一种适用于水稻田间试验的土壤镉处理方法

摘要

本发明公开了一种适用于水稻田间试验的土壤镉处理方法。目前的室内盆栽试验，由于人为控制因素较多，灌水、施肥、防虫等措施与田间实际情况存在一定的差异，很难客观全面地反映产地土壤环境质量与稻米重金属含量之间的定量关系，甚至不能满足指导实际田间生产的需要。本发明的步骤如下：1)制备母土；2)制作试验用框；3)计算试验框内土壤质量；4)土壤重金属处理：根据试验要求、母土Cd浓度与试验框内土壤质量，计算需要称取母土的质量；将称取好的母土与试验框内泥浆状的土壤充分搅匀，再进一步将试验框切入犁底层中，使试验框的顶部与土壤表层持平。本发明能够客观全面地反映产地土壤环境质量与稻米重金属含量之间的定量关系。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤重金属处理领域，具体地说是一种适用于水稻田间试验的土壤镉处理 方法。

背景技术

水稻是我国第一大粮食作物，我国大约有65％的人口以稻米为主食，稻米的品质与人 们的健康密切相关。近年来，我国一些地区频繁出现大米重金属超标事件(如镉米事件)， 原因与产地稻田土壤重金属元素超标有关。由于重金属具有非生物降解性和持久性，不仅 危及水稻的正常生长，更重要的是在长期食用受重金属污染的稻米后，重金属在人体中慢 慢积累，引起各种病变，直接危害到人类的健康与生存。因此，系统研究土壤重金属与稻 米重金属含量之间的相关关系，明确稻田土壤重金属含量的安全阈值，已成为我国环境污 染研究的热点问题之一。

当前，相关研究主要以室内盆栽试验为主，通过外源添加的方式人为控制土壤重金属 梯度，土壤处理过程一般是将含有一定浓度的重金属溶液喷施于供试土壤中。但这种处理 方式具有一定的局限性，如在喷施过程中，溶液与细颗粒的干土易结成小土球，之后搅拌 也很难再将其分散开，易造成局部土壤重金属浓度不均的现象，从而影响试验结果。

此外，室内开展盆栽试验由于人为控制因素较多，灌水、施肥、防虫等措施与田间实 际情况存在一定的差异，很难客观全面地反映产地土壤环境质量与稻米重金属含量之间的 定量关系，甚至不能满足指导实际田间生产的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种适用于水稻田 间试验的土壤镉处理方法，以确保试验环境与大田环境一致，能够客观全面地反映产地土 壤环境质量与稻米重金属含量之间的定量关系。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种适用于水稻田间试验的土壤镉处理方法，其 步骤如下：

1)制备母土：采集田间试验耕层土壤，阴干，磨碎，过筛；称取适量土壤并浸没于高 浓度Cd盐溶液中(浓度一般选2000-4000mg/kg)，40℃下烘干，磨碎，过筛，作为高浓度 Cd污染母土，母土的Cd浓度＝溶液中Cd的质量/土壤质量，该比例根据具体试验要求进行 调整，母土须静置6个月以上(一般为6-18个月)，使重金属活性在土壤固相中达到平衡 稳定；

2)制作试验用框：用PVC板材制作方形试验框，该试验框的上、下开口，四面的下部 呈楔形；

3)计算试验框内土壤质量：当水稻田面平整完毕，土壤成松软泥浆状态时，将试验框 切入到犁底层中，并使试验框顶部与土壤表层保持3-4cm高度，以便于母土处理；测量试 验田土壤表层到犁底层距离，土壤含水量和土壤容重，计算试验框内土壤质量；

4)土壤重金属处理：根据试验要求、母土Cd浓度与试验框内土壤质量，计算需要称 取母土的质量；

将称取好的母土与试验框内泥浆状的土壤充分搅匀，再进一步将试验框切入犁底层 中，使试验框的顶部与土壤表层持平；

5)水稻种植：采用移栽或直播的方式在试验框内种植水稻，相应的农事操作、管理措 施与水稻大田种植保持一致(水稻播种至水稻收获，即为本发明的一个施用周期)；

6)后续处理：水稻收获后，收集框内耕层和犁底层土壤，依照相关规定对该污染土壤 进行处置。

水稻在种植过程中，耕作层的土壤黏粒随水压向下迁移并沉积，经过长年的耕种，最 终发育为坚实、不透水的犁底层，因此确保了稻田可长期保持淹水状态。该土层离地表 12-18厘米，厚约5-7厘米。本发明正是利用水稻土犁底层这一特殊性状，形成了上述适 用于水稻田间试验的土壤镉处理方法。

进一步，试验框内土壤质量的计算公式为：W2＝M×H×ρ/(1-C％)/1000，其中，W2表示试 验框内土壤质量，单位为kg；M表示试验框底面积，单位为cm²；H表示土壤表层到犁底层 的距离，单位为cm；ρ表示土壤容重，单位为g/cm³；C％表示土壤含水量。

进一步，在步骤4)土壤重金属处理中，需要称取母土质量的计算公式为：W1＝ (C2+C3)×W2/C1，

其中，W1为母土质量，单位为g；W2为试验框内土壤质量，单位为g；C1为母土Cd 浓度，单位为mg/kg；C2为试验所设试验框内土壤Cd浓度，单位为mg/kg；C3为土壤Cd 本底值浓度，单位为mg/kg。

本发明确保了试验环境与大田环境相一致，有效避免了室内盆栽试验因人为控制因素 如灌水、施肥、防虫害等所造成的试验差异，能够客观全面地反映产地土壤环境质量与稻 米重金属含量之间的定量关系，可为稻田土壤Cd含量的安全阈值研究提供可行、有效的 研究方法。

附图说明

图1为本发明可提取态Cd含量随时间变化的趋势图。

图2为本发明不同土层深度Cd浓度变化图。

图3为本发明水稻籽粒Cd含量与土壤Cd浓度的关系图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步地详细说明。

一种适用于水稻田间试验的土壤镉处理方法，其步骤如下：

1)制备母土：采集田间试验耕层土壤，阴干，磨碎，过筛；称取适量土壤并浸没于高 浓度Cd盐溶液中，40℃下烘干，磨碎，过筛，作为高浓度Cd污染母土，母土的Cd浓度＝ 溶液中Cd的质量/土壤质量，该比例根据具体试验要求进行调整，母土须静置6个月以上， 使重金属活性在土壤固相中达到平衡稳定。

2)制作试验用框：用0.5cm厚的PVC板材制作方形试验框(30×20×20cm)，该试验框的 上、下开口，四面的下部呈楔形。

3)计算试验框内土壤质量：当水稻田面平整完毕，土壤成松软泥浆状态时，将试验框 切入到犁底层中，并使试验框顶部与土壤表层保持3-4cm高度，以便于母土处理；测量试 验田土壤表层到犁底层距离，土壤含水量和土壤容重，计算试验框内土壤质量，计算公式 为：W2＝M×H×ρ/(1-C％)/1000，其中，W2表示试验框内土壤质量，单位为kg；M表示试验框 底面积，单位为cm²；H表示土壤表层到犁底层的距离，单位为cm；ρ表示土壤容重，单位 为g/cm³；C％表示土壤含水量。

4)土壤重金属处理：根据试验要求、母土Cd浓度与试验框内土壤质量，计算需要称 取母土的质量，计算公式为：W1＝(C2+C3)×W2/C1，其中，W1为母土质量，单位为g；W2 为试验框内土壤质量，单位为g；C1为母土Cd浓度，单位为mg/kg；C2为试验所设试验 框内土壤Cd浓度，单位为mg/kg；C3为土壤Cd本底值浓度，单位为mg/kg；

将称取好的母土与试验框内泥浆状的土壤充分搅匀，再进一步将试验框切入犁底层 中，使试验框的顶部与土壤表层持平。

5)水稻种植：采用移栽或直播的方式在试验框内种植水稻，相应的农事操作、管理措 施与水稻大田种植保持一致，水稻播种至水稻收获，即为本发明的一个施用周期。

6)后续处理：水稻收获后，收集框内耕层和犁底层土壤，依照《中华人民共和国固体 废物污染环境防治法》相关规定对该污染土壤进行处置。

实施例1：母土中可提取态Cd含量随时间变化趋势

将风干土壤200.0g浸没于400mL1.0g/LCd溶液中，充分搅拌，40℃下烘干，磨碎， 过1mm筛，此土壤中重金属浓度为2000mg/kg，阴凉处保存。分别在15天、30天、60天、 120天、180天时，准确称取1g土壤样品，加入40mL0.11M的醋酸溶液，密封后于25℃ 恒温振荡器，振荡16小时，平衡后过滤，用ICP-MS法测定上清液Cd浓度。

由图1可以看出，由于土壤中Cd为外源添加，因此试验初始时(15天时)约有90％ 的Cd为可提取形态。随着培养时间的延长，可提取态Cd含量急剧下降，表明土壤Cd形 态在不断转化过程中。至120天时，可提取态Cd含量下降趋势明显趋缓，180天时土壤 Cd各形态在土壤固相中达到平衡稳定。

实施例2：水稻收获后框内不同土层中Cd浓度含量情况

参照本发明方法，对田间土壤进行了重金属Cd处理，处理后框内土壤浓度分别为 0.3mg/kg、0.6mg/kg和1.2mg/kg，犁底层距离土壤表面15cm，厚度5cm。水稻种植、收 获后，垂直采集0-10cm、10-15cm、15-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm土 层样品。ICP-MS法测定土壤中Cd浓度。

图2为试验结束后，不同土层深度Cd浓度。土壤Cd本底值为0.124mg/kg，土壤pH5.5， 依照《土壤环境质量标准》(GB15618)土壤Cd浓度二级标准0.300mg/kg，该土壤属于清 洁土壤。由图可以看出，受水稻吸收作用的影响，不同Cd浓度处理下，0-15cm土层中Cd 浓度均略低于初始浓度。土壤耕层(0-10cm、10-15cm)Cd浓度差异不大。而犁底层中土 壤Cd浓度略高于土壤本底值，各处理浓度分别为0.220mg/kg、0.186mg/kg和0.148mg/kg， 均小于土壤二级标准。而20-100cm土层中重金属浓度为土壤本底值浓度。此结果表明， 犁底层可有效避免耕层中的Cd向下迁移，对环境无污染风险。

实施例3：水稻籽粒Cd含量与土壤Cd浓度相关关系

根据实施例2试验结果，对水稻籽粒Cd含量与土壤Cd浓度相关关系进行了分析，分 析结果见图3。

由图3可以看出，对水稻籽粒Cd含量与土壤Cd浓度呈线性相关，统计分析表明，二 者相关性达显著水平(P<0.05)，相关系数达0.9778。当土壤Cd浓度为0.3mg/kg时，稻 米中Cd含量测定值为0.187mg/kg，而根据相关公式得到的预测值为0.172mg/kg。均接近 于国家标准《食品中污染物限量》(GB2762)所规定的0.2mg/kg限量值。表明本发明可 为稻田土壤重金属含量的安全阈值研究提供可行、有效的研究方法。