一种农田镉污染钝化治理后维持作物微量元素供应的方法

摘要

本发明公开了一种农田镉污染钝化治理后维持作物微量元素供应的方法。它是在维持农田镉污染土壤含水量于田间持水量水平的条件下，对农田镉污染土壤应用硅灰石进行钝化处理，待钝化材料硅灰石失效后；再测定此钝化材料硅灰石失效后的土壤中有效态微量元素含量水平，评估微量元素钝化程度，并依据中国农业土壤微量元素分级标准进行分级，再依据微量元素常规施用水平，计算补充微量元素的用量；以水溶液形态施用微量元素肥料至该钝化材料硅灰石失效后的土壤中，补充微量元素，使土壤中的微量元素供应达到或超过正常土壤水平。利用本发明能使钝化处置农田上种植的农作物能吸收到正常水平的微量元素，确保作物产量与品质。

说明书

技术领域：

本发明属于农田镉污染治理领域，具体涉及一种农田镉污染钝化治理后维持作物微量元 素供应的方法。

背景技术：

针对我国面积广阔的镉污染农田，一个可行的治理技术方案是土壤重金属钝化(殷飞等 2015)，就是向土壤中添加钝化材料，使重金属活性显著下降，作物难于吸收，从而生产出合 格的农产品。农田土壤重金属钝化技术应用前景非常广阔，它有多方面的优势，一是不影响 农业生产，可在耕种过程中使用，二是成本较低，一些钝化材料还有明显的增产增收效果， 极易推广应用，三是应用技术简单，易于被农民接受。

添加钝化剂可有效减少作物对重金属的吸收，但是许多微量元素如铜、锌、铁、锰也被 同步钝化了(殷飞等2015，Tan 2009)，导致作物对铜、锌、铁、锰的吸收量下降，使得作物 生长迟缓，植株矮小，叶黄枯萎，或生物量减少等(范美蓉2011)。有些材料没有使作物产 量明显下降，但体内营养元素水平有明显的下降，包括本试验的结果亦是如此。针对这一问 题，并没有其他人提出相应的解决办法，原因一是多数研究只专注于钝化效果本身，对作物 产量下降问题采取回避态度，对造成产量下降的钝化材料弃之不用，而转向其它材料的寻找， 许多关于钝化的论文甚至不提作物产量下降的问题(李剑睿2014)，二是多数研究对钝化造 成作物产量下降的原因没有全面的理解，以致无法提出应对措施。因而，当前没有针对钝化 处置造成作物产量下降的应对技术，无相关报导或可用专利。

发明内容：

本发明的目的是提供一种农田镉污染钝化治理后维持作物微量元素供应的方法，利用该 方法能使钝化处置农田上种植的农作物能吸收到正常水平的微量元素，确保作物产量与品 质。

本发明的农田镉污染钝化治理后维持作物微量元素供应的方法，其特征在于，包括以下 步骤：

在维持农田镉污染土壤含水量于田间持水量水平的条件下，对农田镉污染土壤应用硅灰 石进行钝化处理，此时可实现土壤重金属镉的有效钝化，待钝化材料硅灰石失效后；再测定 此钝化材料硅灰石失效后的土壤中有效态微量元素含量水平，评估微量元素钝化程度，并依 据中国农业土壤微量元素分级标准进行分级(奚振邦2008)，再依据微量元素常规施用水平， 计算补充微量元素的用量；以水溶液形态施用微量元素肥料至该钝化材料硅灰石失效后的土 壤中，补充微量元素，使土壤中的微量元素供应达到或超过正常土壤水平。

所述的待钝化材料硅灰石失效后，一般自钝化处置1周后，钝化材料自身老化而失去进 一步钝化效能，此时就可得到钝化材料硅灰石失效后的土壤。

一般施用微量元素肥料肥料后，3天后就可以种植植物，此时土壤中的微量元素供应达 到或超过正常土壤的水平，从而促进作物生长。

优选，所述的微量元素肥料是以硫酸锌与硫酸锰补充锌与锰，其它微量元素被钝化的程 度较弱，可以不作补充。

本发明的第二个目的是提供一种提高农田镉污染钝化治理后的土壤栽种作物产量的方 法，其特征在于，包括以下步骤：

在维持农田镉污染土壤含水量于田间持水量水平的条件下，对农田镉污染土壤应用硅灰 石进行钝化处理，待钝化材料硅灰石失效后；再测定此钝化材料硅灰石失效后的土壤中有效 态微量元素含量水平，评估微量元素钝化程度，并依据中国农业土壤微量元素分级标准进行 分级，再依据微量元素常规施用水平，计算补充微量元素的用量；以水溶液形态施用微量元 素肥料至该钝化材料硅灰石失效后的土壤中，补充微量元素，使土壤中的微量元素供应达到 或超过正常土壤水平，然后栽种作物于该补充微量元素的土壤上。

本发明采用的钝化剂为硅灰石，理论化学成分为CaO 48.25％、SiO₂ 51.75％，结构式为 Ca₃[Si₃O9]，属于一种链状偏硅酸盐，来源广泛，价格低廉。由于硅酸根离子可以与土壤中 镉离子形成难溶性硅酸盐沉淀，提升pH值，促使镉形态向难溶性惰性形态转变，增加土壤 表面负电荷，加强对镉离子吸附，从而降低土壤中镉离子的有效性。同时硅灰石中的钙离 子能对作物吸收镉离子时起拮抗作用，对作物生长也有促进作用。而镉污染土壤添加常规 的钝化剂如硅酸钠、硅酸钾、石灰等，虽然能有效降低土壤中镉的有效性，降低对植物吸 收，但是土壤往往会出现板结情况，作物生长迟缓，蜘蛛矮小。因此添加硅灰石能有效减 少作物对镉离子的吸收，同时不影响土壤原有结构，促进植物生长。对农田镉污染土壤应 用硅灰石进行钝化处理，本领域技术人员可以根据农田镉污染土壤中镉的含量通过常规试 验得知硅灰石的用量。

本发明中微量元素铜、锌、铁、锰的添加量是根据土壤微量元素分级标准[中国农业土壤 微量元素分级标准进行分级(奚振邦2008)]来确定的，按等级施加可以避免过少的添加不起 效果，或者过多的添加对作物产生毒害，因此具有科学性。

由于钝化剂添加后会对微量元素如铜、锌、铁、锰产生同步钝化作用，虽然作物对镉的 吸收降低了，但是对部分微量元素的吸收也降低了，使得作物叶片发黄，植株矮小，光合速 率减少，对重金属抗逆性减弱等问题出现。因此镉污染土壤添加钝化剂过后要按土壤微量元 素分级标准补充相应微量元素来维持作物体内的养分水平，在一定的水平内提高对镉的抗逆 性，促进植物生长。

针对重金属污染耕地修复，当前一个重要的技术方向是利用重金属钝化材料，使土壤中 的重金属无效化，从而使农作物不会吸收或少吸收重金属，确保农产品质量安全。但钝化处 置普遍造成作物产量下降，我们发现，其主要原因是钝化导致了关键微量营养元素的同步钝 化，作物吸收的微量元素养分不足。本发明针对此问题，在重金属镉污染土壤施用钝化材料， 使重金属钝化后，再平衡1周使钝化材料本身老化失效，再施用微量元素肥料，微量元素施 用量必须依据钝化处置后的含量水平与标准，从而实现土壤正常的微量元素供应水平，保证 作物的正常生长。本发明最大的创新是发现钝化造成作物生长不良的原因在于土壤微量元素 被同步钝化，可以在钝化材料自身失效后，人为补充微量元素于土壤，从而纠正作物生长障 碍，使钝化处置农田上种植的农作物能吸收到正常水平的微量元素，确保作物产量与品质。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

本实施例中的土壤为受多年镉污染的农田土，镉含量为5.9mg/kg。

一、

采集镉污染农田土，风干后过1cm的筛，在常规施肥的基础上，分别取3kg的镉污染 农田土按照2g、4g、8g硅灰石/kg镉污染农田土的量将镉污染农田土和硅灰石充分混合， 装盆于直径为23cm，高15cm的花盆中，加水保持常规田间持水量，平衡一周后取土，测 定土壤中有效态镉、锌、锰、铜的含量。

实验结果如下：与对照组(CK，未添加硅灰石的镉污染农田土)相比，W4的处理能 降低土壤中镉有效态含量91％(表1)，已经高度有效，考虑到经济效益，每千克镉污染农 田土施用4克硅灰石的施用量已经比较合适。然后根据表2中有效微量元素分级指标，确 定土壤中锌、锰、铜的肥力等级分别为4、2、5级。然后根据表3有相应的土壤微量元素 的施用量。因此，每千克土施用4克硅灰石后，应该进行每亩2kg锌和4kg锰的补充。

表1、不同硅灰石施用量下土壤中有效态镉、锌、锰、铜的含量(mg/kg)

CK为对照组，W2为每千克镉污染农田土施用2克硅灰石的处理，W4为每千克镉污染农田土施用4克硅 灰石的处理，W8为每千克镉污染农田土施用8克硅灰石的处理；表格中的数字为4个重复的平均值，数 字后相同的字母代表通过LSD检验在同一列中没有显著差异(P＝0.05)

表2、有效微量元素分级指标(mg/kg)

表3、土壤微量元素施用量标准

二、

对照组(CK)：直接在镉污染的农田土上面播种红苋，进行常规管理。

Zn组：在常规施肥的基础上，在镉污染的农田土施用每亩2kg锌(以硫酸锌水溶液形式 施加)，然后保持常规的田间持水量，3天后播种红苋，进行常规管理。

Mn组：在常规施肥的基础上，在镉污染的农田土施用每亩4kg锰(以硫酸锰水溶液形式 施加)，然后保持常规的田间持水量，3天后播种红苋，进行常规管理。

Zn+Mn组：在常规施肥的基础上，在镉污染的农田土施用每亩2kg锌(以硫酸锌水溶液 形式施加)和每亩4kg锰(以硫酸锰水溶液形式施加)，然后保持常规的田间持水量，3天后 播种红苋，进行常规管理。

W组：在常规施肥的基础上，将硅灰石按每亩744kg的施用量施加到镉污染农田土中， 与20cm耕种层充分混匀后，加水保持常规的田间持水量，平衡一周后，播种红苋，进行常 规管理。

W+Zn组：在常规施肥的基础上，将硅灰石按每亩744kg的施用量施加到镉污染农田土 中，与20cm耕种层充分混匀后，加水保持常规的田间持水量，平衡一周后，施用每亩2kg 锌(以硫酸锌水溶液形式施加)，保持常规的田间持水量，3天后播种红苋，进行常规管理。

W+Mn组：在常规施肥的基础上，将硅灰石按每亩744kg的施用量施加到镉污染农田土 中，与20cm耕种层充分混匀后，加水保持常规的田间持水量，平衡一周后，施用每亩4kg 锰(以硫酸锰水溶液形式施加)，保持常规的田间持水量，3天后播种红苋，进行常规管理。

W+Zn+Mn组：在常规施肥的基础上，将硅灰石按每亩744kg的施用量施加到镉污染农 田土中，与20cm耕种层充分混匀后，加水保持常规的田间持水量，平衡一周后，根据上述 步骤一的测算，施用每亩2kg锌(以硫酸锌水溶液形式施加)和4kg锰(以硫酸锰水溶液形 式施加)的补充。然后保持常规的田间持水量，3天后，播种红苋，进行常规管理。

实验结果如下：

与对照组相比，单独施加硅灰石(W)红苋总干重增长36％，总鲜重增长25％。施加硅 灰石后再施用锌和锰的组合(W+Zn+Mn)，红苋总干重能增长171％，总鲜重增长135％(表 4)。

对于红苋体内镉的含量，与对照组相比，单独施加硅灰石(W)根部镉含量下降58％， 茎部下降70％，叶部下降71％。施加硅灰石、锌和锰的组合(W+Zn+Mn)，根部镉含量下降 81％，茎部下降83％，叶部下降83％(表5)。

对于红苋体内锌含量，与对照组相比，单独施加硅灰石(W)根部锌含量下降61％，茎 部下降76％，叶部下降70％。施加硅灰石、锌和锰的组合(W+Zn+Mn)，根部锌含量下降31％， 茎部下降57％，叶部增加3％(表5)。

对于红苋体内锰含量，与对照组相比，单独施加硅灰石(W)根部锰含量下降62％，茎 部下降80％，叶部下降88％。施加硅灰石、锌和锰的组合(W+Zn+Mn)，根部锰含量增加24％， 茎部持平，叶部增加28％(表5)。

大部分实验表明，施加碱性钝化剂在较高的施用量上虽然会大幅度降低作物对镉的吸收， 但是会对土壤造成板结，对植物生长产生抑制效果和毒害。本实验采用的钝化剂为硅灰石， 能够降低作物体内镉含量50％以上，并且对作物生长有一定促进作用。由于碱性钝化剂对部 分微量元素的同步钝化，需要按照土壤需求量补充微量元素。在施加硅灰石后再补充锌和锰， 作物能进一步减少对镉的吸收，降低幅度到达80％，并且能使作物对微量元素的吸收恢复到 原有水平，作物大幅度增产，增产量能到2倍以上。但是在不施加硅灰石的前提下单独施加 锌和锰，或使得作物体内对锌和锰的吸收大幅度上升，产生毒害，生物量减少。因此，要严 格按照钝化后土壤微量元素的肥力标准配施微肥，才能取得大幅度增产和降低镉吸收的双功 效。

表4：各处理下作物产量(kg/亩，作物为红苋)

CK为对照组，Zn为硫酸锌单独添加处理，Mn为硫酸锰单独添加处理，Zn+Mn为硫酸锌和硫酸锰组合添 加处理，W为硅灰石单独添加处理，W+Zn为硅灰石和硫酸锌组合添加处理，W+Mn为硅灰石和硫酸锰组 合添加处理，W+Zn+Mn为硅灰石、硫酸锌和硫酸锰组合添加处理；表格中的数字为4个重复的平均值， 数字后相同的字母代表通过LSD检验在同一列中没有显著差异(P＝0.05)

表5、各处理下作物镉、锌、锰含量(mg/kg，干重)

表格中的数字为4个重复的平均值，数字后相同的字母代表通过LSD检验在同一列中没有显著差异 (P＝0.05)

三、

在作物生长完成，收获后(80天)分别采集各处理的根际土和非根际土，提取有效态镉、 锌、锰，测定含量。

实验结果如下：与对照组相比，单独施加硅灰石(W)根际土中有效态镉含量下降78％， 非根际土中下降78％。施加硅灰石、锌和锰的组合(W+Zn+Mn)，根际土中有效态镉含量下 降77％，非根际土下降44％(表7)。

对于锌和锰，单独施加硅灰石(W)非根际土中有效态锌含量下降51％，锰下降54％。但 是施加硅灰石后再施用锌和锰的组合(W+Zn+Mn)，非根际土中有效态锌含量增加138％，锰 增加74％(表7)。

结果表明，单独施加硅灰石会使得土壤中有效态镉、锌、锰含量都下降了，满足不了作 物正常生长的需要。而施加硅灰石后再施用锌和锰的组合，不仅使土壤中有效态镉下降了， 并且使得土壤中微量元素含量维持到较高而又不对作物产生毒害的水平。

表7、各处理土壤中有效态镉、锌、锰含量(mg/kg)

表格中的数字为4个重复的平均值，数字后相同的字母代表通过LSD检验在同一列中没有显著差异 (P＝0.05)。