一种水稻根际有效态重金属控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及耕地资源保护与重金属污染土壤治理领域，具体是一种水稻根际有效态重金属控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]国土资源部最新统计数据表明，全国18.26亿亩耕地面积有12%以上受到镉、铅、砷、汞等重金属污染，稻田重金属污染及其引发的稻米重金属超标问题尤为严重。2013年发生的湖南省镉大米事件更是震惊国内外，除湖南以外，我国南方广东、广西、福建、浙江等地均存在大米镉超标现象，超标率约在5%?15%。长期食用重金属超标的粮食，会严重伤害人体肝、肾和神经系统，威胁人民群众生命健康安全。我国60%的人口以稻米为主食，稻田重金属污染降低了土壤质量，破坏了我国珍贵的土地资源，极大削弱了稻米稳产增产的基础，积极开展重金属污染稻田的修复治理是合理利用土地资源、解决稻米重金属污染、保障我国基本口粮安全的根本出路。
[0003]有效态重金属容易被农作物吸收利用，是农田重金属污染控制的工作核心；削减农作物根际有效态重金属含量，降低其活性与迀移性对保障农产品安全种植十分重要。水分管理是较为常用且效果显著的稻田有效态重金属调控措施。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、作物吸收量随之增加。田间含水量的改变还可通过Eh影响土壤pH值，进而调控重金属有效性，根际有效态重金属含量一般随着pH值的降低而增加。因此，改变土壤水分来调节Eh和pH，可达到降低根际重金属活性的目的。研究发现，长期淹水后稻田土壤镉的生物有效性下降，水稻糙米镉含量比湿润灌排处理降低了 70.7% ;全生育期淹水后，稻米镉含量仅为
0.39mg/kg，而采用干湿交替与排水烤田等常规水分管理的稻米锦含量高达1.12mg/kg。与传统灌排方式相比，全生育期淹水显著降低了土壤有效态镉、根胶膜镉及糙米、谷壳、秸杆中镉含量。不难看出，田间水分管理可显著降低水稻根际有效态重金属含量，是值得大力推广应用的重金属污染土壤的农艺修复措施。
[0004]从降低水稻根际有效态重金属含量来说，长期淹水和全生育期淹水操作简单，效果明显。然而，水稻对根际有效态重金属的吸收性能在不同生育期存在差异，对淹水抑制根际有效态重金属含量而言，水稻全生育期内的稻田水分条件(淹水深度)并非完全一致，也无必要一致。现有研究表明，稻田水分条件与根际有效态重金属含量之间关系十分复杂，难以定量；但根际有效态重金属含量与土壤Eh和pH等关系较为明确，具备定量的基础。因此，量化根际有效态重金属含量与土壤Eh和pH的关系，借助土壤Eh和pH的监测与调控，间接开展稻田水分含量的精细化管理，最大限度削减根际有效态重金属含量，减少水稻对根际有效态重金属的吸收累积十分重要，但可借鉴的技术方法匮乏。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种水稻根际有效态重金属控制系统及方法，通过土壤Eh和pH等的监测与调控间接开展稻田水分的精细化管理，为降低水稻全生育期内的根际有效态重金属含量提供科学依据，可以减少当前重金属污染稻田在田间水分管理时的盲目性，提高田间水分含量管理的科学性，获得田间水分管理抑制水稻吸收有效态重金属的最大效益。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0007]—种水稻根际有效态重金属控制系统，包括模拟稻田装置及稻田水分精细化管理装置，所述模拟稻田装置包括上端开口的外壳、装于外壳中用于植入水稻的表层土壤，表层土壤由金属污染稻田土壤分层采集回填至外壳中形成，外壳中还装入水直至超出表层土壤表面形成上覆水，表层土壤中插入根际水分采集器及与根际Eh和pH监测设备连接的Eh探针和pH探针；所述稻田水分精细化管理装置包括田间Eh和pH监管设备及与田间Eh和pH监管设备连接的智能化灌排设备。
[0008]如上所述的水稻根际有效态重金属控制系统，田间Eh和pH监管设备用于监测并管理水稻根际的Eh和pH，稻田智能化灌排设备用于根据水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间以及田间Eh和pH监管设备监测的水稻根际的Eh和pH自动调节田间水分含量，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间由模拟稻田装置获得且预先存储于稻田智能化灌排设备中。
[0009]如上所述的水稻根际有效态重金属控制系统，田间Eh和pH监管设备包括土壤环境信息中心、与土壤环境信息中心、连接的插入稻田表层土壤中的Eh在线监测传感器和Eh在线监测传感器，智能化灌排设备包括设置在稻田进水口上的进水阀、设置在稻田排水口上的排水阀、与进水阀和排水阀连接的水分控制中心，土壤环境信息中心与智能化灌排设备的水分控制中心通信连接，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间预先存储于水分控制中心，Eh和pH监测数据由土壤环境信息中心记录，通过无线通信的方式发送给智能化灌排设备的水分控制中心，水分控制中心将土壤环境信息中心发送的Eh和pH监测值与存储值进行比对，判读相应土壤pH值范围下的Eh监测值是否满足要求，当Eh监测值不在相应pH值范围下的Eh取值区间时，水分控制中心便对进水阀和排水阀予以管理，直至土壤环境信息中心获得的Eh监测值位于存储的Eh取值区间。
[0010]如上所述的水稻根际有效态重金属控制系统，所述外壳采用有机玻璃或PVC制成圆柱或方柱状。
[0011]如上所述的水稻根际有效态重金属控制系统，所述外壳采用有机玻璃或PVC制成圆柱或方柱状。
[0012]—种水稻根际有效态重金属控制方法，包括如下步骤:
[0013]步骤一、构建模拟稻田装置，所述模拟稻田装置包括上端开口的外壳、装于外壳中用于植入水稻的表层土壤，表层土壤由金属污染稻田土壤中分层采集回填至外壳中形成，外壳中还装入水直至超出表层土壤表面形成上覆水，表层土壤中插入根际水分采集器及与根际Eh和pH监测设备连接的Eh探针和pH探针；
[0014]步骤二、在水稻生育期的各个阶段，调控稻田上覆水的淹水深度，设置不同田间含水条件，利用根际水分采集器获取不同田间含水条件下的根际水样，测定根际有效态重金属含量，同时利用根际Eh和pH监测设备测定与记录不同田间含水条件下根际Eh和pH值；
[0015]步骤三、利用不同田间含水条件下的根际有效态重金属含量与相应Eh和pH数据，通过最小二乘法建立Eh、pH与有效态重金属含量之间的定量关系；
[0016]步骤四、以水稻根际有效态重金属含量最低为原则，定量有效态重金属含量与Eh、pH之间的关系，计算获得水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间；
[0017]步骤五、基于模拟稻田装置中获得的根际有效态重金属含量与Eh和pH的定量关系，在稻田中建设稻田水分精细化管理装置，包括田间Eh和pH监管设备及与田间Eh和pH监管设备连接的智能化灌排设备；
[0018]步骤六、田间Eh和pH监管设备获得的水稻根际Eh与pH监测值发送给智能化灌排设备，智能化灌排设备预先存储模拟稻田装置中获得的水稻生育期内Eh和pH取值范围区间；
[0019]步骤七、当田间Eh和pH监测值背离智能灌排设备中Eh和pH存储值的范围区间时，智能化灌排系统开始自动管理田间水分含量，通过逐步补水或排水，调控稻田水分条件，直至水稻根际的Eh与pH值满足管理需求，实现通过田间水分管理控制水稻根际有效态重金属含量的目的。
[0020]如上所述的水稻根际有效态重金属控制方法，田间Eh和pH监管设备包括土壤环境信息中心、与土壤环境信息中心、连接的插入稻田表层土壤中的Eh在线监测传感器和Eh在线监测传感器，智能化灌排设备包括设置在稻田进水口上的进水阀、设置在稻田排水口上的排水阀、与进水阀和排水阀连接的水分控制中心，土壤环境信息中心与智能化灌排设备的水分控制中心通信连接，水稻生育期内所需的Eh和pH范围区间预先存储于水分控制中心，Eh和pH监测数据由土壤环境信息中心记录，通过无线通信的方式发送给智能化灌排设备的水分控制中心。
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