CN115502198B - 一种轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，包括以下步骤：S1、水稻种植前，将调理剂以总量300‑800kg/亩均匀施入土壤表层后，种植水稻，所述调理剂包括按重量份计的海泡石30‑40份、生物质炭50‑70份、生物菌剂0.2‑0.5份，所述海泡石经高温活化，冷却、干燥得到；S2、在水稻收割前种植得固碳植物；S3、下季水稻种植前将固碳植物浅耕还田。本发明优点在于既降低稻米中重金属的含量，提升稻米品质，同时，通过复配调理剂和固碳植物对土壤碳的协同固定作用，增强土壤固碳能力，以及促进植物生长吸收空气中的CO2，碳素通过根系汇入土壤碳库中，进一步提高了土壤碳汇，减少农业碳排放。
Description
技术领域
本发明涉及重金属污染农田治理，特别是一种轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，主要包括秸秆碳化利用，降低稻米重金属含量，提高土壤碳库容量，轮作固碳植物协同增强土壤固碳能力，增加土壤碳汇。
背景技术
中国力争到2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和(“双碳”目标)。农业减碳增汇，需从农业生态系统的角度出发，从种植制度、物质循环、耕作模式、生产过程管理等全过程兼顾，形成绿色循环系统。具体有以下路径：(1)通过物质循环实现土壤增汇减排。从农业生产来看，除了源头投入的减量控制，还要重视末端物质的循环利用，如农作物秸秆等。通过发展生态循环农业模式与技术，既可以减少部分投入，也可提高土壤固碳能力，减少废弃物污染和排放。(2)通过调整种植制度实现固碳、减碳。发展绿色低碳种植制度，通过作物与其他功能性植物合理的轮作、间作、套作等多种种植模式，有效地固定CO2，并减少碳排放。目前针对农业生产各个环节的研究很多，而着眼于整个农业绿色循环的技术模式还较为少见。
另外，土壤重金属污染也是农业生产较为突出的环境问题。重金属镉是我国受污染农田中常见的无机污染物之一，它可以通过食物链在生物体内富集，从而威胁食品安全以及人类健康。据不完全统计，我国农田重金属镉污染已达到2万hm2，年产量镉含量超标的农产品达14.6亿kg，且有日益加重的趋势。土壤钝化修复技术是通过吸附、络合、稳定等作用，降低土壤镉的生物活性，减少其在稻米中的含量，从而达到食品的安全生产，且操作简单、经济有效，成为目前较为主流的农田修复技术。但在“双碳”战略的新要求下，势必要在农田修复领域寻求新的技术模式，既能满足农业减碳增汇的需求，又能保证食品的安全生产，这就给农业生产领域提出了新的发展研究方向。
公开号为CN106083377A的中国专利公开了一种水稻降镉生物炭基多元复配土壤调理剂及其应用，土壤调理剂包括稻壳炭、稻壳提取液、细胞分裂素生产菌菌剂、腐殖酸原粉和海泡石；该发明单独采用土壤调理剂对农田进行原位钝化修复。其中采用海泡石为普通海泡石，主要作用是粘合剂，通过该土壤调理剂虽然能降低水稻籽粒中的镉元素含量，从而提高稻米品质，但是其主要是通过添加稻壳炭来提高土壤碳含量，而不是从调理剂特殊结构方面进行增强固碳，因此需要研发一种轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，在降镉的同时能明显提高农田固碳效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，降低土壤重金属活性，降低稻谷镉含量，增强土壤固碳能力。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，包括以下步骤：
S1、水稻种植前，将调理剂以300-800kg/亩的用量均匀施入土壤表层后，种植水稻，所述调理剂包括按重量份计的海泡石30-40份、生物质炭50-70份、生物菌剂0.2-0.5份，所述海泡石经高温活化，冷却、干燥得到；
S2、在水稻收割前种植得固碳植物；
S3、下季水稻种植前将固碳植物浅耕还田。
本发明将生物质炭结合高温活化后的海泡石、生物菌剂复配施入土壤，增加土壤碳封存能力，降低土壤重金属活性，降低稻谷镉含量；复配调理剂和轮作固碳植物对土壤碳的协同固定作用，增强了土壤固碳能力，也促进植物(包括水稻和固碳植物)生长吸收空气中的CO2，碳素通过根系汇入土壤碳库中；此外，固碳植物还田后增加土壤肥力，提高水稻产量，进一步增加土壤碳汇，是一种修复成本低、修复效果好且经济价值高的固碳降镉且绿色循环的方法。
种植固碳植物吸收空气中的CO2，固定到植物体内，还田后增加土壤肥力，同时将固定的碳汇入土壤碳库中。
在本发明的一个优选的实施例中，所述海泡石高温活化的温度为160-200℃，时间为4-6小时。此温度下活化，更大程度的增加海泡石的孔隙度，增加比表面积，从而提高其吸附性能，固碳效果更好。
在本发明的一个优选的实施例中，所述调理剂中海泡石和生物质炭的重量比为40：60。该比例下稻米降镉率值显著增加，且土壤有机碳增加率值显著增加。
在本发明的一个优选的实施例中，所述调理剂的用量为200-600kg/亩，优选地，所述调理剂的用量为400-600kg/亩。该用量可明显提高稻米降镉率值和土壤有机碳增加率值。
在本发明的一个优选的实施例中，所述调理剂的制备方法包括以下步骤：
将生物质炭和生物菌剂按照重量比混合均匀，于28-30℃腐熟2-3天，制得被菌剂固定的生物质炭备用；
将所述被菌剂固定的生物质炭与海泡石混合均匀即得。
先将生物炭和微生物一起腐熟后再与海泡石混合，主要是生物炭的孔隙结构和海泡石的层链状结构能最大程度的保证微生物的活性，为后续固碳生长提供更大潜力。
在本发明的一个优选的实施例中，所述生物质炭的制备方法为将水稻秸秆粉碎，置于碳化炉中300-600℃缺氧条件下碳化，在再经研磨、筛分得到。该温度范围下，生物炭的含碳量损失不明显，温度过高碳含量会大大降低，减弱生物炭的固碳能力。
在本发明的一个优选的实施例中，所述生物菌剂包括固碳菌、固氮菌和根瘤菌其中的一种或多种。这些微生物能与所选固碳植物形成很好的协同作用，既能促进植物生长，同时又能把土壤中和根际分泌物中的碳固定下来，提高土壤碳汇能力。
在本发明的一个优选的实施例中，所述固碳植物包括紫花苜蓿、紫云英中的一种或两种。此种植物易于生长，常做绿肥及牧草使用，固碳能力强，还田后能增加土壤肥力和土壤碳汇。
在本发明的一个优选的实施例中，所述轻中度重金属污染农田中重金属的含量为0.3-1.5mg/kg。本发明在此污染程度下能达到很好的降镉效果，基本可以生产出安全的稻米，如超出此范围，稻米的安全性无法得到保障。
在本发明的一个优选的实施例中，所述的固碳植物种子用量为1-3kg/亩。此用量下，植物的生物量能达到最大。
在本发明的一个优选的实施例中，S2中在水稻收割前7天向田中撒下固碳植物种子。
在本发明的一个优选的实施例中，S3中下季水稻种植前10-15天将固碳植物浅耕还田。
在本发明的一个优选的实施例中，所述浅耕还田的深度为8-15cm；优选地，所述浅耕还田的深度在9-11cm，浅耕9-11cm既能满足水稻生长基本需求，又尽可能的减少对土壤的扰动，对固碳起到一定的促进作用。
在本发明的一个优选的实施例中，所述调理剂pH为9.0-11.0。
在本发明的一个优选的实施例中，复配调理剂在水稻种植前5-7天均匀施入土壤表层，翻耕，混合均匀。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
(1)本发明复配调理剂对土壤碳具有固碳作用，同时可降低稻米中镉含量。
(2)本发明复配调理剂和轮作固碳植物对土壤碳的协同固定作用，增强了土壤固碳能力，也促进植物(包括水稻和固碳植物)生长吸收空气中的CO2，碳素通过根系汇入土壤碳库中，增加了土壤碳汇。本发明中的高温活化海泡石与其它复配调理剂、轮作固碳植物协同作用，显著提升土壤有机碳增加率。
(3)本发明采用水稻秸秆制碳复配调理剂钝化土壤重金属，利用农闲季轮作固碳植物，秸秆生物质碳和固碳植物还田后提升地力，增加土壤碳汇，是一种边治理、边生产、边固碳的绿色循环种植模式。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。实施例中技术未具体注明则按照本领域文献及规则选取。所用材料及试剂未注明者均为市场购买得到正规产品。
实施例1
盆栽试验：本实施例采用土壤盆栽试验研究本发明中调理剂不同比例配方和剂量对稻田土壤有机碳、稻米镉含量的影响。供试土壤采自长沙某地试验田，土壤pH值为6.03，土壤全镉1.06mg/kg，土壤有机质26.14g/kg。
在土壤装盆前，在土壤中添加不同比例配方和不同剂量的调理剂，与土壤混匀后装盆，添加水，保持土壤含水量60％，平衡3天后，每盆移栽3株长势一致的水稻苗。试验调理剂设计3个不同比例配方，3个不同的投加量，另设1个空白对照，共10个处理(如下表1)，每个处理设计3个重复。水稻秸秆生物质炭中总碳含量为68.5％。生物菌剂为等量的固碳菌、固氮菌和根瘤菌。
表1盆栽试验处理模式
在调理剂混匀后装盆前，采集土样进行有机碳测定，在水稻成熟收获时，采集土壤样和稻谷，将土壤中根系挑除后风干、过0.25mm筛进行土壤有机碳含量检测，稻谷晒干，脱壳、打碎混匀后，检测稻米中镉含量。检测结果如下表2所示。
表2盆栽试验数据结果
从试验结果(表2所示)分析，与对照处理相比，添加复配的调理剂处理均能提高土壤中有机碳含量和降低稻米中镉含量的效果。添加量为0.27％土壤质量的处理(处理C4、C5和C6)和0.4％土壤质量的处理(处理C7、C8和C9)土壤有机碳增加率值和稻米降镉率值显著高于添加量为0.13％土壤质量的处理(处理C1、C2和C3)。在添加量为0.27％土壤质量的处理和0.4％土壤质量的处理中，调理剂配方为海泡石40份、生物质炭60份、生物菌剂0.3份的处理(处理C5和处理C8)土壤有机碳增加率值均显著高于处理C6和处理C9，稻米降镉率值均显著高于处理C4和处理C7。处理C5土壤有机碳增加率和稻米降镉率与处理C8没有显著差异。在稻米降镉土壤固碳同等效果下，用量少的处理C5比处理C8成本更低，更适用大田推广。由此可知，复配组分为海泡石40份、生物质炭60份、生物菌剂0.3份，添加剂量为0.27％土壤质量的土壤调理剂是最佳的配方组成和添加剂量。
实施例2
小区示范试验：本实施例采用小区示范试验研究本发明对镉污染稻田有机碳、稻米镉含量以及产量的影响。供试土壤为实施例1土样所在的田块土壤。
主要实施以下步骤：
1)水稻种植前将重量份计的海泡石40份、生物质炭60份、生物菌剂0.3份(生物菌剂为等量的固碳菌、固氮菌和根瘤菌)，混合均匀制得复配调理剂，以总量400kg/亩均匀施入土壤表层，按照正常栽培方式进行水稻种植；
2)在水稻收割前7天向田中撒下紫花苜蓿种子2kg/亩；
3)下季水稻种植前10-15天将固碳植物浅耕还田。
调理剂的制备方法包括以下步骤：
1)按比例将生物质炭和生物菌剂按照比例混合均匀，置于发酵罐中在28-30℃腐熟2-3天，备用；
2)将海泡石与步骤1)所得的被菌剂固定的生物质炭混合均匀，得到干料即可。
实验设计：
在同块稻田中设置4个处理，每个处理3个重复，每个实验小区30m2(5m×6m)，共计12个小区，所有实验小区随机排列。
实验前采集基础土样进行检测，土壤pH为6.01，Cd全量为0.93mg/kg，有机质含量为29.54g/kg。
实施例各个处理小区的操作管理具体以下步骤：收集稻田上季稻草，按照权利说明制得本实施例所用生物质炭，按照权利说明混合制得所需调理剂。水稻种植前5天均匀撒施，翻耕混合均匀，按照种植习惯施入基肥，移栽秧苗。调理剂施加量为400kg/亩，待水稻成熟收割前7天播撒紫花苜蓿种子2kg/亩。下季水稻种植前15天将紫花苜蓿浅耕还田后进行水稻种植。实施例各处理设置具体如下表3。
表3试验田各小区处理方式
其中，CK不做任何处理，按照种植习惯正常生产，水稻秸秆离田。A、B、C按照各处理进行实施，肥料、农药及田间管理各处理均保持一致。分别在撒施调理剂翻耕混匀后采集土壤样品，检测有机碳含量，在水稻收割时采集土壤和稻谷样品，检测土壤有机碳含量、稻米镉含量及水稻产量，在紫花苜蓿浅耕还田之前采集土壤样品，检测土壤有机碳含量。土壤有机碳检测前需将采集土壤中根系挑除后再风干、过0.25mm筛、混匀后再进行检测，稻谷中镉含量检测前需将采集的稻谷晒干、脱壳、打碎混匀后再进行检测。水稻秸秆生物质炭中总碳含量为68.5％。检测结果如下表4所示。
表4试验田土壤有机碳、稻米镉含量及产量
从试验结果(表4所示)分析，与对照处理相比，A、C处理能显著降低稻米中镉含量，且降低率达到40％以上；紫花苜蓿浅耕还田前采集土壤中有机碳含量的检测数据表示，B处理和C处理能显著提高土壤有机碳含量，且C处理土壤有机碳含量和土壤有机质增加率显著高于A处理和B处理，且土壤有机质增加率大于A处理和B处理两者之和，说明土壤调理剂和紫花苜蓿对土壤的固碳作用是相互促进的作用。由此可知，种植水稻前撒施复配调理剂和轮作固碳植物紫花苜蓿组合达到了最佳的试验效果，使土壤有机碳含量提升了27.53％，除去调理剂中生物质碳带入约6％有机碳外，还提升了21％以上的碳汇能力，远高于单一撒施复配调理剂或种植紫花苜蓿的固碳效果，同时稻米中镉含量降低了43.03％，达到了国家食品中污染物限量标准，且水稻产量增加了5％左右。可见本发明在轻中度重金属污染农田降镉固碳表现出明显的效果，且操作简单、农业生产者容易接受，特别是在“双碳”目标下，在农业领域具有良好的推广应用前景。
对比例1
本对比例包含2个未添加海泡石的处理a和c，与实施例2同地同时开展，除未添加海泡石外，处理a其它工艺参数与实施例2中A处理相同，处理c其它工艺参数与实施例2中C处理相同。检测结果如下表5所示，其中表中处理CK、处理A、处理B和处理C为实施案例2检测数据。
表5试验田土壤有机碳、稻米镉含量及产量
从试验结果(表5所示)分析，在水稻收获期，未添加海泡石的a处理稻米降镉率和土壤有机碳增加率相比A处理低，在紫花苜蓿浅耕还田前，2个处理土壤有机质含量差异不显著。根据紫花苜蓿浅耕还田前采集土壤中a处理、B处理和c处理有机质检测数据分析可知，c处理土壤有机质含量和有机质增加率高于a处理和B处理，但土壤有机质增加率稍低于a处理和B处理土壤有机质增加率之和，说明未添加海泡石的调理剂和紫花苜蓿的协同固碳增强作用不明显，综合另外，对比C处理和c处理，c处理土壤中有机碳增加率显著低于处理C，进一步说明添加海泡石能显著提升调理剂和紫花苜蓿的协同固碳作用。
对比例2
本对比例与实施例2的区别在于调理剂分别采用活化的海泡石、未处理活化的海泡石、复配调理剂(其中采用未活化的海泡石)。本对比包含处理D、处理d和处理E 3个处理，与实施例2同地同时开展。处理D为只添加本发明活化的海泡石的调理剂，生物质炭和生物菌剂不添加，处理d为只添加未处理活化的海泡石的调理剂，生物质炭和生物菌剂不添加，处理E为海泡石改成未活化的海泡石，调理剂其他成分不变，3个处理其它工艺参数均与实施例2中C处理相同。检测结果如下表6所示，其中表中处理CK、处理B和处理C为实施案例2检测数据。
表6试验田土壤有机碳、稻米镉含量及产量
从试验结果(表6所示)分析，在水稻收获期，只添加本发明活化的海泡石的调理剂D处理土壤有机碳含量相比CK处理差异不显著，说明本发明活化的海泡石固碳作用不明显；在紫花苜蓿浅耕还田前，D处理土壤有机碳含量显著高于B处理，而只添加未处理活化的海泡石的调理剂d处理土壤有机碳含量与B处理差异不显著，说明经过本发明活化的海泡石对紫花苜蓿固碳协同作用显著。此外，在水稻收获期，E处理土壤有机碳含量显著低于C处理，说明经过本发明活化后的海泡石与生物质碳、微生物菌剂混配后，增强了土壤调理剂的土壤固碳能力。
Claims (8)
1.一种轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、水稻种植前，将调理剂以200-600 kg/亩的用量均匀施入土壤表层后，种植水稻，所述调理剂包括按重量份计的海泡石40份、生物质炭60份、生物菌剂0.3份，所述海泡石经高温活化，冷却、干燥得到；
S2、在水稻收割前种植固碳植物；
S3、下季水稻种植前将固碳植物浅耕还田；
所述海泡石高温活化的温度为160-200 ℃，时间为4-6小时。
2.根据权利要求1所述的轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，其特征在于，所述调理剂的用量为400-600 kg/亩。
3.根据权利要求1所述的轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，其特征在于，所述调理剂的制备方法包括以下步骤：
将生物质炭和生物菌剂按照重量比混合均匀，于28-30 ℃腐熟2-3天，制得被菌剂固定的生物质炭备用；
将所述被菌剂固定的生物质炭与海泡石混合均匀即得。
4.根据权利要求1所述的轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，其特征在于，所述生物质炭的制备方法为将水稻秸秆粉碎，置于碳化炉中300-600 ℃缺氧条件下碳化，在再经研磨、筛分得到。
5.根据权利要求1所述的轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，其特征在于，所述生物菌剂包括固碳菌、固氮菌和根瘤菌其中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，其特征在于，所述固碳植物包括紫花苜蓿、紫云英中的一种或两种。
7.根据权利要求1-6任一项所述的轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，其特征在于，所述轻中度重金属污染农田中重金属的含量为0.3-1.5 mg/kg。
8.根据权利要求1-6任一项所述的轻中度重金属污染农田固碳降镉的方法，其特征在于，所述的固碳植物种子用量为1-3 kg/亩。
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