CN109874443A - 一种镉污染旱地土壤种植作物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种镉污染旱地土壤种植作物的方法，涉及作物栽培领域，包括：对镉污染旱地土壤进行翻耕处理，改变土壤结构，增加土壤中的空气含量；向经过翻耕处理的土壤中施入包括钛元素肥料的有机肥料，并与土壤混拌，使土壤中的成分与钛元素肥料充分接触，发生反应；将大量元素肥料施入到具有钛元素的土壤中混拌，充分接触后，将作物种子播种到土壤中，进行种植，本发明方法利用含有钛元素的有机肥料和大量元素肥料，不仅能够降低旱地土壤重金属活性，保证粮食安全，还能提供土壤中微量元素的供给，解决了常规土壤改良导致的中微量元素活性降低的技术问题，方法简单，普适性广，旱地作物产量高、品质好，重金属含量低。

Description

一种镉污染旱地土壤种植作物的方法

技术领域

本发明涉及作物栽培领域，尤其是一种镉污染旱地土壤种植作物的方法。

技术背景

旱地的特征在于水资源匮乏。缺水的影响波及到各种自然和人工生态系统，制约了畜牧业生产以及农作物、木材、牧草和其它植物生长，从而影响到生态系统的环境服务功能。旱地的出现是数千年以来多种因素共同影响的结果，诸如降水量少、干旱和热浪以及各种人类活动，如火的利用、放牧、木材和非木材林产品的采集和土壤耕作等。旱地土壤往往容易受到风和水的侵蚀，因密集的矿物风化和土壤表层有机物含量低而表现为相对贫瘠。我国的旱地农业主要分布在沿昆仑山-秦岭-淮河一线一倍的半干旱和半湿润偏早地点，占国土总面积的56％，占耕地面积的51％，其中，没有灌溉条件的旱地约占耕地总面积的65％，严重制约农业的发展，尤其是在水资源日趋短缺的今天，旱地农业已经成为世界性的问题，在中国农业生产中的地位举足轻重。

镉是人体非必需元素，在自然界中常以化合物状态存在，一般含量很低，正常环境状态下，不会影响人体健康。然而自20世纪初发现镉以来，镉的产量逐年增加，由于电镀工业、化工业、电子业和核工业以及农药化肥的大量使用，导致相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，进入农业系统，土壤中的镉含量显著增加，据统计，目前我国镉污染土壤面积已达到全国耕地面积的1/6。

众所周知，镉是重金属“五毒”元素之一，移动性强，毒性高，不可降解等特点，在生活活动中容易被作物吸收富集，不仅严重影响作物的产量和品质，而且可以通过食物链在人体的积累危害人体健康。

目前一般采用排土、客土、深耕翻土对镉污染土壤进行物理修复，也会通过向土壤中使用化学制剂、改良剂(例如磷酸盐、石灰、硅酸盐等)增加土壤黏粒和有机质，从而改变土壤氧化还原电位和pH值等理化性质，使土壤镉发生氧化还原等作用，降低镉的生物有效性，从而减轻对其它生物的危害，还会通过某些特定微生物、动物或植物的代谢活动吸附降解土壤污染物质，降低土壤重金属生物活动的治理方法。

然而采用排土、客土、深耕翻土对镉污染土壤进行物理修复的成本较高，而且效果一般，采用生物法处理镉污染土壤效果好，但是生物链难以控制，相对于上述两种方法，向镉污染土壤使用改良剂、化学制剂等方法简单、快捷、效果好，但是，现有方法使用的试剂不仅改变了镉的生物有效性，还使土壤中的植物必须元素的活性降低，肥力下降，导致作物产量降低，品质下降，尤其是对于旱地土壤更是如此。

相较于水田，旱地土壤含水量少，有机质含量少，土壤中的镉含量高，迁移速率小，容易通过作物进入生物链中，导致在人体的积累危害人体健康。

发明内容

为了解决现有技术中存在的土壤改良导致的土壤肥力降低的问题，本发明提供一种不增加过多肥料的情况下保持土壤肥力，而且能够使镉污染旱地土安全生产农作物的方法，本发明方法通过向土壤中施用含钛元素的肥料，不仅能够降低土壤重金属活性，保证粮食安全，还能提供土壤中微量元素的供给，解决了常规土壤改良导致的中微量元素活性降低，方法简单，普适性广，旱地作物产量高、品质好，重金属含量低。

为实现本发明的技术目的，本发明提供一种镉污染旱地土壤种植作物的方法，包括以下步骤：

对镉污染旱地土壤进行翻耕处理，改变土壤结构，增加土壤中的空气含量；

向经过翻耕处理的土壤中施入包括钛元素肥料的有机肥料，并与土壤混拌，使土壤中的成分与钛元素肥料充分接触，发生反应；

将大量元素肥料施入到具有钛元素的土壤中混拌，充分接触后，将作物种子播种到土壤中，进行种植。

其中，所述旱地土壤含水量≤30％。

其中，所述翻耕深度为0-20cm。

其中，所述有机肥料选自人粪尿、厩肥、堆肥、绿肥、饼肥、沼气肥中的一种或多种。

其中，所述钛元素肥料为钛石膏。

特别是，所述钛石膏为符合《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》的钛石膏。

其中，所述钛石膏经风干和破碎处理后为含水量小于20％，粒径小于5mm的钛石膏颗粒。

其中，钛石膏的施用量为500-800kg/亩。

优选的，钛石膏的施用量为600kg/亩。

其中，钛石膏与土壤的反应时长为2-3天。

其中，大量元素肥料包括氮肥、磷肥和钾肥。

其中，氮肥选自尿素。

其中，磷肥选自磷酸一铵。

其中，钾肥选自氯化钾。

其中，大量元素中，N₂O、P₂O₅和K₂O的重量份配比为(9-13):(4-6):(5-7)。

其中，所述对镉污染旱地土壤进行翻耕处理时向土壤中加入Ca₂CO₃对土壤进行翻耕。

其中，所述Ca₂CO₃的用量为80Kg/亩。

有益效果：

本发明方法利用含有钛元素的有机肥料和大量元素肥料，不仅能够降低旱地土壤重金属活性，保证粮食安全，还能提供土壤中微量元素的供给，解决了常规土壤改良导致的中微量元素活性降低的技术问题，方法简单，普适性广，旱地作物产量高、品质好，重金属含量低。

附图说明

图1添加钛石膏对土壤pH值的影响——土样H；

图2添加钛石膏对土壤pH值的影响——土样L；

图3添加钛石膏后土样水溶交换态镉的变化——土样H；

图4添加钛石膏后土样碳酸盐结合态镉的变化——土样H；

图5添加钛石膏后土样铁锰氧化物结合态镉的变化——土样H；

图6添加钛石膏后土样有机结合态镉的变化——土样H；

图7添加钛石膏后土样残留态镉的变化——土样H；

图8添加钛石膏后土样水溶交换态镉的变化——土样L；

图9添加钛石膏后土样碳酸盐结合态镉的变化——土样L；

图10添加钛石膏后土样铁锰氧化物结合态镉的变化——土样L；

图11添加钛石膏后土样有机结合态镉的变化——土样L；

图12添加钛石膏后土样残留态镉的变化——土样L。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性而非限制性，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

1、整地

使用常规的农用机械对镉污染旱地土壤进行翻耕处理，翻耕深度为0-20cm，改变土壤结构。

翻耕时，为了使土壤中可交换态的镉元素含量降低，本申请在翻耕时，向土壤表面撒施80kg/亩的Ca₂CO₃粉末，翻耕至少2次以上，从而使土壤与Ca₂CO₃粉末充分接触反应，降低土壤中可交换态镉，然后晾晒备用。

镉在不同土壤环境条件下，会以不同的形态存在，镉一般以碳酸结合态镉的形式存在于土壤中，也有交换态、有机态、残余态等，然而只有交换态的镉容易被植物吸收利用而进入生物链中，基于此，本发明将Ca₂CO₃施入土壤中，使交换态的镉与Ca₂CO₃反应，转化为碳酸结合态的镉，防止通过作物进入生物链中。

2、配比备料

2.1含钛石膏的有机肥料

采用市售的符合国家《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》的钛石膏，防止钛石膏对土壤造成二次污染，使用前，对钛石膏进行风干，使其含水量小于20％，然后采用常规的破碎工具对钛石膏进行破碎，使其粒径小于5mm；

将粉碎的钛石膏加入到有机肥料中，该有机肥料可以通过市售获得，也可以通过常规方法制备得到，其有机质含量大于50％。

其中，有机质与钛石膏的比例为1-1.2:0.8-1.2。

2.2大量元素肥料的备料

将尿素、磷酸一铵和氯化钾按照重量份配比为N₂O(9-13):P₂O₅(4-6):K₂O(5-7)称量市售合格的尿素、磷酸一铵和氯化钾肥料，备用。

3、第一处理

准备种植作物前，平整经过翻耕的土地，之后向土壤表面均匀施入包括钛石膏的有机肥，其中，钛石膏的施用量为600kg/亩，然后利用旋耕机翻耕0-20cm表层土壤，使钛石膏与土壤混拌，使土壤中的成分以有机质为介质与钛石膏中的成分充分接触，发生反应，反应1-2天。

本发明将钛石膏与有机肥共同施入土壤中，一方面可以利用有机肥中有机质吸附钛石膏及土壤中的有害重金属元素，另一方面是使钛石膏具有缓释效果，效果延长，并且将有机质施入土壤后，土壤的理化性质改变，土壤环境发生变化，利于土壤肥力的改善。

此外，钛石膏中的钛元素还能够①增加叶片中叶绿素含量，提高光合效率；②提高植物体内多种酶的活性；③促进植物对土壤养分的吸收；④提高作物的抗逆性；⑤改善产品品质。

4、第二处理

1-2天后将大量元素肥料施入到具有钛石膏成分的土壤中，之后利用旋耕机翻耕0-20cm表层土壤，使大量元素与土壤混拌，充分接触后，将作物种子播种到土壤中，进行种植。

本发明将大量元素施入土壤，能够增加土壤肥料，稳固钛石膏与有机质对镉元素的吸附效果，还能保证植物生长所需。

试验例1小麦种植

为了实现小麦在旱地镉污染土壤的种植，本发明将应用实施例1给出的方法在旱地土壤进行种植，为2015年度选择了镉污染田块开展了小麦种植的安全评价田间试验，试验地位于西南地区，地势平坦，灌溉便利，耕作方便，气候温和。常年平均气温15-16℃，年平均日照时数1200小时，无霜期270天左右，年均降雨量960毫米，土壤含水量≤30％，其土壤理化性质如表1所示：

表1试验土壤基本理化性质和镉含量

小麦种植步骤如下：

1、配比备料

1.1含钛石膏的有机肥料

采用市售的符合国家《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》的钛石膏，防止钛石膏对土壤造成二次污染，使用前，将钛石膏进行风干，使其含水量小于20％，然后采用常规的破碎工具对钛石膏进行破碎，使其粒径小于5mm；

然后将600kg粉碎的钛石膏加入到800kg的有机肥料中，该有机肥料可以通过市售获得，其有机质含量大于50％。

1.2大量元素肥料的备料

将市售的尿素、磷酸一铵和氯化钾按照氮素、五氧化二磷和氧化钾元素的重量份配比(9-13):(4-6):(5-7)进行混合，得到大量元素肥料。

2、整地

使用翻耕机对地块土壤进行翻耕深度为20cm的翻耕作业，翻耕时，将Na₂CO₃粉末撒施在土壤表面进行翻耕，翻耕2次。

3、终止前的土壤处理

3.1、第一处理

准备种植作物前，平整土地，然后向土壤表面均匀施入包括钛石膏的有机肥，其中，钛石膏的施用量为600kg/亩，然后利用旋耕机翻耕0-20cm表层土壤，使钛石膏与土壤混拌，使土壤中的成分以有机质为介质与钛石膏中的成分充分接触，发生反应，反应1-2天。

3.2、第二处理

1-2天后将大量元素肥料施入到具有钛石膏成分的土壤中，之后利用旋耕机翻耕0-20cm表层土壤，使大量元素与土壤混拌，充分接触后，将作物种子播种到土壤中，进行种植。

4、种植

小麦品种选择当地普遍品种，其他管理与当地高产栽培一致，同时以当地普通的高产栽培方法作为对照，作物收获后，取各小区作物产量单收单打，测定作物秸秆和籽粒等部位的鲜重和干重，同时检测植株样品的养分含量，籽粒样品中养分含量和重金属含量，结果如表2所示：

表2检测结果

如表1所示，采用本发明方法在旱地土壤对小麦进行种植，其产量均高出常规的高产栽培方法，而且籽粒中镉含量低于常规的高产栽培方法的籽粒镉含量。

可见采用本发明方法的种植不仅可以防止土壤镉元素往作物中迁移，还能提供作物产量。

以下是本发明利用钛石膏在旱地镉污染土壤种植小麦的部分试验例。

试验例2田间试验

本试验例以小麦为研究对象进行试验，试验共设计5个处理，每个处理如表2所示。每个处理3次重复，小区面积20m²。品种选择当地普遍品种，其他管理与当地高产栽培基本一致。作物收获期(收获前1-2天)每小区取10点左右有代表性的植株，进行生物学(产量构成因素、株高、不同部位比例等)调查，各小区作物产量单收单打，测定作物秸秆和籽粒等部位的鲜重和干重。植株样品测试养分含量，籽粒样品测试养分含量和重金属含量，测定结果如表3所示。

表3试验处理设计

表4对小麦产量的影响

根据表4所示的小麦产量结果可知，各处理组间小麦产量差异不明显，处理组2-6与处理组1相比，除钛石膏1200kg/亩时小麦产量略有提高之外，其余处理均不同程度减产。可见当钛石膏添加量达到1200kg/亩时，其产量效果较好。

表5对小麦农艺性状的影响

根据表5的试验结果可知，添加钛石膏后小麦株高和穗长指标各处理间无明显差异，其中当钛石膏添加量达到1200kg/亩时，株高和穗长指标最佳。从千粒重可以看出，钛石膏1200kg/亩时，千粒重指标相当，且高于其他处理，表明这两个处理对于增产的关键农艺性状指标作用显著，也印证了其产量较高的原因。

表6添加钛石膏对小麦籽粒镉、锌、铜含量的影响

从表6可以看出，添加钛石膏处理对小麦籽粒镉含量有所影响，各处理除钛石膏300kg/亩提高了小麦籽粒镉含量外，其余处理均较对照有所下降，降幅在5.85％-17.65％间，其中添加钛石膏900kg/亩处理对降低小麦镉含量作用最明显；从锌指标来看，各处理间无明显规律，其中钛石膏添加量在300kg/亩和1200kg/亩时，小麦籽粒锌较对照含量有所增加，其余处理较对照有所下降；从铜指标来看，随着钛石膏用量的增加，小麦籽粒铜含量呈先增后降的趋势，其中钛石膏用量900kg/亩时达到最大，之后降低。

表7对小麦秸秆镉、锌、铜含量的影响

小麦秸秆镉、锌、铜测试结果如表7所示，从镉指标来看，各处理间无规律，其中施用钛石膏600kg/亩和钛石膏1200kg/亩处理较对照增加，增幅为9.35％-12.21％，而施用钛石膏300kg/亩和钛石膏900kg/亩处理则较对照下降，分别降低7.18％和4.40％；从锌指标来看，各处理的表现与镉指标一致，施用钛石膏600kg/亩和钛石膏1200kg/亩处理较对照增加，而施用钛石膏300kg/亩和钛石膏900kg/亩处理则较对照下降；从铜指标来看，与前两项指标的表现一致。不同钛石膏量处理，有些较对照增加有些降低。

表8对土壤性状的影响

土壤养分测试结果如表8所示，从pH来看，施用钛石膏对土壤pH提升作用不显著，施用低量钛石膏时提高了土壤pH值，而施用高量钛石膏使土壤pH略有降低；各处理对有机质影响不大，除施用钛石膏1200kg/亩处理下降外，其余处理与对照相当；全氮、全磷指标各处理间差异较小；全钾指标中各处理较对照均有所提高；从速效养分来看，各处理没有明显的规律，表明钛石膏，对土壤养分含量的影响程度较小。从不同钛石膏用量下土壤容重看，随着钛石膏用量增加，土壤容重逐渐增加，这是由于钛石膏本身性状所引起的，其本身呈胶膏结状，因此，田间施用时一定需注意用量，以免引起土壤板结，通透性变差。

综上可知，添加钛石膏对小麦籽粒吸收镉有较好阻控效果，当钛石膏用量在900kg/亩时，对降低籽粒镉含量效果最为显著，而从产量效果来看其不如钛石膏1200kg/亩处理。我们认为要在小麦上达到良好的镉阻控效果，在小麦田上钛石膏施用量不宜超过600kg/亩。

试验例3钛石膏对镉污染旱地土壤的改良机理研究

为了研究钛石膏对镉污染旱地土壤的改良机理，以与盆栽试验相同的两种土壤(轻度镉污染土壤L和中度镉污染土壤H)为研究对象进行室内培养试验。试验设9个处理，分别为：1)CK，钛石膏0g/kg土；2)钛石膏0.5g/kg土；3)钛石膏1g/kg土；4)钛石膏2g/kg土；5)钛石膏4g/kg土；6)钛石膏8g/kg土；7)钛石膏16g/kg土；8)钛石膏32g/kg土；9)钛石膏64g/kg土，每处理做两次重复。培养过程中取样3次(0天、30天、60天)，测定其pH值，并根据Tessier法提取土壤中镉的水溶交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残留态等五种形态进行分析，分析结果如图1-12所示。

根据图1-2所示的折线图可知，中度镉污染土壤的pH值从0天、30天到60天逐渐升高，最终提高0.00％～5.66％(图1)。轻度镉污染土壤的pH值从0到30天先略微降低，再大幅增加，最终提高3.81％～10.82％(图2)。pH变化程度随着钛石膏用量提高而变小，但由于两种土壤的基础pH值有较大差异，因此，添加钛石膏后对提高土壤pH值的幅度略有不同，酸性土壤提升的幅度更大。可见，添加不同用量钛石膏后，两种土壤pH值呈现不同的走势，但在第60天时都得到明显提高。说明添加钛石膏能够提高土壤pH值，对于改良酸性旱地土壤改良效果要好于碱性土壤。

仅靠土壤全镉很难反映其毒性、迁移性和生物有效性，但镉在土壤中存在的形态能够有效用于评价其化学行为。轻度和中度镉污染土壤的测定结果均显示(图3-图12)，随着培养时间增加，水溶交换态和碳酸盐结合态均呈现逐渐下降的趋势，铁锰氧化物结合态和有机结合态变化虽然不稳定，但第60天比第0天总体来看是降低的，残留态的变化规律不明显。因此，推测添加钛石膏可以降低土壤中镉的有效性。可能因为土壤施用钛石膏后pH值升高，土壤表面可变电荷增加，从而增强了土壤对Cd²⁺的吸附。同时钛石膏的加入还会促使Cd²⁺的水解，成为吸附作用更强的Cd(OH)⁺，使土壤中交换性镉浓度降低，从而减少水稻对镉的吸收。

Claims (8)

1.一种镉污染旱地土壤种植作物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对镉污染旱地土壤进行翻耕处理，改变土壤结构，增加土壤中的空气含量；

向经过翻耕处理的土壤中施入包括钛元素肥料的有机肥料，并与土壤混拌，使土壤中的成分与钛元素肥料充分接触，发生反应；

将大量元素肥料施入到具有钛元素的土壤中混拌，充分接触后，将作物种子播种到土壤中，进行种植。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钛元素肥料为钛石膏。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钛石膏的施用量为500-900kg/亩。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，钛石膏与土壤的反应时长为2-3天。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大量元素肥料包括氮肥、磷肥和钾肥。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大量元素肥料中，N₂O、P₂O₅和K₂O的重量份配比为(9-13):(4-6):(5-7)。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对镉污染旱地土壤进行翻耕处理时向土壤中加入Ca₂CO₃对土壤进行翻耕。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述Ca₂CO₃的用量为50-150Kg/亩。