一種水稻根際有效態(tài)重金屬控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及耕地資源保護(hù)與重金屬污染土壤治理領(lǐng)域，具體是一種水稻根際有效態(tài)重金屬控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]國(guó)土資源部最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全國(guó)18.26億畝耕地面積有12%以上受到鎘、鉛、砷、汞等重金屬污染，稻田重金屬污染及其引發(fā)的稻米重金屬超標(biāo)問(wèn)題尤為嚴(yán)重。2013年發(fā)生的湖南省鎘大米事件更是震驚國(guó)內(nèi)外，除湖南以外，我國(guó)南方廣東、廣西、福建、浙江等地均存在大米鎘超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)率約在5%?15%。長(zhǎng)期食用重金屬超標(biāo)的糧食，會(huì)嚴(yán)重傷害人體肝、腎和神經(jīng)系統(tǒng)，威脅人民群眾生命健康安全。我國(guó)60%的人口以稻米為主食，稻田重金屬污染降低了土壤質(zhì)量，破壞了我國(guó)珍貴的土地資源，極大削弱了稻米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的基礎(chǔ)，積極開展重金屬污染稻田的修復(fù)治理是合理利用土地資源、解決稻米重金屬污染、保障我國(guó)基本口糧安全的根本出路。
[0003]有效態(tài)重金屬容易被農(nóng)作物吸收利用，是農(nóng)田重金屬污染控制的工作核心；削減農(nóng)作物根際有效態(tài)重金屬含量，降低其活性與迀移性對(duì)保障農(nóng)產(chǎn)品安全種植十分重要。水分管理是較為常用且效果顯著的稻田有效態(tài)重金屬調(diào)控措施。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、作物吸收量隨之增加。田間含水量的改變還可通過(guò)Eh影響土壤pH值，進(jìn)而調(diào)控重金屬有效性，根際有效態(tài)重金屬含量一般隨著pH值的降低而增加。因此，改變土壤水分來(lái)調(diào)節(jié)Eh和pH，可達(dá)到降低根際重金屬活性的目的。研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期淹水后稻田土壤鎘的生物有效性下降，水稻糙米鎘含量比濕潤(rùn)灌排處理降低了 70.7% ;全生育期淹水后，稻米鎘含量?jī)H為
0.39mg/kg，而采用干濕交替與排水烤田等常規(guī)水分管理的稻米錦含量高達(dá)1.12mg/kg。與傳統(tǒng)灌排方式相比，全生育期淹水顯著降低了土壤有效態(tài)鎘、根膠膜鎘及糙米、谷殼、秸桿中鎘含量。不難看出，田間水分管理可顯著降低水稻根際有效態(tài)重金屬含量，是值得大力推廣應(yīng)用的重金屬污染土壤的農(nóng)藝修復(fù)措施。
[0004]從降低水稻根際有效態(tài)重金屬含量來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期淹水和全生育期淹水操作簡(jiǎn)單，效果明顯。然而，水稻對(duì)根際有效態(tài)重金屬的吸收性能在不同生育期存在差異，對(duì)淹水抑制根際有效態(tài)重金屬含量而言，水稻全生育期內(nèi)的稻田水分條件(淹水深度)并非完全一致，也無(wú)必要一致?，F(xiàn)有研究表明，稻田水分條件與根際有效態(tài)重金屬含量之間關(guān)系十分復(fù)雜，難以定量；但根際有效態(tài)重金屬含量與土壤Eh和pH等關(guān)系較為明確，具備定量的基礎(chǔ)。因此，量化根際有效態(tài)重金屬含量與土壤Eh和pH的關(guān)系，借助土壤Eh和pH的監(jiān)測(cè)與調(diào)控，間接開展稻田水分含量的精細(xì)化管理，最大限度削減根際有效態(tài)重金屬含量，減少水稻對(duì)根際有效態(tài)重金屬的吸收累積十分重要，但可借鑒的技術(shù)方法匱乏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種水稻根際有效態(tài)重金屬控制系統(tǒng)及方法，通過(guò)土壤Eh和pH等的監(jiān)測(cè)與調(diào)控間接開展稻田水分的精細(xì)化管理，為降低水稻全生育期內(nèi)的根際有效態(tài)重金屬含量提供科學(xué)依據(jù)，可以減少當(dāng)前重金屬污染稻田在田間水分管理時(shí)的盲目性，提高田間水分含量管理的科學(xué)性，獲得田間水分管理抑制水稻吸收有效態(tài)重金屬的最大效益。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種水稻根際有效態(tài)重金屬控制系統(tǒng)，包括模擬稻田裝置及稻田水分精細(xì)化管理裝置，所述模擬稻田裝置包括上端開口的外殼、裝于外殼中用于植入水稻的表層土壤，表層土壤由金屬污染稻田土壤分層采集回填至外殼中形成，外殼中還裝入水直至超出表層土壤表面形成上覆水，表層土壤中插入根際水分采集器及與根際Eh和pH監(jiān)測(cè)設(shè)備連接的Eh探針和pH探針；所述稻田水分精細(xì)化管理裝置包括田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備及與田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備連接的智能化灌排設(shè)備。
[0008]如上所述的水稻根際有效態(tài)重金屬控制系統(tǒng)，田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備用于監(jiān)測(cè)并管理水稻根際的Eh和pH，稻田智能化灌排設(shè)備用于根據(jù)水稻生育期內(nèi)所需的Eh和pH范圍區(qū)間以及田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備監(jiān)測(cè)的水稻根際的Eh和pH自動(dòng)調(diào)節(jié)田間水分含量，水稻生育期內(nèi)所需的Eh和pH范圍區(qū)間由模擬稻田裝置獲得且預(yù)先存儲(chǔ)于稻田智能化灌排設(shè)備中。
[0009]如上所述的水稻根際有效態(tài)重金屬控制系統(tǒng)，田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備包括土壤環(huán)境信息中心、與土壤環(huán)境信息中心、連接的插入稻田表層土壤中的Eh在線監(jiān)測(cè)傳感器和Eh在線監(jiān)測(cè)傳感器，智能化灌排設(shè)備包括設(shè)置在稻田進(jìn)水口上的進(jìn)水閥、設(shè)置在稻田排水口上的排水閥、與進(jìn)水閥和排水閥連接的水分控制中心，土壤環(huán)境信息中心與智能化灌排設(shè)備的水分控制中心通信連接，水稻生育期內(nèi)所需的Eh和pH范圍區(qū)間預(yù)先存儲(chǔ)于水分控制中心，Eh和pH監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由土壤環(huán)境信息中心記錄，通過(guò)無(wú)線通信的方式發(fā)送給智能化灌排設(shè)備的水分控制中心，水分控制中心將土壤環(huán)境信息中心發(fā)送的Eh和pH監(jiān)測(cè)值與存儲(chǔ)值進(jìn)行比對(duì)，判讀相應(yīng)土壤pH值范圍下的Eh監(jiān)測(cè)值是否滿足要求，當(dāng)Eh監(jiān)測(cè)值不在相應(yīng)pH值范圍下的Eh取值區(qū)間時(shí)，水分控制中心便對(duì)進(jìn)水閥和排水閥予以管理，直至土壤環(huán)境信息中心獲得的Eh監(jiān)測(cè)值位于存儲(chǔ)的Eh取值區(qū)間。
[0010]如上所述的水稻根際有效態(tài)重金屬控制系統(tǒng)，所述外殼采用有機(jī)玻璃或PVC制成圓柱或方柱狀。
[0011]如上所述的水稻根際有效態(tài)重金屬控制系統(tǒng)，所述外殼采用有機(jī)玻璃或PVC制成圓柱或方柱狀。
[0012]—種水稻根際有效態(tài)重金屬控制方法，包括如下步驟:
[0013]步驟一、構(gòu)建模擬稻田裝置，所述模擬稻田裝置包括上端開口的外殼、裝于外殼中用于植入水稻的表層土壤，表層土壤由金屬污染稻田土壤中分層采集回填至外殼中形成，外殼中還裝入水直至超出表層土壤表面形成上覆水，表層土壤中插入根際水分采集器及與根際Eh和pH監(jiān)測(cè)設(shè)備連接的Eh探針和pH探針；
[0014]步驟二、在水稻生育期的各個(gè)階段，調(diào)控稻田上覆水的淹水深度，設(shè)置不同田間含水條件，利用根際水分采集器獲取不同田間含水條件下的根際水樣，測(cè)定根際有效態(tài)重金屬含量，同時(shí)利用根際Eh和pH監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)定與記錄不同田間含水條件下根際Eh和pH值；
[0015]步驟三、利用不同田間含水條件下的根際有效態(tài)重金屬含量與相應(yīng)Eh和pH數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法建立Eh、pH與有效態(tài)重金屬含量之間的定量關(guān)系；
[0016]步驟四、以水稻根際有效態(tài)重金屬含量最低為原則，定量有效態(tài)重金屬含量與Eh、pH之間的關(guān)系，計(jì)算獲得水稻生育期內(nèi)所需的Eh和pH范圍區(qū)間；
[0017]步驟五、基于模擬稻田裝置中獲得的根際有效態(tài)重金屬含量與Eh和pH的定量關(guān)系，在稻田中建設(shè)稻田水分精細(xì)化管理裝置，包括田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備及與田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備連接的智能化灌排設(shè)備；
[0018]步驟六、田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備獲得的水稻根際Eh與pH監(jiān)測(cè)值發(fā)送給智能化灌排設(shè)備，智能化灌排設(shè)備預(yù)先存儲(chǔ)模擬稻田裝置中獲得的水稻生育期內(nèi)Eh和pH取值范圍區(qū)間；
[0019]步驟七、當(dāng)田間Eh和pH監(jiān)測(cè)值背離智能灌排設(shè)備中Eh和pH存儲(chǔ)值的范圍區(qū)間時(shí)，智能化灌排系統(tǒng)開始自動(dòng)管理田間水分含量，通過(guò)逐步補(bǔ)水或排水，調(diào)控稻田水分條件，直至水稻根際的Eh與pH值滿足管理需求，實(shí)現(xiàn)通過(guò)田間水分管理控制水稻根際有效態(tài)重金屬含量的目的。
[0020]如上所述的水稻根際有效態(tài)重金屬控制方法，田間Eh和pH監(jiān)管設(shè)備包括土壤環(huán)境信息中心、與土壤環(huán)境信息中心、連接的插入稻田表層土壤中的Eh在線監(jiān)測(cè)傳感器和Eh在線監(jiān)測(cè)傳感器，智能化灌排設(shè)備包括設(shè)置在稻田進(jìn)水口上的進(jìn)水閥、設(shè)置在稻田排水口上的排水閥、與進(jìn)水閥和排水閥連接的水分控制中心，土壤環(huán)境信息中心與智能化灌排設(shè)備的水分控制中心通信連接，水稻生育期內(nèi)所需的Eh和pH范圍區(qū)間預(yù)先存儲(chǔ)于水分控制中心，Eh和pH監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由土壤環(huán)境信息中心記錄，通過(guò)無(wú)線通信的方式發(fā)送給智能化灌排設(shè)備的水分控制中心。
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