CN113751489A - 基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，通过优化施肥、结合叶面喷施硅、硒肥和高效的水分管理措施，有效降低稻米对砷的积累，实现了中轻度碱性砷污染农田的安全性高、效率的安全可持续利用，并综合考虑土壤质量、水稻产量和稻米砷含量的影响，综合设计出一种适宜碱性砷污染土壤的安全生产技术模式。

Description

基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法

技术领域

本发明涉及农作物栽培和受污染土地的安全利用领域，尤其涉及基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法。

背景技术

对于砷污染土壤的修复，目前现有技术中主要分为三类，物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术，物理修复技术主要包括土壤置换、土壤覆盖、周转和衰减以及电动修复，虽然物理技术见效快，但是处理成本高昂，不适合大面积土壤的修复；化学修复技术主要包括土壤清洗和土壤固定，其中土壤清洗无论是原位还是异位清洗都容易造成二次污染且会对土壤成分产生破坏，成本极高；土壤固定主要是采用As的固定剂，降低As在土壤中的迁移率，单独使用固定剂是不稳定的，需要长期监控固定效率，且无法从根本上减少土壤中砷的总含量，在修复过程中还需要进一步考虑土壤的其他条件，包括酸碱性、氧化还原条件以及共存离子和有机物的变化情况。

生物修复技术主要包括微生物修复和植物修复，其中微生物修复主要也是通过降低砷在土壤中的迁移率从而降低其生物利用度；植物修复主要是利用蕨类植物从土壤中积累砷，但这种方式依赖于植物所需的生长条件，富含砷的生物质的安全处置成本依然较高，且无法实现土地的有效利用和生产，造成土壤资源的闲置。

对于砷污染农田的利用，目前已有文献和专利公开了综合利用上述修复技术进行砷污染土壤的修复方案，例如公开号为CN109122136 A的专利文本公开了一种中轻度重金属污染土壤上稻米安全生产的方法，该方法为在水稻插秧前施用钝化剂以降低土壤重金属活性，然后在水稻分蘖盛期至孕穗期、以及水稻灌浆期喷施叶面阻隔剂；所述钝化剂包括膨润土、石膏粉、石灰、生物炭、铁基生物炭、缓释型铁基生物炭、铁硫硅复合生物炭、激活稻田土壤硫还原菌活性的重金属镉钝化剂和镉砷同步钝化剂等；叶面阻隔剂为酸性硅溶胶、硒硅复合溶胶、铈复合硅溶胶和亚铁改性硒溶胶等。当土壤为砷污染，或砷与镉、铅复合污染时，所述的钝化剂为镉砷同步钝化剂，所述的叶面阻隔剂为硒掺杂纳米硅溶胶和亚铁改性硒溶胶。

上述专利中，用于砷污染土壤安全利用的钝化剂和叶面阻隔剂同样适用于砷、镉复合污染土壤上稻米的安全生产。然而，砷是非金属元素，其在稻田土壤中的化学行径与镉通常相反，例如，通过水分管理、种植低积累品种和调节土壤pH等方式通常会在降低土壤中镉生物有效性的同时会增加土壤中砷的生物有效性。因此，为了同时降低土壤中镉和砷往稻米中的积累，所用的土壤钝化剂和叶面阻隔剂需具备多种功能，土壤钝化剂和叶面阻隔剂的生产、使用成本也随之增加。我国存在很多砷单一元素的污染土壤，其中江苏省苏北区域存在大面积的碱性砷污染农田，针对砷单一元素污染土壤，应当优先采用一些低成本、高效的稻米安全生产方法。

此外，通常砷在碱性土壤中的有效性较高，因此，针对碱性砷污染土壤，需要适当降低土壤pH。而CN109122136 A的专利文本中所提及的镉砷同步钝化剂最内层为氢离子化学消耗剂，这样会导致土壤pH进一步的上升。因此，CN109122136 A的专利文本中所提及的钝化剂可能并不适用于碱性砷污染土壤的改良。

对于碱性土壤的修复，目前常用的修复手段包括采用酸性肥料进行改良，但是对于碱性砷污染土壤的综合改良和利用，仅通过酸性肥料是无法实现稻米安全生产的，因此如何综合利用物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术，改良碱性砷污染土壤，并实现高效低成本的可持续利用是本发明首先需要解决的技术问题。

发明内容

本申请实施例提供了基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，通过优化施肥、结合叶面喷施硅、硒肥和高效的水分管理措施，有效降低稻米对砷的积累，实现了中轻度碱性砷污染农田的安全性高、效率的安全可持续利用，并综合考虑土壤质量、水稻产量和稻米砷含量的影响，综合设计出一种适宜碱性砷污染土壤的安全生产技术模式。

基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，所述方法包括以下步骤：

于耕地前一次性施入硫酸亚铁或硫酸铁作为土壤调理剂，优选的，所述土壤调理剂施加量为150kg/亩，对受污染土壤进行初步调节；

基肥采用硫酸铵、过磷酸钙、硫酸钾肥，优选的，所述基肥中硫酸铵、过磷酸钙、硫酸钾的质量比为为3:3:1，所述基肥在土壤调理剂稳定后一次性均匀施加，施用量60～80kg/亩，视土壤本身肥力而定；

分别在水稻分蘖后期和灌浆初期，同时喷施叶面硅肥和叶面硒肥，叶面硅肥原液和叶面硒肥原液每次每亩喷施量为各200mL，所述硅肥原液中硅的浓度范围为10％～20％的SiO₂溶液，所述硒肥原液为浓度范围为1％～1.5％的Se溶液；优选的，喷施方法：在晴天或多云、无风或风力较小天气，选择下午四点半以后进行喷施，将叶面肥原液稀释200倍后使用人工喷雾器喷施；如若选择无人小飞机喷施，叶面肥原液稀释20倍即可；

将水稻烤田期提前10～15天，这里的烤田期是指水稻收获前的撤水晒田期，常规的排水晒田期一般在水稻收获前10～15天进行，本方案所述的提前10～15天是在常规的排水晒田日期的基础上提前10～15天，即在水稻收获前25～30天挖深沟，将稻田里的水排净，具体的正常水稻烤田期是按照当地常规的管理进行，视当地天气和稻田土质而定。

本申请实施例中提供的一种或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明通过土壤钝化调节、优化施肥结合水分管理，协同作用，在保证产量的同时降低最终稻米中的砷含量，且改良碱性砷污染土壤，并实现土壤的可持续生产。

首先，土壤钝化条件采用硫酸亚铁和硫酸铁，一方面是因为其来源广泛且价格低廉，另外，硫酸亚铁于耕地前的排水状态下撒入，硫酸亚铁在富氧条件下被氧化成Fe(Ⅲ)，同时释放H⁺，可初步降低土壤pH，促进砷的吸附固定，这里的吸附对稻米砷的影响可能有限，随着稻田淹水，铁氧化物会被还原，其吸附的砷也随之被释放进土壤溶液，排水结束后，无氧区域在土壤微生物的作用下，硫和铁形成FeS矿物，与砷一起形成共沉淀；同时一些微氧区域的Fe(Ⅲ)可以将As(III)氧化成As(V)，从而促进砷的固定；后期水稻生长过程中，水稻根际泌氧，有效铁含量的增加促进了根表铁膜的形成，进而吸附固定植物可吸收的有效砷；此外，硫增加水稻根系谷胱甘肽和植物螯合肽的合成，促进砷往根系液泡中的运输，降低砷往地上部的转运；

其次，通过长期施用生理酸性肥料可进一步有效降低碱性土壤pH，基肥中氮磷钾来源分别为硫酸铵、过磷酸钙和硫酸钾，在改良碱性土壤pH的同时，肥料中的硫还可与土壤调理剂协同降低土壤砷有效性；

最后，水分管理协同降低水稻根系对砷的吸收能力，灌浆期是稻米砷积累的一个关键时期，将烤田期提前10-15天可以有效降低土壤中砷的有效性，从而降低水稻降低根系对砷的吸收。在排水条件下，土壤氧化还原电位升高，稻田土壤从厌氧状态转变成好氧状态，好氧条件下土壤中砷的以As(V) 为主，五价砷容易被吸附到铁锰氧化物和土壤胶体颗粒上，并且还可与铁反应形成砷酸铁的形式共沉淀，从而降低砷的生物有效性。此外，水稻对三价砷的吸收是通过硅转运蛋白，对五价砷的吸收是通过磷转运蛋白，而水稻是喜硅植物，根系拥有发达的硅吸收转运系统，因此，三价砷转变成五价砷后也会降低水稻根系对砷的吸收能力。

综上，本发明采用的水分管理措施基于土壤钝化和优化基肥，只需在正常的烤田期条件下提前10-15天进行烤田，即可与其他措施发挥明显的协同作用，在好氧条件下，铁会被氧化成铁氧化物，进一步促进铁对砷的吸附，这种操作本身，相比于现有技术中的其他调控方式，成本低，且更加易于操作，有利于大规模推广使用。因此，基于优化施肥、水分管理，并将钝化剂硫酸亚铁或硫酸铁施加量控制在合理的范围，在保证稻米产量的同时进一步降低稻米中的砷含量；

作为更加优选的方案，在上述操作基础上，再通过增加叶面阻控的操作，可进一步降低稻米中的砷积累量，具体原理在于：硅与三价砷的结构相似，利用Si与As的共转运特性，叶面喷施硅肥可以抑制Si/As吸收转运蛋白的表达，降低水稻对砷的吸收与转运，从而降低稻米中的砷积累量。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。但这些实施例仅限于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体实验条件的实验方法，通常按照常规条件。

江苏省苏北地区存在大面积的碱性砷污染耕地，以下将通过对江苏省一典型碱性砷污染农田土壤(位于盐城市某县)处理的具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施区地下水位较高，常年2.0-3.0m，夏季1.0-1.5m；实施区属海州圩里农业区；实施区为油泥土；耕地面为5.19万亩，主要是水田。(气候、日照和雨量)暖温带南缘，因濒临黄海，具有明显的海洋性气候特征，全年四季分明，夏季受来自东面海洋季风影响，天气炎热多雨；冬季受北方南下季风影响，以干冷天气为主；春、秋两季处于南北季风交替转换时期，天气冷暖多变；年平均日照2402.7小时、年均气温14.5℃、年均降雨量为883.6 毫米、年蒸发量为1393.6-1863.1毫米、无霜期211天左右。

项目实施前采集102个土壤样品，检测结果显示，实施区土壤偏碱性，土壤pH大于8.2，均值在8.24；五项重金属砷、镉、铅、铬、汞中仅砷含量超过我国规定的农田土壤污染风险值(20mg/kg，GB15618-2018)，实施区土壤砷平均含量为20.7mg/kg，整个区域污染比较均匀。

每个对比例或实施例作为一个处理组，一个处理组设置3个重复，每个重复实施面积为25平方米(长5米、宽5米)，不同处理组的小区随机分布，小区间的垄设50cm，两排小区间的路和水沟设1米，保护行宽设1米。小区间田埂用薄膜覆盖，防止串水。各实施例中未提及的其余田间管理等方面均参照该田块常规管理模式。

实施前采集的灌溉水中五种重金属含量均远低于我国规定的农田重金属限量值，达到灌溉水重金属限量标准，pH值在7.5-8.2之间；砷含量均低于9μg/L。

实施过程中所用的投入品重金属含量砷、镉、铅、铬、汞均远低于国家规定的相关限量值，各投入品中，仅硫酸亚铁中检出0.00006％的砷，复合肥料中含0.00004％的砷，其余肥料和土壤调理剂中均未检出，因此投入品对最终测试结果影响可忽略不计。

不同对比例和实施例将通过以下关键技术点组合试验，区别详见表1。

关于种植品种：对比例1-3、实施例1-实施例4中水稻种植品种均为泗稻16；

关于土壤调理剂：对比例1中不使用土壤调理剂，对比例2-3、实施例 1-4分别使用如下表1所示的具体土壤调理剂成分进行土壤调节，施用量均为150kg/亩，在水稻种植前，一次性通过旋耕使土壤调理剂与土壤充分混合，深度20cm左右，播撒土壤调理剂后，放水浸泡4小时以上，淹水3-5cm，让材料溶于水、并扩散到土壤中，平衡2天。

关于基肥：对比例1中的基肥按照当地水稻常规种植方式进行施加，具体为采用复合肥(N-P₂O₅-K₂O＝16-16-8)作为基肥肥料，施用量为40kg/亩；对比例2-3以及实施例1-4中选择硫酸铵为氮肥、过磷酸钙为磷肥，硫酸钾为钾肥，按照3：3：1的质量比配置，基肥的总体施用量为70kg/亩；基肥的施加在土壤调理剂稳定后均匀施入，水稻种植前将其均匀施撒于水稻田中；

关于分蘖肥和拔节孕穗肥：对比例和实施例中均采用尿素，分蘖肥施用量均为20kg/亩，拔节孕穗肥均为15kg/亩，为常规操作；

关于叶面肥：对比例1-3、实施例1-实施例2中，未施用叶面肥；实施例3-实施例4中，于水稻的分蘖后期和灌浆初期各喷施含硅、硒叶面肥一次，每次喷施质量分数20％SiO₂的叶面硅肥原液为200mL/亩；喷施质量分数2％Se的叶面硒肥原液200mL/亩；将叶面硅肥和叶面硒肥各稀释200 倍后用喷雾器进行均匀喷施，每次喷施均在下午五点后进行喷施；

关于水分管理：对比例1-3水分管理按照当地常规进行；实施例1-实施例4中，将收获烤田期提前了10天，挖深沟排水。

表1：

样品采集与测定

分别于水稻分蘖后期(8月8日)和成熟期(11月1日)采集土壤样品，采用“S”型布点法，于每个小区采集五个点位样品混合为一个样，分析测定土壤有机质和土壤有效态砷含量。于水稻成熟期对各小区植株样品进行收获，测定收获的产量，对稻米中砷的含量进行分析测定。土壤有机质按照重铬酸钾容量法测定(GB 9834-88)，稻米中砷含量采用电感耦合等离子体质谱法测定(GB 5009.268-2016)，土壤有效砷经1mol/L的氯化铵提取后使用原子荧光进行检测，测定结果如表2不同处理对水稻产量、稻米砷含量、土壤有效态砷含量和土壤有机质含量的影响。

表2：

结果与分析

关于水稻产量和稻米砷含量，两个实施例的稻米砷含量均低于0.10 mg/kg，且均明显低于对比例1-3，说明实施例1-2中的方案在降低稻米砷含量的积累有显著的效果，且对稻米产量无明显的影响；因此，本发明中，土壤调理剂、优化施肥、水分管理再结合叶面阻控剂可以协同有效降低稻米砷含量；所有样品稻米中镉、汞、铅和铬的含量均远低于国家规定的限量值，在此不加以细说。

关于土壤有机质含量在项目不同实施时期的变化，从表中可以看出，从项目实施开始到结束，各实施例中土壤有机质含量在不同处理下无显著变化。有机质是反映土壤肥力的一个重要指标，因此，有机质的结果表明本项目区的土壤肥力在本项目实施过程中无显著变化。说明本方案中不同优化施肥和土壤调理剂组合对土壤有机质含量影响均不显著，均可实现碱性中轻度砷污染土壤的可持续生产利用。

Claims (8)

1.基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，除常规生产稻米的步骤外，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

于耕地前一次性施入硫酸亚铁或硫酸铁作为土壤调理剂；

在所述土壤调理剂稳定后一次性均匀施加基肥，所述基肥中的氮磷钾肥分别使用硫酸铵、过磷酸钙、硫酸钾肥，所述基肥在土壤调理剂稳定后一次性均匀施加，施用量60-80kg/亩；

分别在水稻分蘖后期和灌浆初期，同时喷施叶面硅肥和叶面硒肥，叶面硅肥原液和叶面硒肥原液每次每亩喷施量为各200mL/亩；

将水稻烤田期提前10-15天，即在水稻收获前25-30天挖深沟，将稻田里的水排净。

2.根据权利要求1所述的基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，其特征在于，所述土壤调理剂施加量为150kg/亩。

3.根据权利要求1所述的基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，其特征在于，所述基肥中，硫酸铵、过磷酸钙、硫酸钾质量比为3:3:1。

4.根据权利要求1所述的基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，其特征在于，所述基肥施用量70kg/亩。

5.根据权利要求1所述的基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，其特征在于，所述硅肥原液中硅的浓度范围为10％～20％的SiO₂溶液，所述硒肥原液为浓度范围在1.0％～1.5％的Se溶液。

6.根据权利要求5所述的基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，其特征在于，人工喷雾器喷施时，叶面硅肥原液和叶面硒肥原液均稀释200倍后喷施，如若选择无人小飞机喷施，叶面肥原液稀释20倍后喷施。

7.根据权利要求1所述的基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，其特征在于，所述于耕地前一次性施入硫酸亚铁或硫酸铁，采用旋耕机对土壤进行翻耕，使土壤调理剂与耕作层土壤充分混合，深度20cm左右，播撒土壤调理剂后，放水浸泡4小时以上，淹水3～5cm，平衡2天。

8.根据权利要求1所述的基于碱性中轻度砷污染土壤改良的可持续生产稻米的方法，其特征在于，所述水稻品种为泗稻16。