一種水分管理結合添加鈍化劑修復稻田鎘汙染的方法與流程
2024-03-04 11:14:15
本發明屬於土壤汙染治理和農產品質量安全技術領域，具體涉及一種水分管理結合添加鈍化劑修復稻田鎘汙染的方法。
背景技術：
我國工業化、城鎮化快速推進過程中，由於農藥化肥、汙水灌溉、採礦冶煉等的影響，重金屬汙染的耕地面積達2×107ha，約佔總耕地面積的20%。每年因土壤汙染而減產糧食約1×107t。農業部全國汙灌區調查結果顯示，1.4×106ha的汙水灌區中，遭受重金屬汙染的土地面積佔汙水灌區面積的64.8%，其中輕度汙染土地佔46.7%，中度汙染佔9.7%，嚴重汙染佔8.4%，土壤鎘汙染尤為突出。重金屬鎘最終通過食物鏈進入人體，對人體骨骼、肝腎、神經系統等造成損傷。近年來，農田重金屬汙染環境公害事件頻發，為保障糧食安全和人民身體健康，重金屬汙染土壤修復有待解決。
重金屬汙染土壤修復包括兩個途徑：原位鈍化：向土壤添加活性物質，用於改變重金屬元素在土壤中的化學形態和存在狀態，降低重金屬在土壤中的可移動性和生物有效性，從而減小這些重金屬汙染物對環境受體（例如動植物、微生物和人類等）的毒性，達到修復汙染土壤的目的；這種方法具有修復速度快、修復周期短、治理效果較好和費用較低的特點，同時化學修復劑來源廣泛，對土壤結構和肥力不具有破壞性，所以有廣泛的應用前景。生物修復：通過重金屬超積累作物的種植、接種土壤微生物等而減少土壤有效態重金屬含量，降低土壤重金屬的生物毒性。但是生物修復治理效率低，不能治理重汙染土壤，而加入到修復現場土壤環境中的微生物抗性差、難以很快適應，在土壤環境中的移動性能差，易受汙染物毒性效應的抑制。
技術實現要素：
本發明為了解決鎘重度汙染稻田的治理問題，提供了一種水分管理結合添加鈍化劑修復稻田鎘汙染的方法。
本發明採用如下技術方案：一種水分管理結合添加鈍化劑修復稻田鎘汙染的方法，其特徵在於：包括以下步驟：
（1）複合鈍化材料處理鎘汙染稻田土壤：鎘汙染稻田土壤翻耕施肥前，將複合鈍化材料均勻的撒施在土壤表層，然後進行翻耕，翻耕深度為15-40cm，將複合鈍化材料與稻田土壤充分混合，平衡35-45天；
（2）移栽水稻，水分管理：土壤平衡好後移栽常規水稻品種，水稻生長過程中土壤採用長期淹水管理模式；
其中：所述複合鈍化材料為天然坡縷石與巰基修飾坡縷石以重量比為100:3-5的比例混合；所述複合鈍化材料的施用量為0.7kg/m2-2.25kg/m2；所述鎘汙染稻田土壤中總鎘量為1.0-1.5mg/kg。
所述巰基修飾坡縷石的具體製備方法為：（1）製備坡縷石懸濁液：先將天然坡縷石分散於去離子水中，形成坡縷石懸濁液，坡縷石懸濁液中天然坡縷石的質量濃度為2.5%-5%；（2）製備巰基修飾坡縷石凝膠體系：將坡縷石懸濁液在分散機上，以12000r/min的速度高速攪拌5-10分鐘，邊進行高速攪拌邊向坡縷石凝膠中加入巰丙基三甲氧基矽烷，巰丙基三甲氧基矽烷的加入量與步驟（1）中所述的天然坡縷石等質量；繼續高速攪拌形成巰基修飾坡縷石凝膠體系；（3）製備巰基修飾坡縷石：將獲得的巰基修飾坡縷石凝膠體系在80℃下恆溫24-36小時，65℃烘乾，研磨後得到巰基修飾坡縷石。
所述長期淹水管理模式具體為：水稻插秧前，對鎘汙染稻田土壤進行灌溉，首次灌水2-4cm，5-7天後移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青後，土表始終保持3-5cm水層，水稻生長期間的追肥與植保措施與稻田所在地管理方式相同。
所述天然坡縷石的組成為64.4%sio2，20.5%mgo，10.4%al2o3，1.5%na2o，1.2%cao。
所述天然坡縷石粉碎為300-500目；所述巰基修飾坡縷石為50-100目。
所述常規水稻品種為秈型三系雜交稻t優272號。
本發明的工作原理是：天然坡縷石、巰基修飾坡縷石比表面積大，通過表面沉澱、表面絡合、晶格固定、基質截留等機理完成對鎘吸附固定，降低了土壤可交換態鎘含量，減少了其生物有效性及生物毒性。此外，長期淹水促進了土壤ph的提升和鎘在土壤膠體上的吸附，使鎘的生物有效性顯著降低。採用複合鈍化材料對土壤重金屬鎘進行吸附固定，配合實施長期淹水土壤水分管理模式，從而達到作物正常生長發育並大幅降低作物對鎘的吸收和籽粒的鎘累積，在鎘重度汙染稻田上生產出安全的稻米。
本發明的優點以及有益效果如下：
本發明採用複合鈍化材料聯合長期淹水管理模式對稻田土壤鎘鈍化固定，使鎘重度汙染稻田土壤能夠生產出鎘含量達標的稻米，解決了土地汙染問題，保障了糧食安全，意義重大。本發明的複合鈍化材料施用簡單，成本低廉，對環境無負面影響，不影響水稻正常生長和產量形成，土壤施用一次複合鈍化材料，對土壤鎘的鈍化效果能維持3-4年。本發明通過在長期淹水鎘汙染稻田上施加複合鈍化材料後，減少稻米鎘累積的效果顯著，此方法生產的糙米鎘含量滿足現行國家標準《gb2762-2012食品中汙染物限量》。
附圖說明
圖1為本發明中傳統灌溉和長期淹水下的糙米鎘含量對比圖。圖2為本發明中長期淹水下連續三年的糙米鎘含量對比圖。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護範圍。
本發明以下的百分比均為重量百分比，特殊標明的除外。
在湖南省南部某汙灌區進行田間示範實驗，該示範點屬於亞熱帶氣候區，大陸性氣候，日照時數220-290小時。受金屬冶煉、化肥農藥等影響，農田土壤不同程度受到重金屬汙染，農產品中重金屬含量超過國家食品衛生標準。示範區土壤基本理化性質見表1。
表1示範區稻田土壤基本性質
本申請使用的鈍化材料天然坡縷石購於河北，其組成為64.4%sio2，20.5%mgo，10.4%al2o3，1.5%na2o，1.2%cao。常規水稻品種為秈型三系雜交水稻t優272號，全生育期平均120天，土壤水分管理模式採用長期淹水，以當地土壤傳統灌溉作為對照組。
實施例1：一種水分管理結合鈍化劑添加修復稻田鎘汙染的方法，包括以下步驟：
（1）複合鈍化材料處理鎘汙染稻田土壤：鎘汙染稻田土壤翻耕施肥前，將複合鈍化材料均勻的撒施在土壤表層，然後進行翻耕，翻耕深度為15cm，將複合鈍化材料與稻田土壤充分混合，平衡35天；
（2）移栽水稻，水分管理：土壤平衡好後移栽秈型三系雜交水稻t優272號，水稻生長過程中土壤採用長期淹水管理模式；
其中：所述複合鈍化材料為天然坡縷石與巰基修飾坡縷石以重量比為100:3的比例混合；所述複合鈍化材料的施用量為0.7kg/m2；所述鎘汙染稻田土壤中總鎘量為1.0-1.5mg/kg。
所述巰基修飾坡縷石的具體製備方法為：（1）製備坡縷石懸濁液：先將8g天然坡縷石分散於192g去離子水中，形成坡縷石懸濁液，坡縷石懸濁液中天然坡縷石的質量濃度為4%；（2）製備巰基修飾坡縷石凝膠體系：將坡縷石懸濁液在分散機上，以12000r/min的速度高速攪拌5分鐘，邊進行高速攪拌邊向坡縷石凝膠中加入8g巰丙基三甲氧基矽烷，繼續高速攪拌20分鐘形成巰基修飾坡縷石凝膠體系；（3）製備巰基修飾坡縷石：將獲得的巰基修飾坡縷石凝膠體系在80℃下恆溫24小時，65℃烘乾，研磨後得到巰基修飾坡縷石。
所採用的天然坡縷石粉碎為300-500目，製備的巰基修飾坡縷石為50-100目。
所述長期淹水管理模式具體為：水稻插秧前，對鎘汙染稻田土壤進行灌溉，首次灌水2釐米，5天後移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青後，土表始終保持3釐米水層，水稻生長期間的追肥與植保措施與稻田所在地管理方式相同。
實施例2：一種水分管理結合鈍化劑添加修復稻田鎘汙染的方法，土壤翻耕深度為20cm，將複合鈍化材料與稻田土壤充分混合，平衡40天；所述複合鈍化材料為天然坡縷石與巰基修飾坡縷石以重量比為100:4的比例混合；所述複合鈍化材料的施用量為2.1kg/m2；所述巰基修飾坡縷石的具體製備方法為：先將5g天然坡縷石分散於195去離子水中，形成坡縷石懸濁液，坡縷石懸濁液中天然坡縷石的質量濃度為2.5%；將坡縷石懸濁液在分散機上，以12000r/min的速度高速攪拌7分鐘，將獲得的巰基修飾坡縷石凝膠體系在80℃下恆溫30小時，然後將凝膠從凝膠體系中取出，65℃烘乾，研磨後得到巰基修飾坡縷石。所述長期淹水管理模式具體為：水稻插秧前，對鎘汙染稻田土壤進行灌溉，首次灌水3釐米，6天後移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青後，土表始終保持4釐米水層，水稻生長期間的追肥與植保措施與稻田所在地管理方式相同。其餘方法同實施例1所述方法。
實施例3：一種水分管理結合鈍化劑添加修復稻田鎘汙染的方法，土壤翻耕深度為40cm，將複合鈍化材料與稻田土壤充分混合，平衡45天；所述複合鈍化材料為天然坡縷石與巰基修飾坡縷石以重量比為100:5的比例混合；所述複合鈍化材料的施用量為2.25kg/m2；所述巰基修飾坡縷石的具體製備方法為：先將10g天然坡縷石分散於190g去離子水中，形成坡縷石懸濁液，坡縷石懸濁液中天然坡縷石的質量濃度為5%；將坡縷石懸濁液在分散機上，以12000r/min的速度高速攪拌10分鐘，將獲得的巰基修飾坡縷石凝膠體系在80℃下恆溫36小時，然後將凝膠從凝膠體系中取出，65℃烘乾，研磨後得到巰基修飾坡縷石。
所述長期淹水管理模式具體為：水稻插秧前，對鎘汙染稻田土壤進行灌溉，首次灌水4釐米，7天後移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青後，土表始終保持5釐米水層，水稻生長期間的追肥與植保措施與稻田所在地管理方式相同。其餘方法同實施例1所述方法。
實施例4：一種水分管理結合鈍化劑添加修復稻田鎘汙染的方法，土壤翻耕深度為30cm，將複合鈍化材料與稻田土壤充分混合，平衡42天；所述複合鈍化材料為天然坡縷石與巰基修飾坡縷石以重量比為100:4的比例混合；所述複合鈍化材料的施用量為1.40kg/m2；所述巰基修飾坡縷石的具體製備方法為：先將6g天然坡縷石分散於194g去離子水中，形成坡縷石懸濁液，坡縷石懸濁液中天然坡縷石的質量濃度為3%；將坡縷石懸濁液在分散機上，以12000r/min的速度高速攪拌10分鐘，將獲得的巰基修飾坡縷石凝膠體系在80℃下恆溫34小時，然後將凝膠從凝膠體系中取出，65℃烘乾，研磨後得到巰基修飾坡縷石。
所述長期淹水管理模式具體為：水稻插秧前，對鎘汙染稻田土壤進行灌溉，首次灌水4釐米，7天後移栽水稻秧苗，水稻秧苗返青後，土表始終保持5釐米水層，水稻生長期間的追肥與植保措施與稻田所在地管理方式相同。其餘方法同實施例1所述方法。
實驗例：對比實驗
複合鈍化材料設置3個處理，分別為0.70kg/m2（tr-i）、1.40kg/m2（tr-ii）、2.10kg/m2（tr-iii），設置天然坡縷石3個處理作為對照，0.70kg/m2（pl-i）、1.40kg/m2（pl-ii）、2.10kg/m2（pl-iii）；另設不添加任何鈍化修復材料的對照組ck，每個處理重複3次，共計21個試驗小區，每個小區面積50m2，長×寬=5m×10m。單因素設計、隨機區組排列，採用覆塑料薄膜（埋深20cm）的泥巴埂分隔，外設保護區。
修復示範工作於2013年4月，採用人工撒施方法將複合鈍化材料均勻施入小區，然後翻耕混勻，翻耕深度為20cm、平整土地，同時開始水稻育苗。5月插秧，日常施肥管理和當地傳統一致，8月中旬收穫水稻。
施用複合鈍化材料前和水稻收穫後，s形採樣法各採一次樣，在每個小區採集5點耕層（0-20cm）土樣，混勻後作為小區土樣，風乾、研磨後分別過1.0mm和0.15mm孔徑篩，備用。水稻收穫時，在每個小區取2個1m2樣方，收割地上部，分成稻穀和秸稈兩部分，自然風乾後，在烘箱中65℃烘至恆重，粉碎備用。
表2所示，對照組ck（未添加修復材料）下常規灌溉處理的糙米鎘含量為1.12mg/kg，長期淹水處理的糙米鎘含量為0.68mg/kg，遠高於國家標準《gb2762-2012食品中汙染物限量》規定的穀物0.2mg/kg的限量值。
與對照組ck相比，長期淹水下，土壤採用天然坡縷石處理的糙米鎘含量降幅為51.5%-76.5%，土壤採用複合鈍化材料處理的糙米鎘含量降幅達72.1%-80.9%。顯然，複合鈍化材料的土壤鎘固定效果好於天然坡縷石。
與對照相ck相比，常規灌溉下複合鈍化材料可使糙米鎘含量降低48.2%-70.5%（p<0.05），最低含量降至0.33mg/kg，仍超國家標準中的限定值；長期淹水下複合材料處理的稻米鎘含量降幅達72.1-80.9%（p<0.05），鎘含量降低至0.2mg/kg以下，符合國家標準。與常規灌溉相比，長期淹水下土壤鎘的鈍化效果更理想。
表2鈍化材料對稻米鎘含量的影響（平均值±標準差）
註：表內同一列相同字母表示處理間無顯著差異，不同字母表示有顯著差異（p<0.05）。
連續三年重複試驗：施用一次本發明所製備的複合鈍化材料後，土壤長期淹水條件下，三年連續監測發現，圖2所示，除試驗對照組ck以外，各處理的第三年糙米鎘含量均稍有上升，譬如：tr-i組糙米鎘含量0.25mg/kg，tr-ii組糙米鎘含量0.18mg/kg，tr-iii組糙米鎘含量0.20mg/kg。整體來看，連續三年鈍化效果穩定性較好。