CN110447364A

CN110447364A - 一种镉污染高硫土壤安全生产农作物的施肥方法

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Publication number: CN110447364A
Application number: CN201910588274.XA
Authority: CN
Inventors: 张晓霞; 张雪霞; 陈能场; 郑煜基
Original assignee: Guangdong Institute of Eco Environmental Science and Technology
Current assignee: Guangdong Institute of Eco Environmental Science and Technology
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2019-11-15
Anticipated expiration: 2039-07-02
Also published as: CN110447364B

Abstract

本发明公开了一种镉污染高硫土壤安全生产农作物的施肥方法。本发明针对受酸性矿山废水污染的土壤(镉污染高硫多种重金属土壤)进行农作物安全生产的研究，进而提供一种在该污染土壤中安全生产农作物的施肥方法，本发明的施肥方法能有效减少在该污染土壤中生长的农作物对重金属Cd的富集，为该土壤区域安全生产农作物提供了有益的思路，同时也解决了该污染土壤被修复或改良导致耕种成本增加等问题。

Description

一种镉污染高硫土壤安全生产农作物的施肥方法

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤领域，尤其涉及一种镉污染高硫土壤安全生产农作物的施肥方法。

背景技术

矿业开采对矿山的地球化学环境及其周围的生态系统带来巨大的影响，如废矿尾矿的排放堆积、酸性矿山废水的排放、河流与土壤重金属污染、地下水和大气污染及生态环境破坏等^[1]。目前关于降低水田土壤重金属污染风险的技术集成示范大多集中在土壤的修复或改良技术上，例如：施用土壤调理剂、土壤改良剂、水分管理、植物叶片阻断剂、植物修复等技术以降低土壤中的重金属活性，或使其总量降低，虽然上述修复技术能够降低土壤中的重金属在农产品中的累积，但同时也在一定程度上增加了人力成本和经济成本还有可能造成耕地的二次污染，或者使得修复后的土壤的微生物环境发生变化，或需要休耕，影响农作物产量。并且上述修复方法难以保证长期的治理效果或修复周期较长，“土十条”明文规定：将轻度和中度污染的土壤划为安全利用类；可采取农艺调控、替代种植等措施，降低农产品超标风险，因此，如何在污染耕地上安全经济生产农产品变得更为迫切也更为实际。

多金属硫化物矿山开采过程中金属硫化物释放出大量的重金属离子和酸性废水^[2]，流入河流等自然水体造成矿区下游农田土壤的酸化和重金属积累^[3,4]，被农作物吸收导致农产品水稻、玉米等的重金属含量超标^[5-7]，尤其是重金属镉，这是因为在酸性土壤中Cd活性较高，导致农作物中的Cd含量超标较为普遍也较为严重，对农产品安全和人体健康的危害较大，另外，大量的SO₄ ^2-离子也会在土壤中滞留，造成土壤酸化及硫含量的超标，甚至成为酸性硫酸盐土^[8-10]，这种高硫多重金属复合污染的土壤为农作物的安全生产增加了巨大的困难，例如：高硫土壤会促进重金属在农作物根际的富集，使得农作物对重金属的吸收量增加，但目前未见对这种高硫多种重金属污染的土壤实行安全生产农作物的方法的相关报道。

因此，如何对高硫和多种重金属复合污染的土壤进行安全利用具有一定的挑战。

参考文献：

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发明内容

本发明的目的在于提供一种镉污染高硫土壤安全生产农作物的方法。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的目的在于提供一种镉污染高硫土壤安全生产农作物的施肥方法，包括在所述土壤中施用铵态氮肥的步骤。

优选地，每1kg土壤中，上述铵态氮肥的施用量以N元素计不超过0.2g。

优选地，上述土壤中还包括Pb、As、Cu、Zn中至少一种重金属污染。

优选地，上述土壤中还包括Pb、As、Cu、Zn重金属污染。

优选地，上述土壤中有效硫的含量大于30mg·kg^-1。

优选地，上述土壤中有效硫的含量为50～550mg·kg^-1；优选为80～300mg·kg^-1；更优选为100～200mg·kg^-1。

优选的，上述土壤中的全硫含量为200～1000mg·kg^-1；优选为200～600mg·kg^-1；更优选为300～500mg·kg^-1。

优选地，上述土壤的pH＝4.0～4.5。

优选地，上述铵态氮肥选自硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵中的至少一种。

优选地，上述铵态氮肥选自氯化铵。

优选地，上述农作物为高镉累积的农作物。

优选地，上述农作物选自高镉累积水稻；优选地，所述高镉累积水稻选自梅连早、五优615、五优308、长香谷、尾香粘中的至少一种

值得注意的是，本申请对于低镉累积的农作物具有比高镉累积的农作物更好的效果。

本发明的有益效果是：

本发明针对受酸性矿山废水污染的土壤(镉污染高硫多种重金属土壤)进行农作物安全生产的研究，进而提供一种在该污染土壤中安全生产农作物的施肥方法，本发明的施肥方法能有效减少在该污染土壤中生长的农作物对重金属Cd的富集，为该土壤区域安全生产农作物提供了有益的思路，同时也解决了该污染土壤被修复或改良导致耕种成本增加等问题。

附图说明

图1：A为在分蘖期不同氮肥及不同N素水平下对水稻根际土壤有效镉含量的影响图；B为在成熟期不同氮肥及不同N素水平下对水稻根际土壤有效镉含量的影响图；

图2：A为在分蘖期不同氮肥及不同N素水平下对水稻根际土壤pH的影响图；B为在成熟期不同氮肥及不同N素水平下对水稻根际土壤pH的影响图；

图3：A为在分蘖期不同氮肥及不同N素水平下对水稻根中镉含量的影响图；B为在成熟期不同氮肥及不同N素水平下对水稻根中镉含量的影响图；

图4：A为在分蘖期不同氮肥及不同N素水平下对水稻秆中镉含量的影响图；B为在成熟期不同氮肥及不同N素水平下对水稻秆中镉含量的影响图；

图5为不同氮肥及不同N素水平下对稻米中镉含量的影响图。

具体实施方式

下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数据。

试验方案：

1、试验土壤：

本试验的土壤如不特别说明均选自位于粤北大宝山高硫多金属矿区下游的重金属污染水稻田，该水稻田自上世纪70年代以来一直引用大宝山的酸性矿山废水进行灌溉，已有40多年的污灌史，本试验的土壤采集该水稻田深度为0～20cm的耕作层土壤，后经风干过2mm筛，充分混匀后用于试验，该土壤的基本理化性质见下表1：

表1

测试项目	风险筛选值	风险管控制	测试值
				pH	≤5.5	≤5.5	4.21
Cd/mg·kg<sup>-1</sup>	0.3	1.5	0.54
				As/mg·kg<sup>-1</sup>	30	200	70.28
Cu/mg·kg<sup>-1</sup>	50	—	298.25
				Zn/mg·kg<sup>-1</sup>	200	—	302.66
Cr/mg·kg<sup>-1</sup>	250	800	46.28
				Pb/mg·kg<sup>-1</sup>	80	400	201.00
全S/mg·kg<sup>-1</sup>	—	—	443.66
				有效S/mg·kg<sup>-1</sup>	—	—	133.38

注：“—”表示土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618—2018)中没有相应标准值；根据TD/T1014一2007《第二次全国土地调查技术规程》土壤中硫的分级标准，有效硫的含量≥30mg/kg时为高硫土壤。

由表1可知：根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618—2018)》，Cd、Pb、As等多种重金属均在农用地土壤污染风险筛选值和管制值之间，可能存在种植食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险，属于中轻度污染，另外，该土壤的全硫含量是广东省全硫平均含量的1.58倍，有效硫含量是广东省有效硫平均含量的6.2倍，占全硫含量的30％，高于自然土壤均值10％，这说明本发明的土壤为高硫多重金属污染共存的酸性土壤。污染土壤环境复杂，为农作物的安全生产增加了难度。

2、试验设计：

选用高镉累积水稻品种长香谷(Oryza sativa L.cv.)对上述土壤下的镉吸收进行研究。将长香谷种子经0.5％次氯酸钠表面消毒20min，去离子水冲洗数次后，浸泡24h，在室温下置于潮湿的纱布内培养发芽到1cm左右，然后转置盛有石英砂的盆中用去离子水培养，到幼苗长至3～4片叶子时，选择长势均匀一致的秧苗移栽进行土培试验，每盆植2株；

在移栽前两天进行土壤装盆，采用直径20cm、高20cm的塑料盆，每盆装3.8kg土壤，同时按照下表2的比例称取氮肥和磷肥，溶于1000mL水后加入土壤中，共设置9个处理组(如表2中的A、B、C、D、E、F、G、H、I组)，每个处理组共设置8个重复，数值取平均值，为了保证幼苗生长，移栽后加水至水面高出土壤界面2cm，置于温室内，每天早晚浇水；

表2

其中，表2中N素水平指肥料中N元素的含量与土壤的质量之比。

水稻幼苗于2018年5月21日进行统一移栽，7月2日采集水稻分蘖期样品进行分析，水稻成熟后，烤田3天后进行收割，由于每个处理组水稻成熟的时间不一致，根据成熟情况，具体成熟期样品采集日期如下：8月23日采集表2中的A、B、D、E、G、H、I组处理的水稻样品，8月28日采集表2中F组处理的水稻样品，9月3日采集表2中C组处理的水稻样品；

采集水稻样品时，沿稻根部剪下，分成茎叶和籽粒两部分。余下的水稻根系连同根部土壤一起取出，去除周围杂土，收集根系和根系周围的土壤(根际土壤)。水稻根系、茎叶、籽粒用自来水冲洗干净后再用去离子水冲洗，然后在105℃条件下杀青30min，60℃烘干至恒重，粉碎，过60目筛备用。根际土壤在室温下风干，除去动植物残体等杂物，置于研钵中研磨，分别过10目和100目尼龙筛后放入聚乙烯封口袋中备用。

3、分析测试：

(1)土壤pH采用玻璃电极法测定，土壤和水的质量体积比为1g：2.5mL；

(2)水稻样品(水稻根系、茎叶、籽粒)按照GB 5009.15-2014进行消解；土壤样品(根际土壤)消解参考GB/T 17141-1997、HJ 491-2009、GB/T 22105.2-2008、GB/T 17138-1997；土壤中有效态Cd提取按照HJ804-2016进行提取，消解液和浸提液中的Cd含量均采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行测定；

所有检测数据均用Microsoft Excel 2007进行平均值和标准差的运算，以Mean±SD形式表示；使用origin8.0进行图形的绘制。

4、不同氮肥品种及N素水平对水稻根际土壤中有效镉含量和pH的影响：

由图1A和图1B可知：但随着N素水平的增加，不同氮肥对有效Cd含量的变化趋势并不相同，在分蘖期，施用NH₄Cl和(NH₄)₂SO₄氮肥，长香谷根际土壤中有效镉含量与N素水平之间的变化趋势一致，均随N素水平的增加而增加，但(NH₄)₂SO₄增加的量较为明显，随着N素水平的增加，根际土壤中有效Cd的含量从0.379mg/kg上升至0.460mg/kg，增加了21.37％，NH₄Cl仅从0.376mg/kg上升至0.383mg/kg，而施用NH₄NO₃氮肥对长香谷根际土壤有效Cd增加的作用最小，仅为施用(NH₄)₂SO₄时的82.41％、62.35％和71.15％，且其有效Cd含量出现先下降后上升的趋势，在0.2g/kg时达到最低；在成熟期，施用(NH₄)₂SO₄和NH₄NO₃氮肥，长香谷根际土壤中有效Cd含量均随N素水平的增加而降低，分别从0.411mg/kg和0.182mg/kg降低至0.274mg/kg和0.137mg/kg，分别降低了33.33％和24.72％，但对于NH₄Cl，其根际土壤中的有效Cd的含量则出现先下降后上升的趋势，在0.2g/kg时达到最低，由此可知：不同氮肥及N素水平对于水稻的不同生育期的根际土壤有效Cd含量的影响不一样；另外，由图可知：不同氮肥施用同一N素水平下对分蘖期和成熟期的根际土壤中有效镉的影响均表现为：(NH₄)₂SO₄＞NH₄Cl＞NH₄NO₃，这说明在镉污染高硫多重金属土壤中施用含S氮肥能显著增加水稻根际土壤有效Cd的含量(即：促进Cd在根际土壤中的富集)，同时也说明了铵态氮肥对于提高根际土壤有效Cd的含量的作用比硝态氮肥显著。

由图2A和图2B可知：在同一生育期，同一N素水平及不同氮肥品种处理下，长香谷根际土壤的pH均表现为NH₄NO₃＞(NH₄)₂SO₄＞NH₄Cl。这是因为当植物吸收NH₄ ⁺-N和NO₃ ^--N时，根系分泌不同的离子，吸收NH₄ ⁺-N时引起H⁺的分泌，造成根际周围土壤酸化，而吸收NO₃ ^--N时，植物分泌OH^-，造成根际土壤碱化，同时，本试验中的三种氮肥所带入土壤的阳离子相同，施加相同量的氮，(NH₄)₂SO₄和NH₄Cl所含的NH₄ ⁺大于NH₄NO₃，因此，(NH₄)₂SO₄和NH₄Cl对土壤的酸化作用大于NH₄NO₃，对应的土壤中有效镉含量就更高，这与图1的结果相一致。

5、不同氮肥及N素水平对水稻根中镉含量的影响：

由图3A和图3B可知：在同一生育期、同一N素水平，不同氮肥的条件下，水稻根中Cd含量均表现为：(NH₄)₂SO₄＞NH₄NO₃＞NH₄Cl，但不同的氮肥对于长香谷不同生育期水稻根系吸收镉的影响不同，在分蘖期，施用NH₄Cl，随着N素水平的增加，长香谷根系对Cd的吸收也随之增加(从1.19mg/kg增加到1.51mg/kg)，而施用(NH₄)₂SO₄和NH₄NO₃时，两者的Cd含量差别不大，且稻根中的Cd含量随着N素水平的增加而下降，这说明增加(NH₄)₂SO₄和NH₄NO₃的施用量在水稻前期的生长会抑制水稻根对Cd的吸收，在成熟期，除0.1g/kg施氮水平的(NH₄)₂SO₄和NH₄NO₃两个处理组外，稻根中的镉含量比分蘖期均有显著提高，这说明随着长香谷的生长稻根对Cd的吸收加强，但不同氮肥的施肥量增加对稻根吸收Cd的影响不同，施用NH₄Cl时，随着施氮量的增加，稻根中Cd含量基本保持不变；而在(NH₄)₂SO₄和NH₄NO₃处理条件下，随着施氮量的增加，稻根中Cd含量也明显增加，该结果表明：加量施用(NH₄)₂SO₄和NH₄NO₃氮肥在长香谷生育后期会促进稻根对镉的吸收。

对比图1和图3可知：其余条件相同，不同氮肥处理水稻土有效Cd的含量依次为：(NH₄)₂SO₄＞NH₄Cl＞NH₄NO₃，而水稻根中的Cd含量为：(NH₄)₂SO₄＞NH₄NO₃＞NH₄Cl，这说明不同氮肥的施用使得水稻根对于Cd的吸收是不一样的，但施用(NH₄)₂SO₄时，其中的Cd含量在根际土壤和稻根中均处于最高的水平，这是因为本发明的土壤为酸性高硫土壤，其中含有过量的SO₄ ^2-，当额外施用含有SO₄ ^2-的氮肥时会促进农作物根对Cd的吸收。

6、不同氮肥及N素水平对水稻秆中镉含量的影响：

由图4A和图4B可知：在同一生育期，同一施氮量，不同氮肥的条件下，水稻秆对Cd的吸收累积情况为：NH₄NO₃＞NH₄Cl，该结果与水稻根对镉积累的趋势相同，当N素水平逐渐增加，施加NH₄NO₃更有利于长香谷秆对Cd的吸收积累，这可能与NO₃ ^-在长香谷秆中的运输有关，有研究表明：NO₃ ^-转运至植物的茎过程中需要阳离子的参与，达到电荷平衡，这样就会在一定程度上促进Cd向茎部转移；在成熟期，在同一氮肥处理下，水稻秆对镉的吸收累积量均随N素含量的增加而增加，这说明施用氮肥可促进水稻生育后期Cd在稻秆中的累积，在相同的生育期和氮素水平(除0.1g/kg施氮水平外)下，施用NH₄NO₃氮肥使Cd在水稻秆中的吸收累积量最多，另外，水稻秆对Cd的吸收累积在分蘖期比成熟期严重(除0.4g/kg施氮水平外)，其原因可能是：1)该时期的土壤中有效态镉含量高，2)水稻在营养生长阶段生长旺盛，被动吸收的镉较多。

对比图3和图4可知：在0.1g/kg N素水平下，长香谷秆对镉的吸收情况依然是：(NH₄)₂SO₄＞NH₄NO₃＞NH₄Cl，与稻根中镉含量的变化趋势相同。但N素水平为0.2g/kg和0.4g/kg的处理组中，施用(NH₄)₂SO₄的稻秆中Cd含量均低于NH₄NO₃，与施用NH₄Cl相近，这表明施用(NH₄)₂SO₄相对于NH₄NO₃降低了Cd从稻根向地上部的转运。高明霞曾研究过SO₄ ^2-对水稻苗期镉积累的影响，指出使水稻根组织滞留Cd能力增强，减少了Cd向地上部的转移，但SO₄ ^2-含量增加到一定程度，超过根滞留Cd的能力时，Cd开始向地上部转移，这表明SO₄ ^2-与施氮量对镉吸收的影响存在一定的相互制约作用。本实验中的土壤受酸性矿山废水污染，硫含量、尤其是有效硫含量较高，当SO₄ ^2-的含量进一步超过一定含量时可能会进一步阻碍镉向地上部分的转移。

7、不同氮肥和N素水平对稻米中镉含量的影响：

由图5可知：在试验选择的施氮条件下，稻米中的Cd均有不同程度的超标(GB2762-2017中对于糙米Cd含量的规定为0.2mg/kg)，但不同的氮肥及施氮水平，超标程度不同，除施氮量为0.4g/kg的NH₄NO₃处理组外，稻米中的Cd含量均呈现出随N素水平的增加而增加的趋势，NH₄Cl处理组中稻米镉含量从0.202mg/kg上升到0.390mg/kg，而NH₄NO₃处理组在0.2g/kg施氮水平下稻米中镉的含量最高达到0.431mg/kg，当其施用量达到0.4g/kg时，稻米中镉的含量下降至0.390mg/kg，因此，NH₄NO₃和NH₄Cl两组处理对稻米中镉积累的影响没有呈现和稻秆相同的规律，(NH₄)₂SO₄处理组从0.236mg/kg上升至0.459mg/kg，与NH₄Cl处理组相比，稻米对Cd的吸收情况是：(NH₄)₂SO₄＞NH₄Cl，与成熟期稻根、稻秆吸收Cd的情况相同，但和NH₄NO₃处理组相比，在0.1g/kg和0.2g/kg施氮水平下，两组稻米中镉含量对比也与稻秆中镉含量对比相同，但在0.4g/kg施氮水平下，(NH₄)₂SO₄处理组稻米中镉含量最大，该结果可能是由于过多的SO₄ ^2-含量，超过根滞留Cd的能力，促进了Cd向地上部转移，同时发现，在0.4g/kg的施氮水平下，氮肥用量较大的情况下，导致NH₄Cl和(NH₄)₂SO₄处理的长香谷贪青晚熟(比0.1g/kg施氮水平和0.2g/kg施氮水平晚熟5天以上)，综合对比发现：施用0.2g/kg以下的NH₄Cl，稻米中的Cd的含量最小，趋近于标准临界值(0.2mg/kg)。

基于上述试验，总结如下：

1)不同氮肥对于高硫多重金属土壤有效Cd的含量影响不同，在同一生育期，同一施N水平的条件下均表现为：(NH₄)₂SO₄>NH₄Cl>NH₄NO₃，并且施用铵态氮对根际土壤有效Cd的含量的提高作用比硝态氮显著；

2)(NH₄)₂SO₄和NH₄Cl在高硫多重金属土壤的酸化作用大于NH₄NO₃；

3)在同一生育期，同一施N水平的条件下不同氮肥对稻根中Cd含量均表现为

(NH₄)₂SO₄>NH₄NO₃>NH₄Cl；

4)不管是在水稻根际还是在水稻根中的Cd含量，均是(NH₄)₂SO₄处理组最高，主要是因为额外施加S，会导致稻根对Cd的吸收及土壤有效Cd的含量显著增加；

5)在同一生育期，同一施N水平的条件下不同氮肥对稻秆中Cd含量的影响表现为：NH₄NO₃>NH₄Cl，NH₄NO₃比NH₄Cl更有利于Cd在植物茎部的积累，通常认为对于酸性土壤施用硝态氮比铵态氮合适，但本发明的研究结果却相反，这说明了在酸性重金属土壤中的安全生长，不仅仅从调整土壤pH值的角度来选择氮肥，需要结合不同的氮肥对于重金属向植物体迁移的影响来考虑氮肥的选择；

6)在高硫多重金属污染土壤区域，S与N对水稻Cd吸收存在一定的相互制约作用，在一定量下，施用(NH₄)₂SO₄促进Cd从稻根向地上部的转移，超过这个量时，施用(NH₄)₂SO₄会抑制Cd向地上部分转移；

7)施用氮肥可促进在高硫多种重金属区域中生长的水稻生育后期对Cd在稻秆中的积累；

8)成熟期稻根、稻秆、稻米对镉的吸收情况均表现为：(NH₄)₂SO₄>NH₄Cl；

9)相对于(NH₄)₂SO₄和NH₄NO₃，施用NH₄Cl对于不同生育期的水稻对Cd的吸收相对较少，特别是在稻米中，当其施氮量低于0.2g/kg时，稻米中的镉含量接近于标准临界值，这说明在高硫多重金属污染土壤中施用一定量的NH₄Cl氮肥能有效减少重金属Cd在稻米中的富集，为该土壤区域安全生产农作物提供了有益的思路，且本发明采用的是高镉累积的水稻品种进行研究，对于低镉累积的水稻品种或者其他农作物具有更好的效果。

Claims

1.一种镉污染高硫土壤安全生产农作物的施肥方法，其特征在于：包括在所述土壤中施用铵态氮肥的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每1kg土壤中，所述铵态氮肥的施用量以N元素计不超过0.2g。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述土壤中还包括Pb、As、Cu、Zn中至少一种重金属污染。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述土壤中还包括Pb、As、Cu、Zn重金属污染。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述土壤中有效硫的含量大于30mg·kg^-1。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述土壤中有效硫的含量为50～550mg·kg^-1。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述土壤的pH＝4.0～4.5。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的方法，其特征在于：所述铵态氮肥选自硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵中的至少一种。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述铵态氮肥选自氯化铵。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述农作物为高镉累积的农作物。