CN107020296A

CN107020296A - 一种水分管理结合添加钝化剂修复稻田镉污染的方法

Info

Publication number: CN107020296A
Application number: CN201710122469.6A
Authority: CN
Inventors: 李剑睿; 张海峰; 赵润柱; 赵肖琼
Original assignee: Taiyuan Institute of Technology
Current assignee: Taiyuan Institute of Technology
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2017-08-08

Abstract

本发明属于土壤污染治理和农产品质量安全技术领域，为了解决镉重度污染稻田的治理问题，提供了一种水分管理结合添加钝化剂修复稻田镉污染的方法。包括复合钝化材料处理镉污染稻田土壤，移栽水稻，水分管理，复合钝化材料为天然坡缕石与巯基修饰坡缕石按一定比例混合。使镉重度污染稻田土壤能够生产出镉含量达标的稻米，解决了土地污染问题，保障了粮食安全，意义重大。复合钝化材料施用简单，成本低廉，对环境无负面影响，不影响水稻正常生长和产量形成，土壤施用一次复合钝化材料，对土壤镉的钝化效果能维持3‑4年。通过在长期淹水镉污染稻田上施加复合钝化材料后，减少稻米镉累积的效果显著，生产的糙米镉含量满足现行国家标准。

Description

一种水分管理结合添加钝化剂修复稻田镉污染的方法

技术领域

本发明属于土壤污染治理和农产品质量安全技术领域，具体涉及一种水分管理结合添加钝化剂修复稻田镉污染的方法。

背景技术

我国工业化、城镇化快速推进过程中，由于农药化肥、污水灌溉、采矿冶炼等的影响，重金属污染的耕地面积达2×10⁷ha，约占总耕地面积的20%。每年因土壤污染而减产粮食约1×10⁷t。农业部全国污灌区调查结果显示，1.4×10⁶ha的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染土地占46.7%，中度污染占9.7%，严重污染占8.4%，土壤镉污染尤为突出。重金属镉最终通过食物链进入人体，对人体骨骼、肝肾、神经***等造成损伤。近年来，农田重金属污染环境公害事件频发，为保障粮食安全和人民身体健康，重金属污染土壤修复有待解决。

重金属污染土壤修复包括两个途径：原位钝化：向土壤添加活性物质，用于改变重金属元素在土壤中的化学形态和存在状态，降低重金属在土壤中的可移动性和生物有效性，从而减小这些重金属污染物对环境受体（例如动植物、微生物和人类等）的毒性，达到修复污染土壤的目的；这种方法具有修复速度快、修复周期短、治理效果较好和费用较低的特点，同时化学修复剂来源广泛，对土壤结构和肥力不具有破坏性，所以有广泛的应用前景。生物修复：通过重金属超积累作物的种植、接种土壤微生物等而减少土壤有效态重金属含量，降低土壤重金属的生物毒性。但是生物修复治理效率低，不能治理重污染土壤，而加入到修复现场土壤环境中的微生物抗性差、难以很快适应，在土壤环境中的移动性能差，易受污染物毒性效应的抑制。

发明内容

本发明为了解决镉重度污染稻田的治理问题，提供了一种水分管理结合添加钝化剂修复稻田镉污染的方法。

本发明采用如下技术方案：一种水分管理结合添加钝化剂修复稻田镉污染的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）复合钝化材料处理镉污染稻田土壤：镉污染稻田土壤翻耕施肥前，将复合钝化材料均匀的撒施在土壤表层，然后进行翻耕，翻耕深度为15-40cm，将复合钝化材料与稻田土壤充分混合，平衡35-45天；

（2）移栽水稻，水分管理：土壤平衡好后移栽常规水稻品种，水稻生长过程中土壤采用长期淹水管理模式；

其中：所述复合钝化材料为天然坡缕石与巯基修饰坡缕石以重量比为100:3-5的比例混合；所述复合钝化材料的施用量为0.7 kg/m²-2.25kg/m²；所述镉污染稻田土壤中总镉量为1.0-1.5 mg/kg。

所述巯基修饰坡缕石的具体制备方法为：（1）制备坡缕石悬浊液：先将天然坡缕石分散于去离子水中，形成坡缕石悬浊液，坡缕石悬浊液中天然坡缕石的质量浓度为2.5%-5%；（2）制备巯基修饰坡缕石凝胶体系：将坡缕石悬浊液在分散机上，以12000r/min的速度高速搅拌5-10分钟，边进行高速搅拌边向坡缕石凝胶中加入巯丙基三甲氧基硅烷，巯丙基三甲氧基硅烷的加入量与步骤（1）中所述的天然坡缕石等质量；继续高速搅拌形成巯基修饰坡缕石凝胶体系；（3）制备巯基修饰坡缕石：将获得的巯基修饰坡缕石凝胶体系在80℃下恒温24-36小时， 65℃烘干，研磨后得到巯基修饰坡缕石。

所述长期淹水管理模式具体为：水稻插秧前，对镉污染稻田土壤进行灌溉，首次灌水2-4 cm，5-7天后移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青后，土表始终保持3-5 cm水层，水稻生长期间的追肥与植保措施与稻田所在地管理方式相同。

所述天然坡缕石的组成为64.4% SiO₂，20.5% MgO，10.4% Al₂O₃，1.5% Na₂O，1.2%CaO。

所述天然坡缕石粉碎为300-500目；所述巯基修饰坡缕石为50-100目。

所述常规水稻品种为籼型三系杂交稻T优272号。

本发明的工作原理是：天然坡缕石、巯基修饰坡缕石比表面积大，通过表面沉淀、表面络合、晶格固定、基质截留等机理完成对镉吸附固定，降低了土壤可交换态镉含量，减少了其生物有效性及生物毒性。此外，长期淹水促进了土壤pH的提升和镉在土壤胶体上的吸附，使镉的生物有效性显著降低。采用复合钝化材料对土壤重金属镉进行吸附固定，配合实施长期淹水土壤水分管理模式，从而达到作物正常生长发育并大幅降低作物对镉的吸收和籽粒的镉累积，在镉重度污染稻田上生产出安全的稻米。

本发明的优点以及有益效果如下：

本发明采用复合钝化材料联合长期淹水管理模式对稻田土壤镉钝化固定，使镉重度污染稻田土壤能够生产出镉含量达标的稻米，解决了土地污染问题，保障了粮食安全，意义重大。本发明的复合钝化材料施用简单，成本低廉，对环境无负面影响，不影响水稻正常生长和产量形成，土壤施用一次复合钝化材料，对土壤镉的钝化效果能维持3-4年。本发明通过在长期淹水镉污染稻田上施加复合钝化材料后，减少稻米镉累积的效果显著，此方法生产的糙米镉含量满足现行国家标准《GB2762-2012食品中污染物限量》。

附图说明

图1为本发明中传统灌溉和长期淹水下的糙米镉含量对比图。图2为本发明中长期淹水下连续三年的糙米镉含量对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明以下的百分比均为重量百分比，特殊标明的除外。

在湖南省南部某污灌区进行田间示范实验，该示范点属于亚热带气候区，大陆性气候，日照时数220-290小时。受金属冶炼、化肥农药等影响，农田土壤不同程度受到重金属污染，农产品中重金属含量超过国家食品卫生标准。示范区土壤基本理化性质见表1。

表1 示范区稻田土壤基本性质

本申请使用的钝化材料天然坡缕石购于河北，其组成为64.4% SiO₂，20.5% MgO，10.4%Al₂O₃，1.5% Na₂O，1.2% CaO。常规水稻品种为籼型三系杂交水稻T优272号，全生育期平均120天，土壤水分管理模式采用长期淹水，以当地土壤传统灌溉作为对照组。

实施例1：一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，包括以下步骤：

（1）复合钝化材料处理镉污染稻田土壤：镉污染稻田土壤翻耕施肥前，将复合钝化材料均匀的撒施在土壤表层，然后进行翻耕，翻耕深度为15cm，将复合钝化材料与稻田土壤充分混合，平衡35天；

（2）移栽水稻，水分管理：土壤平衡好后移栽籼型三系杂交水稻T优272号，水稻生长过程中土壤采用长期淹水管理模式；

其中：所述复合钝化材料为天然坡缕石与巯基修饰坡缕石以重量比为100:3的比例混合；所述复合钝化材料的施用量为0.7 kg/m²；所述镉污染稻田土壤中总镉量为1.0-1.5mg/kg。

所述巯基修饰坡缕石的具体制备方法为：（1）制备坡缕石悬浊液：先将8g天然坡缕石分散于192g去离子水中，形成坡缕石悬浊液，坡缕石悬浊液中天然坡缕石的质量浓度为4%；（2）制备巯基修饰坡缕石凝胶体系：将坡缕石悬浊液在分散机上，以12000r/min的速度高速搅拌5分钟，边进行高速搅拌边向坡缕石凝胶中加入8g巯丙基三甲氧基硅烷，继续高速搅拌20分钟形成巯基修饰坡缕石凝胶体系；（3）制备巯基修饰坡缕石：将获得的巯基修饰坡缕石凝胶体系在80℃下恒温24小时，65℃烘干，研磨后得到巯基修饰坡缕石。

所采用的天然坡缕石粉碎为300-500目，制备的巯基修饰坡缕石为50-100目。

所述长期淹水管理模式具体为：水稻插秧前，对镉污染稻田土壤进行灌溉，首次灌水2厘米，5天后移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青后，土表始终保持3厘米水层，水稻生长期间的追肥与植保措施与稻田所在地管理方式相同。

实施例2：一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，土壤翻耕深度为20cm，将复合钝化材料与稻田土壤充分混合，平衡40天；所述复合钝化材料为天然坡缕石与巯基修饰坡缕石以重量比为100:4的比例混合；所述复合钝化材料的施用量为2.1 kg/m²；所述巯基修饰坡缕石的具体制备方法为：先将 5g天然坡缕石分散于195去离子水中，形成坡缕石悬浊液，坡缕石悬浊液中天然坡缕石的质量浓度为2.5%；将坡缕石悬浊液在分散机上，以12000r/min的速度高速搅拌7分钟，将获得的巯基修饰坡缕石凝胶体系在80℃下恒温30小时，然后将凝胶从凝胶体系中取出，65℃烘干，研磨后得到巯基修饰坡缕石。所述长期淹水管理模式具体为：水稻插秧前，对镉污染稻田土壤进行灌溉，首次灌水3厘米，6天后移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青后，土表始终保持4厘米水层，水稻生长期间的追肥与植保措施与稻田所在地管理方式相同。其余方法同实施例1所述方法。

实施例3：一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，土壤翻耕深度为40cm，将复合钝化材料与稻田土壤充分混合，平衡45天；所述复合钝化材料为天然坡缕石与巯基修饰坡缕石以重量比为100:5的比例混合；所述复合钝化材料的施用量为2.25kg/m²；所述巯基修饰坡缕石的具体制备方法为：先将10g天然坡缕石分散于190g去离子水中，形成坡缕石悬浊液，坡缕石悬浊液中天然坡缕石的质量浓度为5%；将坡缕石悬浊液在分散机上，以12000r/min的速度高速搅拌10分钟，将获得的巯基修饰坡缕石凝胶体系在80℃下恒温36小时，然后将凝胶从凝胶体系中取出，65℃烘干，研磨后得到巯基修饰坡缕石。

所述长期淹水管理模式具体为：水稻插秧前，对镉污染稻田土壤进行灌溉，首次灌水4厘米，7天后移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青后，土表始终保持5厘米水层，水稻生长期间的追肥与植保措施与稻田所在地管理方式相同。其余方法同实施例1所述方法。

实施例4：一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，土壤翻耕深度为30cm，将复合钝化材料与稻田土壤充分混合，平衡42天；所述复合钝化材料为天然坡缕石与巯基修饰坡缕石以重量比为100:4的比例混合；所述复合钝化材料的施用量为1.40kg/m²；所述巯基修饰坡缕石的具体制备方法为：先将6g天然坡缕石分散于194g去离子水中，形成坡缕石悬浊液，坡缕石悬浊液中天然坡缕石的质量浓度为3%；将坡缕石悬浊液在分散机上，以12000r/min的速度高速搅拌10分钟，将获得的巯基修饰坡缕石凝胶体系在80℃下恒温34小时，然后将凝胶从凝胶体系中取出，65℃烘干，研磨后得到巯基修饰坡缕石。

实验例：对比实验

复合钝化材料设置3个处理，分别为0.70 kg/m²（TR-I）、1.40 kg/m²（TR-II）、2.10kg/m²（TR-III），设置天然坡缕石3个处理作为对照，0.70 kg/m²（PL-I）、1.40 kg/m²（PL-II）、2.10kg/m²（PL-III）；另设不添加任何钝化修复材料的对照组CK，每个处理重复3次，共计21个试验小区，每个小区面积50m²，长×宽= 5 m×10 m。单因素设计、随机区组排列，采用覆塑料薄膜（埋深20 cm）的泥巴埂分隔，外设保护区。

修复示范工作于2013年4月，采用人工撒施方法将复合钝化材料均匀施入小区，然后翻耕混匀，翻耕深度为20cm、平整土地，同时开始水稻育苗。5月插秧，日常施肥管理和当地传统一致，8月中旬收获水稻。

施用复合钝化材料前和水稻收获后，S形采样法各采一次样，在每个小区采集5点耕层（0-20 cm）土样，混匀后作为小区土样，风干、研磨后分别过1.0 mm和0.15 mm孔径筛，备用。水稻收获时，在每个小区取2个1 m²样方，收割地上部，分成稻谷和秸秆两部分，自然风干后，在烘箱中65℃烘至恒重，粉碎备用。

表2所示，对照组CK（未添加修复材料）下常规灌溉处理的糙米镉含量为1.12 mg/kg，长期淹水处理的糙米镉含量为0.68 mg/kg，远高于国家标准《GB2762-2012食品中污染物限量》规定的谷物0.2 mg/kg的限量值。

与对照组CK相比，长期淹水下，土壤采用天然坡缕石处理的糙米镉含量降幅为51.5%-76.5%，土壤采用复合钝化材料处理的糙米镉含量降幅达72.1%-80.9%。显然，复合钝化材料的土壤镉固定效果好于天然坡缕石。

与对照相CK相比，常规灌溉下复合钝化材料可使糙米镉含量降低48.2%-70.5%（p<0.05），最低含量降至0.33 mg/kg，仍超国家标准中的限定值；长期淹水下复合材料处理的稻米镉含量降幅达72.1-80.9%（p<0.05），镉含量降低至0.2 mg/kg以下，符合国家标准。与常规灌溉相比，长期淹水下土壤镉的钝化效果更理想。

表2 钝化材料对稻米镉含量的影响（平均值±标准差）

注：表内同一列相同字母表示处理间无显著差异，不同字母表示有显著差异（p<0.05）。

连续三年重复试验：施用一次本发明所制备的复合钝化材料后，土壤长期淹水条件下，三年连续监测发现，图2所示，除试验对照组CK以外，各处理的第三年糙米镉含量均稍有上升，譬如：TR-I组糙米镉含量0.25 mg/kg，TR-II组糙米镉含量0.18 mg/kg，TR-III组糙米镉含量0.20 mg/kg。整体来看，连续三年钝化效果稳定性较好。

Claims

1.一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，其特征在于：所述巯基修饰坡缕石的具体制备方法为：（1）制备坡缕石悬浊液：先将天然坡缕石分散于去离子水中，形成坡缕石悬浊液，坡缕石悬浊液中天然坡缕石的质量浓度为2.5%-5%；（2）制备巯基修饰坡缕石凝胶体系：将坡缕石悬浊液在分散机上，以12000r/min的速度高速搅拌5-10分钟，边进行高速搅拌边向坡缕石凝胶中加入巯丙基三甲氧基硅烷，巯丙基三甲氧基硅烷的加入量与步骤（1）中所述的天然坡缕石等质量；继续高速搅拌形成巯基修饰坡缕石凝胶体系；（3）制备巯基修饰坡缕石：将获得的巯基修饰坡缕石凝胶体系在80℃下恒温24-36小时， 65℃烘干，研磨后得到巯基修饰坡缕石。

3.根据权利要求1所述的一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，其特征在于：所述长期淹水管理模式具体为：水稻插秧前，对镉污染稻田土壤进行灌溉，首次灌水2-4 cm，5-7天后移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青后，土表始终保持3-5 cm水层，水稻生长期间的追肥与植保措施与稻田所在地管理方式相同。

4.根据权利要求1所述的一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，其特征在于：所述天然坡缕石的组成为64.4% SiO₂，20.5% MgO，10.4% Al₂O₃，1.5% Na₂O，1.2%CaO。

5.根据权利要求1所述的一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，其特征在于：所述天然坡缕石粉碎为300-500目；所述巯基修饰坡缕石为50-100目。

6.根据权利要求1所述的一种水分管理结合钝化剂添加修复稻田镉污染的方法，其特征在于：所述常规水稻品种为籼型三系杂交稻T优272号。