CN114605205A

CN114605205A - 一种可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂及应用

Info

Publication number: CN114605205A
Application number: CN202210288091.8A
Authority: CN
Inventors: 王文勇; 毕德; 王青玲; 朱仁凤; 葛延妍; 吴龙华; 赵学强; 胡鹏杰; 骆永明
Original assignee: Jiangsu Firefly Environmenta Science Technology Co ltd; Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Jiangsu Firefly Environmenta Science Technology Co ltd; Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2022-06-10

Abstract

本发明提出了一种可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂，复配土壤调理剂以质量份数计，包括生石灰6‑45份，海泡石50‑60份，氧化铁粉7‑12.6份，有机硒肥5份，氯化钾5份以及腐殖酸2‑4份。本发明通过调节土壤pH值、吸附、络合、拮抗等作用，降低土壤镉生物有效性，进而降低稻米镉含量，实现水稻安全生产，有机硒肥的存在增加了稻米硒含量，能够有效提高稻米品质，同时可降低水稻秸秆镉含量，降低秸秆还田时对农田土壤的二次污染风险。

Description

一种可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂及应用

技术领域

本发明涉及耕地污染治理技术领域，尤其涉及一种可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂及应用。

背景技术

随着工业化的快速发展和农业生产活动中化学品的大量使用，农田土壤重金属污染问题日趋严重，其中Cd的污染最为突出(参见骆永明，滕应：“中国土壤污染与修复技术研究进展与展望”，《土壤学报》，2020，57[05])。与其他谷类作物相比，水稻根系更容易吸收Cd；在以稻米为主食的地区，人体摄入Cd总量超过一半来源于稻米，Cd过量积累可威胁人体健康(参见SONG Y,WANG Y B,MAO W F：“Dietary cadmium exposure assessment amongthe Chinese population”，《PLoS One》，2017，12[5])。因此，采取有效的措施实现Cd污染土壤上稻米的安全生产十分必要。

稳定修复是一种污染土壤原位治理技术，该技术通常因具有成本低、操作简单、边生产边修复的特点，而被广泛关注和应用。常见的土壤调理剂有石灰、磷酸盐、黏土矿物、生物质炭、有机肥等(参见李英，朱司航，商建英：“土壤镉和砷污染钝化修复材料及科学计量研究”，《农业环境科学学报》，2019，38[09])。已有研究表明，调理剂可以通过提高土壤pH和增加活性吸附位点来实现对重金属的吸附固定，如施加石灰可以提高土壤pH，促进土壤中的重金属吸持或沉淀以减少有效态Cd的浓度，降低作物对Cd的吸收量(参见刘勇，刘燕，朱光：“石灰对Cu、Cd、Pb、Zn复合污染土壤中重金属化学形态的影响”，《环境工程》，2019，37[02])。而黏土矿物或改性黏土矿物因其表面存在大量的负电荷和丰富的羟基等官能团，可与土壤中重金属发生吸附或络合等反应，降低重金属在土壤中的迁移性和生物有效性(参见李英，商建英，黄益宗：“镉砷复合污染土壤钝化材料研究进展”，《土壤学报》，2021，58[04])。近年来，以石灰和黏土矿物为主要成分的复合土壤调理剂已有较多的研究和应用，但仍存在一些不足。以石灰为主要成分的复合调理剂在酸性土壤中，外界环境条件的改变会导致土壤中稳定的重金属再次活化释放，并且有研究指出过量施用石灰会导致土壤板结甚至造成农作物死亡(参见赵莎莎，肖广全，陈玉成：“不同施用量石灰和生物炭对稻田镉污染钝化的延续效应”，《水土保持学报》，2021，35[01])。以凹凸棒和海泡石等黏土矿物为主的调理剂虽然能有效降低土壤Cd的生物有效性，但却因施用量大、成本高等因素的影响，在受污染农田土壤中应用时仍然较难推广(参见于春晓，张丽莉，杨立杰：“镉钝化剂与尿素配施对土壤镉钝化效果的影响”，《生态学杂志》，2017，36[07])。因此，探索研发施用量较小、成本较低、环境友好、稳定效果好的复配土壤调理剂，对于快速有效推广土壤修复技术、保障粮食安全具有重要而现实的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂及应用，提供一种施用量较小、成本较低、环境友好、可有效降低污染农田稻米镉含量的土壤调理剂。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂，复配土壤调理剂以质量份数计，包括生石灰6-45份，海泡石50-60份，氧化铁粉7-12.6份，有机硒肥5份，氯化钾5份以及腐殖酸2-4份。

进一步地，于所述可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂中还包括硫酸锌，所述硫酸锌的质量份数为0-1份。

进一步地，复配土壤调理剂以质量份数计，包括生石灰30份，海泡石50份，氧化铁粉7份，硫酸锌1份，有机硒肥5份，氯化钾5份以及腐殖酸2份。

进一步地，一种可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂的应用，以100-900kg/亩的量将所述复配土壤调理剂撒施在受重金属污染农田的土壤表面并混匀土壤，保持土壤水分达到最大田间最大持水量，平衡一周后移栽水稻。

进一步地，于所述受重金属污染农田的土壤中，镉含量为0.3mg kg^-1～1.5mg kg^-1。

进一步地，所述受重金属污染的农田土壤pH值不大于7.5。

进一步地，于将复配土壤调理剂撒施在受重金属污染农田的土壤表面时，所述复配土壤调理剂的施用量为100-300kg/亩。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过调节土壤pH值、吸附、络合、拮抗等作用，降低土壤镉生物有效性，进而降低稻米镉含量，实现水稻安全生产，且增加了稻米硒含量，提高稻米品质同时可降低水稻秸秆镉含量，降低秸秆还田时对农田土壤的二次污染风险。

附图说明

参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：

图1为本发明实施例1中盆栽试验采用本发明方法处理后降低水稻糙米镉含量的效果图。

图2为本发明实施例2中盆栽试验采用本发明方法处理后降低水稻糙米镉含量的效果图。

图3为本发明实施例2中田间试验采用本发明方法处理后降低水稻糙米镉含量的效果图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

一种可降低污染农田稻米们镉含量的复配土壤调理剂，以质量份数计，包括6-45份生石灰，，海泡石50-60份，氧化铁粉7-12.6份，硫酸锌0-1份，有机硒肥5份，氯化钾5份以及腐殖酸2-4份。

于上述组分中是采用的氧化铁粉可降低稻米镉含量，在淹水还原条件下。铁(氢)氧化物发生溶解后新生成的铁氧化物会增强对Cd的吸附，同时还会与有力的Cd²⁺发生共沉淀。水稻根系表面形成的铁膜是阻隔Cd进入水稻根系及向上转运的有效屏障，铁化合物的施用可以增加游离的Fe²⁺，从而增加根表铁膜的量。研究发现添加Fe改性生物炭改良Cd污染土壤，可有效降低碳酸盐结合态Cd浓度并增加有机结合态和Fe/Mn氧化物结合态Cd浓度，且睡着土壤中铁氧化物浓度的增多，活性较高的可交换态Cd浓度逐渐降低，而文鼎的Fe/Mn氧化物结合态Cd浓度逐渐升高。Ca和Cd具有相近的外层电荷和水合离子半径，Cd²⁺可以通过转运Ca²⁺的转运通道进入植物组织，二者在根系的吸收和土壤胶体上的吸附会发生竞争，所以根系环境中Ca²⁺浓度的增加会抑制水稻根对Cd²⁺的吸收。Se和Zn对水稻Cd的吸收具有拮抗作用，有效阻隔了Cd进入植物体内，进而降低水稻糙米Cd浓度。

以每亩100～900kg的量将所述复合调理剂撒施在受重金属污染农田的土壤表面并混匀土壤，保持土壤水分达到最大田间最大持水量，平衡一周后移栽水稻。受重金属污染的农田是指受镉、铅、汞、铬、砷、铜、锌、镍等重金属污染的农田，包括安全利用类和严格管控类农田，应用于pH值低于7.5酸性、中性农田土壤，实现中轻度污染农田稻米镉含量达标(GB 2762-2017)，中轻度污染是指土壤中镉含量为0.3mg kg^-1～1.5mg kg^-1。

腐殖酸：腐殖酸施入重金属污染耕地后，可与生物有效性重金属离子发生吸附、离子交换、氧化还原、络合螯合等各种化学反应，使重金属离子稳定化，从而降低重金属离子生物有效性，减少植物对重金属的吸收量。同时，腐殖酸具有改进土壤团聚结构、保水性、通气性、渗透性，提高土壤的阳离子交换量、缓冲性能，具有土壤改良的作用。

土壤重金属含量过高，重金属的毒性对植物造成胁迫，抑制作物生长甚至导致作物死亡，而钾肥可以提高植物体内重金属抗逆性，同时，钾肥促进植物光合作用，使枝叶更厚实坚韧，提高植物抗病、抗寒、抗旱、抗盐等抗逆性，进而提高农作物在重金属污染耕地生存的能力。

锌对作物镉的吸收积累、毒性有拮抗作用，而锌缺乏会增强作物镉的积累和毒性。锌是作物正常发育所必须的微量元素，适量施用硫酸锌可以促进光合作用，催化植物体内氧化还原过程，促进植物茁壮成长，增强抗病、抗寒能力。

有机硒肥与锌相似，硒与镉的拮抗作用可以抑制作物对镉的吸收，施用适量有机硒肥可以起到降低农产品镉含量的作用。而且，硒能提高机体免疫功能，充足的硒使人体器官少受细菌、病毒的干扰或损害，防癌抗癌、抗氧化，被称为“长寿元素”。适量硒可促进植物的光合作用，起到增产的效果，且富硒农产品日益受到人们欢迎，可增加农产品的收益。

以下结合实施例对于本发明中所请求保护的可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂的技术效果进行说明，于下述实施例中，复配土壤调理剂由生石灰、海泡石、氧化铁粉、硫酸锌、有机硒肥、氯化钾和腐殖酸按质量比30：50：7：1：5：5：2混匀组成。

实施例1：

比较和探究施用低量调理剂对中性污染农田糙米镉含量的影响。

供试调理剂施用量：巯基化海泡石(SGP)0.5g kg^-1，氨基化凹凸棒(ISS)0.5g kg^-1，本发明复配调理剂(FF-01)1.3g kg^-1。

供试土壤选用太湖流域典型的Cd污染中性水稻土(简育水耕人为土)，开展稳定化效果盆栽试验。土壤经自然风干后剔除异物，碾碎、研磨后过10目尼龙网筛备用。土壤基本性质：pH＝6.71，有机质含量为4.4％，全Cd含量为0.79mg·kg^-1，高于我国土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018)的筛选值(6.5＜pH≤7.5，0.6mg·kg^-1)。

试验用水稻品种为丝苗米。

试验共包括4组处理，分别是：

(1)不施加调理剂(CK)；(2)施加SGP调理剂1.25g；(3)施加ISS调理剂1.25g；(4)施加FF-01调理剂3.25g。每组处理3次重复，每盆种植3株水稻。水稻移栽前1天施加基肥CO(NH₂)₂和KH₂PO₄各0.4g·kg^-1，分别在水稻拔节期和灌浆期追施CO(NH₂)₂和KH₂PO₄各0.6g·kg^-1。水稻拔节期烤田15天，收获前7天不再淹水但保持湿润，其余生长期均处于淹水状态。盆栽期间定期随机更换塑料盆位置。2020年7月3日移栽种苗，2020年11月4日收获。

样品分析测定：称取磨细后的糙米样品0.500g，分别加入2.0mL 30％的H₂O₂和6.0mL浓HNO₃，在105℃密闭的反应釜中消解6h，待冷却后定容、过滤。使用电感耦合等离子体质谱仪(PENexion 2000，美国)测定提取液及消解液中Cd浓度。

试验结果如图1所示，表明本发明复配土壤调理剂显著降低了中性轻度污染农田糙米Cd含量，较之CK降低率为34.7％。

实施例2：

探索本发明复配土壤调理剂对酸性污染农田糙米镉含量的影响。

供试土壤采自浙江温岭某水稻田，土壤pH值为5.42，土壤Cd含量为1.47mg kg^-1。

供试水稻品种为甬优1540。

盆栽土壤2.5kg，复配调理剂施用量为5.5g/盆，设置CK和FF-01两个处理，每个处理10个重复。

试验结果如图2-3所示，表明本发明复配土壤调理剂显著降低了酸性中度镉污染农田糙米Cd含量，较之CK降低率为20.9％。

实施例3：

探索本发明复配土壤调理剂在田间试验对糙米镉含量的影响。

试验处理包括CK(对照)、100kg/亩、200kg/亩和300kg/亩。试验小区面积20m²(5m×4m)，每个处理设置3次重复。

试验小区土壤全Cd范围为0.74±0.11(0.55-1.05)mg kg^-1，pH范围为5.54±0.11(5.43-5.69)。2021年6月，复配土壤调理剂(FF-01)及施入土壤，并与土壤混匀，平衡后一周后，试验小区开展水稻秧苗的移栽，品种为镇糯20号。迈科珍降镉菌剂用水稻秧苗蘸根后，移栽入试验小区。

2021年10月，水稻成熟期开展样品的采集工作。植物样品洗净烘干脱壳后，用不锈钢粉碎机粉碎，酸消解后用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定Cd浓度。

田间试验结果表明，本发明复配调理剂100kg/亩、200kg/亩和300kg/亩处理的糙米Cd浓度降低率分别为43.9％、35.4％和46.7％。

上述所使用的调理剂各组分并非固定配比，可根据耕地土壤重金属污染实际状况进行调整。当重金属污染土壤pH值较低，偏酸性土壤时即土壤pH≤6.5时，可增加生石灰组分10％～50％的比例；当重金属污染土壤pH值较高，偏中碱性土壤时即土壤pH＞6.5时(中性：6.5<pH≤7.5，碱性：pH>7.5)，可减少生石灰组分30％～80％的比例；当土壤为镉、锌复合污染时，可减少硫酸锌组分30％～60％的比例或去掉硫酸锌组分；当土壤重金属有效态含量较高(在处于相同污染程度情况下，某区域目标污染物重金属的有效态含量占总量的比例，显著高于其他区域的重金属有效态含量所占比例，则该区域土壤重金属有效态含量较高)，可在上述调理剂配比基础上增加10％～20％海泡石用量、40％～80％氧化铁粉用量、50％～100％腐殖酸用量等组分的投加比例，增加复配调理剂钝化效果。

该土壤调理剂用于受重金属镉污染水稻田，通过调节土壤pH值、吸附、络合、拮抗等作用，降低土壤镉生物有效性，进而降低稻米镉含量，实现水稻安全生产，有机硒肥的存在增加了稻米硒含量，能够有效提高稻米品质，同时可降低水稻秸秆镉含量，降低秸秆还田时对农田土壤的二次污染风险。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。

Claims

1.一种可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂，其特征在于，复配土壤调理剂以质量份数计，包括生石灰6-45份，海泡石50-60份，氧化铁粉7-12.6份，有机硒肥5份，氯化钾5份以及腐殖酸2-4份。

2.根据权利要求1所述的可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂，其特征在于，于所述可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂中还包括硫酸锌，所述硫酸锌的质量份数为0-1份。

3.根据权利要求2所述的可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂，其特征在于，复配土壤调理剂以质量份数计，包括生石灰30份，海泡石50份，氧化铁粉7份，硫酸锌1份，有机硒肥5份，氯化钾5份以及腐殖酸2份。

4.一种如权利要求1-3任一所述的可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂的应用，其特征在于，以100-900kg/亩的量将所述复配土壤调理剂撒施在受重金属污染农田的土壤表面并混匀土壤，保持土壤水分达到最大田间最大持水量，平衡一周后移栽水稻。

5.根据权利要求4所述的可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂，其特征在于，于所述受重金属污染农田的土壤中，镉含量为0.3mg kg^-1～1.5mg kg^-1。

6.根据权利要求5所述的可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂，其特征在于，所述受重金属污染的农田土壤pH值不大于7.5。

7.根据权利要求4所述的可降低污染农田稻米镉含量的复配土壤调理剂，其特征在于，于将复配土壤调理剂撒施在受重金属污染农田的土壤表面时，所述复配土壤调理剂的施用量为100-300kg/亩。