一种降低作物镉富集能力的育秧基质、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及重金属污染防治领域，特别是涉及一种降低作物镉富集能力的育秧基质、制备方法及其应用。

背景技术

近些年我国农田土壤重金属污染越发严重，其中首要污染物为重金属Cd，点位超标率达7％。

Cd是生物体非必需元素，由于其具有高迁移性、高毒害性、高积累性和难消除性，被视为生物毒性最强的重金属。重金属Cd进入土壤后，由于其具有较高的生物活性，易被植物体吸收富集，同时随着食物链的放大，对人体健康产生威胁，包括导致骨质疏松、动脉硬化、引起肾脏损伤等。

水稻作为我国主要的粮食产物之一，土壤Cd污染会造成稻米Cd 含量超标，进而对人体健康造成危害。可见如何控制稻米中的Cd含量，显得尤为重要。阻控稻米Cd超标的措施有很多，针对已经污染的土壤主要通过对其进行修复以达到安全生产的目的。针对农田Cd污染修复与治理比较有效的方法是施入一些土壤钝化材料，包括石灰、粉煤灰、羟基磷灰石、有机肥料等，进而提高土壤pH，增加土壤吸附位点，降低土壤中Cd的活性，阻控水稻根部吸收。但由于Cd 的生物迁移性很强，仍然会有一部分Cd离子被水稻根部吸收，继而迁移到茎、叶、籽粒中。另外，钝化材料随着施入时间的延长，持续稳定性下降，土壤中的重金属Cd有可能重新活化，进而迁移到作物可食部分，特别是南方稻区酸性水稻土由于酸沉降等原因更易被再次活化。

针对大面积重金属污染的农田，如何能够用较低成本、较轻便的操作方法得到Cd含量不超标的稻米是目前亟需解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种降低作物镉富集能力的育秧基质、制备方法及其应用。本发明提供的育秧基质能够最小成本、最快时间获得Cd含量不超标的稻米。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种降低作物镉富集能力的育秧基质，所述育秧基质包括基础育秧基质和添加剂；所述添加剂的有效成分为作物生长所需的微量元素；所述作物生长所需的微量元素包括Se元素或Si元素；当所述作物生长所需的微量元素为Se元素时，所述Se元素与基础育秧基质的质量比为(5～7):(1×10

当所述作物生长所需的微量元素为Si元素时，所述Si元素与基础育秧基质的质量比为(2～5):(1×10

优选的，育秧的作物包括水稻。

优选的，所述Se元素的制备原料包括Na

本发明还提供了上述育秧基质的制备方法，当制备原料为 Na

当制备原料为硅酸时，所述制备方法包括：将硅酸与水混合超声处理，得到添加剂，将添加剂与基础育秧基质混合，得到育秧基质。

优选的，所述超声处理的温度为30℃；所述超声处理的时间为 7～8h。

本发明还提供了上述育秧基质或上述制备方法制备得到的育秧基质在降低水稻糙米Cd含量中的应用。

优选的，所述水稻包括在Cd污染农田上种植的水稻。

本发明还提供一种降低水稻糙米Cd含量的方法，包括以下步骤：

将发芽种子播种在上述育秧基质或上述制备方法制备得到的育秧基质中，得到能降低Cd富集能力的秧苗；

将所述能降低Cd富集能力的秧苗移栽，收获后得到Cd含量低的糙米。

优选的，所述移栽的时期为秧苗长至三叶一心期。

优选的，所述移栽的方式包括机械插秧、手工插秧或抛秧。

有益效果：

本发明提供一种降低作物镉富集能力的育秧基质，所述育秧基质包括基础育秧基质和添加剂；所述添加剂的有效成分为作物生长所需的微量元素；所述作物生长所需的微量元素包括Se元素或Si元素；当所述作物生长所需的微量元素为Se元素时，所述Se元素与基础育秧基质的质量比为(5～7):(1×10

附图说明

图1为应用例4水稻及糙米分析结果图；

图2为应用例5水稻及糙米分析结果图；

图3为应用例6水稻及糙米分析结果图；

图4为应用例7中对基质添加Se后籽粒中的Se含量测定结果图；

图5为应用例8中对基质添加Se后籽粒中的Se含量测定结果图。

具体实施方式

本发明提供一种降低作物镉富集能力的育秧基质，所述育秧基质包括基础育秧基质和添加剂；所述添加剂的有效成分为作物生长所需的微量元素；所述作物生长所需的微量元素包括Se元素或Si元素；当所述作物生长所需的微量元素为Se元素时，所述Se元素与基础育秧基质的质量比为(5～7):(1×10

如无特殊说明，本发明对所述育秧基质中的各组分来源没有限定，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。

在本发明中，育秧基质的作物优选包括水稻；所述基础育秧基质优选包括水稻育秧基质。

在本发明中，当所述作物生长所需的微量元素为Se元素时，所述Se元素与基础育秧基质的质量比为(5～7):(1×10

在本发明中，当所述作物所需的微量元素为Si元素时，所述Si 元素与基础育秧基质的质量比为(2～5):(1×10

本发明还提供了上述方案所述育秧基质的制备方法，当制备原料为Na

当制备原料为硅酸时，所述制备方法包括：将硅酸与水混合超声处理，得到添加剂，将添加剂与基础育秧基质混合，得到育秧基质。

在本发明中，所述超声处理的温度优选为30℃；所述超声处理的时间优选为7～8h，更优选为7.5h；所述超声处理的设备优选包括超声清洗仪。本发明对所述超声清洗仪的来源没有限定，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。本发明通过超声处理，可以将硅酸均匀分散于添加剂中。

本发明还提供了上述育秧基质或上述制备方法制备得到的育秧基质在降低水稻糙米Cd含量中的应用；所述水稻优选包括在Cd污染农田上种植的水稻。

本发明还提供了一种降低水稻糙米Cd含量的方法，包括以下步骤：

将发芽种子播种在上述方案所述育秧基质或上述方案所述制备方法制备得到的育秧基质中，得到能降低Cd富集能力的秧苗；

将所述能降低Cd富集能力的秧苗移栽，收获后得到Cd含量低的糙米。

本发明将发芽种子播种在上述方案所述育秧基质或上述方案所述制备方法制备得到的育秧基质中，得到能降低Cd富集能力的秧苗。在本发明中，所述发芽种子的制备方法优选包括：将种子置于有湿润滤纸上培养2～3d，待种子芽长度大于2mm后，得到发芽种子；所述培养的温度优选为25～29℃，更优选为27℃。本发明通过在水稻育秧基质中加适宜的作物生长所需微量元素，从而可以培育出能降低Cd 富集能力的秧苗。

得到能降低Cd富集能力的秧苗后本发明将所述能降低Cd富集能力的秧苗移栽，收获后得到Cd含量低的糙米。

在本发明中，所述移栽的时期优选为能降低Cd富集能力的秧苗长至三叶一心期；所述移栽的方式优选包括机械插秧、手工插秧或抛秧。

本发明提供的育秧基质，通过添加适宜浓度的作物所需微量元素，从而培育出能降低Cd富集能力的秧苗，不仅可以减少作物根部对Cd的吸收，而且可以降低Cd在作物根部向其他部位的转运，从而降低作物的Cd富集能力；另外，本发明的育秧基质能够以较低成本、轻便的操作获得Cd含量不超标的稻米，使得在Cd污染土壤上种植的水稻中糙米Cd含量低于食品安全国家标准/食品中污染物限量标准0.2mg/kg，同时节省大量人力和物力，完全适合在我国水稻等大宗农产品重金属污染防治技术领域推广使用。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例和说明书附图对本发明提供的一种降低作物镉富集能力的育秧基质、制备方法及其应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种降低作物镉富集能力的育秧基质，由以下组分组成：水稻育秧基质(购买自中国水稻研究所稻作技术研究与发展中心)和添加剂 (Na

该育秧基质的制备：

将水稻育秧基质与添加剂混合均匀，得到育秧基质。

实施例2

一种与实施例1相似的育秧基质，区别在于，所述添加剂为Si 酸混悬液；所述添加剂中Si元素与水稻育秧基质的质量比为2.4: (1×10

该育秧基质的制备：

将水稻育秧基质与添加剂混合均匀，得到育秧基质。

实施例3

一种与实施例2相似的育秧基质，唯一区别在于，所述添加剂中Si元素与水稻育秧基质的质量比为4.8:(1×10

对比例1

一种与实施例1相似的育秧基质，唯一区别在于，所述添加剂为等质量的水。

对比例2

一种与实施例1相似的育秧基质，唯一区别在于，所述添加剂中 Se元素与水稻育秧基质的质量比为3:(1×10

应用例1

一种降低水稻糙米Cd含量的方法，该方法的盆栽试验具体如下：

盆栽试验设置在江苏省中国科学院植物所的大棚内。供试土壤为 Cd超标的潴育型水稻土，土壤基本理化性质见表1。根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)，土壤Cd含量介于农田土壤Cd风险筛选值和管控值之间，属于土壤Cd中轻度污染，国内80％以上的稻田Cd污染属于此范围内。供试水稻品种创两优276，是江苏省主推品种，属于籼型两系杂交水稻品种。将水稻种子先用70％乙醇表面灭菌5min，5％次氯酸钠表面灭菌30min，再用无菌蒸馏水漂洗种子5～6次；消毒后，将种子分别转移至清水的烧杯中，烧杯顶部用干净的纸覆盖，然后在没有光(25±1℃)的情况下保持24h，24h后，取出种子，将其置于覆盖有湿润滤纸的培养皿中催芽3天，待种子的芽大于2mm后，将其播种在实施例1制备的育秧基质中，进行育苗，待秧苗长至三叶一心期，准备移栽。将幼苗移栽至装有5kg供试土壤的塑料盆中(底径20cm×口径30cm×高20cm)，每盆种植三兜，每兜一株。控制水分含量和肥料：移栽前每盆一次性施尿素2.5g和磷酸氢二钾1.0g，分别相对于大田1200kg/公顷和480kg/公顷，整个生育期保持淹水2～3公分，其它管理措施与大面积生产基本一致。

表1供试土壤基本理化性质

应用例2

一种与应用例1相似的方法，唯一区别在于，所述育秧基质为实施例2制备的育秧基质。

应用例3

一种与应用例1相似的方法，唯一区别在于，所述育秧基质为实施例3制备的育秧基质。

对比例3

一种与应用例1相似的方法，唯一区别在于，所述育秧基质为对比例1制备的育秧基质。

对比例4

一种与应用例1相似的方法，唯一区别在于，所述育秧基质为对比例2制备的育秧基质。

应用例4

将应用例1和对比例3和4的试验分别进行三个重复(每个重复 3盆)。于水稻成熟期，收获各处理的每盆水稻的根、茎、叶和籽粒，用去离子水冲洗后样品在105℃下杀青30min，然后在75℃下烘干至恒重，称重，粉碎。对于稻米Cd的分析，将粉碎的糙米样品用HNO

表1不同Se浓度的基质培育的水稻成熟期各部位Cd含量

由表1和图1中的A可以看出，在Cd污染(0.8mg/kg)土壤中，本发明制备的育秧基质与对比例1和对比例2制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻籽粒Cd含量显著降低，降幅达 61.2％，另外对比应用例1和对比例4的实验结果可得，本发明育秧基质中Se元素的浓度为6mg/kg时，效果最佳，水稻籽粒Cd含量降低到0.1mg/kg，显著低于食品安全国家标准/食品中污染物限量标准 0.2mg/kg。

由表1和图1中的B可以看出，本发明制备的育秧基质与对比例1和对比例2制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻根部Cd含量明显降低，降幅达19.7％～52.8％，另外对比应用例 1和对比例4的实验结果可得，本发明育秧基质中Se元素的浓度为6mg/kg时，效果最佳，水稻根部Cd含量显著低于空白对照的水稻根部Cd含量，可见经含Se元素的育秧基质培育得到的秧苗生长的水稻可以减少其从根部对Cd的吸收。

由表1和图1中的C可以看出，本发明制备的育秧基质与对比例1和对比例2制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻茎部Cd含量明显降低，降幅达34.4％～44.5％，另外对比应用例 1和对比例4的实验结果可得，本发明育秧基质中Se元素的浓度为6mg/kg时，效果最佳，水稻茎部Cd含量显著低于空白对照的水稻茎部Cd含量，可见经含Se元素的育秧基质培育得到的秧苗生长的水稻可以降低Cd在其体内从根部向茎部的转移。

由表1和图1中的D可以看出，本发明制备的育秧基质与对比例1和对比例2制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻叶部Cd含量明显降低，降幅达58.1％～70.9％，另外对比应用例 1和对比例4的实验结果可得，本发明育秧基质中Se元素的浓度为6mg/kg时，效果最佳，水稻叶部Cd含量显著低于空白对照的水稻叶部Cd含量，可见经含Se元素的育秧基质培育得到的秧苗生长的水稻可以降低Cd在其体内从茎部向叶部的转移。

应用例5

与应用例相同的测试方法对应用例2和3和对比例3中的水稻及糙米进行分析，测试结果见表2和图2。

表2不同Si浓度的基质培育的水稻成熟期各部位Cd含量

由表2和图2中的A可以看出，在Cd污染(0.8mg/kg)土壤中，本发明制备的育秧基质与对比例1制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻籽粒Cd含量显著降低，降幅达56.2％～83.3％，另外对比应用例2和3和对比例3的实验结果可得，本发明育秧基质中Si元素的浓度为480mg/kg时，效果最佳，水稻籽粒Cd含量降低到0.05mg/kg，显著低于食品安全国家标准/食品中污染物限量标准 0.2mg/kg。

由表2和图2中的B可以看出，本发明制备的育秧基质与对比例1制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻根部 Cd含量明显降低，降幅达44.1％～60.2％，另外对比应用例2和3和对比例3的实验结果可得，本发明育秧基质中Si元素的浓度为 480mg/kg时，效果最佳，水稻根部Cd含量显著低于空白对照的水稻根部Cd含量，可见经含Si元素的育秧基质培育得到的秧苗生长的水稻可以减少其从根部对Cd的吸收。

由表2和图2中的C可以看出，本发明制备的育秧基质与对比例1制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻茎部 Cd含量明显降低，降幅达53.8％～85.5％，另外对比应用例2和3和对比例3的实验结果可得，本发明育秧基质中Si元素的浓度为 480mg/kg时，效果最佳，水稻茎部Cd含量显著低于空白对照的水稻茎部Cd含量，可见经含Si元素的育秧基质培育得到的秧苗生长的水稻可以降低Cd在其体内从根部向茎部的转移。

由表2和图2中的D可以看出，本发明制备的育秧基质与对比例 1制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻叶部Cd 含量明显降低，降幅达35.3％～79.7％，，另外对比应用例2和3和对比例3的实验结果可得，本发明育秧基质中Si元素的浓度为480mg/kg 时，效果最佳，水稻叶部Cd含量显著低于空白对照的水稻叶部Cd 含量，可见经含Si元素的育秧基质培育得到的秧苗生长的水稻可以降低Cd在其体内从茎部向叶部的转移。

应用例6

一种降低水稻糙米Cd含量的方法，该方法的大田试验具体如下：

试验区位于江西省贵溪市某污染的农田(土壤全Cd含量 0.85mg/kg)，该区域主要土壤类型为河流冲积物母质发育的水稻土，其主要污染物是重金属Cd，土壤基本理化性质见表3。根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018)，Cd含量介于农田土壤Cd风险筛选值(0.3mg/kg)和管控值(1.5mg/kg)之间，属于土壤Cd轻中度污染，国内80％以上的稻田Cd污染属于此范围内。

表3供试土壤基本理化性质

具体处理如下：本试验采用单因子差异重复设计，选择当地常用的水稻品种五优华占。采用与应用例1相似催芽和育苗处理，唯一区别在于育秧基质的不同，共设3个处理，3次重复，共计9个小区，每小区面积为20m

表4试验处理示意表

注：表4中育秧基质表示不同处理所用育秧基质为对应实施例或对比例中的育秧基质。

按应用例1中的方法催芽后将其播种在育秧基质中，进行育苗，待秧苗长至三叶一心期，准备移栽，移栽量为2×10

于水稻成熟期，采用五点采样法收获各处理的每个小区水稻的籽粒样品，用去离子水冲洗后样品在105℃下杀青30min，然后在75℃下烘干至恒重，称重，粉碎。将粉碎的籽粒样品用HNO

表5不同基质育秧处理后水稻籽粒Cd含量

由表5和图3可以看出，在Cd污染(0.85mg/kg)土壤中，针对江西当地常用水稻品种五优华占，本发明的育秧基质与对比例1制备的育秧基质相比，本发明制备的育秧基质处理后水稻籽粒Cd含量显著降低，降幅达34.5％～43.2％，并且使得水稻籽粒Cd含量低于食品安全国家标准0.2mg/kg。与盆栽实验结果一致，由此推断可进行大田推广使用。

应用例7

于水稻成熟期，分别收获应用例1、对比例3和对比例4中不同育秧基质处理的每盆水稻的籽粒，采用GB5009.268-2016中的电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，测定不同处理收获后籽粒中Se的含量，测定结果见图4和表6。

表6基质添加Se后籽粒中的Se含量

注：表6中育秧基质表示不同处理所用育秧基质为对应应用例或对比例中的育秧基质。

由图4和表6可以看出，在不同Se浓度的基质中育秧后，只有育秧基质中Se的添加量为6mg/kg(对比例4组)时，才显著提高了籽粒中的Se元素含量；而且用实施例1制备的育秧基质处理后，收获的籽粒中Se元素的含量接近对比例3，这是由于在含有适宜浓度 Se元素的育秧基质育秧的水稻秧苗吸收Se元素后，将Se元素转化为内源性的有机Se，导致水稻吸收外源性的Se元素能力降低，因此对于适宜浓度Se元素的育秧基质处理来说，所得水稻成熟后籽粒中的Se含量，与对比例1中的结果相比差异不显著；另外，含有适宜浓度Se元素的育秧基质育秧的水稻秧苗吸收Se元素后，秧苗中的 Se以有机Se的形态存在，无毒无害。

由盆栽试验可知，用含有适宜浓度Se元素的育秧基质育秧处理后，收获得到的稻米对人体无健康风险。

应用例8

于水稻成熟期，采用五点采样法收获各处理的每个小区水稻的籽粒样品，采用GB5009.268-2016中的电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS)，分别测定应用例6中采用实施例1和对比例1制备的育秧基质处理后籽粒中Se的含量，测定结果见图5和表7。

表7基质添加Se后水稻中籽粒Se的含量

注：表7中育秧基质表示不同处理所用育秧基质为对应实施例或对比例中的育秧基质。

由图5和表7可以看出，在大田试验时，本发明实施例1中的育秧基质提高了籽粒中的Se元素含量，与盆栽实验结果一致。而在2011 年，根据《食品安全法》和《食品安全国家标准管理办法》的规定，经食品安全国家标准审评委员会审查通过，现决定取消《食品中污染物限量》(GB2762-2005)中Se指标(Se限量标准0.3mg/kg)；同时，作为人体和动物必需的Se，大部分稻米中Se含量在40μg/kg左右，低于我国食品卫生标准，根据我国平均食物消费结构，人均每年消费稻麦等谷类粮食作物206kg，设谷类全部为大米，则成人每天消费稻米0.564kg，通过计算可知，五优华占水稻品种采用实施例1制备的育秧基质育秧处理的稻米，成人每天的Se摄入量为91μg，远高于国家营养协会推荐的成人最低日摄入量40μg，更具有市场需求；另外，经含Se元素的育秧基质培育得到的秧苗生长的水稻所收获的籽粒中的Se元素以有机Se的形态存在，人体摄入无健康风险。

由大田试验可知，用含有适宜浓度Se元素的育秧基质育秧处理后，收获得到的稻米对人体无健康风险，且营养价值更高。

综上所述，本发明提供的育秧基质，通过添加适宜浓度的作物生长所需微量元素，从而培育出能降低Cd富集能力的秧苗，不仅可以减少作物根部对Cd的吸收，而且可以降低Cd在作物根部向其他部位的转运，从而降低作物的Cd富集能力；另外，本发明的育秧基质能够用较低成本、轻便的操作获得Cd含量不超标的稻米，使得在Cd 污染土壤上种植的水稻中糙米Cd含量显著低于食品安全国家标准 0.2mg/kg，同时节省大量人力和物力，完全适合在我国水稻等大宗农产品重金属污染防治技术领域大面积推广使用。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。