CN113079729B - 一种重金属污染稻田的周期协同修复方法 - Google Patents

一种重金属污染稻田的周期协同修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水稻田重金属修复技术领域，具体公开了一种重金属污染稻田的周期协同修复方法，其先在水稻田中施用活化复合材料翻耕混合均匀，而后进行插秧或播种；所述的活化复合材料包括酒糟、作物壳、胶质芽孢杆菌的发酵产物和硝铵复合肥；并在在水稻孕穗期喷施叶面肥；在水稻抽穗期追施氨态氮肥。本发明创新地发现，通过水稻生命周期中的各自阶段的活化复合材料、叶面肥和氨态氮肥的联合控制，能够协同，除了能够有效促进水稻对重金属的摄入外，还能够选择性调控重金属的富集，能够在促进水稻田重金属修复的前提下，还能够意外地避免稻谷的重金属超标。

Description

一种重金属污染稻田的周期协同修复方法
技术领域
本发明涉及重金属污染耕地修复领域，具体涉及一种镉污染稻田的修复方法。
背景技术
我国农用地资源紧张，耕地重金属污染多为中轻度污染，且面积广泛，成因复杂。粮食供给和粮食安全压力巨大，不能像欧美发达国家那样对污染土壤进行大面积休耕。而现阶段我国重金属污染耕地修复多是从保障粮食安全的角度考虑，采用原位钝化、农艺调控、叶面阻隔、低累积作物安全种植等修复技术，未能从根本上解决土壤重金属污染的问题。植物修复技术虽然可以将土壤中重金属不断提取出来，但却改变了原有的种植结构，且不易于机械化作业。因此，一种能够使耕地土壤重金属含量逐年降低且便于大面积推广的修复技术，对我国农田重金属污染防治以及保障粮食安全和人民身体健康具有重大意义。
发明内容
本发明针对我国耕地重金属污染特点及修复现状，结合水稻生长特性，提出了一种对水稻生长周期进行协同联合控制，从而能够使水稻田土壤中重金属含量逐年降低，且操作简单、成本合理、便于大面积推广的修复方法。
本发明目的在于降低重金属污染水稻田土壤中的重金属含量，旨在改善水稻对重金属的摄入，但研究发现，随着水田土壤中的重金属被水稻摄入，能够一定程度实现水稻田的重金属的治理，但也容易导致水稻各部分重金属超标，一定程度增加受污染稻谷的浪费和处理难度。为此，本发明提供以下技术方案：
一种重金属污染稻田的周期协同修复方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将水稻田翻耕、破碎，整理；
步骤(2)：向步骤(1)处理后的水稻田中施用活化复合材料翻耕混合均匀，而后进行插秧或播种；所述的活化复合材料包括酒糟、作物壳、胶质芽孢杆菌的发酵产物和硝铵复合肥；且发酵产物的原料和硝铵复合肥的重量份分别为：酒糟20-30份、作物壳30-50份；胶质芽孢杆菌5-10份；硝铵复合肥20-30份；
步骤(3)：在水稻孕穗期喷施叶面肥；
其中所述叶面肥各组分按重量计：生石灰8-10份，硫磺15-20份，油酸钠5-10份，钼尾矿多金属浸提液70-80份；
步骤(4)：在水稻抽穗期追施氨态氮肥；
其中所述氨态氮肥为磷酸铵、钼酸铵、硫酸铵中的一种或几种；
步骤(5)：水稻成熟后，回收得到稻谷，且回收秸秆。
本发明创新地发现，通过水稻生命周期中的各自阶段的活化复合材料、叶面肥和氨态氮肥的联合控制，能够协同，除了能够有效促进水稻对重金属的摄入外，还能够选择性调控重金属的富集，能够在促进水稻田重金属修复的前提下，还能够意外地避免稻谷的重金属超标。
本发明技术方案的关键在于：(1)基施阶段创新地活化复合材料的使用；(2)基施阶段活化复合材料和孕穗期叶面肥以及抽穗期追施氨态氮肥协同联合；通过所述的创新地技术方案，能够改善水稻对重金属的污染摄入量，还能够调控水稻重金属的富集位点，在改善重金属摄入量的前提下，还能够使水稻稻谷重金属含量符合相关要求。
本发明创新地发现，所述酒糟和作物壳经胶质芽孢杆菌发酵的发酵产物和硝铵复合肥存在相互协同，且进一步对发酵原料以及硝铵复合肥的成分以及成分比例进行所述的精准控制，能够进一步改善协同效果；进一步配合所述的整个生命周期的联合控制，能够改善水稻对重金属的摄入，能够改善重金属富集选择性。
作为优选，所述的酒糟为果酒糟。研究发现，所述的果酒糟的一次代谢物配合胶质芽孢杆菌的二次发酵，能够进一步改善其和硝铵复合肥的协同性。
作为优选，所述的酒糟为葡萄酒、苹果酒、梅子酒、草莓酒、桃子酒、枇杷酒、杨梅酒、桑椹酒等果酒糟的一种或几种。
作为优选，所述的作物壳是指稻壳、麦壳等粮食作物的外壳(种子外壳)。
研究发现，控制酒糟、作物壳和胶质芽孢杆菌的质量比例，能够调控二次发酵的成分，使其和所述的硝铵复合肥的协同效果进一步提升。
作为优选，发酵原料中，酒糟24～26份、作物壳34～36份；胶质芽孢杆菌5～6份。
作为优选，所述的硝铵复合肥为硝铵比为1.5～2.5:1的复配肥料。
作为优选，所述的活化复合材料中，还包含酒石酸。研究发现，在所述的发酵产物和硝铵复合肥中，进一步添加酒石酸，有助于进一步改善协同性，且配合步骤(3)～步骤(4)的控制，还能够进一步改善水稻对重金属的摄取和富集选择性。
作为优选，所述的活化复合材料中，酒石酸的重量份为10-15份。
所述的活化复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配方比例称取各成分，并将果酒糟、稻壳、胶质芽孢杆菌混合均匀后盖膜发酵；
(2)在步骤(1)得到的发酵产物中加入硝铵复合肥，混合均匀即得。
所述的发酵条件为：含水量75％-85％，温度25-35℃，pH值7.0-8.0。
作为优选，步骤(2)中，按50-150kg施用所述的活化复合材料。
作为优选，步骤(2)中，翻耕混合均匀，静置1-2天后进行插秧和/或播种。
作为优选，步骤(2)中，分蘖期间不灌水。
作为优选，步骤(3)中，所述的钼尾矿多金属浸提液为钼尾矿的酸浸出液。所述的酸浸出液的金属离子浓度没有要求，可根据使用习惯调整。
作为优选，步骤(3)中，在水稻孕穗期按200-400ml/亩喷施叶面肥1-2次，两次间隔一周。
作为优选，步骤(4)中，在水稻抽穗期按15-30kg/亩追施氨态氮肥。
作为优选，步骤(4)中，水稻抽穗期保持田间有水。
本发明方法，可以适用于中、轻度镉污染水稻田，
本发明一种优选的方法，对于中、轻度镉污染水稻田，进行以下处理：
(1)将水稻田翻耕、破碎，剔除前一季留下的水稻根、草根等较大的异物；
(2)按50-150kg施用活化复合材料，翻耕混合均匀，静置1-2天后进行正常插秧(或播种)，分蘖期间不灌水；
其中所述的活化复合材料各组分按重量份数计：果酒糟20-30份，稻壳30-40份，胶质芽孢杆菌5-10份，酒石酸10-15份，硝铵复合肥20-30份。
(3)在水稻孕穗期按200-400ml/亩喷施叶面肥1-2次，两次间隔一周；
其中所述叶面肥各组分按重量计：生石灰8-10份，硫磺15-20份，油酸钠5-10份，钼尾矿浸提液70-80份。
(4)在水稻抽穗期按15-30kg/亩追施氨态氮肥，同时保持田间长期有水；
其中所述氨态氮肥为磷酸铵、钼酸铵、硫酸铵中的一种或几种。
(5)稻谷收获后，利用秸秆收割打捆一体化设备将秸秆全部离田，并安全处置。
有益效果
(1)本发明针对我国耕地重金属污染面积广，现有修复方法和工艺无法降低土壤中镉含量的现状，结合水稻生长特性，提出了一种利用水稻生命周期的不同时期不同特殊材料的协同联合，从而能够使耕地土壤重金属含量逐年降低，且能够改善重金属富集选择性，在保证重金属摄入的同时，还能够避免目的物的重金属超标。本发明方法操作简单、处理成本低、便于大面积推广应用的修复方法。整个修复过程不改变原有的种植结构及习惯，与水稻种植过程中的施肥管理相结合，不需要大型修复设备。
(2)本发明创新地利用胶质芽孢杆菌对酒糟中的一次代谢物进行胶质芽孢杆菌的再次发酵代谢，并创新地发现，胶质芽孢杆菌发酵后的产物和硝铵复合肥存在协同性，能够双重活化作用促进土壤重金属的溶解和植物根系吸收，提高水稻对重金属的富集量。此外，还可协同促进水稻生长，增大水稻生物量，提高修复效率。
(3)在所述的发酵产物和硝铵复合肥中，进一步添加酒石酸，能够进一步改善协同性。
(4)本发明还发现，通过控制各成分的比例，有助于进一步改善协同性，改善植物对重金属的摄入量，还能够降低重金属对植物的毒害作用，改善植物的生物量。
(5)孕穗期喷施叶面肥、抽穗期追施氨态氮肥并灌满水等措施协同，可有效控制籽粒中镉的含量。
(7)本发明在不改变种植结构的情况下，与水稻种植过程有效结合，操作简单易于推广，处理成本低，环境风险小，且不影响耕地土壤性质和肥力，在保证稻米镉含量低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)限量0.2mg/kg的前提下，使土壤中的重金属镉含量逐年降低，对改善农业环境环境，确保粮食安全，坚守18亿亩耕地红线具有重要意义。
具体实施方式
下面通过具体实例进一步说明本发明。以下实施例中，胶质芽孢杆菌属于硅酸盐类细菌，购于汇邦生物科技，酒糟购于长沙县酒厂。
钼尾矿浸提液为湖南湘西钼尾矿用20％盐酸，水浴酸浸8小时后过滤，得到多金属浸提液。其中，以重量百分比计，钼(16.07％)、铁(8.15％)、钙(6.52％)、镁(4.11％)。
以下实施例中，所述的活化复合材料的制备包括以下步骤：
(1)按照配方比例称取各成分，并将果酒糟、稻壳、胶质芽孢杆菌混合均匀后盖膜发酵；所述的发酵条件为：含水量75％-85％，温度25-35℃，pH值7.0-8.0。
(2)在步骤(1)得到的发酵产物中加入硝铵复合肥，混合均匀即得。
对比例的活化复合成分仅仅是成分的缺少，制备方式同上。
硝铵复合肥的为硝铵比为2:1的复配肥料
实施例1
在湖南某市郊选取2亩地势平坦、规整的水稻田，经采样分析检测：土壤pH为5.78，镉含量为0.42mg/kg，有效态镉为0.22mg/kg。在所选区域内修筑小区，小区面积30m3(5m×6m)，每个小区间距0.5m，实行单排单灌，小区间田埂高15cm以上，所有小区田埂包塑料薄膜至20cm以下，防止小区间串肥串水。试验设3个处理和空白对照，每个处理重复3次，随机排列。所有小区统一种植水稻(湘早籼32)。具体实施步骤如下：
(1)将水稻田翻耕、破碎，剔除前一季留下的水稻根、草根等较大的异物。
(2)按不同处理要求(50～15kg/亩)施用活化复合材料，活化复合材料质量比为：葡萄酒糟25％、作物壳35％；胶质芽孢杆菌5％；硝铵复合肥25％，酒石酸10％。
翻耕混合均匀，静置1-2天后进行正常插秧(或播种)，分蘖期间禁止灌水。各处理活化复合材料施用量见附表1。
(3)在水稻孕穗期按200ml/亩喷施叶面肥2次，两次间隔一周，叶面肥的质量比为：生石灰10％，硫磺15％，油酸钠10％，钼尾矿浸提液75％。
(4)在水稻抽穗期按20kg/亩追施钼酸铵，同时保持田间长期有水；
(5)水稻成熟后，分小区将稻谷、秸秆收货并测产，同时检测稻米、秸秆中镉含量，试验结果见附表2。
对比例1
和实施例1相比，区别仅在于，步骤(2)中，活化复合材料制备中未添加酒糟。标记为处理D1。
对比例2
和实施例1相比，区别仅在于，步骤(2)中，活化复合材料制备中未添加胶质芽孢杆菌。标记为处理D2。
对比例3
和实施例1相比，区别仅在于，活化复合材料制备中未添加硝铵复合肥。标记为处理D3。
对比例4
和实施例1相比，区别仅在于，活化复合材料制备中酒糟改用腐殖酸，胶质芽孢杆菌改用枯草芽孢杆菌，硝铵复合肥改用尿素。标记为处理D4。
对比例5
和实施例1相比，区别仅在于，活化复合材料质量分数为酒糟10份、作物壳60份；胶质芽孢杆菌15份；硝铵复合肥15份。标记为处理D5。
附表1：各处理的具体管理要求
Figure BDA0002332069440000061
注：表1中，处理1～3采用的活化复合材料为实施例1的材料。
附表2：实施例1结果
Figure BDA0002332069440000062
Figure BDA0002332069440000071
结果表明：与空白对照相比，所有实施例1产出的稻米镉含量均有所降低，且低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)限量0.2mg/kg。而秸秆中镉含量均有所升高，秸秆富集系数为6.96、7.82、7.80，大大提高了秸秆对镉的富集量。通过秸秆移除，可逐年降低土壤中的镉含量。且本修复方法还有一定的增产效果。
实施例2
在某乡镇选取一片地势平坦、规整的水稻田，经采样分析检测：土壤pH为5.06，镉含量为0.50mg/kg，有效态镉为0.28mg/kg。在所选区域内修筑12个小区，小区面积30m3(5m×6m)，每个小区间距0.5m，实行单排单灌，小区间田埂高15cm以上，所有小区田埂包塑料薄膜至20cm以下，防止小区间串肥串水。试验设3个处理和空白对照，每个处理重复3次，随机排列。12个小区统一种植水稻(泰优390)。具体实施步骤如下：
(1)将水稻田翻耕、破碎，剔除前一季留下的水稻根、草根等较大的异物。
(2)按不同处理要求施用活化复合材料，活化复合材料质量比为：葡萄酒糟25％、作物壳35％；胶质芽孢杆菌5％；硝铵复合肥25％，酒石酸10％。
(3)翻耕混合均匀，静置1-2天后进行正常插秧(或播种)，分蘖期间禁止灌水。各处理活化复合材料施用量见附表3。
(4)在水稻孕穗期按200ml/亩喷施叶面肥2次，两次间隔一周，叶面肥的质量比为：生石灰10％，硫磺15％份，油酸钠10％份，钼尾矿浸提液75％。
(5)在水稻抽穗期按20kg/亩追施钼酸铵，同时保持田间长期有水；
(6)水稻成熟后，分小区将稻谷、秸秆收货并测产，同时检测稻米、秸秆中镉含量，试验结果见附表4。
对比例6
和实施例2相比，区别仅在于，基施的活化复合材料改用尿素。标记为处理D6。
对比例7
和实施例2相比，区别仅在于，孕穗期未喷施叶面肥。标记为处理D7。
对比例8
和实施例2相比，区别仅在于，抽穗期未追施钼酸铵。标记为处理D8。
附表3：各处理的具体管理要求
Figure BDA0002332069440000081
注：表3中，处理1～3采用的活化复合材料为实施例2的材料。
附表4：实施例2结果
Figure BDA0002332069440000082
结果表明：与空白对照相比，实施例2产出的稻米镉含量均有所降低，且低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)限量0.2mg/kg。而秸秆中镉含量均有所升高，秸秆富集系数为8.82、11.57、13.34，大大提高了秸秆对镉的富集量。而对比例在不施用活化复合材料、叶面阻控剂或钼酸铵时，则出现秸秆富集量低、稻米超标等现象。此外，通过本发明所述的联合周期控制方法，配合药剂的使用，能够意外地改善金属富集的选择性。所以通过本发明的修复工艺，可有效移除土壤中镉，从而逐年降低土壤中的镉含量，实现边生产边修复的目的。

Claims (10)

1.一种重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）：将水稻田翻耕、破碎，整理；
步骤（2）：向步骤（1）处理后的水稻田中施用活化复合材料翻耕混合均匀，而后进行插秧或播种；所述的活化复合材料包括酒糟、作物壳、胶质芽孢杆菌的发酵产物和硝铵复合肥；且发酵产物的原料和硝铵复合肥的重量份分别为：酒糟20-30份、作物壳30-50份；胶质芽孢杆菌5-10份；硝铵复合肥20-30份；
步骤（3）：在水稻孕穗期喷施叶面肥；
其中所述叶面肥各组分按重量计：生石灰8-10份，硫磺15-20份，油酸钠5-10份，钼尾矿多金属浸提液70-80份；
步骤（4）：在水稻抽穗期追施氨态氮肥；
其中所述氨态氮肥为磷酸铵、钼酸铵、硫酸铵中的一种或几种；
步骤（5）：水稻成熟后，回收得到稻谷，且回收秸秆。
2.如权利要求1所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，步骤（2）中，按50-150kg施用所述的活化复合材料。
3.如权利要求1所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，步骤（2）中，翻耕混合均匀，静置1-2天后进行插秧和/或播种。
4.如权利要求1所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，步骤（2）中，插秧和/或播种后的分蘖期间不灌水。
5.如权利要求1所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，步骤（3）中，在水稻孕穗期按200-400ml/亩喷施叶面肥1-2次，两次间隔一周。
6.如权利要求1所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，步骤（4）中，在水稻抽穗期按15-30kg/亩追施氨态氮肥。
7.如权利要求1所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，步骤（4）中，水稻抽穗期保持田间有水。
8.如权利要求1~7任一项所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，所述的活化复合材料中，还包含酒石酸。
9.如权利要求8所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，所述的活化复合材料中，酒石酸的重量份为10-15份。
10.如权利要求1所述的重金属污染稻田的周期协同修复方法，其特征在于，活化复合材料的制备步骤为：
（1）按照配方比例称取各成分，其中，酒糟为果酒糟，所述的作物壳为稻壳，将果酒糟、稻壳、胶质芽孢杆菌混合均匀后盖膜发酵；发酵条件为：含水量75%-85%，温度25-35℃，pH值7.0-8.0；
（2）在步骤（1）得到的发酵产物中加入硝铵复合肥，混合均匀即得。
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