CN113951070A

CN113951070A - 一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法

Info

Publication number: CN113951070A
Application number: CN202111271279.3A
Authority: CN
Inventors: 汪鹏; 王静; 赵方杰; 张隽; 张民
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2041-10-29
Also published as: CN113951070B

Abstract

本发明公开了一种降低污染农田土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法。包括：选择缓释周期为3个月左右的缓释硝酸盐类氮肥，一般是在水稻移栽前或分蘖期施用，均匀撒在稻田表面，施用量为10～20 kg N/亩，采用正常田间水分管理等农业措施。本申请通过向土壤添加缓释硝酸盐持续释放硝酸根离子，可以促进厌氧条件下的土壤中三价砷氧化，降低土壤有效态砷含量和水稻籽粒中砷积累。采用正常的稻田水分管理，在显著降低稻米籽粒砷积累的同时，并且对水稻产量并不影响，无二次污染等特点。该方法具出较高的实际应用价值和推广应用意义。

Description

一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法

技术领域

本发明属于农田污染防控技术领域，特别涉及一种利用缓释硝态氮肥降低污染农田稻米籽粒砷积累的方法。

背景技术

稻米是我国人群无机砷摄入的主要来源。在我国南方部分矿业活动密集的地区，稻田土壤砷污染问题较为突出，土壤污染也导致稻米中砷含量过高的问题，危害农产品质量安全和人体健康。稻田淹水条件下，土壤溶液中砷含量大幅上升。主要有二个方面的原因，首先，土壤铁氧化物还原溶解，导致吸附的砷释放到溶液中。其次，土壤溶液中砷酸盐[As(V)]会被还原成亚砷酸盐[As(III)]，As(III)由于不易被土壤固相吸附，其在土壤中移动性较强。另外，As(III)易通过水稻根系硅的吸收转运蛋白吸收，是水稻根系吸收砷的主要形式。在淹水土壤溶液中，虽然As(III) 是主要的砷形态，但仍然还存在10～30%左右的As(V)。近期的研究表明，稻田里存在一类硝酸盐还原菌，能利用As(III)作为电子供体，硝酸根作为电子受体，能在厌氧条件下氧化As(III)成As(V)。通过向土壤中添加硝酸盐，能促进硝酸盐还原菌介导的厌氧As(III)氧化过程，从而能降低土壤砷的有效性，但是由于稻田的反硝化作用，外源添加的硝酸盐很快被还原消耗，因此效果缺乏持久性。因此，本发明主张在砷污染稻田中施加缓释硝态氮肥，使硝酸根持续缓慢释放，来促进硝酸盐还原菌介导的As(III) 厌氧氧化，从而降低稻田砷的有效性和稻米砷的积累。并且缓释硝态氮肥本身是一种氮肥，相对其它土壤改良剂和钝化剂，具有施用简单，易操作，无污染、成本低等特点。因此，缓释硝酸盐肥料施用为砷污染农田的安全利用和阻控稻米籽粒砷积累的一种有效措施。

目前，缓释型氮肥和缓释硝酸盐肥料施用为重金属污染农田的常规技术，如申请号：2014107512759，发明名称为适合镉污染农田种植蔬菜作物的氮肥施用方法，给出了在镉污染农田中使用缓释型氮肥，缓释型氮肥的总施氮量以纯 N计为 120～ 240 kg/hm²。所述缓释型氮肥为直接通过市购的方式获得的缓释型氮肥，或者按照以下方法制备而得：将缓释包衣树脂与速效氮肥按照 6～ 12:1000的重量比搅拌混合后而得。然而该缓释型氮肥主要针对的是蔬菜作物重金属镉元素的污染治理问题。虽然其速效氮肥包括铵态氮肥、硝态氮肥、硝铵复合肥或尿素等。但该专利注重的是补充氮素本身，并没有强调必须为硝酸盐氮肥。并且以上速效氮肥包膜主要为了提高氮肥利用效率、避免土壤酸化。而对于水稻作物中的重金属砷元素的污染治理问题没有涉及，申请人的另一项专利中（申请号：201810816810.2），采用了三层膜结构的镉砷同步钝化剂，对同步降低稻米中重金属镉砷含量有显著效果。然而其结构复杂，制作流程繁琐，不适用于大田广泛应用。且最内层使用的硝酸盐和过氧化物，是作为氢离子化学消耗剂。为了可以持续有效的维持土壤较为稳定的中性偏酸的pH，不容易剧烈变碱而导致砷的活化。与本专利中降低稻米中砷含量的原理完全不同。目前还缺乏一种专门针对稻米砷污染的阻控策略。关于缓释硝酸盐肥料的施用水平及施用时期对稻米籽粒砷积累的影响方面，还非常缺乏研究，因而缺乏降低污染农田稻米籽粒砷积累的缓释硝酸盐肥料不同比例对比施用方法。为此，本发明提供了一种利用缓释硝酸盐肥降低稻米籽粒砷积累的方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种降低稻田土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法，有效的解决目前缺乏降低污染农田稻米籽粒砷积累的稻田缓释硝酸盐肥料施用状况，并依据土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累给出了选择缓释型氮肥和缓释硝酸盐肥料配比中的两套最佳方案。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法：

步骤一，选取缓释周期为3个月左右的缓释硝酸盐肥料，缓释硝酸盐肥料为KNO₃颗粒肥包被肥料，缓释周期为3个月左右的缓释肥料，缓释硝酸钾中氮量占总水稻总需氮量的50～100%；

步骤二，在稻田正常施用基肥的基础上，于水稻移栽前或分蘖期，将缓释硝酸盐肥料均匀撒施在土壤表面，配合常规的稻田水分管理措施；

步骤三，稻田水分管理采用正常水分管理方式，即水稻田前期淹水，分蘖后期排水控制无效分蘖，后淹水直至灌浆后期，排水烤田2～3周后收获。

进一步的，所述缓释周期为83-103天，优选为91天；所述的缓释硝酸盐肥料添加量为10 ～20 kg N /亩。

进一步的，所述缓释硝酸盐肥料为缓释硝酸钾50%替代氮肥，砷浓度显著降低了三分之一，降低的无机砷含量大于降低的有机砷含量。

进一步的，所述缓释硝酸钾100%替代氮肥处理（NS100），砷浓度显著降低了二分之一，降低的无机砷含量大于降低的有机砷含量。

作为本发明方法的一种优选实施例，采用颗粒硝酸钾缓释肥料，其包被材料为聚丙烯酸脂，释放周期大约为3个月左右。其他含硝酸根、缓释周期为3个月左右的缓释肥料。该缓释硝酸钾肥料同时也作为一种氮肥，为水稻补充氮素，且不会给土壤带来其它风险。

所述水分管理，采用正常水分管理，前期淹水，由于稻田土壤处于还原性条件，添加缓释硝酸钾可缓慢释放硝酸钾，硝酸根作为硝酸盐还原菌电子受体，促进硝酸盐还原菌介导的As(III)的厌氧氧化成As(V)过程，进而达到降低土壤中的砷有效性及水稻籽粒砷积累的目的。本发明针对的是三种砷污染的农田土壤，对其他稻田土壤具有普适性。

与现有技术相比，本发明依据土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累，提供了缓释型氮肥和缓释硝酸盐肥料配比中的两个最佳方案，一种是当缓释硝酸盐肥料的缓释周期为83-103天，优选为91天，缓释硝酸盐肥料优选为缓释硝酸钾50%替代氮肥处理，砷浓度显著降低了三分之一，降低的无机砷含量大于降低的有机砷含量，此时产量最高；另一种是缓释硝酸盐肥料的缓释周期为83-103天，优选为91天，缓释硝酸钾100%替代氮肥处理（NS100），对应籽粒砷浓度显著降低了二分之一以上，降低的无机砷含量大于降低的有机砷含量，此时砷浓度降低最高。

该方法中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

附图说明

图1为本发明一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法的实施例1。

图2为本发明一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法的实施例2。

图3为本发明一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法的实施例3。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

如图1所示，一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法：包括以下步骤：

步骤S1：缓释硝酸钾50%替代氮肥（NS）处理分两次施用，尿素部分作为基肥单独施用，用量10 kg N/亩；缓释硝酸钾部分于水稻分蘖期单独施用，用量也为10 kg N/亩；缓释硝酸钾100%替代氮肥（NS100）同样分两次施用，在插秧前作为基肥部分的施用量为10 kgN/亩，另外于分蘖期施用的部分用量也为10 kg N/亩。

步骤S2：做基肥施用时，将肥料与盆栽用土拌匀后淹水。作为水稻分蘖期追肥施用时，将缓释硝酸钾肥料颗粒均匀撒在土层；

步骤S3：土壤淹水1周后种植水稻苗，配合常规的稻田水分管理

进一步的，该方法的土壤环境：土壤为采自湖南省湘潭县，土壤砷浓度为17.6 mg/kg，pH 6.03；设置三个处理：对照（简称“CK”）施用20 kg N/亩尿素，缓释硝酸钾50%替代（10 kg N/亩）当季所需氮肥并于分蘖期单独追施，剩余50%氮量（10 kg N/亩）以尿素形式单独基施（简称 “NS”），缓释硝酸钾100%替代（20 kg N/亩）当季所需氮肥（简称“NS100”）；每个处理设置三个重复，每盆装土3公斤；当季氮肥施用量20 kg N/亩；水稻品种为深优957；蓝色区域为淹水时期，粉色区域为排水时期；图中无机砷指As(III)和As(V)的总和,有机砷指DMAs和MMAs的总和；图中不同字母表示处理间差异显著（P < 0.05））

在图1中，（a）为三组盆栽处理中土壤孔隙水砷含量随水稻生育时间的变化，结果表明添加缓释硝酸钾可显著抑制土壤孔隙水中砷的释放；（b）表明缓释硝酸钾50%替代氮肥处理（NS）使水稻籽粒中砷含量降低了33.4%，缓释硝酸钾100%替代氮肥处理（NS100）使水稻籽粒中砷含量显著降低50.8%；（c）表明处理组对水稻籽粒有机砷含量没有显著影响，但能够显著降低籽粒无机砷含量，缓释硝酸钾50%替代氮肥处理（NS）与100%替代氮肥处理（NS100）分别降低水稻籽粒中无机砷含量38.2%、46.1%;（d）表明盆栽土壤施加缓释硝酸钾处理增加了水稻籽粒产量。

本实施例的有益效果：通过以上方法采用湖南省湘潭县土壤实施水稻盆栽试验，收获时缓释硝酸钾50%替代氮肥处理（NS）对应籽粒砷浓度显著降低了33.4%，主要是显著降低无机砷含量，降低幅度为38.2%；缓释硝酸钾100%替代氮肥处理（NS100）对应籽粒砷浓度显著降低了50.8%，主要显著降低无机砷含量，降幅为46.1%；水稻籽粒产量未受影响。

实施例2

如图2所示，一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法：包括以下步骤：

步骤S1：缓释硝酸钾处理中氮肥分两次施用，尿素施用量为10 kg N/亩在插秧前以基肥形式施用，缓释硝酸钾部分于水稻分蘖期施用，用量也为10 kg N/亩；

步骤S2：在稻田小区布置完成后，施入基肥，并与耕作层土壤混匀；在水稻分蘖期追施缓释硝酸钾肥料时，将其均匀撒在稻田表层；

步骤S3：土壤淹水2周后种植水稻苗，配合常规的稻田水分管理措施，水稻灌浆后期排水2～3周后收获水稻籽粒，在水稻关键生育期取土壤孔隙水检测砷含量，并在水稻收获后测定水稻籽粒中砷的含量。

进一步的，该方法的土壤环境：地点为湖南省长沙县，土壤砷浓度为16.8 mg/kg，pH 5.61；设置两个处理：对照（简称“CK”）施用10 kg N/亩尿素基肥，缓释硝酸钾处理中50%氮量（10 kg N/亩）以尿素形式单独基施，50%氮量（10 kg N/亩）以缓释硝酸钾形式于分蘖期单独追施（简称“NS”）；每个处理设置四个重复，每小区面积约10 m2 （3.25 m × 3m）；图中不同字母表示处理间差异显著（P < 0.05））

在图2中，（a）为田间土壤对照和施加缓释硝酸钾处理中水稻籽粒中砷含量差异比较，可以看出田间施加缓释硝酸钾显著降低水稻籽粒砷含量达25.0%；（b）表明大田土壤施加缓释硝酸钾并未影响籽粒产量。

本实施例的有益效果：通过以上方法选用湖南省长沙县进行田间试验，设置对照（CK）和缓释硝酸钾处理（NS）小区，通过以上处理种植水稻，可以看出田间施加缓释硝酸钾显著降低水稻籽粒砷含量达25.0%，水稻籽粒产量未受影响。

实施例3

如图3所示，一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法：包括以下步骤：

进一步的，该方法的土壤环境：地点为湖南省衡南县，土壤砷浓度为31.5 mg/kg，pH 5.32；设置两个处理：对照（简称“CK”）施用10 kg N/亩尿素基肥，缓释硝酸钾处理中50%氮量（10 kg N/亩）以尿素形式单独基施，50%氮量（10 kg N/亩）以缓释硝酸钾形式于分蘖期单独追施（简称“NS”），剩余50%氮量以尿素形式单独基施；每个处理设置四个重复，每小区面积约10 m2 （3.25 m × 3 m）；水稻品种为深优957；图中不同字母表示处理间差异显著（P < 0.05 ））

在图3中，（a）为田间土壤对照和施加缓释硝酸钾处理中水稻籽粒中砷含量差异比较，可以看出田间施加缓释硝酸钾处理降低水稻籽粒砷含量达19.4%，但差异未达到显著水平；（b）表明大田土壤施加缓释硝酸钾并未影响籽粒产量。

本实施例的有益效果：通过以上方法在湖南衡南县进行田间试验，设置对照（CK）和缓释硝酸钾处理小区（NS），通过以上处理种植水稻（品种为深优957），可以看出田间施加缓释硝酸钾降低水稻籽粒砷含量达19.4 %，但差异未达到显著水平，水稻籽粒产量未受影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，选取缓释硝酸盐肥料，缓释硝酸盐肥料为KNO₃颗粒肥包被肥料，缓释周期为3个月左右的缓释肥料，缓释硝酸钾中氮量占水稻生育期总需氮量的50～100%；

步骤三，稻田水分管理采用正常水分管理方式，即水稻田前期淹水，分蘖后期排水控制无效分蘖，后淹水直至灌浆后期，排水烤田2～3周后收获；

所述缓释硝酸盐肥料的缓释周期为83-103天。

2.根据权利要求1所述的一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法，其特征在于：所述缓释硝酸盐肥料的缓释周期为91天。

3.根据权利要求1所述的一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法，其特征在于：缓释硝酸盐肥料为缓释硝酸钾50%替代氮肥，砷浓度显著降低了三分之一，降低的无机砷含量大于降低的有机砷含量。

4.一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，选取缓释硝酸盐肥料，缓释硝酸盐肥料为KNO₃颗粒肥包被肥料，缓释周期为3个月左右的缓释肥料，缓释硝酸钾中氮量占总水稻生育期总需氮量的50～100%；

所述缓释硝酸盐肥料的缓释周期为83-103天；缓释硝酸钾100%替代氮肥处理（NS100）。

5.根据权利要求4所述的一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法，其特征在于：所述缓释硝酸盐肥料的缓释周期为91天。

6.根据权利要求4所述的一种降低污染土壤有效态砷含量和稻米籽粒砷积累的方法，其特征在于：对应籽粒砷浓度显著降低了二分之一以上，降低的无机砷含量大于降低的有机砷含量。