CN111213556A - 一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法 - Google Patents

一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法，包括：（1）将钝化剂抛洒在稻田土壤表面，进行翻耕直至钝化剂与土壤混合均匀；（2）以含锌的化合物为拮抗元素，在施用钝化剂同时施用拮抗元素，中度镉污染稻田还需在水稻孕穗期和灌浆期，将含锌化合物溶解在灌溉水中，然后灌溉稻田；（3）轻度镉污染稻田在水稻分蘖盛期或灌浆期进行喷施叶面阻控剂1次，中度镉污染稻田在水稻分蘖盛期和灌浆期各喷施1次叶面阻控剂；（4）连续多季水稻种植需要根据实际情况在种植前补施一部分钝化剂和补施拮抗元素锌，且每季喷施叶面阻控剂。本发明水稻安全生产方法，能显著降低稻米中镉含量，操作方法简便，效果稳定，对水稻产量无影响。

Description

一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法
技术领域
本发明属于重金属污染土壤安全利用技术领域，具体为一种用于防治中轻度镉污染土壤中稻米镉超标的水稻安全生产方法。
背景技术
当前土壤重金属污染受到广泛关注，尤其是稻田的重金属污染。土壤中过量的重金属能降低水稻的产量和质量，使稻米中重金属含量超标，对人体健康造成危害。我国是世界上最大的稻谷生产国，水稻种植面积3074.72万hm2，生产稻谷2.13亿t，约占世界稻谷产量的44.2％。调查研究表明，我国20个省份市售大米检测显示，供试大米镉含量最大值0.77mg/kg，平均值为0.093mg/kg，10.0％样品镉含量超过我国食品污染物限量值(GB2762-2017，Cd＜0.2mg/kg)。当前，我国新颁布的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)提出，当土壤重金属含量(Cd、Hg、As、Pb等)高于风险筛选值而等于或低于风险管控值时，是可能存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险，原则上应当采取农艺调控、替代种植等安全利用措施。因此，如何在中轻度重金属污染的稻田中保证水稻安全生产是一个亟待解决的问题。
当前镉污染农田的常用修复治理技术有植物修复、化学钝化修复及农艺调控技术等。植物修复技术通过种植超富集植物，采用逐年提取方式，以达到去除土壤镉的目的，如东南景天、伴矿景天、商陆等。化学钝化修复技术向受污土壤中施加具有活性的钝化修复材料，与土壤中的重金属发生溶解沉淀、交换吸附、氧化还原、络合螯合等反应改变重金属的赋存形态，从而降低土壤中镉的迁移性和生物有效性，起到治理重金属污染的效果。目前常用的化学修复材料包含硅、含磷、含钙物质、有机物料、金属氧化物、粘土矿物、生物炭以及一些新型材料。农艺调控技术则利用不同农艺措施缓解污染物对农作物的危害，减少其向农作物可食部位的转移，从而实现农作物的安全生产。目前常用的农艺调控措施为低积累品种推广、水分管理、科学施肥及种植模式调整。然而对于目前大多数农田镉污染的状况，尤其是镉中轻度污染稻田，由于污染面积大、污染程度不一致、土壤类型差异、水稻种植管理水平差异等因素的存在，导致单一的修复技术措施难以及时有效地降低稻米镉含量，稻米镉超标潜在风险仍然很大。因此，需要利用多种技术进行组合优化，形成一套综合的水稻安全生产技术方法，以保障稻米安全生产。
当前在中轻度镉污染稻田土壤大面积修复治理过程中，常用的原位钝化技术、叶面阻控技术等，由于土壤镉污染程度差异、土壤类型差异、水稻种植管理水平差异等因素的影响，且没有考虑到水稻镉吸收累积和稻米镉转运的关键生育期，导致单一的修复技术修复材料用量大，时效性不长，效果不稳定，难以稳定有效地降低稻米镉含量。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于中轻度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，将原位钝化修复技术、元素拮抗技术、叶面阻控技术进行优化组合，形成了一种用于镉污染稻田水稻安全生产技术，能减少水稻对镉的积累，有效降低稻米中镉含量，实现镉污染稻田土壤的安全利用。
本发明采用的技术方案如下：一种用于中轻度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，包括：
(1)施用土壤钝化剂：钝化剂施用量为轻度镉污染稻田100～150kg/亩，中度镉污染稻田150～300kg/亩；施用方法为：将钝化剂抛洒在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，直至钝化剂与土壤混合均匀，钝化剂施用后保持稻田土壤含水率在60％以上，平衡培养3～7天；
(2)基施拮抗元素：所述拮抗元素为含锌的化合物，拮抗元素的施用量为轻度、中度镉污染稻田以锌计基施0.5～1.5kg/亩，施用方法为在施用钝化剂同时进行，将含锌化合物均匀的撒施在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，直至与土壤混合均匀；中度镉污染稻田，在水稻孕穗期和灌浆期，将含锌化合物溶解在灌溉水中，使灌溉水中锌含量为0.01～0.02g/L，然后灌溉稻田，使土壤表面灌溉水高度达到3～5cm，保持5～10天；
(3)关键生育期叶面喷施叶面阻控剂：所述叶面阻控剂由以锌计8～12质量份的含锌化合物、4～8质量份的表面活性剂，80～90质量份的水混合制备而成；叶面阻控剂的施用量为：将叶面阻控剂进行稀释，使轻度镉污染稻田喷施浓度为以锌计0.05～0.1g/L，中度镉污染稻田喷施浓度为以锌计0.1～0.2g/L，每亩稻田喷施量为10～40L；施用方法为：轻度镉污染稻田在水稻分蘖盛期或灌浆期进行喷施1次，中度镉污染稻田在水稻分蘖盛期和灌浆期各喷施1次。
进一步地，还包括后续连续多季水稻种植实施措施，具体为：
(1)检测土壤pH值：在稻田中按“S型”或“W型”布置10～15个检测样点，检测每个样点的土壤pH值，计算平均值；
(2)补施钝化剂：检测pH值后，若pH值≥6.0，则不需要补施钝化剂；若5.5≤pH值<6.0，轻度污染土壤则需要补施钝化剂25～50kg/亩，中度污染土壤补施50～75kg/亩；若pH值<5.5，轻度污染土壤则需要补施钝化剂50～75kg/亩，中度污染土壤补施75～150kg/亩；
(3)补施拮抗元素：拮抗元素以每4季水稻种植为一周期进行补施，补施量和补施方法同第一季水稻种植保持一致；
(4)喷施叶面阻控剂：叶面阻控剂每季水稻种植期间均需要喷施，喷施量和喷施方法同第一季水稻种植保持一致。
进一步地，施用土壤钝化剂时，在稻田翻耕之前，将一半施用量的钝化剂抛洒在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，在翻耕后的稻田土壤表面，将另一半施用量的钝化剂均匀抛洒，然后进行第二遍翻耕，根据钝化剂与土壤的混合程度，继续翻耕1～3次，直至钝化剂与土壤混合均匀。
进一步地，所述钝化剂为碱性材料类：包括石灰、石灰石、羟基磷灰石、白云石，粘土矿物类：包括凹凸棒土、海泡石、沸石、膨润土，工农业废弃物类：包括粉煤灰、钢渣、秸秆生物炭，这些钝化剂类别中的一种或多种材料的组合。
进一步地，所述拮抗元素的含锌的化合物以及叶面阻控剂的含锌的化合物均为硫酸锌、硝酸锌、氯化锌中的一种或混合物。
进一步地，所述表面活性剂为吐温、司盘、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种。
进一步地，喷施叶面阻控剂时，将叶面阻控剂均匀喷晒于水稻叶片上，喷施效果为叶面刚好湿润，不滴液为好，喷施时间段为上午9点前，下午5点以后，喷施当日如遇降雨，需要在2～5天内进行补喷。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明水稻安全生产方法，能显著降低稻米中镉含量，稻米中镉的含量符合国家食品污染物限量标准；
(2)本发明中施用的钝化剂能改良酸性土壤，提高土壤pH值和阳离子交换量，改变重金属镉在土壤中的赋存形态，显著降低土壤中镉的有效性；施用含锌的拮抗元素和叶面阻控剂能通过与土壤中有效态镉和水稻植株中的镉产生竞争和拮抗作用，显著抑制水稻对土壤镉的吸收和水稻各部位中镉向稻米转运；
(3)本发明中使用的钝化材料、含锌化合物廉价易得，无生态环境风险，同时本发明操作方法简便，效果稳定，对水稻产量无影响，农户接受度高，适用于大面积中轻度镉污染稻田安全生产。
附图说明
图1是实施例1中不同处理下土壤有效镉含量对照图。
图2是实施例1中不同处理下土壤有效锌含量对照图。
图3是实施例1中不同处理下水稻各部位中镉含量对照图。
图4是实施例2中示范区不同处理稻米镉含量对照图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)试验材料
土壤钝化剂由石灰石和海泡石按质量比2:1混合均匀组配而成。基施拮抗元素锌为氯化锌，叶面喷施的叶面阻控剂为10质量份的氯化锌，5质量份的表面活性剂吐温80，85质量份的水的配置而成。水稻品种选用H优518(籼型杂交稻)。选取长沙县北山镇某中度镉污染稻田进行田间试验，土壤类型为麻沙泥。供试土壤基本理化性质见表1。
表1供试土壤基本理化性质及重金属含量
Figure BDA0002381354130000041
(2)试验方案
设计5个试验处理，分别为：
CK：没有施用拮抗元素、土壤钝化剂和叶面阻控剂；
T1：基施1.5kg/亩的拮抗元素锌+灌溉水锌含量0.01mg/L；
T2：单独施用150kg/亩的土壤钝化剂；
T3：施用150kg/亩的土壤钝化剂+基施1.5kg/亩的拮抗元素锌+灌溉水锌含量0.01mg/L+叶面喷施锌0.1g/L的阻控剂；
T4：施用150kg/亩的土壤钝化剂+基施1.5kg/亩的拮抗元素锌+灌溉水锌含量0.01mg/L+叶面喷施锌0.2g/L的阻控剂。
叶面喷施阻控剂时期为分蘖盛期和灌浆期各1次，每亩喷施量为20L。试验田样方面积为21m2(3m×7m)。每种处理设置3次重复，共计15个样方，所有样方随机排列。各小区样方单排单灌，样方四周设置3行水稻作为保护行。水稻耕种、施肥及水分管理方式与当地农民的耕作管理保持一致，种植密度与当地水稻种植培育模式一致。
待水稻成熟后，每个样方按照5点取样法，采取整株水稻5株，经自来水、纯水、超纯水洗净，采集新鲜根系上根表铁膜后，将水稻分为4个部位，分别为根、茎叶、谷壳和稻米，设置烘箱温度为105℃进行杀青，再调温至70℃烘干各部位，衡量称重。粉碎过100目筛后干燥保存备用。同时采集水稻根系0～2cm处土壤，自然风干，分别过10目和100目筛后保存备用。分析测定水稻各部位中镉含量，分析测定土壤基本理化性质，及土壤总镉、有效镉含量。
(3)试验效果
各处理对水稻秸秆、稻米的生物量没有显著影响(见表2)，而施用土壤调理剂的3个处理(T2、T3、T4)，谷壳生物量有一定程度的降低，3个处理(T2、T3、T4)水稻稻米生物量比对照CK有一定程度增加。这说明，施用钝化剂处理(T2)，以及“土壤钝化剂+拮抗元素+叶面阻控剂(T3、T4)”处理能显著提高稻米的结实率，增加稻米产量。
表2各处理对水稻生物量的影响
Figure BDA0002381354130000051
如图1所示，单独基施拮抗元素锌(T1)对土壤交换态镉含量无影响，施用钝化剂处理(T2)，以及“土壤钝化剂+拮抗元素+叶面阻控剂”(T3、T4)处理有效镉含量显著降低，分别降低了61.4％、51.2％、63.5％。与对照CK相比较，施用了拮抗元素锌的处理(T1、T3、T4)土壤中有效锌的含量显著增加(如图2所示)。这说明本发明专利的“土壤钝化剂+拮抗元素+叶面阻控剂”处理降低了土壤中有效镉含量，提高了有效锌含量。
如图3所示，各处理(T1-T4)均显著降低了水稻各部位中镉含量，其中“土壤钝化剂+拮抗元素+0.1g/L叶面阻控剂”(T3)和“土壤钝化剂+拮抗元素+0.2g/L叶面阻控剂”(T4)处理均比单独施用拮抗元素锌(T1)和单独施用土壤钝化剂(T2)的降镉效果更加明显。与对照CK相比较(稻米镉含量0.521mg/kg)，T3处理使稻米镉含量降低到0.169mg/kg，降低了67.6％，T4处理使稻米镉含量降低到0.121mg/kg，降低了76.8％，均低于国家食品中污染物限量标准中镉≤0.2mg/kg的限制(GB 2762-2017)。
实施例2
(1)田间示范材料
在长沙市宁乡某镉污染稻田开展了50亩田间应用示范。示范区土壤为镉轻度污染，土壤全镉含量为0.48mg/kg，有效镉含量为0.17mg/kg，土壤pH值为5.23。水稻品种选用湘早籼(早稻)、华润2号(晚稻)。土壤钝化剂由石灰石、海泡石、羟基磷灰石、沸石4种钝化材料按质量比(2:1:1:1)混合均匀组配而成。基施拮抗元素锌为硫酸锌，叶面喷施的叶面阻控剂为硫酸锌与表面活性剂吐温80的配置而成。
(2)田间示范操作步骤
田间示范设置2个处理，本发明的技术处理为T处理，以当地农户水稻种植常规方法为对照CK。2个处理水分管理、农药化肥等种植管理方式均保持一致。
本发明的技术处理为T处理的具体操作步骤为：
2018年早稻种植翻耕前，将土壤钝化剂100kg/亩均匀地抛洒在稻田土壤表面，同时将添加拮抗元素硫酸锌1.0kg/亩均匀的抛洒在稻田土壤表面，进行稻田的翻耕，直至钝化剂、硫酸锌与土壤混合均匀。施用后保持稻田土壤含水率在60％以上，平衡培养7天。在水稻种植的灌浆期喷施叶面阻控剂，叶面阻控剂喷施浓度为0.1g/L(以锌计)，每亩稻田喷施量为10L。
2018年晚稻种植前，检测土壤pH值，补施了50kg/亩的土壤钝化剂。将土壤钝化剂均匀地抛洒在稻田土壤表面，进行稻田的翻耕，直至钝化剂与土壤混合均匀。施用钝化剂后保持稻田土壤含水率在60％以上，平衡培养3天。在水稻生长的灌浆期喷施叶面阻控剂，叶面阻控剂喷施浓度为0.1g/L(以锌计)，每亩稻田喷施量为10L。
(3)示范区降镉效果
早稻、晚稻成熟后，分别采集CK和T处理的稻米样品，利用石墨炉-原子吸收光谱仪进行检测稻米中镉含量。
如图4所示，实施了本发明技术的T处理显著降低了早稻和晚稻稻米中镉含量，对照CK相比较，T处理分别使早稻、晚稻中镉含量降低了64.3％和57.5％。T处理早晚稻稻米中镉含量均低于国家食品中污染物限量标准中≤0.2mg/kg的限制(GB 2762-2017)。

Claims (7)

1.一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，包括：
（1）施用土壤钝化剂：钝化剂施用量为轻度镉污染稻田100～150 kg/亩，中度镉污染稻田150～300 kg/亩；施用方法为：将钝化剂抛洒在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，直至钝化剂与土壤混合均匀，钝化剂施用后保持稻田土壤含水率在60%以上，平衡培养3～7天；
（2）基施拮抗元素：所述拮抗元素为含锌的化合物，拮抗元素的施用量为轻度、中度镉污染稻田以锌计基施0.5～1.5 kg/亩，施用方法为在施用钝化剂同时进行，将含锌化合物均匀的撒施在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，直至与土壤混合均匀；中度镉污染稻田，在水稻孕穗期和灌浆期，将含锌化合物溶解在灌溉水中，使灌溉水中锌含量为0.01～0.02g/L，然后灌溉稻田，使土壤表面灌溉水高度达到3～5 cm，保持5～10天；
（3）关键生育期叶面喷施叶面阻控剂：所述叶面阻控剂由以锌计8～12质量份的含锌化合物、4～8质量份的表面活性剂，80～90质量份的水混合制备而成；叶面阻控剂的施用量为：将叶面阻控剂进行稀释，使轻度镉污染稻田喷施浓度为以锌计0.05～0.1 g/L，中度镉污染稻田喷施浓度为以锌计0.1～0.2 g/L，每亩稻田喷施量为10～40 L；施用方法为：轻度镉污染稻田在水稻分蘖盛期或灌浆期进行喷施1次，中度镉污染稻田在水稻分蘖盛期和灌浆期各喷施1次。
2.如权利要求1所述的一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，还包括后续连续多季水稻种植实施措施，具体为：
（1）检测土壤pH值：在稻田中按“S型”或“W型”布置10～15个检测样点，检测每个样点的土壤pH值，计算平均值；
（2）补施钝化剂：检测pH值后，若pH值≥6.0，则不需要补施钝化剂；若5.5≤pH值<6.0，轻度污染土壤则需要补施钝化剂25～50 kg/亩，中度污染土壤补施50～75 kg/亩；若pH值<5.5，轻度污染土壤则需要补施钝化剂50～75 kg/亩，中度污染土壤补施75～150 kg/亩；
（3）补施拮抗元素：拮抗元素以每4季水稻种植为一周期进行补施，补施量和补施方法同第一季水稻种植保持一致；
（4）喷施叶面阻控剂：叶面阻控剂每季水稻种植期间均需要喷施，喷施量和喷施方法同第一季水稻种植保持一致。
3.如权利要求1或2所述的一种用于中轻度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，施用土壤钝化剂时，在稻田翻耕之前，将一半施用量的钝化剂抛洒在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，在翻耕后的稻田土壤表面，将另一半施用量的钝化剂均匀抛洒，然后进行第二遍翻耕，根据钝化剂与土壤的混合程度，继续翻耕1～3次，直至钝化剂与土壤混合均匀。
4.如权利要求1或2所述的一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，所述钝化剂为碱性材料类：包括石灰、石灰石、羟基磷灰石、白云石；粘土矿物类：包括凹凸棒土、海泡石、沸石、膨润土；工农业废弃物类：包括粉煤灰、钢渣、秸秆生物炭，这些钝化剂类别中的一种或多种材料的组合。
5.如权利要求1或2所述的一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，所述拮抗元素的含锌的化合物以及叶面阻控剂的含锌的化合物均为硫酸锌、硝酸锌、氯化锌中的一种或混合物。
6.如权利要求1或2所述的一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，所述表面活性剂为吐温、司盘、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种。
7.如权利要求1或2所述的一种用于中轻度镉污染土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，喷施叶面阻控剂时，将叶面阻控剂均匀喷晒于水稻叶片上，喷施效果为叶面刚好湿润，不滴液为好，喷施时间段为上午9点前，下午5点以后，喷施当日如遇降雨，需要在2～5天内进行补喷。
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