CN102986428A

CN102986428A - 一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法

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Publication number: CN102986428A
Application number: CN2012104939895A
Authority: CN
Inventors: 邵国胜; 沈希宏
Original assignee: China National Rice Research Institute
Current assignee: China National Rice Research Institute
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: CN102986428B

Abstract

一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，属于水稻种植技术领域。其包括以下步骤：1）选择硫含量高的十字花科或豆科作物为前茬；2）前茬种植时施入以硫计为0.25～5.0kg/666.7m²的硫基肥，或生育盛期喷施0.05～1.0%的硫酸盐至少1-3次3）于水稻移栽前5～15天，将前茬作为绿肥，粉碎或直接翻耕入地与土壤混匀，并淹水至水稻秧苗移栽；4）年度之间重复步骤1）-3）。本发明使用的前茬搭配模式来源于农民传统生产方式，硫肥亦为传统农作措施，操作过程简单、价格低廉，使用成本低，该方法普遍适用于我国所有重、中、轻度镉污染的稻田以及农作物生产用地，能显著降低稻米中的镉含量。

Description

一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法

技术领域

本发明属于水稻种植技术领域，具体涉及一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法。

背景技术

镉作为一种有毒重金属，其对农作物的污染日益严重，农田污染面积日益扩大，在社会上已经引起了广泛镉是一种半衰期很长的有毒重金属和环境污染物，除了会引起人和动物的急、慢性中毒外，还具有较强的致癌作用。近年来，由于工业" 三废" 、污灌以及大量施用农药、肥料等原因，农田重金属污染加剧，稻米重金属安全问题日益突出。根据农业部稻米及制品质量监督检验测试中心2002年和2003年对我国各地稻米质量安全普查的结果，稻米的质量安全问题之一是镉、铅等重金属超标，超标率均超过10%，一些污染地区的稻米含镉量高达0.4-l.0mg/kg ，远超过我国谷物中镉的最高许可含量0.2mg/kg，己威胁到食物安全和人体健康，控制和降低稻米镉污染亟待解决。通过选用镉低积累品种和通过农艺技术措施降低土壤中有效态镉水平是目前控制水稻镉积累的两条重要途径。

针对当前稻田土壤以及稻米重金属镉污染日益严重的现状，国内外开展了大量有关水稻镉低积累品种筛选手口农艺栽培技术研究。水稻(稻米，下同)镉积累存在极显著的品种问差异是水稻镉低积累品种筛选的本质与基础。然水稻镉积累的品种间差异并非稳定的持久的差异，这种差异与水稻利用矿质元素的代谢途径密切相关，甚至是这些代谢途径决定了这种差异，如水稻对铁元素的利用途径就在很大程度上决定了水稻镉的积累。当前对镉低积累水稻品种的筛选并没有把上述因素考虑在内，因此筛选出来的镉低积累品种往往存在明显的地域差异，甚至年度之间也存在显著差异。在当前生产上，国内外还没有任何一个水稻品种可用于镉低积累稻米生产。

土壤中能够被植物所吸收的镉(有效态镉)是影响水稻镉吸收与积累的重要因素。因此，通过农艺栽培技术措施降低稻田土壤有效态镉含量来降低稻米镉积累是有其理论基础的。故当前有关通过稻田肥水调控、士壤pH 调控、土壤氧化还原电位调控等途径降低稻米镉积累的研究己在国内外广泛开展。肥水调控就是通过合理的施肥和水分灌溉技术来降低稻田有效态镉含量，其中长期淹水灌溉是比较有效的一条途径，然长期淹水灌溉耗费大量灌溉水，这对于水资源日益严重的我国北方地域以及一些南方干旱地域是不现实的，也不利于水稻生长，其利用价值十分有限。施用石灰提高土壤pH，降低稻田土壤有效态镉含量也是一条比较有效的技术路径，但是该技术存在极大的弊端。在土壤pH 值提高的同时，土壤中有效态铁、锌、锰、铜、镍等金属矿质营养元素含量大幅下降，严重损害水稻生长和影响稻米产量。鉴于土壤镉主要通过铁、锰、铜、锌等矿质营养元素的吸收途径而被根系所吸收与利用，通过调控土壤中的有效态铁等元素含量，已是控制水稻重金属镉积累重要途径。公开号为CN101133710A 的中国专利已经公开了利用土壤镉可通过水稻根系的铁吸收代谢途径进入植株体内这一途径，发明了通过土施整合态亚铁肥控制稻米镉积累农艺技术措施；而公开号为CN101507400A的中国专利则公开利用土壤镉可通过锰吸收途径被水稻根系吸收进入植株体内和通过锰转运途径进入地上部和籽粒的过程，发明了利用土施螯合态锰（二价）和喷施锰控制水稻镉积累的农艺技术措施。然而，利用螯合态二价金属使用量相对偏大，而且价格较高，导致成本偏高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明根据土壤有效态镉含量（浓度）是水稻根系镉吸收和积累的最关键因素，利用镉的化学特性及其不同化合物在溶液中的溶解度等，设计提供一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法的技术方案。

镉是一种过渡元素，二价镉离子属于路易斯酸（Lewis Acid，LA），其可与S²⁺（或巯基-SH）（路易斯碱）形成非常稳定的化合物。植株体内的镉可与多种巯基化合物，比如谷胱甘肽、植物螯合肽（PCs）和半胱氨酸等形成稳定的化合物，这一机制已经被普遍证实为植株镉解毒的关键机制。

硫是作物所需的中量元素，其在土壤中可分为无机硫和有机硫，无机硫通常以硫酸盐（氧化性土壤）和硫化物（厌氧性土壤）存在；而有机硫通常存在微生物、有机质和秸秆残茬中，稻田土壤中有机态硫可达土壤总硫的80%以上。秸秆还田是农业生产中的传统农作措施；施用有机肥也是农业生产上的常用施肥技术。秸秆还田和有机肥通常作为增加土壤有机质，改善土壤结构的农作技术使用。而实际上，研究也表明，秸秆还田和有机肥也是土壤中有机硫的主要来源。研究表明，施有机肥能够大幅度降低水稻植株镉积累，通常认为其主要机理可能是土壤有机质增加，进而提高了土壤的阳离子交换量，从而吸附了更多的镉离子，降低土壤溶液中的有效态镉浓度。而我们推测，有机肥中的有机硫含量较高，施有机肥提高了土壤中的有机硫，能够强烈的与土壤中的镉离子结合，导致土壤中的镉离子。从另一角度推测，施用有机肥或者利用含硫高的前茬作为绿肥还田，提高土壤有机硫，对控制后季作物如水稻的镉积累应该更为有效。而目前生产上已经明确的秸秆硫含量较高的作物有十字花科植物，如油菜、甘蓝，豆科植物，如大豆等，而通过施用硫肥可进一步明显提高其硫含量。依据巯基作为路易斯碱与镉作为路易斯酸只能能形成非常稳定的化合物，通过施用硫肥可显著提高作物秸秆硫含量，进而增加土壤有机硫这些特性，通过研究和实践，最终研制出一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于包括以下步骤：

1）选择硫含量高的十字花科或豆科作物为前茬；

2）前茬种植时施入以硫计为0.25～5.0kg/666.7 m²的硫基肥，或生育盛期喷施0.05～1.0%的硫酸盐至少2次；

3）于水稻移栽前5～15天，将前茬作为绿肥，粉碎或直接翻耕入地与土壤混匀，并淹水至水稻秧苗移栽；

4）年度之间重复步骤1）-3）。

2.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤1）中十字花科为油菜、甘蓝、芥蓝、菜薹、大头菜、大叶芥菜、多裂叶芥、花椰菜或芥菜，豆科作物为大豆、四季豆、扁豆、苜蓿、紫云英、田菁或苕子。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中前茬种植时施入以硫计为0.5～4.0kg/666.7 m²的硫基肥；或于生育盛期喷施0.1～0.75%的硫酸盐。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中前茬种植时施入以硫计为1.0～2.0kg/666.7 m²的硫基肥；或于生育盛期喷施0.25～0.5%的硫酸盐。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中硫基肥为石膏、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙、硫酸铵和硫酸镁中的一种或一种以上混合物；硫酸盐为硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵和硫酸镁中的一种或一种以上混合物。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中硫基肥直接施入土壤中，再与土壤充分混匀。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中硫酸盐先溶解在水中，再以喷雾方式进行施洒。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤3）中将前茬秸秆作为绿肥。

本发明使用的前茬搭配模式来源于农民传统生产方式，硫肥亦为传统农作措施，操作过程简单、价格低廉，使用成本低，该方法普遍适用于我国所有重、中、轻度镉污染的稻田以及农作物生产用地，能显著降低稻米中的镉含量。同时，该方法还能提高土壤有机质，为水稻生长提供硫素，还能改良稻田土壤，进而促进水稻生长和提高水稻产量。与现有技术相比，本发明完全符合农业的稻田高复种指数、多种作物搭配轮作制度，操作过程也完全复合农民的传统农作过程，也更为环保、能为广大农民所广泛接受。

具体实施方式

以下结合实施例来进一步说明本发明。

实验例1：

1.实验设计

1.1实验搭配模式：搭配模式设置为油菜-水稻、紫云英-水稻，以空闲-水稻模式对照。

1.2 不同硫含量前茬秸秆培育：将油菜、紫云英种子播种，于播种后，设置0、0.01、0.05 g/kg 硫处理（石膏），于水稻移栽前15天收获油菜（处于开花盛期）、紫云英，取样测定植株硫含量；

1.3 秸秆还田处理：土壤盆栽，装有9kg 干土，Cd含量（全量）为5.70 mg/kg 10L，上口径为35 cm。按照等量干重的油菜和紫云英分别作为绿肥翻入土中（翻入量为0.39 g/kg）并淹水，至水稻移栽。每个处理3次重复。

1.4水稻育苗与移栽：以早稻中早22研究材料。种子经浸种灵水溶液浸种48小时，并于30-35℃催芽24小时。芽谷播种于经稀硫酸洗净的沙床，带秧苗长至4叶1心，选取生长一致的秧苗进行移栽盆栽实验。每盆移栽4穴，每穴3株。

2.测定项目

于水稻收获期取样，测定分析；考种

植株样本分为籽粒（精米）和地上部两部分。

样品经80℃烘干3天至恒重。干样经粉碎，称取0.5000g并用浓硝酸和高氯酸按1：3比例混合液消煮，消煮后用重蒸水定容至50 ml，利用全谱直读电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测定镉含量。

3.结果与分析

3.1不同处理下水稻产量特性

前茬不论是油菜还是紫云英，秸秆全部还田以后，中早22的总粒数、实粒数和千粒重都有所增加，每盆稻谷产量也明显提高（表1），这说明秸秆还田作为一种农作技术对后季水稻产量的提高具有明显作用。在前茬作物中，随着硫处理的提高，相应的前茬秸秆还田以后，中早22的产量性状也得到了更好的改善，这一方面表明硫肥处理以后的前茬秸秆对后季水稻的生产更为有利；不过这一作用也很可能是由于前茬生产过程施用硫肥的缘故，这从另一方面启示，本实验所用的土壤可能有效硫不足。

表1.不同前茬及其硫肥处理对后季水稻中早22的产量影响

3.2不同处理下水稻植株镉含量

前茬不论是油菜还是紫云英，秸秆全部还田以后，中早22植株地上部和精米中镉含量均显著减少（表2）。而随着前茬硫肥的处理的增加，不论是油菜做绿肥，还是紫云英对后季水稻植株地上部和籽粒中的镉含量具有很为明显的抑制作用。其中0.05 g/kg 硫处理的油菜秸秆还田以后中早22地上部的镉含量仅为茬为空闲的17.48%，而精米中的镉含量仅为0.19 mg/kg；紫云英也表现出了类似的现象，但对植株镉积累的控制效果却明显不如油菜。总体上看，前茬通过施用硫肥，增加秸秆硫含量，通过秸秆还田以后，是对控制水稻镉积累具有显著效果的。

表2.不同前茬及其硫肥处理对后季水稻中早22植株镉积累的影响

试验例2

1、试验设计：

本试验于2011和2012年在浙江省富阳市环山镇环一村进行。该镇常年以废矿炼铜为经济源。由于废水太量排放，当地稻田土壤重金属镉污染十分严重，士壤总镉含量为4.13 mg/kg. DTPA 提取态镉含量1.29 mg/kg，不适于水稻生产。

实验采用大区对比试验，不设重复，大区面积为0.5亩，实验设置前茬为油菜、油菜+硫喷施处理、油菜+硫作基肥处理、冬季空闲+硫做基肥处理、CK（冬季空闲），2011年于4月18日将开花期油菜翻耕入地做绿肥。水稻品种为中早22，2012年于4月5号播种，4月29日移栽。油菜+硫喷施处理：于3月25日、4月5日、15日喷施0.2%硫酸铵（以硫计）共3次；油菜+硫作基肥处理：于油菜撒播前，整地是撒入1.25 kg 硫酸钙；冬季空闲+硫做基肥处理：不种植前茬作物，但模拟整地撒施1.25 kg 硫酸钙。其它同常规。2012年重复此实验（操作过程一致）。

于收获期，测定大区实际稻谷产量和稻米镉含量。用于稻米镉含量测定的样本，采用大区5点取样法取样。精米样品经80℃烘干3天至恒重。干样经粉碎，称取0.5000g并用浓硝酸和高氯酸按1：3比例混合液消煮，消煮后用重蒸水定容至50ml，利用全谱直读电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测定镉含量。

2、结果与分析：

2.1不同前茬搭配与硫肥施用对水稻产量性状的影响

与冬季空闲（CK）相比，不论是施硫肥或是油菜与硫肥组合作为前茬处理对水稻的产量和相关性状参数都有明显影响。冬季空闲+硫基肥处理导致有效穗数、每穗实粒数都明显增加，但对千粒重没有影响，这表明冬季往土里施加硫基肥能促进后季早稻的生产。油菜作绿肥，通常也提高了有效穗数和每穗实粒数，进而促进了单产的提高，这同样表明油菜做绿肥能促进后季早稻的生长。在绿肥油菜的种植时施用硫基肥或是油菜生长过程中喷施硫肥，都能促进有效穗数和每穗实粒数的提高，进而提高水稻产量。在油菜各处理中，硫肥处理对水稻产量性状和产量没有显著影响。结果显示，油菜做绿肥或是前茬施用硫肥都对水稻的生长和产量都具有明显的促进作用。这些结果在2011年和2012年是一致的。

表3. 不同前茬搭配与硫肥施用对水稻产量性状的影响

2.2不同前茬搭配与硫肥施用对中早22镉积累的影响

冬季稻田处于空闲（CK）时，2011年中早22稻谷中的镉高达0.892 mg/kg；而2012年则高达0.977 mg/kg，均远高于国标0.2 mg/kg。当冬季稻田施用硫基肥或是种植油菜（或施用硫肥）均显著降低籽粒中的镉水平。仅施硫基肥时，2011和2012年的籽粒镉含量都仅为对照的50%左右。而仅种植油菜做绿肥时，2011和2012年的籽粒镉含量则仅为对照的1/3左右。而在前茬油菜种植过程中土施或喷施硫肥，都极显著降低稻米镉水平，都低于0.2 mg/kg，其中土施硫基肥时又显著低于喷施硫肥。结果显示，油菜做绿肥或施用硫肥都能显著降低稻米中镉含量，而当油菜作绿肥与施用硫肥组合处理时表现出互作想影响，对稻米镉积累的抑制作用更为明显。

表4. 不同前茬搭配与硫肥施用对中早22镉积累的影响

试验例2中前茬采用甘蓝、芥蓝、菜薹、大头菜、大叶芥菜、多裂叶芥、花椰菜、芥菜、大豆、四季豆、扁豆、苜蓿、紫云英、田菁或苕子；在前茬种植时施入以硫计0.25、1、3或5kg/666.7 m²的石膏、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙、硫酸铵或硫酸镁；或采用在前茬生育期喷施0.05%、0.5%、0.8%的硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵或硫酸镁3次，其最后也能达到与试验例2相同的技术效果。

Claims

1.一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于包括以下步骤：

1）选择硫含量高的十字花科或豆科作物为前茬；

2）前茬种植时施入以硫计为0.25～5.0kg/666.7 m²的硫基肥，或生育盛期喷施0.05～1.0%的硫酸盐至少1-3次

4）年度之间重复步骤1）-3）。

3.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中前茬种植时施入以硫计为0.5～4.0kg/666.7 m²的硫基肥；或于生育盛期喷施0.1～0.75%的硫酸盐。

4.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中前茬种植时施入以硫计为1.0～2.0kg/666.7 m²的硫基肥；或于生育盛期喷施0.25～0.5%的硫酸盐。

5.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中硫基肥为石膏、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙、硫酸铵和硫酸镁中的一种或一种以上混合物；硫酸盐为硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵和硫酸镁中的一种或一种以上混合物。

6.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中硫基肥直接施入土壤中，再与土壤充分混匀。

7.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤2）中硫酸盐先溶解在水中，再以喷雾方式进行施洒。

8.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的茬口搭配与施肥方法，其特征在于所述的步骤3）中将前茬秸秆作为绿肥。