重金属溶出,浓度呈现上升的趋势,中期至后期,因为伴矿景天的吸收作用,溶液Cd略有下降趋势,而且高S处理对低S处理Cd浓度升高的幅度更大。土壤溶液Cd在水稻季呈现下降趋势,主要是因为淹水还原作用,形成金属硫化物,再加上pH的升高,Cd浓度下降。
2.2伴矿景天和水稻生长及重金属吸收
表5,伴矿景天季添加硫磺处理,对伴矿景天的生长有一定的促进作用,而且使伴矿景天地上部Cd浓度增加了约1倍,Cd吸收量也增加了约1倍。硫磺处理对后茬水稻籽粒产量影响不大,但显著降低了籽粒Cd浓度,在硫磺0.5g/kg处理下由对照0.32mg/kg降到了0.2mg/kg以下,符合国家食品卫生标准的含量限值。与低剂量(0.5g/kg)处理相比,硫磺高剂量(2g/kg)处理下水稻籽粒Cd浓度略有上升。因此为了尽量减少后茬水稻Cd积累,前茬硫磺处理浓度不宜过高。
表5硫磺处理对伴矿景天及后茬水稻的影响
3小结
伴矿景天季适当添加硫磺处理,不仅有利于伴矿景天生长,而且可以降低土壤pH,活化土壤Cd,大大促进伴矿景天对Cd的吸收量,使修复效率提高了约1倍。而且配合淹水处理,对后茬水稻籽粒产量影响不大,且显著降低了水稻籽粒Cd积累。为了尽量减少后茬水稻Cd积累,前茬硫磺处理浓度不宜过高。
结论
(1)采用水稻-伴矿景天轮作方式,可以不用影响水稻的正常种植,在生产的同时完成污染土壤的修复。
(2)水稻季通过添加适量的硫酸盐、磷、锌等,结合淹水管理,可以有效减少污染土壤上水稻对Cd的吸收和积累,但对后茬土壤Cd有效性以及伴矿景天Cd吸收不会产生明显影响,通过硅、钙、镁以及秸秆等物质的添加,还可以进一步减低水稻Cd吸收,保证稻米的安全生产。
(3)伴矿景天季适当添加硫磺处理,有利于伴矿景天生长,而且大大促进伴矿景天对Cd的吸收量,使修复效率提高了约1倍。而且配合淹水处理,对后茬水稻籽粒产量影响不大,且显著降低了水稻籽粒Cd积累。为了尽量减少后茬水稻Cd积累,前茬硫磺处理浓度不宜过高。
(4)本技术从总体上解决了镉中轻度污染土壤修复过程中,在镉尚未降低安全水平之前,同时满足水稻达标生产和伴矿景天高效修复的需求。
Claims (1)
1.一种镉污染农田土壤边生产边修复的调控方法,其特征在于步骤为:(1)将镉污染土壤风干、过2mm筛,施加调控剂组分A、B和C,并施加尿素,混匀;所述调控剂组分A按重量:硫酸铵((NH4)2SO4)2~5份,硫酸钙(CaSO4·2H2O)3~15份,硫酸锌(ZnSO4)1~2份,三者混合物,用量为土壤重量的0.02~0.5wt.%;所述调控剂组分B按重量:磷酸二氢钾(KH2PO4)3~8份,钙镁磷肥1~4份中的至少一种,用量为土壤重量的0.1~1wt%;所述调控剂组分C:水稻或小麦秸秆,用量为土壤重量的0.1~2wt.%;(2)种植水稻,所述水稻种植时间为每年6-11月,Cd低积累品种,除分蘖期后期落干3天,其余时间均保持2~3cm水层,直到收获前3天落干,收获水稻;(3)土壤重新晾干、过2mm筛,施加调控剂组分D和E,并施加尿素,混匀;所述调控剂组分D:硫磺(S),用量为土壤重量的0.02~2wt.%;所述调控剂组分E:氯化钾(KCl),用量为土壤重量的0.01~0.1wt.%;(4)种植伴矿景天,并保持土壤水分在田间最大持水量的60%~70%,伴矿景天种植时间为每年11月至次年6月,种植4~6个月后收获伴矿景天地上部;(5)重复上述步骤(1)~(4)2~5次,完成修复。
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GR01 | Patent grant | ||
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