CN119681006B - 一种巨型稻再生落干栽培修复镉污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，属于土壤污染治理技术领域，该修复方法包括：在自然年的上半年，在被Cd污染的稻田按常规方法栽培巨型稻；巨型稻成熟收割后，留茬7cm‑20cm，而后灌水施肥再生；待分蘖期后，排干稻田水分，实行不灌水落干栽培；再生巨型稻成熟时收割，稻草收走不回田。该方法通过选择大生物量的巨型稻，通过落干栽培提高巨型稻的Cd浓度，从而克服大生物量植物Cd浓度普遍较低的缺陷，实现高效低成本植物提取农田土壤Cd，从而实现低成本、高效的Cd污染土壤修复。

Description

一种巨型稻再生落干栽培修复镉污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及于土壤污染治理技术领域，尤其涉及一种应用巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法。

背景技术

镉(Cd)作为一种广泛存在的重金属污染物，因其易于在生物体内积累，对土壤、水体及农作物造成了严重污染，进而通过食物链对人类健康构成潜在威胁。农田土壤中的Cd污染已成为当前亟待解决的环境问题之一。

针对土壤Cd污染问题，现有的治理技术主要包括物理法、化学法和生物法三大类。物理法如客土法、翻土法等，虽然能有效降低土壤表层Cd含量，但工程量大、成本高，且可能引发二次污染；化学法如原位钝化修复、土壤淋洗修复等，虽然短期内效果显著，但往往治标不治本，且化学试剂的残留可能对环境造成新的危害；生物法特别是植物修复技术，因其环境友好、成本相对较低而备受关注，但现有的超积累植物如东南景天等存在生物量小、生长周期长、修复效率低、总体成本较高等问题，难以在大面积污染土壤修复中推广应用。

常规再生稻是水稻初茬收获后留下稻桩，利用稻桩上的腋芽重新分蘖再生，形成的新一茬水稻。常规再生稻能够提高水稻的收获频次，其生长周期短、生产成本低，且省工省力，是一种经济可行以及环境友好的生产方式。目前，再生稻粮食生产问题的研究主要集中在如何提高产量和经济效益，如品种筛选、增产方式、种养结合等。再生稻粮食安全问题的研究主要集中在常规再生稻的重金属转运特性以及降低再生稻重金属累积的措施。然而，目前研究人员未针对利用再生稻进行重金属污染土壤提取修复进行研究。

巨型稻拥有很强的再生能力，已成功应用于立体种养。在广东地区，巨型稻早稻和晚稻均可种植。若能将巨型稻大生物量和落干栽培提高Cd浓度的优势协调发挥出来，可能实现高效植物提取Cd，形成污染土壤的创新修复模式，由于巨型稻生产比超积累植物更容易被农民接受和实施，更能同时实现环境、社会、经济效益三丰收。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，该方法通过选择大生物量的巨型稻，通过落干栽培提高巨型稻的Cd浓度，从而克服大生物量植物Cd浓度普遍较低的缺陷，实现高效低成本植物提取农田土壤Cd，从而实现低成本、高效的土壤Cd污染修复。

一种巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，包括：

在自然年的上半年，在被Cd污染的稻田按常规方法栽培巨型稻；

巨型稻成熟收割后，留茬7cm-20cm，而后灌水施肥再生；

当巨型稻的稻桩重新分蘖，且分蘖、植株开始拔节时，排干稻田水分，实行不灌水落干栽培；

再生巨型稻成熟时收割，稻草收走不回田。

在本发明较佳的技术方案中，栽培巨型稻时，采用全程淹水或土壤湿润的水分条件进行栽培；其中，土壤湿润的水分条件为稻田面不出现裂隙，土壤表层为厌氧状态。

在本发明较佳的技术方案中，所述巨型稻成熟后，稻株的高度为160cm—220cm。

在本发明较佳的技术方案中，所述按常规方法栽培巨型稻，包括：

将秧苗移栽至大田，每亩栽插4000-6500穴左右、基本苗1.2万-1.95万株。

在本发明较佳的技术方案中，栽培巨型稻过程中，按常规水稻栽培方法对巨型稻进行施肥。

在本发明较佳的技术方案中，所述再生巨型稻成熟时收割，再生巨型稻成熟时低茬收割，留茬高度小5cm。

在本发明较佳的技术方案中，所述不灌水落干栽培，包括：

稻田地下水在稻田面以下15cm-50cm，以保持土壤表层为好氧状态。

在本发明较佳的技术方案中，所述巨型稻成熟收割后，留茬7cm-20cm，而后灌水施肥再生，包括：

在灌水施肥再生前，先晒田2天-5天，再复水至水深2cm-3cm。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，该修复方法包括：在自然年的上半年，在被Cd污染的稻田按常规方法栽培巨型稻；巨型稻成熟收割后，留茬7cm-20cm，而后灌水施肥再生；当巨型稻的稻桩重新分蘖，且分蘖、植株开始拔节时，排干稻田水分，实行不灌水落干栽培；再生巨型稻成熟时收割，稻草收走不回田。该方法通过选择大生物量的巨型稻，通过落干栽培提高巨型稻的Cd浓度，从而克服大生物量植物Cd浓度普遍较低的缺陷，实现高效低成本植物提取农田土壤Cd，从而实现低成本、高效的土壤Cd污染修复。该方法主要分为巨型稻的常规栽培和不灌水落干栽培两个阶段，在常规栽培阶段采用淹水生长，确保稻米安全生产，符合食品安全标准；不灌水落干栽培阶段则通过落干栽培高效提取Cd，实现了边生产边修复的目标，提高了土地利用率和经济效益。而且利用巨型稻的大生物量特性，通过落干栽培显著提高其对土壤中Cd的吸收和积累能力，克服了传统大生物量植物Cd浓度低的缺陷，实现了高效低成本的植物提取修复。与传统修复方法相比，本发明无需昂贵的设备和药剂，降低了修复成本。同时，通过控制土壤湿度和稻草处理，减少了环境污染风险，符合可持续发展的要求，具有广泛的应用前景和推广价值。

附图说明

图1是本发明提供的巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例1

巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法参照图1，本申请请求保护的一种巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，包括：

S100、在自然年的上半年，在被Cd污染的稻田按常规方法栽培巨型稻；

具体地，栽培巨型稻时，采用全程淹水或土壤湿润的水分条件进行栽培；其中，土壤湿润的水分条件为稻田面不出现裂隙，土壤表层为厌氧状态。

全程淹水或土壤湿润的栽培过程中，保持田面不出现裂隙，空气难于进入，以维持土壤表层厌氧状态，降低原生巨型稻稻米Cd含量。

S200、巨型稻成熟收割后，留茬7cm-20cm，而后灌水施肥再生；更具体地，在灌水施肥再生前，先晒田2天-5天，再复水至水深2cm-3cm。留茬7cm-20cm，能够保留更多接近地表的分蘖节，这些分蘖节是再生稻萌发的重要部位。本申请的留茬高度可以最大限度地保护这些生长点，避免在收割过程中造成损伤，从而保证再生稻的顺利萌发。但是留茬过高，会造成高节再生，易倒伏和早熟，生物量小。

S300、当巨型稻的稻桩重新分蘖，且分蘖期后，排干稻田水分，实行不灌水落干栽培。

在实际的应用中，在水稻分蘖达到预计产量要求的分蘖数量的80％左右时开始晒田，及时排水，使田面逐渐露出。

落干栽培通过改变稻田的水分状况，影响土壤中的氧化还原电位和Cd的生物有效性。在落干条件下，土壤中的Cd更易于被巨型稻根系吸收，从而提高了巨型稻对Cd的提取效率。随着巨型稻的生长，特别是在落干栽培阶段，Cd在植株体内的累积量增加，有助于后续通过收割稻草等方式将Cd从土壤中移除。落干栽培有助于巨型稻根系的生长和发育，使根系更加发达，能够更深入地吸收土壤中的水分和养分，同时也提高了对Cd的吸收能力。发达的根系增强了巨型稻的抗逆性，包括抗旱、抗倒伏等，使其在不利环境条件下仍能保持较好的生长状态。

S400、再生巨型稻成熟时收割，稻草收走不回田。

稻草收走不回田，能够减少稻草中Cd对土壤的二次污染。同时，稻草可作为生物质资源另行处理，还可以将稻草用作非农用纤维材料或生物质燃料。

上述的一种巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，该方法通过选择大生物量的巨型稻，通过落干栽培提高巨型稻的Cd浓度，从而克服大生物量植物Cd浓度普遍较低的缺陷，实现高效低成本植物提取农田土壤Cd，从而实现低成本、高效的Cd污染土壤修复。该方法主要分为巨型稻的常规栽培和不灌水落干栽培两个阶段，在常规栽培阶段采用淹水生长，确保稻米安全生产，符合食品安全标准；不灌水落干栽培阶段则通过落干栽培高效提取Cd，实现了边生产边修复的目标，提高了土地利用率和经济效益。而且利用巨型稻的大生物量特性，通过落干栽培显著提高其对土壤中Cd的吸收和积累能力，克服了传统大生物量植物Cd浓度低的缺陷，实现了高效低成本的植物提取修复。与传统修复方法相比，本发明无需昂贵的设备和药剂，降低了修复成本。同时，通过控制土壤湿度和稻草处理，减少了环境污染风险，符合可持续发展的要求，具有广泛的应用前景和推广价值。

进一步地，所述巨型稻成熟后，稻株的高度为160cm-220cm。

巨型稻拥有很强的再生能力，已成功应用于立体种养具有显著高产、抗倒伏、抗病虫害、耐淹涝等特点。在我国南部地区，巨型稻早稻和晚稻均可种植。本申请将巨型稻大生物量和落干栽培提高Cd浓度的优势协调发挥出来，实现高效植物提取Cd，形成污染土壤的创新修复模式，由于巨型稻生产比超积累植物更容易被农民接受和实施，更能同时实现环境、社会、经济效益三丰收。由于分蘖能力强、穗粒数多，巨型稻的单季产量可超过800千克/亩。

进一步地，所述按常规方法栽培巨型稻，包括：

将秧苗移栽至大田，每亩栽插4000-6500穴左右、基本苗1.2万-1.95万株。

进一步地，栽培巨型稻过程中，定期对巨型稻进行施肥。

所述再生巨型稻成熟时收割，再生巨型稻成熟时低茬收割，留茬高度小5cm。低茬收割后的稻田表面相对平整，便于后续田间管理作业。进一步地，所述不灌水落干栽培，包括：

稻田地下水在稻田面以下15cm-50cm，以保持土壤表层为好氧状态。

在落干栽培中，保持稻田地下水在稻田面以下15cm-50cm这个深度的地下水，可以使土壤表层保持相对干燥的好氧状态，有助于巨型稻能够更好地吸收土壤中的Cd。

实施例2

本实施例采用试验对本申请的Cd污染土壤修复方法进行验证，具体如下：

试验用污染土壤pH：5.27；有机质：33.51g/kg；总N：1.68g/kg；总P：0.70g/kg；总K：15.58g/kg；总Cd：1.186mg/kg。

本研究在通风有光照的网室内开展。试验开始前，土壤过2cm筛后装进种植盆，每盆装风干土2kg，然后将种植盆移进塑料筐(80cm×60cm×40cm)内，用自来水使土壤饱和。提前用塑料培养箱培育巨型稻幼苗，4周后进行移栽。第一茬巨型稻在土面保持1-2cm水层的淹水条件下种植，种植密度为1棵/盆，每棵有3株秧苗。成熟时收获，留茬约20cm，再生，冬季闲田时间继续栽培，并设置三种不同处理：(1)淹水栽培、(2)淹水栽培+醋酸、(3)落干栽培，具体试验设置如表1所示，每个处理重复三次。上述淹水为：使水面保持高于土壤表面1-2cm；落干为：前期在湿润的水分条件生长，待分蘖期后排水，使水面低于土壤表面10-15cm；醋酸添加量：每盆(2kg土)添加20ml冰醋酸。

表1盆栽试验实施方案设计

初生和再生巨型稻，分为籽粒、秸秆分别采集，测定其生物量和含水率。水稻收割后用土壤采样器采集表层土，于无污染处自然风干。

不同部位植物样品在70℃烘箱中杀青30min，55℃烘干至恒重，再用粉碎机粉碎，过100目筛，置于密封塑料袋内。采取四分法取土制样并挑出可见植物根系，用电动玛瑙研钵研磨后分别过20目和100目孔径筛，贮存于封口袋内。

植物、土壤全Cd分别根据国家标准方法(GB5009.15-2014)和环境标准方法(HJ832-2017)，用微波消煮-火焰或石墨炉原子吸收光度法测定(HITACHI，Z-2700/Z-2300)，并用分别国家标准物质(GBW(E)100348a)、(GBW07405a)检验测定结果。用0.1mol·L^-1氯化钙(DB35/T860-2008)提取土壤有效态Cd，用石墨炉原子吸收分光光度计测定提取液中的Cd浓度。土壤pH采用pH计测定，水土比2.5:1。

不同处理下巨型稻生物量、Cd含量如表2所示。相比于初生稻，冬季再生巨型稻生物量有所下降(空白组淹水条件下降39％)。再生稻中，与空白组相比，添加醋酸会降低巨型稻秸秆生物量，而落干条件对巨型稻的生物量无明显影响。初生巨型稻在淹水条件下，其籽粒和秸秆Cd含量均较低，分别为0.030、0.274mg·kg^-1，稻米在安全标准(≤0.2mg·kg^-1)范围内。再生稻中，淹水条件下，巨型稻的秸秆Cd浓度较低，为0.362mg·kg^-1。添加醋酸后，再生巨型稻秸秆的Cd浓度明显提高，为3.86mg·kg^-1。在落干条件下，再生巨型稻秸秆Cd浓度最高，为12.54mg·kg^-1。

表2不同处理的巨型稻生物量和Cd含量

注：第二茬巨型稻再生各处理中T1为淹水，T2为淹水+醋酸，T3为落干。数据以平均值±标准差表示(n＝3)。由于初生巨型稻各处理完全一样，Cd含量共用一组数据。

上述结果表明，前茬初生巨型稻淹水生长，能够生产Cd安全稻米。后茬再生稻中，添加醋酸对秸秆Cd浓度的提高效果不理想；而采用落干条件，能极显著提高秸秆Cd浓度，有助于利用再生巨型稻提取土壤Cd。

在巨型稻Cd提取量方面(表3)，淹水条件下再生巨型稻秸秆对土壤Cd的提取量极低，为0.0123mg·株-¹；添加醋酸或保持落干条件，再生巨型稻秸秆Cd提取量显著提高，单株提取量分别为0.1099、0.4382mg。再生巨型稻对土壤Cd的提取率，落干操作是添加醋酸的4倍，分别为5.36％和19.20％，这说明落干操作对提高再生巨型稻Cd提取的效果优于添加醋酸。测定土壤得到的T2、T3对土壤Cd的去除率分别为11.01％、18.14％，结果表明：再生巨型稻对土壤Cd去除效果，落干处理优于添加醋酸(淹水)。

表3不同处理的巨型稻Cd提取量和土壤Cd去除率

注：第二茬巨型稻再生各处理中T1为淹水，T2为淹水+醋酸，T3为落干。提取率＝植物提取量/土壤起始总含量；去除率＝土壤下降量/土壤起始含量。

实施例3

本实施例采用增城丝苗、巨型稻、皇竹草种茎等三种试验品对本申请的对本申请的Cd污染土壤修复方法进行验证，具体如下：

试验土壤性状见表4。

表4供试土壤的化学性质和Cd含量

注：数据以平均值±标准差表示(n＝3)。

试验设置4个处理，每个处理重复三次，采用随机排列。具体如表5所示，T1：上下半年均种植丝苗作为常规稻对照，上半年淹水栽培，下半年落干栽培；T2：上半年种植巨型稻，下半年重新种植巨型稻，水分管理相同；T3：上半年种植巨型稻，下半年再生巨型稻，水分管理相同；T4：上半年种植巨型稻，下半年则种植皇竹草，水分管理相同。

土柱(PVC管)内径15cm、高度为50cm，从下往上结构为：石英砂(5cm)、无污染土壤(20cm)、Cd污染土壤(20cm)。试验开始前，土壤过2cm筛后装进土柱，土壤容重为1.25g·cm^-3，每层用土为4.5kg。将土柱移进塑料材质的大水箱(800L，150cm×120cm×60cm)内，用自来水使土壤饱和。

水稻幼苗在塑料培养箱育秧4周后进行移栽，每个土柱种植1棵，每棵有3株秧苗。剪取5cm长度的皇竹草种茎先进行育苗，并与水稻同时移栽。上半年种植过程中全程保持淹水1-2cm；下半年种植早期保持淹水1-2cm，分蘖期后落干栽培(使水面保持低于土壤表面15-20cm)。

表5土柱试验实施方案设计

皇竹草收获时，测定其地上部生物量及含水率。初生和再生水稻，分为籽粒、秸秆分别采集，测定其生物量和含水率。种植植物后用土壤采样器采集表层土，于无污染处自然风干。

结果如表6所示，在晚稻落干条件下，相比于新生稻(早稻和晚稻)，再生巨型稻籽粒生物量有所下降，秸秆收获量无明显变化，而生物量最大的为皇竹草。

表6不同处理植物的生物量、Cd浓度

注：数据以平均值±标准差表示(n＝3)。其中，下半年Cd浓度为两次结果按重量加权平均值。采用Duncan检验，同一行不同字母表示有显著性差异(P<0.05)。

早稻淹水条件下，巨型稻与丝苗籽粒Cd浓度均较低，分别为0.008、0.006mg·kg^-1，稻米符合食品安全标准。晚稻落干条件下，巨型稻(新生或再生)以及丝苗的籽粒Cd浓度均较高，不适合作为粮食。落干条件下，再生巨型稻秸秆Cd浓度为16.03mg·kg^-1，显著高于新生巨型稻、丝苗和皇竹草。上述结果表明，前茬初生巨型稻淹水生长，能够生产Cd安全稻米。后茬再生巨型稻落干生长，其秸秆Cd浓度显著高于丝苗和皇竹草。

表7植物提取量结果显示，早稻淹水条件下，巨型稻和丝苗秸秆对土壤Cd的提取量极低。晚稻落干条件下，不同处理秸秆对土壤Cd的提取量显著提高，且差异显著。皇竹草和丝苗秸秆的Cd提取量分别为0.5336、0.3521mg/盆，明显低于巨型稻。对于巨型稻，再生稻的Cd提取量是原生的1.98倍，分别为1.168、0.589mg/盆。

表7不同处理植物Cd提取量(mg/盆)

注：数据以平均值±标准差表示(n＝3)。采用Duncan检验，同一行不同字母表示有显著性差异(P<0.05)。提取率＝植物提取量/土壤起始总含量。

T1/T2/T3/T4的Cd植物提取率分别为8.55％、13.08％、23.17％以及9.60％，即植物对土壤Cd的提取效率：再生巨型稻＞巨型稻＞皇竹草＞丝苗。这些结果说明，对于巨型稻，再生后落干生长的Cd提取效果优于巨型稻重新种植，也显著优于生物量更大的皇竹草。再生巨型稻植物提取率达到23％，也高于大部分报道的东南景天盆栽试验结果，表明再生巨型稻对土壤Cd具有较好的提取能力。

本研究采用的试验表层土壤Cd污染浓度为1.186mg·kg^-1，属于中度Cd污染土。如表8所示，经过修复后，T1、T2、T3、T4土壤Cd的去除效率分别为14.04％、20.96％、30.50％以及21.66％。T2对土壤Cd的去除效率优于T1，说明巨型稻对土壤Cd的去除效率显著优于普通水稻(丝苗)。对比T2/T3/T4，植物对土壤Cd的去除效率：再生巨型稻＞巨型稻≈皇竹草。该结果表明，在落干条件下，再生巨型稻对土壤Cd的修复效果显著优于新生巨型稻和皇竹草。因此，再生巨型稻落干生长对土壤Cd具有很好的去除效果。

表8不同植物处理对土壤Cd及其去除率的影响(mg·kg^-1)

注：数据以平均值±标准差表示(n＝3)；其中，T2/T3/T4上半年完全一样，共用一组数据。去除率＝土壤下降量/土壤起始含量。

再生稻不需要翻耕、播种、插秧；其病虫害较少，通常无需喷洒农药，在初茬收获前(7-10天)以及收获后(2-3天)，各追施一次肥料即可。因此，再生巨型稻生产成本低，省工省力，是一种经济可行的修复方式。

综上所述，本申请原创性地提出了利用巨型稻“初生稻淹水生长+再生稻落干栽培”的安全利用+植物修复种植模式，可实现“前阶段安全生产稻米、后阶段高效提取Cd”的目标。该方法可以实现土壤Cd的低成本高效提取修复，并做到边生产边修复，为Cd污染土壤修复提供了新的思路和方法，具有重要的推广价值。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，其特征在于，包括：

在自然年的上半年，在被Cd污染的稻田按常规方法栽培巨型稻；所述巨型稻成熟后，稻株的高度为160cm-220cm；

巨型稻成熟收割后，留茬7cm-20cm，而后灌水施肥再生，在灌水施肥再生前，先晒田2天-5天，再复水至水深2cm-3cm；

当巨型稻重新分蘖，且分蘖期后，排干稻田水分，实行不灌水落干栽培；

再生巨型稻成熟时收割，稻草收走不回田；所述再生巨型稻成熟时收割，再生巨型稻成熟时低茬收割，留茬高度小于5cm。

2.根据权利要求1所述的巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，其特征在于：

栽培巨型稻时，采用全程淹水或土壤湿润的水分条件进行栽培；其中，土壤湿润的水分条件为稻田面不出现裂隙，土壤表层为厌氧状态。

3.根据权利要求1所述的巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，其特征在于：

所述按常规方法栽培巨型稻，包括：

将秧苗移栽至大田，每亩栽插4000-6500穴、基本苗1.2万-1.95万株。

4.根据权利要求1所述的巨型稻再生落干栽培修复Cd污染土壤的方法，其特征在于：

所述不灌水落干栽培，包括：

稻田地下水在稻田面以下15cm-50cm，以保持土壤表层为好氧状态。