CN111842478A - 一种镉污染农田上边生产边修复的方法 - Google Patents

一种镉污染农田上边生产边修复的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镉污染农田上边生产边修复的方法，属于污染土壤环境治理技术领域。所述方法包括：(1)在待修复土壤上间作东南景天和陵西一寸蚕豆；(2)在蚕豆苗期和开花期向蚕豆和东南景天叶面喷施镉活化剂，收获后将蚕豆和东南景天秸秆全部移除；(3)平整土地，施用镉钝化调理剂，并与耕层土壤混匀；(4)一周后，移栽水稻中浙优8号，整个生育期淹水处理，于分蘖期和孕穗期叶面喷施硒强化镉阻控剂，收获前一周排干水分，收获水稻后秸秆全部移除；(5)重复步骤(1)～(4)，直至土壤安全达标。本发明利用东南景天与蚕豆间作，然后与水稻轮作，配合多种农艺和强化措施，在保障作物安全生产的同时完成对镉污染土壤的修复。

Description

一种镉污染农田上边生产边修复的方法
技术领域
本发明涉及污染土壤环境治理技术领域，具体涉及一种利用蚕豆/东南景天间作结合水稻轮作的边生产边修复镉污染农田的方法。
背景技术
我国农田受镉污染严重，且面积逐年增加，程度日益加剧，成为当前面临的严峻环境问题之一。镉元素移动性强，生物富集系数大，易被吸收且毒性持久。农田中的镉影响植物生长，降低作物产量和品质。而且，作物可食部积累的镉会通过食物链最终进入人体，危害人类健康。因此，如何治理镉污染土壤，减少其在作物可食部的富集，提高粮食产质量，引起了世界的普遍关注。
植物修复利用绿色植物转移、容纳或转化环境中的污染物，使其对环境无害，是一种资源节约且环境友好的原位修复技术。目前发现的镉超富集植物种类繁多，如东南景天、龙葵、印度芥菜等。然而，这些镉超富集植物都不同程度存在着生长缓慢、植株矮小、地上部生物量较小，对土壤类型和气候条件要求较严格等弱点制约着其在农田修复中的大规模应用。
单纯的植物修复需要花费数十年的时间，而且要中断农业生产，这对人口众多，人均耕地面积较少的我国来说是不现实的。水稻是我国主要的粮食作物，占全国粮食种植面积的四分之一，其安全生产问题不容忽视。农田中的镉易被水稻吸收，运输并最终积累在稻米内，导致稻米镉超标等粮食安全问题。因此，开发一种简单高效，兼具经济和社会效益的稻田镉污染边生产边修复技术具有重要意义。
专利文献CN111408621A公开了在镉污染土壤上边生产边修复的技术方法，所述技术方法以低累积水稻、生物质高粱和超富集植物东南景天这三种作物进行无缝衔轮作，形成闭合循环修复周期；在早稻生产期，施用土壤改良剂调节耕地土壤质量，钝化重金属；在种植高粱和东南景天的修复期，施土壤镉活化剂和镉污染土壤复合微生物修复剂，强化了土壤镉的快速移除。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单有效，兼具经济和社会效益的稻田镉污染边生产边修复技术，在保障作物安全生产的同时，对污染土壤进行修复。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种镉污染农田上边生产边修复的方法，包括以下步骤：
(1)在待修复土壤上种植东南景天，同时直播陵西一寸蚕豆进行间作；
(2)在蚕豆苗期和开花期向蚕豆和东南景天叶面喷施镉活化剂，培育至收获，然后将蚕豆和东南景天秸秆全部移除；
(3)平整土地，施用镉钝化调理剂，并与耕层土壤混匀；
(4)一周后，移栽水稻中浙优8号，整个生育期淹水处理，于分蘖期和孕穗期叶面喷施硒强化镉阻控剂，培育至收获，收获前一周排干土壤水分，收获水稻后秸秆全部移除；
(5)重复步骤(1)～(4)，直至土壤安全达标。
本发明的技术方案中，以种植一次蚕豆/东南景天间作-水稻轮作为一个循环，一个循环周期为一年，蚕豆种植期为6-7个月，接下来5-6个月种植水稻。
本发明在循环周期的第一季间作蚕豆和东南景天。东南景天具有对镉超积累的特性，可将污染土壤中的镉吸收到植株的地上部，达到修复土壤镉污染的目的。间作的陵西一寸蚕豆茂密的茎叶为东南景天创造温和的生长环境；此外，陵西一寸蚕豆通过固氮作用提高耕层土壤的有效态养分含量，增加东南景天的生物量。东南景天根系分泌物酸化根际土壤，促进蚕豆植株对镉的吸收和积累，是修复镉污染土壤的重要手段。
本发明间作的蚕豆陵西一寸，为本实验室前期筛选得到的茎秆富集蚕豆品种，籽粒产量高，营养品质好，籽粒镉含量符合食品安全国家标准(GB2762-2017)，安全可食用。
作为优选，步骤(1)中，所述东南景天利用6～8cm长的茎段扦插至待修复土壤。东南景天扦插株行距均为10-20cm。
蚕豆播种行距为55-65cm，株距为25-35cm。蚕豆播种方式为穴播，每穴2-3颗，长至5-6片真叶时间苗，保留1棵长势最佳的植株。
步骤(2)中，分别在蚕豆苗期和开花期向蚕豆和东南景天叶面喷施镉活化剂，提高植物对镉的吸收。所述镉活化剂为伯克霍尔德菌，鞘氨醇单胞菌和贪噬菌组成的复合内生细菌菌剂经液体发酵得到的发酵液，是一种混合微生物发酵液，可提高镉向茎叶的转移率50％以上，但不增加镉向籽粒的转移率。
作为优选，所述发酵液为伯克霍尔德菌SaZR4、伯克霍尔德菌SaMR10、鞘氨醇单胞菌SaMR12和贪噬菌SaNR1等比例接种于LB培养基，发酵培养至发酵液浓度为108CFU/mL；喷施前加水稀释20倍，喷施量为300L/公顷。
蚕豆整个生育期按照常规农艺管理，培育至收获，收获后将蚕豆秸秆和东南景天全部从农田中移除。
本发明在循环周期的第二季种植水稻，在水稻种植前，进行土地平整，并施用镉钝化调理剂，钝化土壤有效态重金属，降低土壤中有效态镉的含量，减少作物对镉的吸收。
所述镉钝化调理剂是一种复合调理剂，要求总镉含量低于0.2mg kg-1，可降低土壤pH值0.5-1个单位。具体地，以质量百分比计包括：熟石灰25-35％，海泡石25-35％，生物炭25-35％，沸石5-15％。
作为优选，步骤(3)中，所述镉钝化调理剂以质量百分比计，组分为：熟石灰30％，海泡石30％，生物炭30％，沸石10％。施用量为4.5吨/公顷。
镉钝化调理剂与耕层土壤混匀，所述耕层土壤为土壤表层10-20厘米的土壤。
本发明采用的水稻中浙优8号为本实验室前期筛选得到的茎秆富集水稻品种，稻米产量高，营养品质好，糙米镉含量符合食品安全国家标准(GB2762-2017)，安全可食用。
水稻是水生作物，生长过程中，农田处于淹水状态。淹水处理可以促进镉钝化调理剂与土壤更均匀地混合，同时改变镉在土壤中的形态，是减少作物吸收积累镉的有效手段。
水稻生长的分蘖期和孕穗期，向叶面喷施硒强化镉阻控剂，提高硒并降低镉的吸收和转运。所述硒强化镉阻控剂为玉米棕榈油纳米乳液、液体有机肥、硒肥和水混合而成的纳米硒肥，对镉向籽粒运输的阻控率高于20％。
作为优选，纳米硒肥配方为100mL玉米棕榈油纳米乳液，100mL液体有机肥，0.44g食品级亚硒酸钠，水定容至1L。喷施前用水稀释50倍，施用量为750L/公顷。
蚕豆、东南景天和水稻茎叶积累了大量的镉，如果不进行处理，这些镉会回归土壤，造成二次污染。因此，本发明技术方案中，在蚕豆、东南景天和水稻收获后，将秸秆移出农田，从而对土壤污染起到修复治理作用。
研究表明，与单季水稻种植相比，采用本发明提供的间作-轮作方式，土壤中总镉降低了45.70％，有效镉降低了62.78％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用蚕豆间作东南景天，轮作水稻，在完成对镉中度污染土壤修复的同时保证作物安全优质生产，无经济效益损失，易被农户接受。
(2)本发明采用籽粒低积累茎秆富集蚕豆与超积累东南景天间作，并配合叶面喷施镉活化剂，显著增加蚕豆和东南景天茎叶对待修复土壤中镉的吸收量，进而提高其对镉污染土壤农田的修复效率。
(3)本发明对水稻喷施硒强化镉阻控剂，在降低稻米镉含量的同时提高了硒含量，提升稻米品质，改善人类营养健康，减少隐性饥饿问题。
(4)本发明作为一种绿色原位修复技术，与传统土壤治理方法相比，投资少、工程量小、技术管理简单。收获的秸秆移出农田，不会造成二次污染。
附图说明
图1为实施例1中不同处理水稻产量(A)及糙米镉含量(B)对比图。
图2为实施例1中不同处理水稻糙米品质对比图，其中A：蛋白质，B：硒，C：植酸。
图3为实施例1中种植一年后不同处理土壤全镉(A)及有效镉(B)含量对比图。
图4为实施例1中种植一年后不同处理土壤质量对比图，其中A：pH，B：有机质，C：阳离子交换量，D：容重。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
1、实施地点：
浙江省衢州市衢江区莲花镇犁金园村，土壤为红壤性水稻土，全镉含量1.07mgkg-1，有效镉含量0.36mg kg-1，超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)中对农业用地的限值，属于镉中度污染土壤。
2、试验材料：
东南景天由本课题组的超积累植物育苗基地提供，选取长势良好的东南景天植株，利用茎段扦插约8cm的顶芽至待修复土壤，株行距均为15cm。
富集植物品种：蚕豆陵西一寸，为本实验室前期筛选得到的籽粒低积累茎秆富集优质蚕豆品种。蚕豆播种行距为60cm，株距为30cm。蚕豆播种方式为穴播，每穴2-3颗，长至5-6片真叶时间苗，保留1棵长势最佳的植株。
超积累-富集植物镉高效活化剂为本实验室自主研发的复合内生细菌菌剂发酵液，复合菌剂成分为：伯克霍尔德菌(Burkholderia sp.SaZR4)、伯克霍尔德菌(Burkholderia sp.SaMR10)、鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.SaMR12)和贪噬菌(Variovorax sp.SaNR1)各25％。所述菌株已被文章公开报道，为公众可获得材料。
发酵液的制备方法为：将4株内生菌液(OD＝1，各100mL)和20L液体LB培养基加入发酵罐，于30℃，200rpm在好气条件下培养24小时，用无菌水稀释至发酵液浓度为108CFU/mL左右。喷施前加水稀释20倍，在蚕豆苗期和开花期进行叶面喷施。喷施量为300L/公顷。
镉钝化调理剂为本实验室自主研发，适合本发明的蚕豆/东南景天间作-水稻轮作模式，以体积百分比计，组分为：熟石灰30％，海泡石30％，生物炭30％，沸石10％，混合均匀加适量水造粒，每公顷施用4.5吨，与耕层土壤混匀，随后对田块进行淹水，一周后移栽水稻。
低积累作物品种：水稻中浙优8号，为本实验室前期筛选得到的稻米低积累茎秆富集优质水稻品种。移栽的水稻秧龄为30-35天。
水稻叶面硒强化镉阻控剂为本实验室自主研发的纳米硒肥，配方为：100mL玉米棕榈油纳米乳液，100mL液体有机肥，0.44g食品级亚硒酸钠，蒸馏水定容到1L。所述液体有机肥采用“康寿1号营养液”，购自湖州康寿生物科技有限公司，参见专利文献CN102898241A。喷施前加水稀释50倍，在水稻分蘖期和孕穗期进行叶面喷施。喷施剂量为750L/公顷。
3、试验处理：
试验共设2个处理，分别为(1)对照组(夏秋季常规水稻单作，秸秆还田，冬春季休耕)，(2)试验组(蚕豆/东南景天间作+叶面喷施镉活化剂+秸秆移出农田，轮作水稻+土壤施用镉钝化调理剂+叶面喷施硒强化镉阻控剂+秸秆移出农田)，每个处理三次重复。
具体处理方法如下：
(1)对照：即冬季闲置，夏秋季常规水稻单作，常规农事管理，秸秆还田。
(2)蚕豆/东南景天间作-水稻轮作制：冬春季(11月-次年5月)利用籽粒低积累茎秆富集优质蚕豆陵西一寸与超积累东南景天间作，在蚕豆苗期和开花期向蚕豆和东南景天茎叶喷施镉活化剂，蚕豆和东南景天收获后秸秆移出农田。平整土地后施用镉钝化调理剂并与耕层土壤混匀，夏秋季淹水种植稻米低积累茎秆富集优质水稻中浙优8号，在分蘖期和孕穗期叶面喷施硒强化镉阻控剂，水稻收获后秸秆移出农田。其他农事管理同对照。
4、样品测定：
水稻采用机械化收割，收获后籽粒直接上地磅，称重记录，去其承载物的重量，即为水稻重量。
收获的稻米按常规方法脱粒、磨粉。硝酸-高氯酸(5:1，v/v)170℃消煮，电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定镉含量；硝酸-盐酸-高氯酸(9:5:1，v/v)170℃消煮，原子荧光光谱仪(AFS)测定硒含量；考马斯亮蓝比色法测定蛋白质含量，三氯化铁滴定法测定植酸含量。
收集的土壤样品于常温晾干，用木锤在牛皮纸上锤碎，部分过100目尼龙筛，硝酸-氢氟酸-高氯酸(5:1:1，v/v)180℃消煮，电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定总镉含量；另一部分过20目尼龙筛，用二乙基三胺五乙酸-三乙醇胺(DTPA-TEA)溶液浸提，ICP-OES测定有效镉含量。
5、结果分析：
图1给出了上述镉中度污染土壤上按本发明的边生产边修复技术模式轮作的水稻的产量和糙米镉含量。与对照相比，试验组水稻的产量较对照组增加了9.98％，糙米镉含量降低至0.11mg kg-1，符合食品安全国家标准，安全可食用。
如图2展示了上述镉中度污染土壤上按本发明的边生产边修复技术模式轮作的水稻糙米品质。与对照相比，试验组水稻糙米的蛋白质含量增加了11.79％，硒含量增加了391.67％，植酸含量降低了8.33％，糙米品质显著提高。
如图3所示，按照本发明的边生产边修复技术模式轮作一年后，土壤全镉含量较对照组下降了40.77％，土壤有效镉含量下降了50.55％，达到正常稻田土壤有效镉含量水平，能够保证农业安全生产。
如图4所示，按照本发明的边生产边修复技术模式轮作一年后，土壤pH升高了5.45％，有机质增加了13.09％，阳离子交换量提升了12.70％，容重下降了8.22％，土壤质量明显改善。
按照本发明的边生产边修复技术模式生产的蚕豆产量正常(333.87kg/亩)，籽粒镉含量为0.14mg kg-1，符合食品安全国家标准，安全可食用。
实施例1结果表明，利用籽粒低积累茎秆富集蚕豆与超积累东南景天间作，配合叶面喷施镉活化剂，与籽粒低积累茎秆富集水稻轮作，配合土壤施用镉钝化调理剂，叶面喷施硒强化镉阻控剂，全部秸秆移出农田的工作方式可以在镉中度污染土壤上实现蚕豆和水稻的安全生产并提高粮食品质，同时降低土壤全镉和有效镉含量，具有边生产边修复的优点。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在待修复土壤上种植东南景天，同时直播陵西一寸蚕豆进行间作；
(2)在蚕豆苗期和开花期向蚕豆和东南景天叶面喷施镉活化剂，培育至收获，然后将蚕豆和东南景天秸秆全部移除；
(3)平整土地，施用镉钝化调理剂，并与耕层土壤混匀；
(4)一周后，移栽水稻中浙优8号，整个生育期淹水处理，于分蘖期和孕穗期叶面喷施硒强化镉阻控剂，培育至收获，收获前一周排干土壤水分，收获水稻后秸秆全部移除；
(5)重复步骤(1)～(4)，直至土壤安全达标。
2.如权利要求1所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述东南景天利用6～8cm长的茎段扦插至待修复土壤。
3.如权利要求2所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，东南景天扦插株行距均为10-20cm。
4.如权利要求1所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，步骤(1)中，蚕豆播种方式为穴播，每穴2-3颗，长至5-6片真叶时间苗，保留1棵长势最佳的植株。
5.如权利要求4所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，蚕豆播种行距为55-65cm，株距为25-35cm。
6.如权利要求1所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述镉活化剂为伯克霍尔德菌，鞘氨醇单胞菌和贪噬菌组成的复合内生细菌菌剂经液体发酵得到的发酵液。
7.如权利要求6所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，所述发酵液为伯克霍尔德菌SaZR4、伯克霍尔德菌SaMR10、鞘氨醇单胞菌SaMR12和贪噬菌SaNR1等比例接种于LB培养基，发酵培养至发酵液浓度为108CFU/mL；喷施前加水稀释20倍，喷施量为300L/公顷。
8.如权利要求1所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述镉钝化调理剂的组分以质量百分比计包括：熟石灰25-35％，海泡石25-35％，生物炭25-35％，沸石5-15％；施用量为4.5吨/公顷。
9.如权利要求1所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，所述硒强化镉阻控剂为玉米棕榈油纳米乳液、液体有机肥、硒肥和水混合而成纳米硒肥。
10.如权利要求9所述的镉污染农田上边生产边修复的方法，其特征在于，纳米硒肥配方为100mL玉米棕榈油纳米乳液，100mL液体有机肥，0.44g食品级亚硒酸钠，水定容至1L；喷施前用水稀释50倍，施用量为750L/公顷。
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