3_纪熊辉_湖南省镉污染耕地修复治理研究与实践（PDF55页）

湖南省镉污染耕地修复治理研究与实践湖南省农业环境生态研究所纪雄辉研究员2017年9月　武汉汇报内容p湖南耕地镉污染现状与特征p稻田镉污染修复研究pVIP+n技术模式构建与优化p其它配套技术p存在问题与建议一、湖南耕地镉污染现状与特征Ø我国耕地点位超标19.4%，湖南省著名有色金属之乡，稻田凸现严重的镉污染（35.6%），且污染趋势（10ugCd/kg/y）严重高于全国（4ugCd/kg/y）。Ø加之湖南区域土壤酸化、稻草还田、镉高积累的高产杂交籼稻品种推广，导致稻米镉超标严重，影响区域农业生产经济和人民健康。Ø过去几年，湖南省重金属污染事件频发，株洲清水塘镉污染、岳阳新墙河砷污染、邵阳镉污染、特别是2013年广州市场所谓湖南“毒大米”事件，引起了党中央和湖南省委省政府的高度关注。项目全国湖南省数值占比数值占比轻微13.7%70.62%　　轻度2.8%14.43%23.8%　66.85%中度1.8%9.28%　6.3%17.70%重度1.1%5.67%5.5%　15.45%超标率19.4%100.0%35.6%100.0%污染特征1：土壤镉污染为主，土壤污染程度仍为轻微－轻度污染水平点位超标（%）重度（%）中度（%）轻度（%）轻微（%）镉19.70.81.32.714.9铅4.00.10.40.33.3砷8.77.40.90.40.1铬0.2———0.2汞4.50.20.40.43.6u全省土壤重金属含量变幅大，均值皆不超标•镉：0.006~6.353mg/kg，均值0.19mg/kg•铅：5.9~197.0mg/kg，均值33mg/kg•砷：0.82~175.55mg/kg，均值11.74mg/kg•铬：10.0~218.4mg/kg，均值57.2mg/kg•汞：0.001~4.930mg/kg，均值0.101mg/kgu全省土壤镉超标较为严重，主要为轻微污染长株潭地区土壤镉含量分布0.6mg/kg长株潭地区稻米镉含量分布0.4mg/kg污染特征2：土壤、稻米镉污染仍处在轻度污染阶段，但近20年来污染有增加趋势Ø耕作土壤受人为、生物化学过程（矿物风化、盐基离子流失、养分离子植物交换等）综合作用、长期稳定的结果。Ø湖南省农业厅数据，80年代以来，我省农业未采取土壤酸化防止措施，平均土壤pH下降0.5个点。Ø始于1981年的望城长期试验，NPK施肥土壤pH每年下降0.0566，由1981年的6.6下降到2007年的5.4（1.2个单位）。Ø土壤pH与土壤有效镉显著线性负相关：每降低1个pH单位，土壤有效镉提高比例为22.2%(0.102mgkg-1)，糙米镉含量提高0.12mgkg-1，比例为29.4%。1981年长期定位试验pH动态土壤pH与有效态的关系污染特征3：土壤严重酸化，显著提高了土壤镉活性望城长期定位试验u长期施用酸性、生理酸性化学肥料，导致土壤逐步酸化祁阳站－NPK处理起始值：5.71~6年：5.25，下降0.457~12年：4.5，下降1.213~18年：4.45，下降1.25望城站－NPK处理起始值：6.611~6年：6.50，下降0.117~18年：5.50，下降1.1119~24年：5.25，下降1.36污染特征4：稻草还田使污染源进入的镉循环出去受阻，而且提高了土壤镉活性l稻草镉含量平均为稻米为4.16倍，稻草移除将有利于稻田生态系统镉的良性循环稻草镉和糙米镉含量间的关系u稻草还田提高了土壤镉活性，促进水稻吸收积累Ø土壤剖面耕层土壤有效态镉占全镉的比值显著高于底层。Ø土壤有效态镉与有机质含量呈显著正相关（低分子有机碳所致）uTCd=0.319×SOM+0.122×P0.05~0.002mm–0.129×P2~0.05mm（R2=0.20，n=154）uACd=0.542SOM+0.144×P0.05~0.002mm–0.057×P2~0.05mm（R2=0.41，n=132）Ø稻草离田后稻米和稻草镉含量显著下降。不同类型水稻土有效镉剖面分布稻草移除对水稻稻谷和稻草镉含量的影响特征5：沿河流稻田超标严重，河沙泥土壤镉释放（生物有效性）高于粘性土壤河流泥非可变电荷土壤、保水能力低，晚稻期间普遍干旱，灌溉不及时导致土壤处于干湿交替，高Eh状态导致土壤镉有效态高，稻米富集系数很高。种植制度双季稻田一季晚稻田中稻田土壤早稻米晚稻米土壤稻米土壤稻米镉含量mg/kg0.28±0.150.24±0.150.44±0.260.44±0.200.40±0.250.50±0.280.67±0.51稻米累积系数BCF0.75±0.501.34±0.781.11±0.620.82±0.57特征6：籼稻及其以高产为目标的水稻育种，导致重金属吸收、转运、积累低的水稻基因逐渐被忽视低积累水稻品种常常表现为根系、分蘖欠发达，这些品种资源常常被高产育种所忽视。特征7：农田重金属污染源尽管得到很大改善，但污染趋势仍将持续一段时间。p稻田镉污染过程与情景模拟Ø当前污染源（输入量1.0g/亩/年）和土壤污染水平（0.68mg/kg）：稻草还田下土壤镉污染仍将继续恶化(0.005mg/kg/y)，稻草移除则以0.003mg/kg/y下降Ø未污染土壤0.3mg/kg平衡控制模拟：要保持土壤镉含量在0.3mg/kg水平以下，必须使当前的污染源继续降低30%，并采取稻草移除方式。二、稻田镉污染修复研究p前期国内外有关单位和学者开展大量农田土壤污染修复研究，特别是日本，50年代镉污染以来，如选育出低积累水稻品种－日本晴；制定了降低稻米镉积累的水分管理技术方案等。p在湘科研单位如湖南省农业科学院、湖南农业大学、中科院亚热带研究所等，在湖南地区镉污染稻田开展了大量的试验研究和联合攻关。p以低积累水稻品种（V）、长期淹水灌溉（I）、施用石灰调理土壤pH（P）和钙镁硅等土壤调理剂、活性硅铁等叶面阻控剂，即当前的VIP+n技术模式适合于湖南酸性镉污染稻田修复治理。1低吸收、积累水稻品种p水稻品种间吸收积累重金属的能力差异较大u不同水稻品种对镉的耐性不同（蒋芬等，2015）u不同地域（中国、菲律宾、日本、韩国）和遗传背景差异较大的基因型水稻品种的稻米镉含量：最高/最低=3.1（李坤权等，2003）u不同水稻品种对镉分配比例不同（龙小林等，2014）u水稻根外皮及植株中心部位的“Nramp5”基因不发挥作用，其镉吸收量仅为常规品种的1/10~1/30（日本冈山大学）p湖南省农业科学院通过基因组编辑技术获得稳定遗传、非转基因低镉华占突变系，并配制低镉组合u高镉处理的水培、盆栽、大田试验发现，突变系比对照极显著降低了稻米镉含量Ø2007年起（稻米镉含量20%~40%）：采用水培、盆栽和田间试验等方法，筛选出低积累品种：湘晚籼13号、湘晚籼12号、金优284、KY723、Ⅱ优838、丰优272等Ø2014年起（稻米镉含量30%）：采取比较法与大样本分析法相结合的方式，以通过湖南省审定或国审定的水稻品种为对象，筛选出早、中、晚季稻米镉积累相对低的品种49个。镉低积累水稻品种筛选2水分管理稻米降镉技术Ø不同淹水时间的稻米镉含量顺序：湿润灌溉（WI）﹥灌浆后淹水1周（F1）﹥灌浆后淹水2周（F2）﹥灌浆前淹水1周（T1）﹥常规灌溉（CI）﹥灌浆后淹水3周（F3）﹥灌浆前淹水2周（T2）﹥灌浆后淹水4周（F4）﹥灌浆前淹水3周（T3）﹥全生育期淹水（WF）Ø干旱胁迫条件下水位高度以及淹水条件下水位深度对稻米镉累积的影响均不明显，但与干旱胁迫相比，淹水能显著降低稻米镉累积Ø不同水分管理的水稻镉含量顺序：全生育期淹水（WF）﹤乳熟期晒田（MP）﹤分蘖期晒田（TP）﹤湿润灌溉（WI）﹤分蘖-乳熟期两次晒田（TMP）。淹水时间对稻米Cd累积的影响淹水深度对稻米Cd、As累积的影响水分管理模式对水稻Cd累积的影响淹水灌溉+铁硫调控Ø水稻生育期长期淹水、分蘖至成熟期淹水的稻米镉含量比对照降低42.8%~57.9%Ø在淹水管理的基础上，进一步利用含硫、亚铁等还原性物质进行化学还原调控，稻田土壤最大还原调控氧化还原电位（Eh）为-245.0mV，稻米最大降镉效果可达62.5%稻田淹灌溉技术规程Ø技术效果：淹水灌溉降低稻米镉含量的效果，试验区：54.5%~59.2%大面积示范：20.6%~32.6%Ø灌溉水质：灌溉水中镉含量0.005mg/LØ及时灌水：根据水稻各生育期保持水分3~5cm以上Ø蜡熟期晒田：收获前7～10天内排水晒田，利于机械收获稻季试验效果（%）VIP示范效果（%）早稻54.50%20.55%晚稻59.20%28.14%稻田水分管理稻米镉降低效果已有研究报道的效果Y=-0.033x+0.321，R2=0.9821土壤pH土壤有效Cdmg/kg但是,田间试验研究结果总是相互冲突，施用石灰使作物吸收的Cd-减少(Guttormsenetal.,1995；Maclean,1976)-增加(Wallace,1984)-结果不一致(Maieretal.,1997)-没有影响(Sparrowetal.,1993；Maieretal.,1997)4施用石灰降低稻米镉积累施用石灰的正、负作用－导致效果的不确定性Ø正效应•降低土壤镉生物有效性：pH升高，促进土壤中阴离子SiO32-、HnPO4n-等与Cd2+，包括钙镁共沉淀形态（钙镁结合态）。•土壤中钙离子增加，进入植物体内时与镉形成离子竞争。Ø负效应•随着Ca2+的积累，置换土壤中被吸附、固定的Cd2+，增加土壤中的有效Cd。长沙县2014年早稻施用石灰（50kg/亩）的效果乡镇村土壤pH土壤有效镉　mg/kg秸秆mg/kg稻米镉　mg/kgCK施石灰增减CK施石灰增减%CK施石灰增减%CK施石灰增减%春华力元5.37±0.185.55±0.180.180.19±0.080.18±0.06-1.61.69±1.571.27±1.50-24.60.55±0.640.38±0.38-31.6毛塘5.23±0.045.45±0.100.220.16±0.040.14±0.04-7.10.68±0.460.41±0.26-39.80.15±0.090.12±0.07-20.8北山大石塘4.96±0.235.18±0.190.210.24±0.090.22±0.09-10.00.98±0.860.81±0.65-22.30.34±0.230.26±0.22-22.3大石塘5.10±0.255.65±0.110.550.44±0.110.43±0.11-1.11.74±0.811.17±0.75-49.00.82±0.810.56±0.75-45.9福临金坑桥5.11±0.115.11±0.190.000.12±0.010.13±0.01-5.40.11±0.040.08±0.04-26.4平均0.23-2.9-33.9-29.4石灰施用技术效果长沙县2014年晚稻连续施用石灰（50kg/亩）的效果稻　米茎　叶有效镉pH平均值标准误平均值标准误平均值标准误平均值标准误黄花石灰1.300.077.145.51对照1.690.088.604.64%-23.0-16.9春华石灰0.270.271.331.170.180.075.760.22对照0.280.251.441.200.190.075.600.14%-3.48-7.62-4.650.16石塘石灰0.200.081.370.640.180.055.490.34对照0.220.061.410.670.190.065.220.14%-7.04-2.81-5.470.27北山石灰0.850.214.071.100.550.135.93对照0.950.364.431.140.490.135.26%-10.44-8.3013.550.67平均石灰0.56　3.05　0.26　5.72　对照0.673.470.255.40%-12.96　-9.01　-4.12　0.32　长期连续施用不同石灰用量对糙米镉的影响最佳用量：90-150kg/亩连续时间：2年4季Ø石灰材料选择：当前主要为生石灰；建议（生石灰