CN110771464A - 降低镉污染土壤中水稻镉积累的培养液及水稻种植方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于降低镉污染土壤中水稻镉积累的水稻秧苗培养液，所述水稻秧苗培养液是在水稻长至四叶一心之前进行使用；所述水稻秧苗培养液是在水稻基础培养液中添加如下物质而得：50μM‑200μM铁盐、0.35μM‑1.5μM锌盐、1.0μM‑5μM谷氨酸钠盐、1.0μM‑3.0μM半胱氨酸、1.0μM‑3.0μM甘氨酸。本发明还提供了基于该培养液的水稻的种植方法。本发明可显著的降低镉污染土壤中水稻糙米和茎叶中的镉积累量；本发明的水稻秧苗培养液配方简单、原料易得，其制备工艺环保可行、成本低，对维持生态平衡、保障食品安全具有重大意义。

Description

降低镉污染土壤中水稻镉积累的培养液及水稻种植方法

技术领域

本发明属于农业技术领域，涉及适用于中轻度稻田镉污染土壤下水稻秧苗培育及相关水稻种植技术，具体涉及一种用于降低镉污染土壤中水稻镉积累的水稻秧苗培养液及相应的水稻种植方法。

背景技术

镉是自然界中存在的一种重金属微量元素，其对动物和植物都是非必需元素，镉与锌具有类似的地球化学特性，常与锌矿伴生。因此，矿山开采，冶炼废水排放以及农田污泥的施用都会导致农田土壤的镉污染频发。调查显示，排到环境中的镉有80％以上进入土壤，其中相当部分为农业土壤，给农产品安全带来潜在威胁。同时，土壤的日益酸化导致盐基离子的加速淋失，并且当土壤粘粒矿物表面吸附的氢离子超过一定限度时，会导致铝氧八面体被解体，释放出活性铝离子；随着铝氧八面体的解体水解，释放出大量氢离子，让土壤进一步酸化，加速了土壤的自然风化，镉、砷、铅等重金属离子不断溶解在土壤溶液中。土壤中的重金属离子活性随着pH的降低而增强，直接影响稻田作物粮食质量安全。

镉进入土壤后，由于移动性小而很难清除，常用的工程措施或者化学方法治理土壤重金属污染，在一定程度上能够缓解土壤重金属对植物的危害及转运，不仅成本昂贵，而且还会破坏土壤结构以及微生物区系，在某种程度上对农田耕地造成“二次污染”；且土壤调理剂的投入在一定程度上会造成土壤中阳离子的大量淋失，打破了土壤生态圈原有的阳离子平衡。

由上述问题导致的镉污染酸性土壤已经给生态平衡、粮食质量安全带来隐患，生物圈中Cd将通过食物链对人类的健康造成潜在的危害，而现有常规的土壤调理剂在稳定性及可持续性上有一定的局限性，同时会改变土壤理化性质造成土壤板结等副作用，“植物-土壤”体系重金属污染治理问题亟待解决。因此，使用一种更为高效快捷的阻镉水稻秧苗培育技术刻不容缓。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的之一在于提供一种成本低，操作可行的水稻秧苗处理培育营养液，可以有效降低水稻自身对镉的转运，从而保障粮食安全生产。

为了实现上述目的，本发明采用的方案为：

一种用于降低镉污染土壤中水稻镉积累的水稻秧苗培养液，所述水稻秧苗培养液是在水稻长至四叶一心之前进行使用；所述水稻秧苗培养液是在水稻基础培养液中添加如下物质而得：

50μM-200μM铁盐、0.35μM-1.5μM锌盐、1.0μM-5μM谷氨酸钠盐、1.0μM-3.0μM半胱氨酸、1.0μM-3.0μM甘氨酸。

优选的，所述铁盐为乙二胺四乙酸钠铁盐，具体CAS为15708-41-5。

优选的，所述锌盐为乙二胺四乙酸钠锌盐，具体CAS为14025-21-9。

优选的，所述谷氨酸钠盐为谷氨酸二乙酸钠盐，具体CAS号为51981-21-6。优选的，所述铁盐的浓度为100μM，所述锌盐的浓度为0.7μM。

优选的，所述谷氨酸二乙酸钠盐的浓度为2.0μM，所述甘氨酸的浓度为1.0μM，所述半胱氨酸的浓度为1.0μM。

优选的，所述铁盐、锌盐、谷氨酸钠盐中任一组分中Cd、Pb、As、Hg、Cr的含量分别不超过3mg/kg、50mg/kg、10mg/kg、2mg/kg、50mg/kg；所述水稻秧苗培养液的pH值为5.5-6.0。

作为本发明可实施的方案，所述水稻基础培养液为包括适量硝酸铵、二水磷酸二氢钠、硫酸钾、氯化钙、硼酸和钼酸铵成分的培养液，具体配方可以为：硝酸铵(2.9mM)、二水磷酸二氢钠(0.32mM)、硫酸钾(1.0mM)、无水氯化钙(1.0mM)、硼酸(18μM)、钼酸铵(0.52μM)。

本发明上述“适量”的含义为上述任一组分的浓度不应当低于可供水稻正常生长所需相关元素的最低浓度，也不应当等于和高于上述任一组分可导致对水稻正常生长产生抑制作用的浓度。

水稻基础营养液种任一组分中Cd、Pb、As、Hg、Cr的含量分别不超过3mg/kg、50mg/kg、10mg/kg、2mg/kg、50mg/kg。

植物生长所必需的营养元素如Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Ni²⁺和Co²⁺等对植物的新陈代谢有重要意义；这些必需离子在转运过程中，一些非必需元素，如Cd²⁺、Hg²⁺、Ag²⁺、Pb²⁺等离子也随之一同进入植株体内，给植株造成生物生理毒性。同时，植物重金属转运蛋白在重金属吸收、解毒中的作用已经被越来越多的研究证实；转运必需重金属的关键蛋白IRT1、ZNT1、AtNRAMP1、AtNRAMP3和AtNRAMP4同时也能转运Cd。

水稻中运输Fe²⁺的OsIRT1和OsIRT2对Cd的亲和性较高，OsIRT1的过量表达能够提高水稻对Cd的转运效率。在Fe、Zn不足条件下，AtYSL2基因的转录水平升高，其mRNA表达体系和蛋白产物位于叶脉细胞的侧膜上，AtYSL2蛋白的功能可能是促进重金属的侧向运输。高Fe条件会诱导幼芽中AtYSL1转录水平升高，而在Fe缺乏条件下，OsYSL2在叶片中呈现上调表达。且在铁缺乏的条件下，IRT1可能被强烈的诱导，引起植物对Cd有较强的吸收。

本发明水稻秧苗培养液中富含大量的EDTA-Fe(络合态铁)，令水稻在秧苗期富集大量的Fe²⁺，从而调节自身载体蛋白表达水平，有效降低后期对Cd向地上部的转运。同时在苗期补充大量络合态锌(EDTA-Zn)，有助于植物增强抵抗病害能力，且同时调控水稻锌转运蛋白的表达水平，进一步减少镉的转运通道。

土壤的酸化会造成大量的中微量元素流失，微量元素的流失同时也会加剧土壤酸化程度，本发明的水稻秧苗培养液通过乙二胺四乙酸钠盐添加的络合态Fe、Zn可保持水稻秧苗中微量元素的丰度水平，提升水稻秧苗自身免疫力；进一步来说，Zn²⁺、Fe²⁺的大量存在，可以在水稻生长后期与Cd产生竞争拮抗作用，抑制作物对Cd的吸收转运。

此外，本发明发现，谷氨酸钠盐、半胱氨酸和甘氨酸的添加，对于降低水稻茎叶的镉积累很重要，在缺失上述三种添加物时，仅添加本发明的铁盐和锌盐时，水稻茎叶中的镉积累降低程度有限。

本发明的另外一个目的在于提供一种用于降低镉污染土壤中水稻镉积累的水稻的种植方法，所述方法包括在将水稻种子在本发明上述水稻秧苗培养液中培育，长至四叶一心；然后进行移栽。

作为本发明的优选技术方案，移栽后，在水稻的分蘖期及孕穗期喷施铁-锌营养液，所述铁-锌营养液是指50μM-200μM铁盐和0.35μM-1.5μM锌盐混合水溶液。

如本发明的一个实施例所示，在采取上述优选技术方案进行水稻的种植时，水稻糙米、茎叶中镉的积累都有显著下降，稻米镉积累下降66％(P<0.01)，茎叶部分镉积累下降62％(P<0.01)；该处理模式下，极大降低水稻中镉的积累，稻米镉含量为0.096mg/kg，低于安全限值0.2mg/kg。

本发明的有益效果：

(1)本发明可显著的降低镉污染土壤中水稻糙米和茎叶中的镉积累量，同时，本发明不改变土壤生态环境，避免对农田耕地造成二次污染风险，促进土地资源的保护和可持续利用。

(2)本发明的水稻秧苗培养液配方简单、原料易得，其制备工艺环保可行、成本低，对维持生态平衡、保障食品安全具有重大意义。

附图说明

图1为本发明实施例2水稻秧苗培育7/22天生长图对比；

图2为本发明实施例1中水稻稻米/茎叶部分镉含量的变化情况图(图中字母表示不同处理间LSD检验的差异显著性；其中P<0.05)；

图3为本发明实施例2中水稻稻米/茎叶部分镉含量的变化情况图(图中字母表示不同处理间LSD检验的差异显著性；其中P<0.05)；

图4为本发明对比实施例1中水稻稻米/茎叶部分镉含量的变化情况图(图中字母表示不同处理间LSD检验的差异显著性；其中P<0.05)；

图5为本发明对比实施例2中水稻稻米/茎叶部分镉含量的变化情况图(图中字母表示不同处理间LSD检验的差异显著性；其中P<0.05)。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

名词释义：

如无特别说明，本发明各实施例中提到的“铁-锌-氨基酸处理营养液”、“玉珍香”、“湘早籼45号”、“常规秧苗管理”、“CK”、“T1”、“T2”、“T3”的含义分别如下：

1、铁-锌-氨基酸处理营养液：基础水稻培养液中含有乙二胺四乙酸钠铁盐、乙二胺四乙酸钠锌盐、谷氨酸二乙酸钠盐、半胱氨酸和甘氨酸的营养液；其中水稻基础培养液的配方为：硝酸铵(2.9mM)、二水磷酸二氢钠(0.32mM)、硫酸钾(1.0mM)、无水氯化钙(1.0mM)、硼酸(18μM)、钼酸铵(0.52μM)，若无特别说明，本发明各实施例中所用的水稻基础培养液同此配方。

2、玉珍香、湘早籼45号：指的是水稻品种。

3、常规秧苗管理：水稻种子预先进行浸种，利用体积分数为30％的过氧化氢浸泡30min，于35°温室萌芽，种子破胸露白以后转移至基础水稻营养液中继续培养至四叶一心(30天左右)，待移栽。

4、CK：指的是对照组。

5、T1、T2、T3：指的是实验组1、实验组2、实验组3。

下述各实施例中所用的主要试剂信息如下：

乙二胺四乙酸钠铁盐：CAS号为15708-41-5，分析纯；含量≥98.5％。

乙二胺四乙酸钠锌盐：CAS号为14025-21-9，分析纯；含量≥98％。

谷氨酸二乙酸钠盐：CAS号为51981-21-6，分析纯。

实施例1

本实施例的处理过程为：将萌芽露尖的水稻种子置于不同浓度铁-锌-氨基酸处理营养液中，22-26℃培养30天左右(长至四叶一心)；将处理后的水稻秧苗移栽入镉污染土壤(镉含量为：0.51mg/kg)；水肥管理采用常规施用，具体措施如下：移栽前施用N-P-K(15-15-15)复合肥40kg/亩，充分拌匀；返青期追施尿素10kg/亩；水分管理：分蘖初期淹水管理，分蘖后期晒田，抽穗扬花期采取浅水灌溉，后期以湿润为主，收获前一周晒田。

采用大田试验研究本实施例对镉污染土壤降低稻米镉积累的效果，本实施例试验田的土壤为麻沙泥，基础理化性质如表1所示。

表1

本实施例的试验共设置以下3个处理(1个对照组，2个实验组)：

CK：玉珍香+常规秧苗管理

T1：玉珍香+Fe(100μM)+Zn(0.7μM)+氨基酸(谷氨酸二乙酸钠盐：2.0μM+半胱氨酸：1.0μM+甘氨酸：1.0μM)营养液培育

T2：玉珍香+Fe(100μM)+Zn(0.7μM)+氨基酸(谷氨酸二钠：5.0μM+半胱氨酸：3.0μM+甘氨酸：3.0μM)营养液培育。

处理组说明：

玉珍香+常规秧苗管理：表示针对玉珍香品种的水稻种子，依照常规秧苗管理方式进行管理。在本实施例中，具体采用的秧苗管理方式为：水稻种子预先进行浸种，利用体积分数为30％过氧化氢浸泡30min，于35°温室萌芽，种子破胸露白以后转移至基础水稻营养液中继续培养至四叶一心(30天左右)，待移栽。

本实施例中的T1处理的含义为：针对玉珍香品种的水稻种子，依照本实施例所述的处理过程进行处理，所采用的铁-锌-氨基酸处理营养液中，乙二胺四乙酸钠铁盐的浓度为100μM、乙二胺四乙酸钠锌盐的浓度为0.7μM、谷氨酸二乙酸钠盐的浓度为2.0μM、半胱氨酸的浓度为1.0μM以及甘氨酸的浓度为1.0μM。如无特别说明，本实施例中的T2处理以及本发明中其它实施例和对比实施例中的相应实验组处理，均按此方式进行理解。

秧苗培育30天后，将上面3个处理水稻秧苗移栽至镉污染土壤，上述处理每个重复3个小区。所有处理氮、磷、钾养分施用具体措施如下移栽前施用N-P-K(15-15-15)复合肥50kg/亩，充分拌匀；返青期追施尿素10kg/亩；水分管理：分蘖初期淹水管理，分蘖后期晒田，抽穗扬花期采取浅水灌溉，后期以湿润为主，收获前一周晒田。成熟期取水稻地上部分及糙米进行镉含量分析，样品统一采用GB/T 5009.268-2016方法进行分析。

水稻秧苗处理结果如图1所示，由图1可知，使用铁-锌-氨基酸培养液复合处理下水稻糙米、茎叶中镉的积累都有所下降，T1组，稻米/茎叶镉积累分别下降47％，56％，差异显著(P<0.05)；而高浓度氨基酸处理组(T2)，水稻镉积累相比低浓度处理(T1)呈大幅增加，仅略低于CK。

实施例2

本实施例的处理过程为：将萌芽露尖的水稻种子置于不同浓度铁-锌-氨基酸处理营养液中，22-26℃培养30天左右(长至四叶一心)；将处理后的水稻秧苗移栽入镉污染土壤；水肥管理采用常规施用；施用氮、磷、钾肥等常规肥料，充分拌匀。

采用大田试验研究本实施例对镉污染土壤降低稻米镉积累的效果，本试验田的土壤为麻沙泥，基础理化性质如表2所示。

表2

本实施例的试验共设置以下2个处理(1个对照组，1个实验组)：

CK：玉珍香+常规秧苗管理

T1：玉珍香+Fe(100μM)+Zn(0.7μM)+氨基酸(谷氨酸二钠：2.0μM+半胱氨酸：1.0μM+甘氨酸：1.0μM)营养液。

秧苗培育30天后，将上面2个处理水稻秧苗移栽至镉污染土壤，上述处理每个重复3个小区，在水稻的分蘖期及孕穗期，T1处理组喷施铁-锌营养液(铁-锌营养液：150μM乙二胺四乙酸钠铁盐和1.0μM乙二胺四乙酸钠锌盐复配水溶液)，配备100倍浓度液，每亩喷施300mL即可(施用时按1：100稀释)；其余所有处理氮、磷、钾养分施用量具体措施如下：移栽前施用N-P-K(15-15-15)复合肥50kg/亩，充分拌匀；返青期追施尿素10kg/亩；水分管理：分蘖初期淹水管理，分蘖后期晒田，抽穗扬花期采取浅水灌溉，后期以湿润为主，收获前一周晒田。成熟期取水稻地上部分及糙米进行镉含量分析，样品统一采用GB/T 5009.268-2016方法进行分析。

水稻秧苗处理结果如图2所示。由图2可知，与CK相比，使用铁-锌-氨基酸培养液预处理水稻幼苗，同时在分蘖期-孕穗期喷施铁锌复合营养液，水稻糙米、茎叶中镉的积累都有显著下降，稻米镉积累下降66％(P<0.01)，茎叶部分镉积累下降62％(P<0.01)；该处理模式下，极大降低水稻中镉的积累，稻米镉含量为0.096mg/kg，低于安全限值0.2mg/kg；基于此，该处理方式用于镉轻度污染地区稻米安全生产具有一定指导意义，有利于保障作物安全生产。

对比实施例1

本对比实施例的处理过程为：将萌芽露尖的水稻种子置于不同浓度铁处理营养液中，22-26℃培养30天左右(长至四叶一心)；同时准备镉污染土壤，5kg/盆，水肥管理采用常规施用；施用氮、磷、钾肥等常规肥料，充分拌匀；将处理后的水稻秧苗移栽入镉污染土壤。

本对比实施例实验选用的土壤为麻沙泥，基础理化性质如表3所示。

表3

本对比实施例的试验共设置以下4个处理(1个对照组，3个实验组)：

CK：湘早籼45号+常规秧苗管理

T1：湘早籼45号+Fe(50μM)营养液培育

T2：湘早籼45号+Fe(100μM)营养液培育

T3：湘早籼45号+Fe(150μM)营养液培育

秧苗培育30天后，将上面4个处理水稻秧苗移栽至镉污染土壤，上述处理每个重复3次，所有处理氮、磷、钾养分施用量以及其他农艺措施一致；成熟期取水稻地上部分及糙米进行镉含量分析，样品统一采用GB/T 5009.268-2016方法进行分析。

水稻秧苗处理结果如图3所示，由图3可知，使用铁处理下水稻糙米、茎叶中镉的积累都有所下降，且镉的含量随着铁的施用量增加而降低；在150μM施用量下，降低效果最为显著，其中，糙米中镉的积累降低46％(P<0.05)，茎叶中镉积累降低了28％。

可以轻易知晓的是，相对于实施例1和实施例2而言，本对比实施例对于水稻茎叶中的镉积累的降低程度有限。

对比实施例2

本对比实施例的处理过程为：将萌芽露尖的水稻种子置于不同浓度铁\锌处理营养液中，22-26℃培养30天左右(长至四叶一心)；同时准备镉污染土壤，5kg/盆，水肥管理采用常规施用；施用氮、磷、钾肥等常规肥料，充分拌匀；将处理后的水稻秧苗移栽入镉污染土壤。

采用盆栽试验研究本发明对镉污染土壤降低稻米镉积累的效果，本对比实施例实验选用的土壤为麻沙泥，基础理化性质如表4所示。

表4

本对比实施例的试验共设置以下4个处理(1个对照组，3个实验组)：

CK：湘早籼45号+常规秧苗管理

T1：湘早籼45号+Fe(100μM)+Zn(0.35μM)营养液培育

T2：湘早籼45号+Fe(100μM)+Zn(0.70M)营养液培育

T3：湘早籼45号+Fe(100μM)+Zn(1.4μM)营养液培育

秧苗培育30天后，将上面4个处理水稻秧苗移栽至镉污染土壤，上述处理每个重复3次，所有处理氮、磷、钾养分施用量以及其他农艺措施一致；成熟期取水稻地上部分及糙米进行镉含量分析，样品统一采用GB/T 5009.268-2016方法进行分析。

水稻秧苗处理结果如图4所示。由图4可知，使用铁\锌复合处理下水稻糙米、茎叶中镉的积累都有所下降，T1处理下镉降低效果最为显著，稻米中镉降低47％(P<0.05)，其他两实验组处理稻米镉分别下降17％，30％(P<0.05)；茎叶部分T3处理下镉积累降低35％(P<0.05)，其他两实验组处理下茎叶镉积累分别降低34％，26％。

可以轻易知晓的是，相对于实施例1和实施例2而言，本对比实施例无论对于糙米还是水稻茎叶中的镉积累的降低程度均有限。

Claims (10)

1.一种用于降低镉污染土壤中水稻镉积累的水稻秧苗培养液，其特征在于，所述水稻秧苗培养液是在水稻长至四叶一心之前进行使用；所述水稻秧苗培养液是在水稻基础培养液中添加如下物质而得：

50μM-200μM铁盐、0.35μM-1.5μM锌盐、1.0μM-5μM谷氨酸钠盐、1.0μM-3.0μM半胱氨酸、1.0μM-3.0μM甘氨酸。

2.根据权利要求1所述的水稻秧苗培养液，其特征在于，所述铁盐为乙二胺四乙酸钠铁盐；和/或，所述锌盐为乙二胺四乙酸钠锌盐。

3.根据权利要求1所述的水稻秧苗培养液，其特征在于，所述谷氨酸钠盐为谷氨酸二乙酸钠盐。

4.根据权利要求1～3任一项所述的水稻秧苗培养液，其特征在于，所述铁盐的浓度为100μM，所述锌盐的浓度为0.7μM。

5.根据权利要求4所述的水稻秧苗培养液，其特征在于，所述谷氨酸二乙酸钠盐的浓度为2.0μM，所述甘氨酸的浓度为1.0μM，所述半胱氨酸的浓度为1.0μM。

6.根据权利要求5所述的水稻秧苗培养液，其特征在于，所述铁盐、锌盐、谷氨酸钠盐中任一组分中Cd、Pb、As、Hg、Cr的含量分别不超过3mg/kg、50mg/kg、10mg/kg、2mg/kg、50mg/kg；所述水稻秧苗培养液的pH值为5.5-6.0。

7.根据权利要求1所述的水稻秧苗培养液，其特征在于，所述水稻基础培养液中的成分包括硝酸铵、二水磷酸二氢钠、硫酸钾、氯化钙、硼酸和钼酸铵。

8.根据权利要求7所述的水稻秧苗培养液，其特征在于，所述水稻基础培养液的配方为：2.9mM硝酸铵、0.32mM二水磷酸二氢钠、1.0mM硫酸钾、1.0mM无水氯化钙、18μM硼酸、0.52μM钼酸铵。

9.一种用于降低镉污染土壤中水稻镉积累的水稻的种植方法，其特征在于，所述方法包括在将水稻种子在权利要求1～8任一项所述水稻秧苗培养液中培育，长至四叶一心；然后进行移栽。

10.根据权利要求9所述的种植方法，其特征在于，移栽后，在水稻的分蘖期及孕穗期喷施铁-锌营养液，所述铁-锌营养液是50μM-200μM铁盐和0.35μM-1.5μM锌盐混合而得。

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