本发明属于农业领域，具体涉及一种基于土壤水势指标以降低稻谷重金属含量的灌溉方法。
背景技术：
水稻是中国最重要的粮食作物之一，2015年种植面积计3040万hm2，总产量达2.01亿t，种植面积和总产量分别占粮食的27％和36％。水稻是中国最主要的口粮消费作物，在所有口粮消费中占比60％左右，水稻口粮消费占水稻总消费量的85%。因此，水稻种植在我国粮食作物生产中占据着极其重要的地位。然而，我国农田土壤的重金属污染问题不容乐观。据《全国土壤污染状况调查公报》(环境保护部等，2014)，中国耕地土壤点位污染超标率为19.4%，其中轻中度污染点位占总超标点位的94.3%；全国土壤污染类型以镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍等8种重金属为主，其超标点位数占全部超标点位的82.8%。由于农田土壤受重金属污染，在受污染农田上生产的农产品重金属污染问题日益突出。据国土资源部资料，全国每年受重金属污染的粮食高达1200万t，直接经济损失超过200亿元(马铁铮等,2013)。农产品出口因重金属等有害物质超标而被退回的事件也多有发生；因产地环境污染导致农产品中有毒有害重金属含量超标而损害人体健康的事件屡有发生。近年来，我国多地发生的因稻米镉含量超标导致的“镉米”事件更是引发群众恐慌，一度引起当地70％的米商停产，农民不敢再种水稻，几乎成了严重的社会问题。
受重金属污染农田土壤的修复技术主要包括两种：一是直接清除土壤中的重金属，其代表性措施主要有工程措施和植物修复措施，但工程措施因成本高且导致土壤自然性状的破坏，植物修复措施因目标生物量低、修复周期长且高富集重金属植物后续处置困难，故此类修复技术在实际应用过程中受到了很大的限制；二是通过改变重金属在土壤中的赋存形态，减弱其迁移能力和降低其生物可利用性，其代表性措施如原位钝化修复措施，该类技术因成本较低、操作简单、见效快而适合大面积农田污染治理，因此日益倍受环境工作者的广泛关注(李剑睿等,2014；brownetal,2004)。
田间水分管理是一种较为常用且效果显著的降低土壤有效态重金属含量的原位钝化农艺调控措施。大量研究表明，稻田保持适当水层(调节氧化还原电位及硫离子含量)可以减少稻米对重金属的吸收。陈涛等(1980)的水稻盆栽试验结果表明，在抽穗后进行落干，籽实的cd含量比正常灌水的高12倍。吴燕玉等（1985）对沈阳张士灌区镉污染水田采取常规灌溉方法管理(干湿交替，排水烤田)，稻米cd含量可达1.12mg/kg，而采取全生育期淹水管理，稻米cd含量仅为0.39mg/kg。水稻不同生育期控水对水稻重金属累积也会产生较大的差异。杨定清等（2016）通过田间小区试验研究了农户常规灌溉(ck)、孕穗期至灌浆前期淹水（模式1）和全生育期淹水（模式2）等3种水分管理措施对稻米镉含量影响的试验结果表明，水稻孕穗期至灌浆前期淹水技术是一种既节约用水，保证水稻产量同时又能有效降低稻米镉含量的农艺措施；而全生育期淹水虽然也能有效降低稻米镉含量，但同时也导致水稻明显减产。徐加宽等（2007）研究表明，由于水稻籽粒对cd的吸收发生在生育后期，水稻抽穗后进行排水管理，造成稻田的氧化条件，吸收的cd必然比后期正常灌水、勤灌水或浅灌水要高得多。吴燕玉等（1985）不同生育期排水落干试验表明，对稻米中cd含量的影响大小顺序为开花期>抽穗期>分蘖期>乳熟期。
水稻全生育期淹水管理可明显降低稻谷对土壤重金属的吸收，其原因可能与淹水所造成的稻田还原状况有关。一般来说，田间含水量与土壤eh(氧化还原电位)密切相关，降低田间含水量会导致eh升高，根际有效态重金属含量、作物吸收重金属量随之增加。水稻全生育期淹水管理虽然可以显著降低稻谷cd含量，但水稻产量也会比常规灌溉管理（如干湿交替、排水晒田等）出现显著降低（徐加宽等，2007），而且耗水量明显增加，水分利用效率显著降低。因此，在农业生产上，尤其在我国广大轻中度重金属污染农田上，如何通过科学控制水稻各生育期稻田的水分含量，达到既能获得水稻高产稳产，又能有效减少稻谷对土壤重金属的吸收累积，具有重要的现实意义。
土壤水分含量单凭人体肉眼难以准确判断，常规的烘干法测定土壤水分含量方法又费时费力，工作效率低。而采用土壤张力计（负压计）测定土壤水势从而间接获得土壤水分含量是一种成本低、操作简单、工作效率高的指导农田科学灌溉的便捷方法。当土壤湿度增大到所有空隙充满水时，土壤水势值将降为零。换言之，此时土壤含水率达到了饱和。各种土壤的饱和含水率，以重量含水率和容积含水率而言都不一致，但对土壤水势值而言却是一致的都为零。各种土壤的毛细管破裂含水率也不一致，而土壤水势值则近乎一致。各种土壤在从饱和含水率到毛细管破裂含水率的变幅内，土壤水对作物的作用和影响基本一致。同一土壤水势值指标，对作物的生理需水和根系吸收而言也是一致的。因此，通过土壤水势值指标来指导农田灌溉更具科学性和合理性。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于土壤水势指标以降低稻谷重金属含量的灌溉方法。与常规灌溉方法（分蘖后期晒田，其它生育期保持稻田田面淹水状态）相比，使用本发明的灌溉方法，不仅可分别降低稻谷中的重金属cd、pb、hg和cr含量44.7%、20.0%、26.7%和12.0%，还可提高稻谷产量5.93%，降低灌溉水量40.5%，提高水分利用效率78.1%。本发明的灌溉方法具有明显降低水稻稻谷重金属含量、增加稻谷产量、节约灌溉用水、提高水分利用效率等优点，且操作简单、使用成本低，适宜于广大轻中度重金属污染稻田上生产低重金属含量的稻谷产品。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于土壤水势指标以降低稻谷重金属含量的灌溉方法，在水稻生育期的分蘖期（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内容物为乳浆状且手压穗中部籽粒有硬物感觉开始至水稻完熟收获的一段生育期）内，以稻田耕作层（15cm）的土壤水势为阈值标准进行灌溉，当耕作层土壤水势降低至-15kpa时即进行灌溉，直至土壤水势升高至0kpa时终止灌溉；而水稻的其他生育期（包括返青期和幼穗分化期至乳熟期）则保持稻田田面淹水状态。
所述的土壤水势由埋设于稻田耕作层的土壤负压计读数测得。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明以土壤水势指标为灌溉阈值标准，具有操作简单、易于掌握、灵敏度高、成本低廉等优点；用耕作层土壤水势指标来指导稻田灌溉，更能准确反映水稻不同生育期的生理需水和根系吸水特性，因此，通过耕作层土壤水势值指标来指导稻田灌溉更具科学性和合理性；
（2）本发明的灌溉方法具有明显降低水稻稻谷重金属含量，并增加稻谷产量、节约灌溉用水、提高水分利用效率等优点；田间试验结果表明，与常规灌溉方法（分蘖后期晒田，其它生育期保持稻田田面淹水状态）相比，使用本发明的灌溉方法，不仅可分别降低稻谷中的重金属cd、pb、hg和cr含量44.7%、20.0%、26.7%和12.0%，还可提高稻谷产量5.93%，降低灌溉水量40.5%，提高水分利用效率78.1%。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。
实施例1
（1）按水稻常规种植管理方法进行稻田耕耘、整地、施基肥、插秧、灌秧苗移栽赶活水等农事操作；
（2）在每个单元地块内等距安装3个土壤负压计(fdr)，陶土头或fdr探针中心距土表7.5cm。
（3）待移栽秧苗返青后，开始以土壤负压计所显示的土壤水势值为阈值标准进行灌溉，即在每天早上8：00和傍晚18：00读取土壤水势值，当土壤水势降低至-15kpa时，及时灌溉至土壤水势升高至0kpa终止；如此反复进行稻田控制性灌溉，直到秧苗进入幼穗分化期前；然后进行稻田田面淹水灌溉，保持田面水深0~6cm左右；
（4）待水稻进入乳熟期，即从50%以上的稻穗中部籽粒的内容物为乳浆状且手压穗中部籽粒有硬物感觉开始至水稻完熟收获，再度开始以土壤负压计所显示的土壤水势值为阈值标准进行灌溉，即在每天早上8：00和傍晚18：00读取土壤水势值，当土壤水势降低至-15kpa时，及时灌溉至土壤水势升高至0kpa终止，如此反复进行稻田控制性灌溉，直到水稻稻谷完熟收获前停止灌溉；
（5）待水稻进入完熟期，即以水稻颖壳80%变黄为标准，籽粒变硬，不易破碎，停止灌溉，并进行水稻收割。
试验设计：
试验布置在福建省三明市大田县某矿区附近的水稻种植基地，地形地貌为山地丘陵，平均海拔600m，南亚热带海洋性季风气候，四季分明，温暖适中，夏无酷暑，冬无严寒，日照充足，雨量充沛，年平均降水量1548mm，年平均气温22.5℃，一月平均气温19.6℃，七月平均气温25.7℃，最高气温达29.3℃。试验地块土壤类型为黄泥田土，土壤肥力中等，耕作层（15cm）土壤重金属cd含量19.2mg/kg、pb含量272.1mg/kg、hg含量0.3mg/kg、cr含量1.1mg/kg。
试验设计7个处理，即，1)常规灌溉（在水稻分蘖后期排水晒田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，其它生育期耕作层土壤水势保持在-15~0kpa之间）；4）分蘖期控水（从水稻移栽秧苗返青后至幼穗分化前控制稻田耕作层土壤水势保持在-15~0kpa之间，其它生育期田面淹水）；5）抽穗-灌浆期控水（从水稻幼穗分化至乳熟期前控制稻田耕作层土壤水势保持在-15~0kpa之间，其它生育期田面淹水）；6）乳熟期控水（从50%以上的稻穗中部籽粒的内容物为乳浆状且手压穗中部籽粒有硬物感觉开始至水稻完熟收获期间，控制稻田耕作层土壤水势保持在-15~0kpa之间，其它生育期田面淹水）；7）按照实施例1的方法进行灌溉，即分蘖期和乳熟期控水（在上述的分蘖期和乳熟期控制稻田耕作层土壤水势保持在-15~0kpa之间，其它生育期田面淹水）。每个处理3次重复，每个试验小区面积20m2，田间小区采用随机区组排列。
供试水稻为单季稻，品种为中浙优8号。2016年6月2日插秧，2016年10月10日收割并测产、取样。水稻全生育期的化肥施用量n-p2o5-k2o=442.5kg/hm2，供试化肥品种分别为碳酸氢氨、钙镁磷和氯化钾，施用量分别为750kg/hm2、750kg/hm2和374.7kg/hm2，施用时期为水稻分蘖期。
在每个试验小区内等距安装3个真空式土壤负压计(fdr)，陶土头或fdr探针中心距土表7.5cm。在各处理控制灌溉生育期间，每天早上8：00和傍晚18：00读取数值，当土壤水势降低至-15kpa时，及时灌溉至土壤水势升高至0kpa终止。
试验结果：
几种不同水分管理措施对水稻稻谷重金属含量的影响试验结果（表1）表明：在水稻不同生育期进行控制灌溉对稻谷的重金属含量产生了较大的影响，与常规灌溉处理相比：1）全生育期淹水、分蘖期和乳熟期控水、分蘖期控水、乳熟期控水等4种水分管理措施均可在一定程度上降低稻谷的重金属含量，可分别降低稻谷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“分蘖期和乳熟期控水”等2种水分管理措施对降低稻谷的重金属含量效果尤佳。2）而“全生育期控水”和“抽穗-灌浆期控水”等2种水分管理措施则促进稻谷重金属含量的增加，可分别增加稻谷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不同水分管理措施对水稻稻谷重金属含量的影响
几种不同水分管理措施对水稻稻谷产量及灌溉效率的影响试验结果（表2）表明：与常规灌溉处理相比：1）除了“全生育期淹水”和“全生育期控水”等2种灌溉处理对稻谷的产量有所降低（降幅1.72%~5.18%）外，其它几种不同的控制灌溉处理均对稻谷的产量有所提高（增幅1.13%~5.93%），其中，“分蘖期和乳熟期控水”处理对提高稻谷的产量相对最佳。2）“全生育期淹水”处理的水稻灌水量最高而水分利用效率最低，而其它几种控制灌溉处理均能降低水稻生育期的灌水量，降低幅度为4.90%~57.13%；并提高水分的利用效率，提高幅度为8.89%~129.26%。其中“全生育期控水”处理对减少灌溉量和提高水分利用效率的效果相对最佳，可减少水稻生育期灌水量57.13%，提高水分的利用效率129.26%；“分蘖期和乳熟期控水”处理的效果次之，可减少水稻生育期灌水量40.53%，提高水分的利用效率78.13%。
表2不同水分管理措施对水稻稻谷产量及灌溉效率的影响
通过以上田间试验结果可以得出，“分蘖期和乳熟期控水”的水分管理方法，不仅可分别降低稻谷中的重金属cd、pb、hg和cr含量44.7%、20.0%、26.7%和12.0%，还可提高稻谷产量5.93%，降低灌溉水量40.5%，提高水分利用效率78.1%。因此，该种灌溉方法，不仅可明显降低稻谷的重金属含量，还能有效促进稻谷增产，节约灌溉用水，并提高水分利用效率，系一种能有效抑制水稻稻谷对土壤重金属累积的实施例。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。