CN111436342B

CN111436342B - 一种生物炭耦合水分管理协同减少水稻种植期间铬吸收的方法

Info

Publication number: CN111436342B
Application number: CN202010297622.0A
Authority: CN
Inventors: 肖文丹; 叶雪珠; 张棋; 赵首萍; 陈德
Original assignee: Zhejiang Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Zhejiang Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2040-04-15
Also published as: CN111436342A

Abstract

本发明涉及水稻种植技术领域，公开了一种生物炭耦合水分管理协同减少水稻种植期间铬吸收的方法，包括：1）生物炭制备；2）将生物炭施加至铬污染土壤中，混合均匀，然后种植水稻；3）在水稻生长期间采用关键生育期淹水方式进行水分管理。本发明采用生物炭耦合水分管理减少水稻铬吸收的方法可以起到协同增效作用，有效解决铬污染农田水稻生产问题，使铬污染农田生产的稻米中铬含量有效降低，经测定利用本发明方法种植的大米中铬含量符合食品安全国家标准（稻米铬＜1.0 mg/kg），为铬污染农田安全利用提供了一条有效的途径。

Description

一种生物炭耦合水分管理协同减少水稻种植期间铬吸收的方法

技术领域

本发明涉及水稻种植技术领域，尤其涉及一种生物炭耦合水分管理协同减少水稻种植期间铬吸收的方法。

背景技术

重金属铬是合金材料、皮革、染料、电镀、印染、医药、催化等行业重要的原材料。在我国，每年产生含铬废渣约75～90万吨，由于部分化工厂铬渣长期堆放，且没有进行合理处置，从而导致铬污染迁移，污染范围扩大。铬元素是一种毒性大具有潜在危害的污染因子，经过迁移富集在土壤中。

土壤中的铬通过食物链进入人体，可能会造成肝、肾等内脏器官病变。水稻是我国主要的粮食作物，是铬经食物链进入人体的主要途径之一。目前已有不少研究报道了大米铬污染问题，王晓波等(2015)对广州商品大米铬污染水平调查分析指出，大米中铬的超标率为26.67％。王国莉(2012)对惠州市售大米重金属含量分析指出，大米样品中铬超标率高达34.03％，最高含量达25.31mg kg^-1。

在现有技术中，有报道可通过在土壤中添加生物炭的方式来降低土壤中铬含量的方法，其原理是利用生物炭高孔隙率高比表面积而带来的高吸附性吸附铬，从而降低土壤中铬的含量。然而，该方式的实际效率较低，当生物炭吸附饱和后便很难再进行吸附，并且还需要进行回收。

土壤中的铬主要以六价和三价两种形式存在，其中六价铬的毒性比三价铬大100倍，且具有溶解性高、迁移性大的特点。在一定pH和Eh范围内三价铬和六价铬之间会发生氧化还原反应而相互转化。因此，促进稻田土壤中六价铬转化为三价铬是降低土壤铬毒性和作物吸收的重要途径。研究控制稻田土壤中铬形态转化的关键因素、寻找有效措施控制水稻对铬的吸收积累，具有重要现实意义。

本申请人在先申请CN201710593179.X公开了一种降低中轻度铬污染稻田中稻米铬含量的水分管理方法，包括以下步骤：(1)在水稻返青期至分蘖前期，采用淹水灌溉；(2)在水稻分蘖后期自然落干，并使土壤含水量保持在35％-40％；(3)在水稻孕穗期、抽穗杨花期和灌浆期，采用淹水灌溉；(4)在水稻成熟期，排水晒田，并使土壤含水量保持在30％-35％，直至水稻成熟收获。该发明抓住重金属铬进入稻米的关键时期，实施有效地水分管理，通过调整土壤中氧化还原电位、pH等来影响土壤中氧化铁的还原，最终影响土壤中铬的价态和形态，降低水稻对铬的吸收累积，从而使稻米中铬的含量降低。

但是申请人在后期研究中又发现，上述水分管理方法虽然能够在一定程度上降低水稻中铬的含量，但是在中度或重度铬污染稻田仍然无法确保大米中铬含量符合食品安全国家标准(稻米铬＜1.0mg/kg)。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种生物炭耦合水分管理协同减少水稻种植期间铬吸收的方法，本发明通过生物炭耦合水分管理，能够使土壤中毒性较强的六价铬向低毒的三价铬转变，从而减少水稻植株对铬的吸收积累，控制稻米中铬浓度符合《GB2762-2017食品安全国家标准食品中污染物限量》(稻米铬＜1.0mg/kg)，并且也不会影响水稻产量。

本发明的具体技术方案为：一种生物炭耦合水分管理协同减少水稻种植期间铬吸收的方法，包括以下步骤：

1)生物炭制备。

2)将生物炭施加至铬污染土壤中，混合均匀，然后种植水稻。

3)在水稻生长期间采用关键生育期淹水方式进行水分管理。

如本申请背景技术部分中所述的，现有技术中通过在土壤中添加生物炭的方式来降低土壤中铬含量的方法，其原理是利用生物炭高孔隙率高比表面积而带来的高吸附性吸附铬，从而降低土壤中铬的含量。然而，该方式的实际效率较低，当生物炭吸附饱和后便很难再进行吸附，并且还需要进行回收。而本发明团队在研究过程中发现，生物炭除了依靠物理吸附作用外，还会在土壤中部分发生降解转化为可溶性有机质，而可溶性有机质是土壤中六价铬的主要还原剂，将毒性较强的六价铬还原为低毒的三价铬，因此能够降低铬的毒性。

然而，在普通情况下生物炭转化为可溶性有机质比例并不高，因此限制了六价铬的还原。而本发明团队在研究过程中发现，在施加生物炭后再配合本专利步骤3)的水分管理，在淹水期间，生物炭能够大量地转化为可溶性有机质，从而能够有效还原六价铬。因此在本发明中，施加生物炭配合水分管理对降低土壤中六价铬含量能够起到协同增效作用。

作为优选，步骤1)中，所述生物炭由水稻秸秆制得。

我国作为水稻生产大国，每年产生大量的秸秆生物质资源，将秸秆炭化还田能够为秸秆资源综合利用提供有效途径。

作为优选，所述生物炭的制备方法为：将水稻秸秆粉碎后置于绝氧环境中在450-550℃下裂解4-8h，待冷却后取出，将所得生物炭粉碎后备用。

作为优选，所述生物炭粉碎后过2mm筛后备用。

作为优选，步骤2)中，所述生物炭的施加量为土壤质量的0.5-1％。

作为优选，步骤2)中，施加生物炭后调节土壤含水量为田间持水量的55-65％，平衡5-10天后移栽水稻苗。

本发明要进行上述限定的主要是因为生物炭作为一种外源添加物质，施入土壤后可能会导致土壤微生物产生应激反应，并会对土壤性质产生影响，所以在土壤施加生物炭后，需要平衡5-10天，而调节土壤含水量为田间持水量的55-65％，是因为湿土相对于干土更有利于微生物活动，加速平衡。

作为优选，步骤3)的具体过程为：从水稻返青至分蘖期，采用淹水-湿润交替灌溉；在水稻孕穗期、抽穗杨花期和灌浆期，采用淹水灌溉；在成熟期，采用淹水-湿润交替灌溉，直至水稻成熟收获。

本发明团队进一步发现，并非任意地进行淹水都能够同时起到以下作用：①调整土壤中氧化还原电位、pH等，从而影响土壤中氧化铁(作为土壤中六价铬的重要还原剂)的还原，最终影响土壤中铬的价态和形态；②不影响水稻产量；③促进生物炭转化为可溶性有机质。尤其是对于第③点，本发明通过研究后发现生物炭之所以能够在淹水期大量转化为可溶性有机质的原因在于淹水厌氧条件下，好氧微生物活性增强致使生物炭矿化率增加，从而导致土壤可溶性有机质含量提高，因此为了尽可能促进生物炭转化为可溶性有机质，本发明采取了有针对性的水分管理方式。具体地为通过上述水分管理方法，一方面在重金属铬进入稻米的关键时期，实施有效水分管理，通过调整土壤中氧化还原电位、pH等，促使土壤中毒性较强的六价铬向低毒的三价铬转化，另一方面通过优化水分管理提高施入土壤中生物炭的矿化率，来提高土壤可溶性有机质含量，而可溶性有机质在厌氧稻田土壤中可为六价铬还原充当电子供体，促进六价铬还原为三价铬，降低土壤中铬的生物有效性，从而最终降低水稻对铬的吸收累积。

作为优选，在步骤3)中：

在水稻返青期至分蘖期，采用淹水-湿润交替灌溉，具体为：淹水灌溉至表土之上水层高度3-5cm，然后自然落干至土壤含水量为田间持水量的55-65％后再次淹水灌溉，循环往复直至水稻进入孕穗期。

在水稻孕穗期、抽穗杨花期和灌浆期，采用淹水灌溉，具体为：在水稻孕穗期，淹水灌溉至表土之上水层高度5-7cm，待水分自然蒸发到表土之上水层高度降至0-2cm后再次淹水灌溉，循环往复直至水稻进入抽穗杨花期。在抽穗杨花期，淹水灌溉至表土之上水层高度4-6cm，待水分自然蒸发到表土之上水层高度降至0-2cm后再次淹水灌溉，循环往复直至水稻进入灌浆期。在灌浆期，淹水灌溉至表土之上水层高度3-5cm，待水分自然蒸发到表土之上水层高度降至0-2cm后再次淹水灌溉，循环往复直至水稻进入成熟期。

发明人研究发现，在淹水处理时，针对水稻生长的不同时期，设置不同的淹水高度，形成梯度负压，并且通过灌水-自然蒸发-灌水循环往复的方式，不仅可以保持土壤始终处于厌氧还原状态下，促使土壤中毒性较强的六价铬向低毒的三价铬转化，降低水稻对铬的吸收累积，又能节约水量，保障水稻产量不受影响。

在成熟期，采用淹水-湿润交替灌溉，具体为：淹水灌溉至表土之上水层高度3-5cm，然后自然落干至土壤含水量为田间持水量的55-65％后再次淹水灌溉，循环往复，直至水稻成熟收获。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用生物炭耦合水分管理能够协同减少水稻铬吸收(目前还未见相关报道)，可以有效解决铬污染农田水稻生产问题，使铬污染农田生产的稻米中铬含量有效降低，经测定利用本发明所述方法种植的大米中铬含量符合食品安全国家标准(稻米铬＜1.0mg/kg)，为铬污染农田安全利用提供了一条有效的途径。

(2)本发明采用的水分管理方法，抓住重金属铬进入稻米的关键时期，实施有效地水分管理，一方面通过调整土壤氧化还原电位来改变土壤中铬的价态和形态，另一方面促使生物炭转化为可溶性有机质对六价铬进行还原，在两方面协同下减少水稻对铬的吸收累积。

(3)本发明采用的生物炭耦合水分管理减少水稻铬吸收的方法，费用低、易于管理、不会造成附加的环境危害，具有广泛的应用前景。

(4)本发明采用的秸秆制备生物炭，资源丰富，价廉易得，制备方法简单。

附图说明

图1为水稻不同生育期土壤中六价铬动态变化趋势；

图2不同处理土壤可溶性有机质含量对比图；

图3为不同处理方式下稻谷生物量；

图4为不同处理方式下稻米中铬含量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

总实施例

一种生物炭耦合水分管理协同减少水稻种植期间铬吸收的方法，包括以下步骤：

1)生物炭制备。

3)在水稻生长期间采用关键生育期淹水方式进行水分管理。

作为优选，步骤1)中，所述生物炭由水稻秸秆制得。

作为优选，所述生物炭粉碎后过2mm筛后备用。

作为进一步优选，对步骤3)中：

具体实施例

实验材料

试验土壤采自浙江省温州市某铬渣堆存产地周边铬污染土壤(总铬浓度266.5±5.3mg kg^-1，六价铬浓度18.6±1.5mg kg^-1)。土壤采集带回后风干，挑去植物根系、石块等杂物，磨碎后过2mm筛混匀备用。

生物炭原料选择水稻秸秆，将水稻秸秆粉碎后放于带盖的坩埚中，盖上盖以隔绝氧气，并置于马弗炉内，500℃裂解6h，待冷却后取出坩埚，将生物炭粉碎过2mm筛后备用。

土壤和生物炭基本理化性质见下表1。

表1供试土壤和生物炭基本理化性质

参数	土壤	生物炭
			pH	6.43±0.12	9.72±0.24
阳离子交换量(cmol kg<sup>-1</sup>)	23.6±2.1	38.5±4.3
			总有机碳(g kg<sup>-1</sup>)	2.89±0.08	428.2±5.6
全氮(gkg<sup>-1</sup>)	2.61±0.12	17.6±2.2
			比表面积(m<sup>2</sup> g<sup>-1</sup>)		28.2±1.2
灰分(％)		15.2±3.6

水稻育苗

所选的水稻品种为中浙优8号，购至浙江省种子公司，水稻全生育期为140天左右。挑选饱满的水稻种子，用70％的乙醇冲洗1分钟，然后在1％的次氯酸钠溶液中浸泡5分钟，而后用去离子水冲洗干净，并在30℃催芽48小时，随后转移到石英砂中，采用营养液培养到株高约8cm左右时移栽。

盆栽实验

按照氮肥(纯N)160kg/hm²，钾肥(K₂O)240kg/hm²，磷肥(P₂O₅)120kg/hm²的添加量，将尿素、氯化钾和磷酸二氢钠均匀拌入供试土壤后装盆，其中氮肥按7∶3的比例分别在装盆前与土壤混匀时施入和在分孽期追施，磷肥和钾肥均在水稻移栽前与土壤混匀时一次性施入。每盆5公斤风干土样。

试验共设4个处理，包括2个生物质炭施用水平(不添加、1％)和2种水分管理方式(按照农户习惯的传统方法、优化后水分管理方法)，每个处理3个重复。生物炭按质量百分比1％添加量加入盆中后，需充分混合。调节土壤含水量为田间持水量的60％，平衡7天后选择长势基本一致的苗进行移栽，每盆2穴，每穴2株，栽培管理参照水稻大田管理措施。

其中，传统水分管理方法(传统灌溉)具体为：根据水稻生长期采取薄水返青、晒田控苗、足水孕穗、浅水抽穗、湿润灌浆、落干黄熟的灌溉过程。

优化水分管理方法(优化灌溉)具体为：

在水稻生长不同时期(分蘖期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、成熟期)，采集土壤样品分析土壤中六价铬含量，并采集稻谷样品测定每个处理稻谷生物量和稻米中铬含量。土壤中六价铬的测定参考USEPA3060A的方法，稻米中铬含量测定采用湿法消解(HNO₃-HClO₄)后，采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)进行测定。采用SPSS 18.0统计软件对结果进行数理统计分析，结果见图1-3。

实验结果

从图1来看，1％生物炭的添加和优化灌溉处理协同促进了土壤中六价铬还原。在优化灌溉管理下，土壤六价铬呈显著下降趋势，而传统灌溉方式下，土壤六价铬下降趋势并不明显，同时1％生物炭的添加也显著降低了土壤六价铬含量。在水稻成熟期，1％生物炭联合优化灌溉处理土壤六价铬浓度为1.56mg kg^-1，比对照组(传统灌溉-无生物炭)土壤六价铬浓度降低61.8％。

从图2来看，1％生物炭的添加和优化灌溉处理均显著提高了土壤可溶性有机质含量。传统灌溉-无生物炭、传统灌溉-1％生物炭、优化灌溉-无生物炭、优化灌溉-1％生物炭四个处理土壤可溶性有机质分别为172.5、235.8、203.6、298.6mg/kg。1％生物炭联合优化灌溉处理土壤可溶性有机质比对照组(传统灌溉-无生物炭)提高了73.1％。

从图3来看，1％生物炭的添加和优化灌溉处理不但没有影响水稻生物量，反而因降低了土壤中六价铬的浓度，缓解铬毒害，一定程度提高了水稻生物量。传统灌溉-无生物炭、传统灌溉-1％生物炭、优化灌溉-无生物炭、优化灌溉-1％生物炭四个处理稻谷生物量分别为12.32、15.35、18.26、22.18克/盆(干重)。1％生物炭联合优化灌溉处理稻谷生物量比对照组(传统灌溉-无生物炭)提高了80.0％。

从图4来看，1％生物炭的添加和优化灌溉处理协同降低了稻米中铬含量。传统灌溉-无生物炭、传统灌溉-1％生物炭、优化灌溉-无生物炭、优化灌溉-1％生物炭四个处理稻米中铬含量分别为2.22、1.13、1.35、0.75mg kg^-1。1％生物炭联合优化灌溉处理稻米中铬含量比对照组(传统灌溉-无生物炭)降低了66.2％，符合国家卫生标准(稻米铬＜1.0mg/kg)。

结论：在重金属进入稻米的关键时期，实施有效地水分管理，并联合生物炭的施加可以显著加快土壤中六价铬还原为三价铬，减少水稻对铬的吸收，从而使大米中铬的浓度符合国家卫生标准(稻米铬＜1.0mg/kg)。并且可以一定程度提高水稻产量。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种生物炭耦合水分管理协同减少水稻种植期间铬吸收的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）生物炭制备；

2）将生物炭施加至铬污染土壤中，混合均匀，然后种植水稻；

3）在水稻生长期间采用关键生育期淹水方式进行水分管理：

在水稻返青期至分蘖期，采用淹水-湿润交替灌溉，具体为：淹水灌溉至表土之上水层高度3-5cm，然后自然落干至土壤含水量为田间持水量的55-65％后再次淹水灌溉，循环往复直至水稻进入孕穗期；

在水稻孕穗期、抽穗杨花期和灌浆期，采用淹水灌溉，具体为：在水稻孕穗期，淹水灌溉至表土之上水层高度5-7cm，待水分自然蒸发到表土之上水层高度降至0-2 cm后再次淹水灌溉，循环往复直至水稻进入抽穗杨花期；在抽穗杨花期，淹水灌溉至表土之上水层高度4-6cm，待水分自然蒸发到表土之上水层高度降至0-2 cm后再次淹水灌溉，循环往复直至水稻进入灌浆期；在灌浆期，淹水灌溉至表土之上水层高度3-5cm，待水分自然蒸发到表土之上水层高度降至0-2 cm后再次淹水灌溉，循环往复直至水稻进入成熟期；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，所述生物炭由水稻秸秆制得。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生物炭的制备方法为：将水稻秸秆粉碎后置于绝氧环境中在450-550℃下裂解4-8h，待冷却后取出，将所得生物炭粉碎后备用。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述生物炭粉碎后过2mm筛后备用。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）中，所述生物炭的施加量为土壤质量的0.5-1%。

6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，步骤2）中，施加生物炭后调节土壤含水量为田间持水量的55-65％，平衡5-10天后移栽水稻苗。