本發(fā)明涉及農業(yè)肥料技術領域，尤其涉及一種抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料及制備方法。
背景技術：
水稻作為世界五大糧食作物之一，由于受重金屬污染的嚴重威脅，其安全生產問題備受關注。隨著工農業(yè)的快速發(fā)展，我國農田重金屬污染狀況日漸堪憂，尤其是重金屬鎘的污染。鎘容易被水稻等禾本科作物吸收并向籽粒富集和積累，從而影響籽粒的食用安全。據調查統(tǒng)計，我國受重金屬污染的耕地面積已達2000萬公頃，占全國總耕地面積的1/6。我國平均每年被重金屬污染的糧食達1200萬噸，造成直接經濟損失超過200億元。根據近幾年統(tǒng)計，我國鎘污染農田面積達到28萬公頃，年產鎘超標農產品數量超過150萬噸(羅瓊，王昆，許靖波，陳光輝：“我國稻田鎘污染現狀、危害、來源及其生產措施”，《安徽農業(yè)科學》2014[30])。鎘是毒性最強的重金屬之一，鎘不僅影響水稻的生長發(fā)育，導致水稻產量和品質下降，而且能夠在植物體內積累并進入食物鏈，或通過污染空氣進入人的呼吸道，危害人類健康。因此，抑制水稻重金屬鎘吸收和富集成為迫切需要解決的問題。
目前，減少重金屬污染土壤環(huán)境中水稻對鎘的吸收和富集，采取的措施主要有三種：一是將鎘從土壤中直接去除，如采用工程措施“換土法”、種植超累積作物。二是改變土壤中重金屬的賦存形態(tài)，使其從有效態(tài)轉變成難以遷移的穩(wěn)定態(tài)，如施用鈍化劑。三是噴施葉面阻控劑，減少水稻對重金屬的吸收和富集。第一種措施因工程修復所需資金較大，難以進行大面積推廣；第二種措施對土壤破壞較重，土壤中必須的微量元素也發(fā)生沉淀，從而導致營養(yǎng)元素缺乏；第三種噴施葉面阻控劑往往會對水稻的品質和產量產生一定影響，因此，開發(fā)一種能夠有效抑制重金屬鎘的環(huán)保型水溶肥料，對于本領域人員來說，則更具現實意義。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料，其能夠減少水稻對重金屬鎘的吸收累積，保障稻米食用安全以及提高水稻品質，促進水稻增產。
本發(fā)明的另一個目的在于提出一種可抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料的制備方法。
為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
一種抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料，按重量百分比計算，包括甘氨酸2％～3％、丙氨酸2％～2.5％、復合糖醇3％～4％、磷酸二氫鉀22％～24％、EDTA-Zn10％～12％、EDTA-Fe6％～8％、EDTA-Mn0.3％～0.5％、EDTA-Cu0.2％～0.3％、四水八硼酸二鈉1％～1.2％、螯合劑0.8％～1％、表面活性劑1.5％～2％、pH調節(jié)劑0.6％～1％和余量為水。
進一步說明，所述螯合劑為乙二胺四乙酸、二乙烯三胺五乙酸或N-β-羥基乙基乙二胺三乙酸中的一種或多種組合。
進一步說明，所述表面活性劑為有機硅表面活性劑、JFC或吐溫80中的一種或多種組合。
進一步說明，所述pH調節(jié)劑為檸檬酸、檸檬酸鉀或檸檬酸鈉的一種或多種組合。
一種水溶肥料的制備方法，包括如下步驟：
(1)將所述甘氨酸、丙氨酸、復合糖醇和磷酸二氫鉀分別加入水中加熱，并攪拌至完全溶解，得到母液A；
(2)將所述EDTA-Zn、EDTA-Fe、EDTA-Mn、EDTA-Cu、四水八硼酸二鈉和螯合劑分別加入至所述母液A中進行螯合并攪拌至完全溶解，得到母液B；
(3)將所述表面活性劑加入至所述母液B，繼續(xù)加熱并攪拌一段時間后，加入所述pH調節(jié)劑調節(jié)pH值，攪拌至完全溶解后得到抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料。
進一步說明，加入所述pH調節(jié)劑調節(jié)所述水溶肥料的pH值為3～7。
進一步說明，步驟(1)中所述加熱的溫度為50℃～60℃。
進一步說明，步驟(2)中所述母液A在50℃～60℃的溫度條件，加入所述EDTA-Zn、EDTA-Fe、EDTA-Mn、EDTA-Cu、四水八硼酸二鈉和螯合劑進行螯合。
進一步說明，步驟(3)中所述母液B在50℃～60℃的溫度條件下，加入所述表面活性劑。
本發(fā)明的有益效果：所述抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料，可以達到更好地減少水稻重金屬鎘吸收和富集；將其噴施于水稻，不僅對于水稻吸收、轉運和富集重金屬鎘具有更好的抑制作用，減少水稻對重金屬鎘的吸收累積；而且可以作為肥料能夠促進水稻的生長和分蘗，在一定程度上提高了水稻葉片SPAD值和提高水稻葉綠素的含量，提高水稻的結實率；從而實現提高水稻品質，促進水稻增產和保障稻米食用安全的目的。
具體實施方式
下面通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術方案。
一種抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料，按重量百分比計算，包括甘氨酸2％～3％、丙氨酸2％～2.5％、復合糖醇3％～4％、磷酸二氫鉀22％～24％、EDTA-Zn10％～12％、EDTA-Fe6％～8％、EDTA-Mn0.3％～0.5％、EDTA-Cu0.2％～0.3％、四水八硼酸二鈉1％～1.2％、螯合劑0.8％～1％、表面活性劑1.5％～2％、pH調節(jié)劑0.6％～1％和余量為水。本發(fā)明主要采用了所述EDTA-Zn、EDTA-Fe為原料，其成分容易被水稻吸收；其中由于鋅與鎘在元素周期表中屬于同族元素，具有相似的化學特征；當鋅大量存在時，則鋅與鎘在水稻根系細胞質膜中的轉運存在著全面競爭關系，因此稻對鎘的吸收量可顯著減少；而通過葉面噴施Fe2+，則能顯著增加根表鐵膜的含量，從而進一步抑制了水稻根和莖葉對鎘的吸收。并且本發(fā)明還采用了所述甘氨酸和丙氨酸來作為Fe2+、Zn2+的載體，其可以有效促進水稻秸稈和籽粒對Fe2+、Zn2+的吸收和運轉，增強競爭性的陽離子Fe2+、Zn2+與Cd2+的拮抗效應，從而有效阻遏Cd2+的吸收和向水稻可食部位中富集；同時，通過所述磷酸鹽來對鎘的吸附沉淀的作用，所形成的磷酸鎘難以被水稻吸收，從而進一步降低了水稻可食部位中的重金屬鎘的含量。
因此，通過實驗證明，由上述成分所獲得的水溶肥料，可以達到更好地減少水稻重金屬鎘吸收和富集。將其噴施于水稻，不僅對于水稻吸收、轉運和富集重金屬鎘具有更好的抑制作用，減少水稻對重金屬鎘的吸收累積；而且可以作為肥料能夠促進水稻的生長和分蘗，在一定程度上提高了水稻葉片SPAD值和提高水稻葉綠素的含量，提高水稻的結實率，從而實現提高水稻品質，促進水稻增產和保障稻米食用安全的目的。
進一步說明，所述螯合劑為乙二胺四乙酸、二乙烯三胺五乙酸或N-β-羥基乙基乙二胺三乙酸中的一種或多種組合。
進一步說明，所述表面活性劑為有機硅表面活性劑、JFC或吐溫80中的一種或多種組合。
所述JFC為脂肪醇聚氧乙烯醚，所述JFC和吐溫80均為非離子型表面活性劑；通過所述有機硅表面活性劑、JFC或吐溫80來降低水溶肥料的表面張力，提高其滲透性、潤濕性和鋪展性，從而促進對水稻葉面的滲透，增強水稻對水溶肥料的吸收效果。
進一步說明，所述pH調節(jié)劑為檸檬酸、檸檬酸鉀或檸檬酸鈉的一種或多種組合。
一種水溶肥料的制備方法，包括如下步驟：
(1)將所述甘氨酸、丙氨酸、復合糖醇和磷酸二氫鉀分別加入水中加熱，并攪拌至完全溶解，得到母液A；
(2)將所述EDTA-Zn、EDTA-Fe、EDTA-Mn、EDTA-Cu、四水八硼酸二鈉和螯合劑分別加入至所述母液A中進行螯合并攪拌至完全溶解，得到母液B；
(3)將所述表面活性劑加入至所述母液B，繼續(xù)加熱并攪拌一段時間后，加入所述pH調節(jié)劑調節(jié)pH值，攪拌至完全溶解后得到抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料。本發(fā)明不需要使用特制的工具與設備，即可制得所述抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料，其制備方法簡單，操作步驟簡便，可直接作為肥料和阻鎘劑來用于進行田間水稻的噴施，來減少水稻對重金屬鎘的吸收和積累，提高水稻的產量和質量，方便快捷且作用效果明顯，減少人工的工作量，節(jié)約勞動成本。
進一步說明，加入所述pH調節(jié)劑調節(jié)所述水溶肥料的pH值為3～7。
進一步說明，步驟(1)中所述加熱的溫度為50℃～60℃。
進一步說明，步驟(2)中所述母液A在50℃～60℃的溫度條件，加入所述EDTA-Zn、EDTA-Fe、EDTA-Mn、EDTA-Cu、四水八硼酸二鈉和螯合劑進行螯合。
進一步說明，步驟(3)中所述母液B在50℃～60℃的溫度條件下，加入所述表面活性劑。
實施例1
1、制備水溶肥料：
(1)將3％甘氨酸、2.5％丙氨酸、4％復合糖醇和24％磷酸二氫鉀分別加入41.9％水中加熱至50℃，并充分攪拌至完全溶解，得到母液A；
(2)在55℃下，將12％EDTA-Zn、8％EDTA-Fe、0.3％EDTA-Mn、0.2％EDTA-Cu、1％四水八硼酸二鈉、0.4％乙二胺四乙酸和0.4％二乙烯三胺五乙酸分別加入至母液A中螯合并攪拌至完全溶解，得到母液B；
(3)在60℃下，將1.5％有機硅表面活性劑加入至母液B，繼續(xù)加熱并攪拌一段時間后，加入0.8％檸檬酸鉀，攪拌至完全溶解后得到所述抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料，pH值為5。
2、田間試驗
(1)本實施例1制備的所述抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料在湖南省長沙縣北山鎮(zhèn)蒿塘村進行試驗。試驗點為雙季稻種植，土壤為花崗巖發(fā)育水稻土。土壤養(yǎng)分狀況：有機質43.8g/kg，全氮3.02g/kg，堿解氮205.1mg/kg，有效磷29.7mg/kg，速效鉀162mg/kg，pH值5.2。土壤鎘污染情況為輕度污染，土壤全鎘含量0.46mg/kg，土壤有效鎘含量0.17mg/kg，污染原因是農田灌溉長期使用周邊化工廠的排污水。供試水稻品種為湘晚秈12號。
(2)試驗共設2個處理，重復三次，小區(qū)面積20m2。
處理1：為常規(guī)施肥對照，所述常規(guī)施肥為：移栽前施用復合肥(20-10-10)40kg/畝作基肥，返青后施用尿素7kg/畝作追肥；處理2：為常規(guī)施肥+噴施本實施例1制備的水溶肥料，噴施濃度為1:500倍，畝用量為100ml，于返青期、孕穗期各噴施1次。水稻成熟后各小區(qū)單打單收，測產，并取樣分析大米及植株中重金屬含量，大米及植株樣品采用微波消解后用ICP-MS進行重金屬含量的測定。
3、試驗結果分析
表1不同處理水稻農藝性狀和產量比較
由表1可知，處理2的株高、分蘗數、葉片SPAD值和千粒重比常規(guī)對照處理1分別增加1.3cm、1.1、0.3和0.5g，說明噴施本實施例的水溶肥料能促進水稻生長和分蘗，還在一定程度上提高了水稻葉片SPAD值，提高水稻葉綠素含量。處理2比處理1增產38.55kg/畝，增產率為7.81％，處理間產量差異均達極顯著水平。說明噴施本實施例的水溶肥料對水稻具有顯著增產作用。
表2不同處理降低稻米和稻草重金屬含量的效果
由表2可知，處理2能顯著降低稻米鎘和稻草鎘含量，比處理1分別降低46.4％和25.5％，說明噴施本實施例的水溶肥料對水稻吸收、轉運和富集重金屬鎘有一定的抑制作用。處理2的稻米鎘含量為0.15mg/kg，達到食品安全國家標準(鎘含量≤0.2mg/kg)。
實施例2
1、制備水溶肥料：
(1)將2％甘氨酸、2％丙氨酸、4％復合糖醇和22％磷酸二氫鉀分別加入48％水中加熱至60℃，并充分攪拌至完全溶解，得到母液A；
(2)在50℃下，將10％EDTA-Zn、6％EDTA-Fe、0.5％EDTA-Mn、0.3％EDTA-Cu、1.2％四水八硼酸二鈉、0.5％乙二胺四乙酸和0.5％二乙烯三胺五乙酸分別加入至母液A中螯合并攪拌至完全溶解，得到母液B；
(3)在55℃下，將1％有機硅表面活性劑和1％JFC加入至母液B，繼續(xù)加熱并攪拌一段時間后，加入1％檸檬酸鉀，攪拌至完全溶解后得到所述抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料，pH值為3。
2、田間試驗
(1)本實施例2制備的所述抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料在湖南省湘潭縣湘潭縣梅林橋鎮(zhèn)梅林村進行試驗。試驗點為雙季稻種植，土壤為第四紀紅壤發(fā)育水稻土。土壤養(yǎng)分狀況：有機質46.1g/kg，全氮2.98g/kg，堿解氮275mg/kg，有效磷3.5mg/kg，速效鉀82mg/kg，pH值6.4。土壤鎘污染情況為中度污染，土壤全鎘含量0.86mg/kg，土壤有效鎘含量0.29mg/kg，污染原因是工業(yè)廢氣經過大氣沉降所致。供試水稻品種為湘晚秈13號。
(2)試驗共設2個處理，重復三次，小區(qū)面積20m2。
處理1：為常規(guī)施肥對照，所述常規(guī)施肥為：移栽前施用復合肥(20-10-10)40kg/畝作基肥，返青后施用尿素7kg/畝作追肥；處理2：為常規(guī)施肥+噴施本實施例2制備的水溶肥料，噴施濃度為1:500倍，畝用量為100ml，于返青期、孕穗期各噴施1次。水稻成熟后各小區(qū)單打單收，測產，并取樣分析大米及植株中重金屬含量，大米及植株樣品采用微波消解后用ICP-MS進行重金屬含量的測定。
3、試驗結果分析
表3不同處理水稻農藝性狀和產量比較
由表3可知，處理2株高、分蘗數、葉片SPAD值和千粒重比常規(guī)對照處理1分別增加1.2cm、0.2、0.4和0.4g，說明噴施本實施例的水溶肥料能促進水稻生長和分蘗，還在一定程度上提高了水稻葉片SPAD值，提高水稻葉綠素含量。處理2比處理1增產43.63kg/畝，增產率為7.35％，處理間產量差異均達極顯著水平。說明噴施本實施例的水溶肥料對水稻具有顯著增產作用。
表4不同處理降低稻米和稻草重金屬含量的效果
由表4可知，處理2能顯著降低稻米鎘和稻草鎘含量，比處理1分別降低36.4％和19.8％，說明噴施本實施例的水溶肥料對水稻吸收、轉運和富集重金屬鎘有一定的抑制作用。處理2的稻米鎘含量為0.14mg/kg，達到食品安全國家標準(鎘含量≤0.2mg/kg)。
實施例3
1、制備水溶肥料：
(1)將2.5％甘氨酸、2.3％丙氨酸、3.5％復合糖醇和23％磷酸二氫鉀分別加入45.65％水中加熱至55℃，并充分攪拌至完全溶解，得到母液A；
(2)在60℃下，將11％EDTA-Zn、7％EDTA-Fe、0.4％EDTA-Mn、0.25％EDTA-Cu、1.1％四水八硼酸二鈉、0.4％乙二胺四乙酸和0.5％N-β-羥基乙基乙二胺三乙酸分別加入至母液A中螯合并攪拌至完全溶解，得到母液B；
(3)在50℃下，將1％吐溫80和0.8％JFC加入至母液B，繼續(xù)加熱并攪拌一段時間后，加入0.6％檸檬酸鈉，攪拌至完全溶解后得到所述抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料，pH值為7。
2、田間試驗
(1)本實施例3制備的所述抑制水稻重金屬鎘吸收和富集的水溶肥料在湖南省湘潭縣湘潭縣梅林橋鎮(zhèn)梅林村進行試驗。試驗點為雙季稻種植，土壤為第四紀紅壤發(fā)育水稻土。土壤養(yǎng)分狀況：有機質46.1g/kg，全氮2.98g/kg，堿解氮275mg/kg，有效磷3.5mg/kg，速效鉀82mg/kg，pH值6.4。土壤鎘污染情況為中度污染，土壤全鎘含量0.86mg/kg，土壤有效鎘含量0.29mg/kg，污染原因是工業(yè)廢氣經過大氣沉降所致。供試水稻品種為湘晚秈13號。
(2)試驗共設2個處理，重復三次，小區(qū)面積20m2。
處理1：為常規(guī)施肥對照，所述常規(guī)施肥為：移栽前施用復合肥(20-10-10)40kg/畝作基肥，返青后施用尿素7kg/畝作追肥；處理2：為常規(guī)施肥+噴施本實施例3制備的水溶肥料，噴施濃度為1:500倍，畝用量為100ml，于返青期、孕穗期各噴施1次。水稻成熟后各小區(qū)單打單收，測產，并取樣分析大米及植株中重金屬含量，大米及植株樣品采用微波消解后用ICP-MS進行重金屬含量的測定。
3、試驗結果分析
表5不同處理水稻農藝性狀和產量比較
由表5可知，處理2株高、分蘗數、葉片SPAD值和千粒重比常規(guī)對照處理1分別增加1.3cm、0.4、0.3和0.7g，說明噴施本實施例的水溶肥料能促進水稻生長和分蘗，還在一定程度上提高了水稻葉片SPAD值，提高水稻葉綠素含量。處理2比處理1增產47.95kg/畝，增產率為8.08％，處理間產量差異均達極顯著水平。說明噴施本實施例的水溶肥料對水稻具有顯著增產作用。
表6不同處理降低稻米和稻草重金屬含量的效果
由表6可知，處理2能顯著降低稻米鎘和稻草鎘含量，比處理1分別降低40.9％和21.9％，說明噴施本實施例的水溶肥料對水稻吸收、轉運和富集重金屬鎘有一定的抑制作用。處理2的稻米鎘含量為0.13mg/kg，達到食品安全國家標準(鎘含量≤0.2mg/kg)。
以上結合具體實施例描述了本發(fā)明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發(fā)明保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實施方式，這些方式都將落入本發(fā)明的保護范圍之內。