利用灌溉及化控技术联合提升镉污染土壤生产力的方法

摘要

本发明涉及一种用于保障粮食安全及提升污染土壤生产力的方法，具体涉及一种利用灌溉及化控技术联合提升镉污染土壤生产力的方法，首先、选取作物品种，按照常规播种量及底肥施用量进行播种；然后、在作物的苗期、返青拔节期和抽穗灌浆期三个作物生育阶段分别对作物进行水质调控，三个生育阶段对作物进行水质调控的方法依次为灌溉微污染水、灌溉微污染水、灌溉清水，并在作物的返青拔节期利用冲施腐植酸水溶性肥料的方式对作物进行化学调控处理，本发明方法在拔节期冲施腐植酸液肥条件下，苗期、返青拔节期采用微污染水灌溉，抽穗灌浆期采用清水灌溉对冬小麦产量没有影响，但可以显著降低冬小麦根、茎、叶和籽粒中镉含量。另外，拔节期进行化学调控的优化灌溉模式对中度镉污染土壤安全生产保障更高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于保障粮食安全及提升污染土壤生产力的方法，具体涉 及一种利用灌溉及化控技术联合提升镉污染土壤生产力的方法。

背景技术

我国是一个农业人口占大多数的农业国，面临人口众多，人均土地面积少、 农业水资源短缺的突出矛盾。2012年全国粮食总产量实现九连增，达到5895× 10⁸kg，而事实上，2013年全年，中国粮食进口超过了700×10⁸kg，是历史上粮 食进口量最多的一年，国际上公认的粮食安全中，最主要的是口粮安全。我国 农业用水量约3600×10⁸m³，用水比重从1997年的69.7％下降到当前的61.3％ 左右，减少了200×10⁸m³，灌溉用水缺口300×10⁸m³，根据国家水资源发展规 划，未来15年农业可用水量将维持零增长，近10年来，全国平均每年旱灾发 生面积2.7×10⁷ha左右，是上世纪50年代的两倍以上，平均每年成灾面积 1.3×10⁷ha，因旱损失粮食300×10⁸kg以上，全球气候变暖，干旱缺水对农业生 产的威胁越来越大；同时，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污 染较重，耕地土壤环境质量堪忧，据2014年环境保护部和国土资源部联合发布 的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的超标率为16.1％，其中轻 微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2％、2.3％、1.5％和1.1％。耕地 土壤点位超标率为19.4％，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为 13.7％、2.8％、1.8％和1.1％，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染 物点位超标率分别为7.0％、1.6％、2.7％、2.1％、1.5％、1.1％、0.9％、4.8％。目 述水溶性肥料为氮肥，冲施腐植酸水溶性肥料的方法是将腐植酸和氮肥在微污 染水中搅拌溶解后冲施进入田间。

上述腐植酸和氮肥在微污染水中搅拌溶解后，腐殖酸的浓度为0.064～ 0.071g/L，总氮的浓度控制在0.171～0.214g/L。

所述步骤2、3中微污染水中含镉的质量浓度均为0.01～0.02mg/L。

所述步骤4中对作物抽穗灌浆期灌溉清水的量为750～900m³/ha。

本发明的有益效果：灌溉技术是依据植物生理学原理，调控土壤微量元素 向植物体的运输重要途径，化控技术则是污染农田土壤源头阻控的重要技术之 一，是一种提高污染农田土壤生产力的重要方法，也是目前污灌农田推广应用 前景广阔的污染阻控技术。将灌溉技术与化控技术结合，提升镉污染土壤生产 力既符合国家粮食安全需要的大背景、又符合原住居民生产生活需要。灌溉技 术可显著降低重金属在作物籽粒中的累积，保障作物产品安全；化控技术具有 肥料增效、改良土壤、刺激作物生长、改善农产品质量等功能，会使水中金属 离子和微量元素含量下降，矿化度降低，从而破坏了人体对某些元素如Ca、Mg、 Mn、V、Mo、SO₄^2-等的吸附和平衡，影响金属离子的毒性和生物有效性。本 发明方法在拔节期冲施腐植酸液肥条件下，苗期、返青拔节期采用微污染水灌 溉，抽穗灌浆期采用清水灌溉对冬小麦产量没有影响，但可以显著降低冬小麦 根、茎、叶和籽粒中镉含量。另外，拔节期进行化学调控的优化灌溉模式对中 度镉污染土壤安全生产保障更高。

具体实施方式

一种利用灌溉及化控技术联合提升镉污染土壤生产力的方法，包括以下步 骤：

前全国受污染的耕地约有1.0×10⁷ha，污水灌溉污染耕地2.17×10⁶ha。全国每年 因重金属污染的粮食达120×10⁸kg，造成的直接经济损失超过200亿元。

目前，还没有一种方法能够在中轻度镉污染农田中使用，以便有效的实现 非常规水安全利用、污染农田生产、兼顾产地环境质量改善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，而提供一种利用灌溉及化控技 术联合提升镉污染土壤生产力的方法，适用于中轻度镉污染农田，能偶有效的， 实现非常规水安全利用、污染农田生产、兼顾产地环境质量改善，保障我国口 粮安全的目标。

本发明所采用的技术方案：一种利用灌溉及化控技术联合提升镉污染土壤 生产力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、选取作物品种，按照常规播种量及底肥施用量进行播种；

步骤2、在作物的苗期对作物灌溉微污染水进行水质调控；

步骤3、在作物的返青拔节期对作物灌溉微污染水进行水质调控，并利用冲 施腐植酸水溶性肥料的方式对作物进行化学调控处理；

步骤4、在作物的抽穗灌浆期对作物灌溉清水进行水质调控。

所述步骤1中选取的作物品种为冬小麦或夏玉米。

所述步骤1中的常规播种量为亩播种10～15kg，行距15～20cm，播种方式 为机播；常规底肥施用量为复合肥40～50kg/亩、尿素12～15kg/亩，施肥方式 为撒施。

所述步骤2中对作物苗期灌溉微污染水的量为600～750m³/ha。

所述步骤3中对作物返青拔节期灌溉微污染水的量为900～1050m³/ha，所

步骤1、选取冬小麦或夏玉米作为作物品种，按照常规播种量及底肥施用量 进行播种，常规播种量为亩播种10～15kg，行距15～20cm，播种方式为机播； 常规底肥施用量为复合肥40～50kg/亩、尿素12～15kg/亩，施肥方式为撒施；

步骤2、在作物的苗期对作物灌溉微污染水进行水质调控，灌溉微污染水的 量为600～750m³/ha，微污染水中含镉的质量浓度为0.01～0.02mg/L；

步骤3、在作物的返青拔节期对作物灌溉微污染水进行水质调控，并利用冲 施腐植酸水溶性肥料的方式对作物进行化学调控处理；灌溉微污染水的量为 900～1050m³/ha，微污染水中含镉的质量浓度为0.01～0.02mg/L，水溶性肥料为 氮肥，冲施腐植酸水溶性肥料的方法是将腐植酸和氮肥在微污染水中搅拌溶解 后冲施进入田间，腐植酸和氮肥在微污染水中搅拌溶解后，腐殖酸的浓度为 0.064～0.071g/L，总氮的浓度控制在0.171～0.214g/L；

步骤4、在作物的抽穗灌浆期对作物灌溉清水进行水质调控，灌溉清水的量 为750～900m³/ha。

本实施例中W指灌溉水源为微污染水，T指灌溉水源为清水；WWT处理 指冬灌采用微污染水灌溉、返青拔节期采用微污染水灌溉、抽穗灌浆期采用清 水灌溉，其他处理依次类推；CK处理为冬灌、返青拔节期及抽穗灌浆期均采用 清水灌溉；CR为采用化控技术处理；本试验共计5个处理，即WWT+CR处理、 WWT处理、WWW处理、WWW+CR处理、CK处理；其他管理措施完全一致。

试验1：

试验于2012年10月至2013年6月在河南省新乡市典型污灌区进行。试验 土壤类型为砂壤土，pH值8.0，有机质1％，速效氮80mg/kg，速效磷15mg/kg， 速效钾80mg/kg，镉1.23～7.71mg/kg(《土壤环境质量标准》(GB15618-1995) 限值为0.6mg/kg)。

2012年10月11日播种(矮抗58)，2013年6月6日收获。播前底施复合 肥(N-P₂O₅-K₂O＝16％：22％：10％)50kg/亩，尿素(TN≥46.4％)15kg/亩。2012 至2013年度，冬小麦全生育期进行3次水分处理，其中越冬期灌水750m³/ha， 返青拔节期1050m³/ha，抽穗灌浆期900m³/ha，共计5个处理。试验采用清水对 照、清污轮灌及化学调控(其中冬灌、拔节、抽穗灌浆进行水质调控，拔节进 行化学调控)两种方式。

6月6日收获，冬小麦收获后对各处理取样考种，测定冬小麦千粒重、产量， 冬小麦根、茎、叶、籽粒中重金属含量，测定根层土壤中重金属残留量。

试验结果如下：

表1灌溉技术和化控技术集成对冬小麦产量及不同器官Cd含量影响

注：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05)，下同。

表2灌溉技术和化控技术集成对冬小麦收获后土壤理化性质及Cd含量影响

表1和表2分别为灌溉技术和化控技术集成对冬小麦产量及不同器官Cd含 量、土壤Cd残留量、土壤有效Cd含量的影响，研究结果表明，与CK相比， WWT+CR处理冬小麦产量差异不大，但WWT处理显著降低了冬小麦根、茎、 叶及籽粒中Cd含量，分别降低39.24％、40.44％、39.40％、38.23％；与CK相 比，WWT+CR处理冬小麦收获后土壤中Cd含量差异并不明显，但WWT+CR 处理冬小麦收获后土壤中有效Cd含量显著低于CK处理。

在中轻度污染农田土壤，冬小麦越冬苗期、返青拔节期采用微污染水灌溉， 返青拔节期进行腐植酸液肥化学调控，抽穗灌浆期采用清水灌溉，可有效阻控 土壤Cd向植株体中转移，该种灌溉技术和化控技术的集成可大幅提升中轻度镉 污染土壤生产力。

试验2：

表3、表4为冬小麦中麦895，采用灌溉技术和化控集成技术后，不同处理 冬小麦产量、不同器官Cd含量及土壤Cd残留量对比结果。中麦895试验设计、 播种、收获及其他管理措施同矮抗58。

试验结果如下：

表3灌溉技术和化控技术集成对冬小麦产量及不同器官Cd含量影响

表4灌溉技术和化控技术集成对冬小麦收获后土壤理化性质及Cd含量影响

表3和表4分别为灌溉技术和化控技术集成对冬小麦产量及不同器官Cd含 量、土壤Cd残留量、土壤有效Cd含量的影响，研究结果表明，与CK相比， WWT+CR处理冬小麦产量差异不大，但WWT处理显著降低了冬小麦根、茎、 叶及籽粒中Cd含量，分别降低36.60％、37.64％、38.86％、37.80％；与CK相 比，WWT+CR处理冬小麦收获后土壤中Cd含量差异并不明显，但WWT处理 冬小麦收获后土壤中有效Cd含量显著低于CK处理。

试验3：

表5、表6为夏玉米采用灌溉技术和化控集成技术后，不同处理夏玉米产量、 不同器官Cd含量及土壤Cd残留量对比结果。

以CK为对照，通过夏玉米关键生育阶段水质调控(即苗期、拔节期、抽 雄期清污轮灌，清水-T、微污染水-W)，结合拔节期化学调控(冲施腐植酸水溶 性肥料)，共计5个处理，即WWT+CR处理、WWT处理、WWW处理、WWW+CR 处理、CK处理。

试验结果如下：

表5灌溉技术和化控技术集成对夏玉米产量及不同器官Cd含量影响

表6灌溉技术和化控技术集成对夏玉米收获后土壤理化性质及Cd含量影响

表5和表6分别为灌溉技术和化控技术集成对夏玉米产量及不同器官Cd含 量、土壤Cd残留量、土壤有效Cd含量的影响，研究结果表明，与CK相比， WWT+CR处理冬小麦产量差异不大，但WWT+CR处理显著降低了夏玉米根、 茎、叶及籽粒中Cd含量，分别降低23.39％、24.65％、26.13％、24.84％；WWT 处理夏玉米收获后土壤中Cd、有效Cd含量与CK处理无明显差异。

分析总结：

通过对上述表1、表3、表5进行分析可知，与采用灌溉技术和化控技术处 理(WWT+CR处理)相比，不采用灌溉技术和化控技术处理(WWW处理)显 著降低冬小麦产量、千粒重，分别较WWT+CR处理降低了16.68％、11.51％， 不采用灌溉技术和化控技术处理(WWW处理)显著增加了籽粒、根、茎、叶 中Cd含量，分别较WWT+CR处理提高了2.59、2.59、2.65、2.62倍。在中轻 度污染农田土壤，不采用灌溉技术和化控技术处理显著降低冬小麦产量和籽粒 丰满度，显著增加了冬小麦各器官中Cd的累积量。

与采用灌溉技术(WWT处理)相比，采用灌溉技术和化控技术处理 (WWT+CR处理)显著提高了冬小麦产量，分别较WWT处理增加了10.34％， 采用灌溉技术和化控技术处理(WWT+CR处理)显著降低了籽粒、根、茎、叶 中Cd含量，分别较WWT处理减少了0.95、0.95、0.98、0.96倍。在中轻度污 染农田土壤，采用灌溉技术和化控技术处理显著提高冬小麦产量，显著降低了 冬小麦各器官中Cd的累积量。

与不采用灌溉技术处理(WWW处理)相比，不采用灌溉技术、采用化控 技术处理(WWW+CR处理)显著提高了冬小麦产量，较WWW处理降低了 13.20％，不采用灌溉技术、采用化控技术处理(WWW+CR处理)显著降低了 籽粒、根、茎、叶中Cd含量，分别较WWW处理减少了12.66％、16.21％、18.28％、 16.33％倍。在中轻度污染农田土壤，不采用灌溉技术、采用化控技术处理显著 提高了冬小麦产量，显著降低了冬小麦各器官中Cd的累积量。