本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于土壤水勢(shì)指標(biāo)以降低稻谷重金屬含量的灌溉方法。
背景技術(shù)：
水稻是中國(guó)最重要的糧食作物之一，2015年種植面積計(jì)3040萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)2.01億t，種植面積和總產(chǎn)量分別占糧食的27％和36％。水稻是中國(guó)最主要的口糧消費(fèi)作物，在所有口糧消費(fèi)中占比60％左右，水稻口糧消費(fèi)占水稻總消費(fèi)量的85%。因此，水稻種植在我國(guó)糧食作物生產(chǎn)中占據(jù)著極其重要的地位。然而，我國(guó)農(nóng)田土壤的重金屬污染問(wèn)題不容樂(lè)觀。據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》(環(huán)境保護(hù)部等，2014)，中國(guó)耕地土壤點(diǎn)位污染超標(biāo)率為19.4%，其中輕中度污染點(diǎn)位占總超標(biāo)點(diǎn)位的94.3%；全國(guó)土壤污染類(lèi)型以鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳等8種重金屬為主，其超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%。由于農(nóng)田土壤受重金屬污染，在受污染農(nóng)田上生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染問(wèn)題日益突出。據(jù)國(guó)土資源部資料，全國(guó)每年受重金屬污染的糧食高達(dá)1200萬(wàn)t，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元(馬鐵錚等,2013)。農(nóng)產(chǎn)品出口因重金屬等有害物質(zhì)超標(biāo)而被退回的事件也多有發(fā)生；因產(chǎn)地環(huán)境污染導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中有毒有害重金屬含量超標(biāo)而損害人體健康的事件屢有發(fā)生。近年來(lái)，我國(guó)多地發(fā)生的因稻米鎘含量超標(biāo)導(dǎo)致的“鎘米”事件更是引發(fā)群眾恐慌，一度引起當(dāng)?shù)?0％的米商停產(chǎn)，農(nóng)民不敢再種水稻，幾乎成了嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。
受重金屬污染農(nóng)田土壤的修復(fù)技術(shù)主要包括兩種：一是直接清除土壤中的重金屬，其代表性措施主要有工程措施和植物修復(fù)措施，但工程措施因成本高且導(dǎo)致土壤自然性狀的破壞，植物修復(fù)措施因目標(biāo)生物量低、修復(fù)周期長(zhǎng)且高富集重金屬植物后續(xù)處置困難，故此類(lèi)修復(fù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受到了很大的限制；二是通過(guò)改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，減弱其遷移能力和降低其生物可利用性，其代表性措施如原位鈍化修復(fù)措施，該類(lèi)技術(shù)因成本較低、操作簡(jiǎn)單、見(jiàn)效快而適合大面積農(nóng)田污染治理，因此日益倍受環(huán)境工作者的廣泛關(guān)注(李劍睿等,2014；brownetal,2004)。
田間水分管理是一種較為常用且效果顯著的降低土壤有效態(tài)重金屬含量的原位鈍化農(nóng)藝調(diào)控措施。大量研究表明，稻田保持適當(dāng)水層(調(diào)節(jié)氧化還原電位及硫離子含量)可以減少稻米對(duì)重金屬的吸收。陳濤等(1980)的水稻盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，在抽穗后進(jìn)行落干，籽實(shí)的cd含量比正常灌水的高12倍。吳燕玉等（1985）對(duì)沈陽(yáng)張士灌區(qū)鎘污染水田采取常規(guī)灌溉方法管理(干濕交替，排水烤田)，稻米cd含量可達(dá)1.12mg/kg，而采取全生育期淹水管理，稻米cd含量?jī)H為0.39mg/kg。水稻不同生育期控水對(duì)水稻重金屬累積也會(huì)產(chǎn)生較大的差異。楊定清等（2016）通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)研究了農(nóng)戶常規(guī)灌溉(ck)、孕穗期至灌漿前期淹水（模式1）和全生育期淹水（模式2）等3種水分管理措施對(duì)稻米鎘含量影響的試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻孕穗期至灌漿前期淹水技術(shù)是一種既節(jié)約用水，保證水稻產(chǎn)量同時(shí)又能有效降低稻米鎘含量的農(nóng)藝措施；而全生育期淹水雖然也能有效降低稻米鎘含量，但同時(shí)也導(dǎo)致水稻明顯減產(chǎn)。徐加寬等（2007）研究表明，由于水稻籽粒對(duì)cd的吸收發(fā)生在生育后期，水稻抽穗后進(jìn)行排水管理，造成稻田的氧化條件，吸收的cd必然比后期正常灌水、勤灌水或淺灌水要高得多。吳燕玉等（1985）不同生育期排水落干試驗(yàn)表明，對(duì)稻米中cd含量的影響大小順序?yàn)殚_(kāi)花期>抽穗期>分蘗期>乳熟期。
水稻全生育期淹水管理可明顯降低稻谷對(duì)土壤重金屬的吸收，其原因可能與淹水所造成的稻田還原狀況有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，田間含水量與土壤eh(氧化還原電位)密切相關(guān)，降低田間含水量會(huì)導(dǎo)致eh升高，根際有效態(tài)重金屬含量、作物吸收重金屬量隨之增加。水稻全生育期淹水管理雖然可以顯著降低稻谷cd含量，但水稻產(chǎn)量也會(huì)比常規(guī)灌溉管理（如干濕交替、排水曬田等）出現(xiàn)顯著降低（徐加寬等，2007），而且耗水量明顯增加，水分利用效率顯著降低。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，尤其在我國(guó)廣大輕中度重金屬污染農(nóng)田上，如何通過(guò)科學(xué)控制水稻各生育期稻田的水分含量，達(dá)到既能獲得水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，又能有效減少稻谷對(duì)土壤重金屬的吸收累積，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
土壤水分含量單憑人體肉眼難以準(zhǔn)確判斷，常規(guī)的烘干法測(cè)定土壤水分含量方法又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率低。而采用土壤張力計(jì)（負(fù)壓計(jì)）測(cè)定土壤水勢(shì)從而間接獲得土壤水分含量是一種成本低、操作簡(jiǎn)單、工作效率高的指導(dǎo)農(nóng)田科學(xué)灌溉的便捷方法。當(dāng)土壤濕度增大到所有空隙充滿水時(shí)，土壤水勢(shì)值將降為零。換言之，此時(shí)土壤含水率達(dá)到了飽和。各種土壤的飽和含水率，以重量含水率和容積含水率而言都不一致，但對(duì)土壤水勢(shì)值而言卻是一致的都為零。各種土壤的毛細(xì)管破裂含水率也不一致，而土壤水勢(shì)值則近乎一致。各種土壤在從飽和含水率到毛細(xì)管破裂含水率的變幅內(nèi)，土壤水對(duì)作物的作用和影響基本一致。同一土壤水勢(shì)值指標(biāo)，對(duì)作物的生理需水和根系吸收而言也是一致的。因此，通過(guò)土壤水勢(shì)值指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)農(nóng)田灌溉更具科學(xué)性和合理性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于土壤水勢(shì)指標(biāo)以降低稻谷重金屬含量的灌溉方法。與常規(guī)灌溉方法（分蘗后期曬田，其它生育期保持稻田田面淹水狀態(tài)）相比，使用本發(fā)明的灌溉方法，不僅可分別降低稻谷中的重金屬cd、pb、hg和cr含量44.7%、20.0%、26.7%和12.0%，還可提高稻谷產(chǎn)量5.93%，降低灌溉水量40.5%，提高水分利用效率78.1%。本發(fā)明的灌溉方法具有明顯降低水稻稻谷重金屬含量、增加稻谷產(chǎn)量、節(jié)約灌溉用水、提高水分利用效率等優(yōu)點(diǎn)，且操作簡(jiǎn)單、使用成本低，適宜于廣大輕中度重金屬污染稻田上生產(chǎn)低重金屬含量的稻谷產(chǎn)品。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種基于土壤水勢(shì)指標(biāo)以降低稻谷重金屬含量的灌溉方法，在水稻生育期的分蘗期（水稻移栽秧苗返青后至幼穗分化前的一段水稻生育期）和乳熟期（50%以上的稻穗中部籽粒的內(nèi)容物為乳漿狀且手壓穗中部籽粒有硬物感覺(jué)開(kāi)始至水稻完熟收獲的一段生育期）內(nèi)，以稻田耕作層（15cm）的土壤水勢(shì)為閾值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行灌溉，當(dāng)耕作層土壤水勢(shì)降低至-15kpa時(shí)即進(jìn)行灌溉，直至土壤水勢(shì)升高至0kpa時(shí)終止灌溉；而水稻的其他生育期（包括返青期和幼穗分化期至乳熟期）則保持稻田田面淹水狀態(tài)。
所述的土壤水勢(shì)由埋設(shè)于稻田耕作層的土壤負(fù)壓計(jì)讀數(shù)測(cè)得。
本發(fā)明的有益效果在于：
（1）本發(fā)明以土壤水勢(shì)指標(biāo)為灌溉閾值標(biāo)準(zhǔn)，具有操作簡(jiǎn)單、易于掌握、靈敏度高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)；用耕作層土壤水勢(shì)指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)稻田灌溉，更能準(zhǔn)確反映水稻不同生育期的生理需水和根系吸水特性，因此，通過(guò)耕作層土壤水勢(shì)值指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)稻田灌溉更具科學(xué)性和合理性；
（2）本發(fā)明的灌溉方法具有明顯降低水稻稻谷重金屬含量，并增加稻谷產(chǎn)量、節(jié)約灌溉用水、提高水分利用效率等優(yōu)點(diǎn)；田間試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)灌溉方法（分蘗后期曬田，其它生育期保持稻田田面淹水狀態(tài)）相比，使用本發(fā)明的灌溉方法，不僅可分別降低稻谷中的重金屬cd、pb、hg和cr含量44.7%、20.0%、26.7%和12.0%，還可提高稻谷產(chǎn)量5.93%，降低灌溉水量40.5%，提高水分利用效率78.1%。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不僅僅限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1
（1）按水稻常規(guī)種植管理方法進(jìn)行稻田耕耘、整地、施基肥、插秧、灌秧苗移栽趕活水等農(nóng)事操作；
（2）在每個(gè)單元地塊內(nèi)等距安裝3個(gè)土壤負(fù)壓計(jì)(fdr)，陶土頭或fdr探針中心距土表7.5cm。
（3）待移栽秧苗返青后，開(kāi)始以土壤負(fù)壓計(jì)所顯示的土壤水勢(shì)值為閾值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行灌溉，即在每天早上8：00和傍晚18：00讀取土壤水勢(shì)值，當(dāng)土壤水勢(shì)降低至-15kpa時(shí)，及時(shí)灌溉至土壤水勢(shì)升高至0kpa終止；如此反復(fù)進(jìn)行稻田控制性灌溉，直到秧苗進(jìn)入幼穗分化期前；然后進(jìn)行稻田田面淹水灌溉，保持田面水深0~6cm左右；
（4）待水稻進(jìn)入乳熟期，即從50%以上的稻穗中部籽粒的內(nèi)容物為乳漿狀且手壓穗中部籽粒有硬物感覺(jué)開(kāi)始至水稻完熟收獲，再度開(kāi)始以土壤負(fù)壓計(jì)所顯示的土壤水勢(shì)值為閾值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行灌溉，即在每天早上8：00和傍晚18：00讀取土壤水勢(shì)值，當(dāng)土壤水勢(shì)降低至-15kpa時(shí)，及時(shí)灌溉至土壤水勢(shì)升高至0kpa終止，如此反復(fù)進(jìn)行稻田控制性灌溉，直到水稻稻谷完熟收獲前停止灌溉；
（5）待水稻進(jìn)入完熟期，即以水稻穎殼80%變黃為標(biāo)準(zhǔn)，籽粒變硬，不易破碎，停止灌溉，并進(jìn)行水稻收割。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)：
試驗(yàn)布置在福建省三明市大田縣某礦區(qū)附近的水稻種植基地，地形地貌為山地丘陵，平均海拔600m，南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，四季分明，溫暖適中，夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，日照充足，雨量充沛，年平均降水量1548mm，年平均氣溫22.5℃，一月平均氣溫19.6℃，七月平均氣溫25.7℃，最高氣溫達(dá)29.3℃。試驗(yàn)地塊土壤類(lèi)型為黃泥田土，土壤肥力中等，耕作層（15cm）土壤重金屬cd含量19.2mg/kg、pb含量272.1mg/kg、hg含量0.3mg/kg、cr含量1.1mg/kg。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)7個(gè)處理，即，1)常規(guī)灌溉（在水稻分蘗后期排水曬田7d，其它生育期田面淹水）；2）全生育期淹水；3）全生育期控水（除秧苗移栽返青期田面淹水外，其它生育期耕作層土壤水勢(shì)保持在-15~0kpa之間）；4）分蘗期控水（從水稻移栽秧苗返青后至幼穗分化前控制稻田耕作層土壤水勢(shì)保持在-15~0kpa之間，其它生育期田面淹水）；5）抽穗-灌漿期控水（從水稻幼穗分化至乳熟期前控制稻田耕作層土壤水勢(shì)保持在-15~0kpa之間，其它生育期田面淹水）；6）乳熟期控水（從50%以上的稻穗中部籽粒的內(nèi)容物為乳漿狀且手壓穗中部籽粒有硬物感覺(jué)開(kāi)始至水稻完熟收獲期間，控制稻田耕作層土壤水勢(shì)保持在-15~0kpa之間，其它生育期田面淹水）；7）按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行灌溉，即分蘗期和乳熟期控水（在上述的分蘗期和乳熟期控制稻田耕作層土壤水勢(shì)保持在-15~0kpa之間，其它生育期田面淹水）。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積20m2，田間小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列。
供試水稻為單季稻，品種為中浙優(yōu)8號(hào)。2016年6月2日插秧，2016年10月10日收割并測(cè)產(chǎn)、取樣。水稻全生育期的化肥施用量n-p2o5-k2o=442.5kg/hm2，供試化肥品種分別為碳酸氫氨、鈣鎂磷和氯化鉀，施用量分別為750kg/hm2、750kg/hm2和374.7kg/hm2，施用時(shí)期為水稻分蘗期。
在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)等距安裝3個(gè)真空式土壤負(fù)壓計(jì)(fdr)，陶土頭或fdr探針中心距土表7.5cm。在各處理控制灌溉生育期間，每天早上8：00和傍晚18：00讀取數(shù)值，當(dāng)土壤水勢(shì)降低至-15kpa時(shí)，及時(shí)灌溉至土壤水勢(shì)升高至0kpa終止。
試驗(yàn)結(jié)果：
幾種不同水分管理措施對(duì)水稻稻谷重金屬含量的影響試驗(yàn)結(jié)果（表1）表明：在水稻不同生育期進(jìn)行控制灌溉對(duì)稻谷的重金屬含量產(chǎn)生了較大的影響，與常規(guī)灌溉處理相比：1）全生育期淹水、分蘗期和乳熟期控水、分蘗期控水、乳熟期控水等4種水分管理措施均可在一定程度上降低稻谷的重金屬含量，可分別降低稻谷cd含量13.16%~47.37%、pb含量6.67%~20.00%、hg含量13.33%~26.67%、cr含量10.87%~13.04%；其中，“全生育期淹水”和“分蘗期和乳熟期控水”等2種水分管理措施對(duì)降低稻谷的重金屬含量效果尤佳。2）而“全生育期控水”和“抽穗-灌漿期控水”等2種水分管理措施則促進(jìn)稻谷重金屬含量的增加，可分別增加稻谷cd含量52.63%~68.42%、pb含量20.00%~40.00%、hg含量6.67%~20.00%、cr含量9.78%~31.52%。
表1不同水分管理措施對(duì)水稻稻谷重金屬含量的影響
幾種不同水分管理措施對(duì)水稻稻谷產(chǎn)量及灌溉效率的影響試驗(yàn)結(jié)果（表2）表明：與常規(guī)灌溉處理相比：1）除了“全生育期淹水”和“全生育期控水”等2種灌溉處理對(duì)稻谷的產(chǎn)量有所降低（降幅1.72%~5.18%）外，其它幾種不同的控制灌溉處理均對(duì)稻谷的產(chǎn)量有所提高（增幅1.13%~5.93%），其中，“分蘗期和乳熟期控水”處理對(duì)提高稻谷的產(chǎn)量相對(duì)最佳。2）“全生育期淹水”處理的水稻灌水量最高而水分利用效率最低，而其它幾種控制灌溉處理均能降低水稻生育期的灌水量，降低幅度為4.90%~57.13%；并提高水分的利用效率，提高幅度為8.89%~129.26%。其中“全生育期控水”處理對(duì)減少灌溉量和提高水分利用效率的效果相對(duì)最佳，可減少水稻生育期灌水量57.13%，提高水分的利用效率129.26%；“分蘗期和乳熟期控水”處理的效果次之，可減少水稻生育期灌水量40.53%，提高水分的利用效率78.13%。
表2不同水分管理措施對(duì)水稻稻谷產(chǎn)量及灌溉效率的影響
通過(guò)以上田間試驗(yàn)結(jié)果可以得出，“分蘗期和乳熟期控水”的水分管理方法，不僅可分別降低稻谷中的重金屬cd、pb、hg和cr含量44.7%、20.0%、26.7%和12.0%，還可提高稻谷產(chǎn)量5.93%，降低灌溉水量40.5%，提高水分利用效率78.1%。因此，該種灌溉方法，不僅可明顯降低稻谷的重金屬含量，還能有效促進(jìn)稻谷增產(chǎn)，節(jié)約灌溉用水，并提高水分利用效率，系一種能有效抑制水稻稻谷對(duì)土壤重金屬累積的實(shí)施例。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。