中轻度镉污染稻田VIP降镉技术
发布时间：2021-06-15
技术领域：资环技术
技术概述：技术背景： 土地重金属污染问题已成为当今世界土壤污染问题中污染面积较广、危害严重的环境问题之一。重金属污染因具有发生隐蔽、毒性缓效、治理难度大等特点而备受关注。根据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》，全国耕地污染点位超标率19.4%，其中重金属占16.1%。党的十八大以来更关注生态文明建设，《十三五纲要》明确提出以提高环境质量为核心，以解决生态环境领域突出问题为重点，加大生态环境保护力度，有助于缓解农田土壤污染引发的一系列社会、生态矛盾。国家《土壤污染防治行动计划》明确要求，到2020年我国受污染耕地安全利用率达到90%左右、到2030年要达到95%以上。 土壤作为植物生长的介质改善其理化性质降低土壤中的有毒物质含量或使其钝化这对生产生态健康的农产品非常重要，重金属污染土壤修复是实施一系列的技术以清除土壤中污染的重金属或降低土壤中重金属的活性和有效态组分以期恢复土壤生态系统的正常功能从而减少土壤中重金属向食物链和地下水的转移，根据处理土壤的位置是否变化可以分为原位修复和异位修复，根据采用方法与原理的不同可以分为物理修复化学修复和生物修复以及综合修复。其中化学原位修复和生物修复的研究相对较多，但多数研究均只停留在基础研究上面，治理起来成本高且效果不显著。国际上应对耕地污染的措施均以保障粮食安全为最终目标，实际措施以“换新”（客土法和翻耘法）为主，以“调控”（水分调节和调整种植结构）为辅，“修复”（植物修复和钝化法）则尚处于研究、试验或小规模应用中。在日本，土壤重金属污染的治理方式主要是通过客土法及淋洗的方式从而达到减少和去除土壤重金属的目的，但该方法耗能大，修复成本极高，在我国成功实施的可能性极小。欧美普遍采用轮耕、休耕的土壤修复方案，在严重污染区种植重金属超富集植物。但对于严重污染区域，此方案需要50-100年才能有效修复，不可耕种时间较长。相对而言，国外的耕地污染修复技术可借鉴之处并不多，我国在这方面总体处于世界领先水平。 在当前的国情下，我国耕地重金属污染现状依然不容乐观，还需继续改进和创新解决办法，一方面，结合矿物学、材料学、纳米科学，针对目标土壤研发环境功能修复材料，研发可维持土壤肥力的绿色与环境友好的土壤修复产品；另一方面，以稻田土壤重金属污染科学分级为基础，采用镉低吸收水稻品种，优化水肥管理，配施土壤调理剂、叶面阻控剂等农艺调控措施，形成基于成土母质、污染类型和污染程度的土壤镉污染修复治理技术体系，以满足“边修复、边生产”的要求，保障我国稻田土壤的持续安全利用和农产品质量安全。 拟解决的主要问题： VIP降镉技术是在系统研究农艺措施对稻米镉积累的影响，探明水稻镉吸收积累规律的基础上，提出降低稻米镉积累的三大措施—镉低积累品种（Variety）、全生育期淹水（Irrigation）和土壤pH值调理（pH），并以此为技术核心，创建的“VIP”降镉技术。该技术重点解决基于不同镉污染特征稻田和污染程度的VIP单项和组合降镉效果、技术适用范围、经济性和可推广性。 成熟程度： VIP降镉技术以土壤有效态镉含量和米镉含量为靶向调控目标，强化共性关键技术与区域特色技术有机结合，通过“污染特征解析-分区分类治理-关键技术模式创建-组织运行管理机制构建”集成创新、示范验证、大面积推广应用，创建中轻度污染耕地以VIP为核心的水稻多靶向降镉技术模式，建立污染耕地治理组织实施与运行管理机制，为实现镉污染耕地安全利用的目标等提供强有力的技术支撑。 2015-2018年，该技术在长株潭地区已经连续4年对170万亩镉污染耕地进行修复治理，效果明显。该修复治理工程是当前世界上难度最大、面积最广的镉污染耕地治理工程，在全球尚属首次。 技术先进性： VIP降镉技术首次大规模系统地开展低镉品种筛选，已界定应急性镉低积累水稻品种52个，累计613万亩；引进或创制出一系列的降镉产品，累计推广504万亩；工程区内68个VIP验证田米镉达标率连续3年＞90%，36个千亩标准化示范片的达标率平均＞80%；原156万亩米镉100%超标耕地的早稻达标率提高到50%、晚稻40%，累计生产140多万t合格大米，其中30%面积的米镉已在2016年全部达标，且年平均治理成本为670元/亩，仅为日本的12%、我国台湾的37%。 农财两部共同组织的第三方评估结果表明，VIP降镉关键技术与模式可复制、可推广，具有完全自主知识产权，居同类项目的国际领先水平。 应用价值： VIP降镉技术以农艺调控措施为主，通过“污染特征解析-分区分类治理-关键技术模式创建-组织运行管理机制构建”集成创新、示范验证、大面积应用，以期实现边生产边治理的目标，符合我国国情和农业生产特点，是目前镉污染耕地治理最有效途径与成功案例，为我国同类地区积累了宝贵经验。 VIP降镉技术的实施有效降低稻米镉含量、显著提高米镉达标率，对重塑湘米信心、振兴湘米品牌，保障粮食安全和农产品质量安全，提高人民生活与健康水平，促进社会经济与生态环境协调发展，维护社会稳定具有重大意义；组装集成以VIP为核心的多靶向水稻降镉技术模式得到农财两部的肯定，被国家“土壤污染防治行动计划”采纳；有效地解决了污染耕地治理产品研发与治理产业脱节问题，对推进耕地治理产业链的健康发展、促进科技成果转化、增强地方经济活力提供了强有力的技术支持，培养了一大批农业环保科技人员。 本技术的实施，既能有效降低镉污染耕地的生态健康风险，改善农田生态环境、提升耕地质量、增加土地合生产能 力，保障农民收入，又能保证我国粮食安全生产对耕地总量的需求，有利于节约和保护土地资源，其社会、经济和环境效益突出。 技术成果鉴定： 2016年9月中国科学院地理科学与资源研究所第三方评估专家组对湖南重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点的评估结果表明，在可达标区全面推行VIP技术，早晚稻降镉效果分别达40%和20%，在千亩精准示范区的稻米达标率从2014年的10%提升至2015年的70%，效果显著。 2017年12月，由中国农学会组织宁波大学陈剑平院士、中国农科院吴孔明院士、贵州大学宋宝安院士、西北农林科技大学康振生院士、中国农业大学张福锁院士等进行对本单位科学技术成果《水稻“控药节肥降镉”绿色生产技术与应用》进行评价，该技术中的镉污染稻田安全利用技术（VIP）居国际领先水平。 增产增效情况： VIP降镉技术在长株潭地区的实施，突破了大面积中轻度镉污染耕地安全利用的技术瓶颈，加快了高新技术在现代农业中的应用推广，将极大推进“湘米”产业的转型升级。 该技术可推广、可复制，为国内同类地区提供案例，对提升相关领域自主创新能力、增强核心竞争力具有重要战略意义。 该技术遵循边生产边治理的原则，以长株潭地区镉污染耕地安全利用为目标，治理了170万亩镉污染耕地，推广了低镉水稻品种613万亩，生产140万t合格稻米，对解决“保耕地”与“促发展”两难局面和双重压力，建设资源节约型、环境友好型社会，具有重大意义。 VIP降镉技术的实施，明显改善区内土壤环境质量，保障粮食和农产品质量安全，提升区域耕地资源安全利用水平，增加区内人员就业和经济收益，促进产业升级和供给侧结构改革，维护社会稳定，保障区域生态文明、经济繁荣与社会和谐的可持续发展，对生态文明建设做出重大贡献。
技术要点：
VIP降镉技术是在系统研究农艺措施对稻米镉积累的影响，探明了水稻镉吸收积累规律的基础上，归纳总结提出的降低稻米镉积累的综合调控措施—镉低积累品种（Variety）、全生育期淹水（Irrigation）和土壤pH值酸性调理（pH）。 该技术发明了镉低积累水稻品种鉴定方法，建立基于AMMI模型的水稻品种镉积累特性评价体系；采用多年多点多重复的大田试验，从689份湖南主推品种中筛选出49个适合南方酸性镉污染稻田的应急性镉低积累水稻品种，在全省10个区域进行了大田验证，稻米镉含量比对照品种降低30%以上。 该技术明确水稻全生育期淹水是降低稻米镉含量的有效措施，探明了淹水降低土壤Eh、提高铁锰离子抑制水稻对镉吸收的作用机理，研究构建了水稻镉累积关键时期-灌浆期前后3周淹水、配施铁硫等还原物质调理土壤Eh的关键技术。潮泥田、红黄泥全生育期淹水的糙米镉含量分别比分蘖-乳熟期两次晒田降低57.5%和43.6%；确保水稻丰产和最大降镉效果的铁硫Eh调控淹水降镉技术的土壤Eh调控阈值-245.0 mV，稻米镉含量降低62.5%。该技术针对南方镉污染稻田土壤酸化等特征，探明了石灰等碱性材料降低稻米镉积累的效果，阐明了其调理土壤pH和镉活性的作用机理。针对镉污染稻田制定了施用石灰的降镉技术规程，包括不同镉污染水平和土壤性质下的石灰类型与用量、停施时间等。大面积应用效果表明，不同镉污染特征稻田施用100kg/亩石灰可降低稻米镉含量14.3%~66.7%。 该技术对稻田镉污染风险进行科学分级，根据稻米镉超标程度和影响镉迁移积累的关键因子，优选单项降镉技术科学组合，设计出适合不同镉污染特征稻田的多靶向定量控制技术，同时通过对单项、组合技术在不同区域试验示范效果的评价进行反馈调整优化参数，实现中轻度镉污染稻田稻米安全生产。技术选择详见表1，其中，轻度污染（土壤镉含量为0.3-0.6 mg/kg，或者稻米镉含量为0.2-0.4 mg/kg）的石灰用量为100kg/亩；中度污染（土壤镉含量为0.6-0.9 mg/kg，或者稻米镉含量为0.4-0.6 mg/kg）的应增加石灰用量至200kg/亩。土壤pH值高于6.0的则应选择碳酸钙材质等石灰材料，并适当增加施用量。 表1：不同镉污染程度和pH下的VIP技术选择
适宜区域：南方酸性中轻度镉污染稻田，土壤pH值5~7之间，土壤镉含量0.3~0.9 mg/kg之间。
注意事项：耕地重金属污染治理问题是一个世界性的难题。水稻VIP降镉技术模式，虽已获得了农财两部肯定和大多数同行专家认可，但在大面积（＞10万亩）的推广应用中，其效果远不如田间试验和较小范围（百亩或千亩）的中试示范结果。 技术的选择应根据污染程度和土壤pH值进行选择，同时结合当天地形地貌、灌溉水源清洁和难易程度进行修复技术的选择和施用量的确定。同时，对中度镉污染稻田和土壤pH值高的田块进行土壤调理剂和叶面阻控剂等措施配套，实现中轻度镉污染稻田的稻米安全生产和土壤的安全可持续利用。
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