CN111436340A - 一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，包括：（1）将钝化剂抛洒在稻田土壤表面，进行翻耕直至钝化剂与土壤混合均匀，钝化剂施用后保持稻田土壤含水率在60%以上，平衡培养3～7天；（2）施用含硅化合物的拮抗元素，施用方法为在水稻种植前基施半量，将剩余半量在水稻孕穗期补施；（3）在水稻孕穗初期、灌浆期各进行一次喷施叶面阻控剂，叶面阻控剂由含硅化合物、表面活性剂、水混合制备而成。本发明水稻安全生产方法，能显著降低稻米中镉含量，操作方法简便，效果稳定。

Description

一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法
技术领域
本发明属于重金属污染土壤安全利用技术领域，具体为一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法。
背景技术
土壤是农业种植的基础，作物产量、质量与土壤健康状况息息相关，随着工农业的快速发展，土壤重金属污染问题日益严重。镉是耕地土壤中常见的污染元素，被认为是环境中毒性最大的元素之一，进入人体后能长期富集在肝、肾等器官，并引发骨质疏松与骨软化症状。水稻作为世界三大主要粮食作物之一，全球有50％以上人口以稻米为主食，水稻同时也是典型的耐镉作物，镉易在稻米中累积，对人体健康产生巨大威胁。
原位化学钝化修复技术是重金属污染土壤修复的常用手段，其原理是通过向土壤中施加钝化剂或改良剂，降低重金属在土壤中的生物有效性和迁移能力，减少农作物对重金属的吸收累积。目前常用的化学钝化修复材料主要有：含硅、含磷、含钙物质、有机物料、金属氧化物、粘土矿物、生物炭以及一些新型材料。由于中重度镉污染稻田土壤中镉浓度及活性高，导致钝化修复材料用量较大、效果不稳定，而农艺修复技术措施如淹水灌溉、镉低累积品种等也仅对中轻度镉污染稻田具有较好的修复治理效果。显然单一的钝化修复技术措施对降低中重度污染稻田糙米中镉含量具有一定效果，但仍然难以实现安全利用。因此，我国当前对于重金属重度污染土壤，主要采取风险管控的方式，即对其进行休耕或种植结构调整，阻断重金属进入食物链的途径。
当前对于中重度镉污染稻田的治理，常用的淹水灌溉、原位化学钝化修复、低累积品种等单一技术措施，难以显著降低糙米镉累积，实现安全生产，同时一些技术措施实施过程中没有考虑水稻不同生育期镉吸收累积的差异，导致技术措施实施过程中钝化修复材料用量较大，效果不显著，连续多季水稻种植操作繁琐，效果稳定性差。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，能够在连续多季水稻种植过程中显著降低糙米镉含量，实现安全生产。
本发明采用的技术方案如下：一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，包括：
(1)施用土壤钝化剂：钝化剂施用量为中度镉污染稻田为3000～4500kg/hm2，重度镉污染稻田为4500～9000kg/hm2；施用方法为：将钝化剂抛洒在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，直至钝化剂与土壤混合均匀，钝化剂施用后保持稻田土壤含水率在60％以上，平衡培养3～7天；
(2)施用拮抗元素：所述拮抗元素为含硅化合物，中度镉污染稻田施用量为以硅计45～90kg/hm2，重度镉污染稻田基施用量为以硅计90～135kg/hm2，施用方法为：在水稻种植前基施半量，将剩余半量在水稻孕穗期补施，基施采用撒施方式，与土壤钝化剂施用同时进行；在水稻孕穗期，将含硅化合物溶解在灌溉水中，使中度镉污染稻田灌溉水中硅含量为0.05～0.15g/L，重度镉污染稻田灌溉水中硅含量为0.15～0.30g/L，然后将其灌溉稻田，使稻田土壤表面覆水高度达到2～5cm，持续5～10天；
(3)关键生育期喷施叶面阻控剂：所述叶面阻控剂由以硅计15～25质量份的含硅化合物、4～8质量份的表面活性剂、70～80质量份的水混合制备而成；叶面阻控剂的施用量为：将叶面阻控剂进行稀释，使中度镉污染稻田喷施浓度为以硅计0.1～0.2g/L，重度镉污染稻田喷施浓度为以硅计0.2～0.4g/L，每公顷稻田喷施量为150～600L；施用方法为：在水稻孕穗初期、灌浆期各进行一次喷施。
进一步地，还包括后续连续多季水稻种植实施措施，具体为：
(1)检测土壤pH值：在稻田中按“S型”或“W型”布置10～15个检测样点，检测每个样点的土壤pH值，计算平均值；
(2)补施土壤钝化剂：检测土壤pH值后，若pH值≥6.0，则不需要补施钝化剂；若5.5≤pH值<6.0，中度镉污染土壤则补施钝化剂1500～2250kg/hm2，重度镉污染土壤补施2250～3000kg/hm2；若pH值<5.5，中度镉污染土壤则补施钝化剂2250～4500kg/hm2，重度镉污染土壤补施3000～6000kg/hm2；
(3)补施拮抗元素：拮抗元素以每2季水稻种植为一周期进行补施，补施量和补施方法同第一季水稻种植保持一致；
(4)喷施叶面阻控剂：叶面阻控剂每季水稻种植期间均需要喷施，喷施量和喷施方法同第一季水稻种植保持一致。
进一步地，施用土壤钝化剂时，在稻田翻耕之前，将一半施用量的钝化剂抛洒在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，在翻耕后的稻田土壤表面，将另一半施用量的钝化剂均匀抛洒，继续翻耕1～3次，直至钝化剂与土壤混合均匀。
进一步地，所述钝化剂为石灰石、海泡石、羟基磷灰石、沸石的混合物。
进一步地，所述拮抗元素的含硅化合物以及叶面阻控剂的含硅化合物均为硅酸钠、硅酸钾中的一种或混合物。
进一步地，所述表面活性剂为吐温、司盘、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种。
进一步地，喷施叶面阻控剂时，将叶面阻控剂均匀喷晒于水稻叶片上，喷施效果为叶面刚好湿润，不滴液为好，喷施时间段为上午9点前，下午5点以后，喷施当日如遇降雨，需要在2～5天内进行补喷。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的水稻安全生产方法，能够显著降低糙米镉含量，符合国家食品污染物限量标准；
(2)本发明通过施加土壤钝化剂和基施拮抗元素硅可以有效提高土壤pH值，极大增强带负电荷的土壤胶体对带正电荷重金属离子吸附能力，降低土壤中镉的活性；添加含硅、钙等材料能与镉形成沉淀，降低水稻根系镉吸收；
(3)本发明通过基施拮抗元素硅，除能促进水稻生长、提高抗虫性以外，还能通过离子吸附、改变重金属赋存形态、刺激植株抗氧化***和区隔化等方式降低镉毒害作用；
(4)水稻孕穗期、灌浆期，是水稻镉累积的关键时期，在孕穗期、灌浆期喷施叶面阻控剂能够增强植株抗逆性，抑制水稻蒸腾作用降低根系中镉向水稻地上部位转运，同时叶面阻控剂中的硅还能与茎、叶中的镉形成Si-Cd复合物沉淀，阻碍镉在木质部的运输与再活化，减少了镉向糙米中转运，达到降低糙米镉含量的目的；
(5)本发明中使用的钝化材料、含硅化合物廉价易得，无生态环境风险，同时本发明操作方法简便，效果稳定，对水稻产量无影响，农户接受度高，适用于大面积中重度镉污染稻田安全生产。
附图说明
图1是实施例1中重度镉污染稻田第1季晚稻不同处理对糙米镉含量的影响对照图。
图2是实施例1中重度镉污染稻田第2季晚稻不同处理对糙米镉含量的影响对照图。
图3是实施例2中中度镉污染稻田不同处理对糙米中镉含量的影响对照图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：重度镉污染稻田连续2季水稻种植田间应用
(1)田间应用材料
土壤钝化剂为将石灰石和海泡石按质量比2:1混合均匀，组配成土壤钝化剂。基施拮抗元素硅和叶面喷施的叶面阻控剂均为硅酸钠。水稻品种选用湖南常见品种黄华占(常规稻)。田间应用地点为湖南省浏阳市某重度镉污染稻田，土壤类型为酸性红壤，基本理化性质如表1所示。
表1试验田土壤基本理化性质
Figure BDA0002436751070000041
(2)第1季晚稻田间应用操作方案
7月，在田间开展第1季晚稻种植应用，各处理设置见表2，其中T5为本专利内容的具体实施应用。T5处理的具体操作方案为：
①添加土壤钝化剂：插秧前在土壤中施入4500kg/hm2的土壤钝化剂，多次翻耕使土壤钝化剂与充分混合均匀，保持稻田土壤含水率在60％以上，平衡培养7天；
②添加拮抗元素：硅酸钠添加量为90kg/hm2(以硅计)；在添加土壤钝化剂的同时施入拮抗元素45kg/hm2，使其与土壤充分混合均匀；在水稻孕穗期将剩余45kg/hm2的拮抗元素溶解于灌溉水中，使灌溉水硅含量为0.15g/L，保持稻田土壤表面覆水高度达到3cm，持续5天；
③喷施叶面阻控剂：将25份硅酸钠、5份吐温、70份水混合制备成叶面阻控剂。将叶面阻控剂稀释为浓度0.4g/L(以硅计)。在水稻孕穗初期、灌浆期各进行一次喷施，每公顷稻田喷施量为150L。将叶面阻控剂均匀喷施在叶面，使叶片表面湿润不挂滴。
各处理水稻种植面积均为10m2，每个处理设置3个重复。所有样方随机排列。所有样方四侧均设置3行水稻保护行，作物栽培管理方式与正常田间管理一致。
每个样方按5点取样法采集5株水稻植株，置于尼龙网袋，用自来水、蒸馏水、超纯水洗净，105℃杀青，再70℃烘干至恒重。分根、茎、叶、糙米和谷壳5个部位分别称取干重，粉碎后用塑料密封袋保存备用。同时采集相应根际土壤，自然风干，磨碎，过10目和100目尼龙筛，保存待测。分析测定水稻各部位中镉含量，分析测定土壤基本理化性质，及土壤总镉、有效镉含量。
表2第1季晚稻不同处理操作方法
Figure BDA0002436751070000051
(3)第2季晚稻田间应用操作方案
第二年7月，在田间开展第2季晚稻种植应用。首先检测各处理土壤pH值，经检测，T5处理土壤pH值为6.12，无需补施土壤钝化剂。第2季晚稻各处理操作设置见表3。其中，T5处理的具体操作方案为：
①添加拮抗元素：在水稻孕穗期将剩余45kg/hm2的拮抗元素溶解于灌溉水中，使灌溉水硅含量为0.15g/L，保持稻田土壤表面灌溉水高度达到3cm，持续5天；
②喷施叶面阻控剂：将25份硅酸钠、5份吐温、70份水混合制备成叶面阻控剂。将叶面阻控剂稀释为浓度0.4g/L(以硅计)。在水稻孕穗初期、灌浆期各进行一次喷施，每公顷稻田喷施量为150L。将叶面阻控剂均匀喷施在叶面，使叶片表面湿润不挂滴。
表3第2季晚稻不同处理操作方法
Figure BDA0002436751070000052
(4)第1季晚稻田间应用效果
①对土壤pH值和土壤镉交换态、TCLP提取态含量的影响
可以看出，基施拮抗元素(T1)和喷施叶面阻控剂(T2)处理对土壤pH值无明显影响，而添加土壤钝化剂(T3、T4、T5)的各处理均能显著提高土壤pH值(P＜0.05)。与对照CK相比，T3、T4、T5处理分别使土壤pH值增加了1.00、1.08、1.20个单位。同时，除喷施叶面阻控剂处理(T2)以外，基施拮抗元素处理(T1)和添加土壤钝化剂的各处理均能降低土壤中镉的这2种提取态含量。与对照CK相比，基施拮抗元素90kg/hm2处理(T1)使土壤交换态和TCLP提取态镉含量分别降低20.0％和18.5％；土壤钝化剂添加量为4500kg/hm2时，T3、T4、T5处理使土壤交换态镉含量分别降低48.6％、48.6％、51.4％，使土壤TCLP提取态镉含量分别降低40.4％、42.1％、42.1％。添加土壤钝化剂(T3、T4、T5)各处理土壤交换态和TCLP提取态镉含量均与对照之间均存在显著差异(P<0.05)。
表4第1季晚稻不同处理对土壤pH值和有效镉的影响
Figure BDA0002436751070000061
注：不同小写字母表示在P＜0.05水平上差异显著，下同。
②对水稻糙米镉含量的影响
图1为第1季晚稻不同处理对糙米镉含量的影响对照图。与对照CK相比，3种单一技术处理均能降低糙米中镉含量，其中基施拮抗元素90kg/hm2处理(T1)降低糙米镉含量15.3％；喷施叶面阻控剂处理(T2)使糙米镉含量降低19.0％；施用土壤钝化剂处理(T3)能够使糙米镉含量降低28.2％。组合技术措施降低糙米镉含量的效果要优于单一技术处理，其中“土壤钝化剂+基施拮抗元素”处理(T4)能使糙米镉含量降低42.1％，“土壤钝化剂+基施拮抗元素+喷施叶面阻控剂”处理(T5)降低糙米镉含量效果最佳，糙米镉降低率达70.6％。T5处理使糙米镉含量从0.662mg/kg(CK)降低到0.195mg/kg，低于国家食品中污染物限量标准(GB 2762-2017)，实现重度镉污染稻田安全利用。
(5)第2季晚稻田间应用效果
图2为第2季各处理对水稻糙米镉含量的影响对照图。与对照CK相比，3种单一技术措施(T1、T2、T3)降低糙米镉含量分别为23.9％、15.6％、33.5％。组合技术措施降低糙米镉含量的效果要优于单一技术处理，其中“土壤钝化剂+基施拮抗元素”处理(T4)能使糙米镉含量降低57.9％，“土壤钝化剂+基施拮抗元素+喷施叶面阻控剂”处理(T5)降低糙米镉含量效果最佳，糙米镉降低率达70.1％。T5处理使糙米镉含量从0.624mg/kg降低到0.187mg/kg，低于国家食品中污染物限量标准(GB 2762-2017)。T5处理连续2季均实现了重度镉污染稻田安全利用。
实施例2：中度镉污染稻田田间应用
(1)田间应用材料
土壤钝化剂为将石灰石、海泡石、羟基磷灰石、沸石按质量比4:2:1:2混合均匀。基施拮抗元素硅和喷施叶面阻控剂均为硅酸钠。叶面阻控剂为硅酸钠与表面活性剂吐温的配置而成。水稻品种选用H优518(籼型杂交稻)。选取长沙县北山镇某中度镉污染稻田进行田间试验，土壤类型为麻沙泥。供试土壤基本理化性质见表5。
表5供试土壤基本理化性质及重金属含量
Figure BDA0002436751070000071
(2)操作方案
田间应用设置2个处理，本发明的技术处理为T处理，以当地农户水稻种植常规方法为对照CK。2个处理水分管理、农药化肥等种植管理方式均保持一致。
本发明的技术处理为T处理的具体操作步骤为：
①添加土壤钝化剂：2019年晚稻种植翻耕前，将土壤钝化剂2250kg/hm2均匀地抛洒在稻田土壤表面，进行稻田的翻耕，直至土壤钝化剂剂与土壤混合均匀。施用后保持稻田土壤含水率在60％以上，平衡培养7天。
②添加拮抗元素：硅酸钠添加量为60kg/hm2(以硅计)；在添加土壤钝化剂的同时施入30kg/hm2的拮抗元素硅酸钠，使其与土壤充分混合均匀；在水稻孕穗期将剩余30kg/hm2的硅酸钠溶解于灌溉水中，使灌溉水硅含量为0.10g/L，保持稻田土壤表面灌溉水高度达到4cm，持续5天；
③喷施叶面阻控剂：将15份硅酸钠、5份吐温、80份水混合制备成叶面阻控剂。将叶面阻控剂稀释为浓度0.2g/L(以硅计)。在水稻孕穗初期、灌浆期各进行一次喷施，每公顷稻田喷施量为225L。将叶面阻控剂均匀喷施在叶面，使叶片表面湿润不挂滴。
(3)降镉效果
水稻成熟后，分别采集CK和T处理的稻米样品，利用石墨炉-原子吸收光谱仪进行检测稻米中镉含量。
图3为中度镉污染稻田糙米中镉含量。图中可以看出，实施了本发明技术的T处理显著降低了稻米中镉含量，对照CK相比较，T处理分别使晚稻糙米中镉含量从0.42mg/kg降低到了0.127mg/kg，降低了62.6％。T处理稻米中镉含量低于国家食品中污染物限量标准中镉小于0.2mg/kg的限制(GB 2762-2017)，实现了中度镉污染稻田安全利用。

Claims (8)

1.一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，包括：
（1）施用土壤钝化剂：钝化剂施用量为中度镉污染稻田为3000～4500 kg/hm2，重度镉污染稻田为4500~9000 kg/hm2；施用方法为：将钝化剂抛洒在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，直至钝化剂与土壤混合均匀，钝化剂施用后保持稻田土壤含水率在60%以上，平衡培养3～7天；
（2）施用拮抗元素：所述拮抗元素为含硅化合物，中度镉污染稻田施用量为以硅计45～90 kg/hm2，重度镉污染稻田施用量为以硅计90～135 kg/hm2；施用方法为：在水稻种植前基施半量，剩余半量在水稻孕穗期补施，基施采用撒施方式，与土壤钝化剂施用同时进行；在水稻孕穗期，将剩余半量含硅化合物溶解在灌溉水中，使中度镉污染稻田灌溉水中硅含量为0.05～0.15 g/L，重度镉污染稻田灌溉水中硅含量为0.15～0.30 g/L，然后将其灌溉稻田，使稻田土壤表面覆水高度达到2～5 cm，持续5～10天；
（3）关键生育期喷施叶面阻控剂：所述叶面阻控剂由以硅计15～25质量份的含硅化合物、4～8质量份的表面活性剂、70～80质量份的水混合制备而成；叶面阻控剂的施用量为：将叶面阻控剂进行稀释，使中度镉污染稻田喷施浓度为以硅计0.1～0.2 g/L，重度镉污染稻田喷施浓度为以硅计0.2～0.4 g/L，每公顷稻田喷施量为150～600 L；施用方法为：在水稻孕穗初期、灌浆期各进行一次喷施。
2.如权利要求1所述的一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，还包括后续连续多季水稻种植实施措施，具体为：
（1）检测土壤pH值：在稻田中按“S型”或“W型”布置10～15个检测样点，检测每个样点的土壤pH值，计算平均值；
（2）补施土壤钝化剂：检测土壤pH值后，若pH值≥6.0，则不需要补施钝化剂；若5.5≤pH值<6.0，中度镉污染土壤则补施钝化剂1500～2250 kg/hm2，重度镉污染土壤补施2250～3000 kg/hm2；若pH值<5.5，中度镉污染土壤则补施钝化剂2250～4500 kg/hm2，重度镉污染土壤补施3000～6000 kg/hm2；
（3）补施拮抗元素：拮抗元素以每2季水稻种植为一周期进行补施，补施量和补施方法同第一季水稻种植保持一致；
（4）喷施叶面阻控剂：叶面阻控剂每季水稻种植期间均需要喷施，喷施量和喷施方法同第一季水稻种植保持一致。
3.如权利要求1或2所述的一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，施用土壤钝化剂时，在稻田翻耕之前，将一半施用量的钝化剂抛洒在稻田土壤表面，再进行稻田的翻耕，在翻耕后的稻田土壤表面，将另一半施用量的钝化剂均匀抛洒，继续翻耕1～3次，直至钝化剂与土壤混合均匀。
4.如权利要求1或2所述的一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，所述钝化剂为石灰石、海泡石、羟基磷灰石、沸石的混合物。
5.如权利要求1或2所述的一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，所述拮抗元素的含硅化合物以及叶面阻控剂的含硅化合物均为硅酸钠、硅酸钾中的一种或混合物。
6.如权利要求1或2所述的一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，所述表面活性剂为吐温、司盘、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种。
7.如权利要求1或2所述的一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，喷施叶面阻控剂时，将叶面阻控剂均匀喷晒于水稻叶片上，喷施效果为叶面刚好湿润，不滴液为好，喷施时间段为上午9点前，下午5点以后，喷施当日如遇降雨，需要在2～5天内进行补喷。
8.如权利要求1或2所述的一种用于中重度镉污染稻田土壤的水稻安全生产方法，其特征在于，钝化材料中重金属需要满足：Pb<50 mg/kg、Cd<2 mg/kg、As<15 mg/kg、Cr<100 mg/kg、Hg<1 mg/kg。
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