一种同步阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放的方法

本发明属于污染农田土壤环境治理，具体来说涉及一种同步阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放的方法。

背景技术：

1、水稻是我国最主要的口粮作物，但由于工矿业、农业生产等人类活动和自然地球化学高背景等原因，稻田砷污染问题受到全世界关注。稻田土壤是典型的氧化还原交替环境，在氧化条件下，砷主要以无机砷酸盐(as(v))的形式存在，并且主要被吸附固定于土壤铁锰等固相矿物中。但在淹水还原环境中，土壤铁锰矿物发生还原溶解，被固定的as(v)会发生还原溶解释放出高毒性、高迁移性的三价砷(as(iii))。当土壤还原至硫酸盐还原阶段时，as(iii)会发生甲基化过程，生成毒性更高的甲基砷乃至巯基甲基砷，极易被水稻吸收转运。

2、为了降低稻田土壤中砷的环境健康风险，大量研究报道了基于铁锰氧化物和二氧化钛等矿物的吸附材料，以上材料可以有效的吸附三价砷和五价砷，同时生物炭通常作为金属氧化物的载体，以提升负载金属氧化物的砷固定能力。如公开号为cn115820263a的专利申请文件中，公开了一种同步稳定镉砷复合污染土壤的方法，利用硝酸铁与木质素制备得到铁基复合材料；最后将铁基复合材料投加到镉砷复合污染的土壤中，并调节土壤含水率为田间最大持水量的50％，稳定化60d，该方法也能能显著降低土壤中镉砷的有效性，且随施加增加降低效果更显著。但实际上该方法中铁基复合材料发挥作用的方法仍然是通过氧化和吸附反应等机制稳定化as，在氧化的条件下将毒性较强as(ⅲ)氧化为毒性较小的as(ⅴ)，即该方法实际上更适合于对于“土壤的修复”，而不适合应用在稻米生长期间(水层覆盖土壤的厌氧环境中)，同样面临还原环境会导致铁锰氧化物的还原溶解从而失去吸附能力的问题。

3、基于此，上述方法实质上是在稻田间歇性落干时段，能够进行“砷污染的稻田土壤的修复”的方法，虽然在进行水稻种植前预先对于土壤中的砷进行干预一定程度上可以阻控水稻成熟后的稻米中的砷累积量，但是上述存在的问题：一是，在厌氧环境中实际上铁锰氧化物会因还原溶解从而失去吸附能力，存在一定的土壤中铁还原砷释放的问题；二是，无法针对水稻生长期间形成有效的稻米中的砷累积的阻止。

4、针对上述问题，现有技术公开(公开号为cn103070168a的专利申请文件)了一种基于人工通气组织的砷污染稻田安全利用方法，所述人工通气组织包括若干透气管，将透气管埋入稻田淹水土壤中，向透气管内持续通入空气或者氧气，从而提高淹水环境土壤的氧化还原电位、降低铁砷还原菌的活性、增加铁砷的氧化，从而促进溶解态砷在土壤固态中的吸附固定，降低水稻对砷的吸收和稻米中砷的积累，实现砷污染稻田的安全利用。但是该方法需要持续通过人工通气组织向淹水稻田土壤中加入氧气，实际上难以大规模使用。

5、还有研究发现稻田土壤砷的释放与硝酸盐转化过程有耦合关系，因此，公开号cn113951070b的专利中，通过施加缓释型氮肥和缓释硝酸盐肥料解决农田稻米籽粒砷积累的问题，但实际情况是，稻米生长期，尤其稻田淹水条件下，土壤微生物通过厌氧呼吸分解土壤有机质，本身就会排放大量的温室气体二氧化碳和甲烷，因此，稻田也是全球温室气体排放的一个重要的源，其中甲烷的排放量占水稻碳足迹的63.5％，占全球人为源甲烷排放量的10.9％，而如cn113951070 b的专利技术方案中，通过外源添加硝酸盐作为铁还原的竞争性电子受体的解决方法，更增加了稻田土壤的温室气体排放。

6、因此，阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放既是坚守我国耕地红线的重要举措，更是保证农产品质量安全和居民膳食健康的基础。

7、针对稻田面临的砷污染和高碳排放问题，尤其是有效的阻控水稻生长期间的稻米的砷累积和减少稻田碳排放尤为必要。

技术实现思路

1、1.要解决的问题

2、基于现缺乏有效的阻控水稻生长期间的稻米的砷累积和/或稻田碳排放的问题，本发明提供了一种同步阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放的方法。

3、2.技术方案

4、为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

5、一种同步阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放的方法，包括在施加有多孔炭的土壤进行水稻的种植；

6、其中，所述多孔炭具有：

7、小于2nm的孔径的孔，该部分的孔具有容积s；

8、所述容积s不低于0.08cm3g-1。

9、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述容积s优选不低于0.1cm3g-1。

10、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述容积s优选不低于0.15cm3g-1。

11、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述容积s优选为0.08-2.00cm3g-1。

12、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述容积s优选为0.1-2.00cm3g-1。

13、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述容积s优选为0.15-2.00cm3g-1。

14、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述多孔炭具有不低于400m2/g的比表面积。

15、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述多孔炭具有不低于480m2/g的比表面积。

16、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述多孔炭具有400-3000m2/g的比表面积。

17、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述多孔炭还具有：小于50nm的孔径的孔，该部分的孔具有容积l；所述容积s占所述容积l的比例不低于18％。

18、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述容积s占所述容积l的比例不低于20％。

19、在此需要说明的是，本法不同于现有技术中的对砷的吸附思路，所述多孔炭需要能够尽量多的吸附土壤中的溶解性有机质，基于此孔径条件就尤为重要，尤其是微孔的容积，微孔的容积越大才能有更好吸附土壤溶解性有机质的能力，从而抑制铁还原，砷在稻米中的积累和稻田碳排放。

20、如在此所述的溶解性有机质，(dissolved organic matter，dom)，是一类具有复杂组成、结构和环境行为的有机混合物，广义上的含义包括一切溶解于水中的有机化合物，通常指能通过0.45μm滤膜的溶解于水、酸或碱溶液中的异质碳氢混合物，由含氧、氮和硫的氨基酸、芳香族、脂肪族等功能团组成；基于此可以列举的常见的溶解性有机质包括木质素、单宁酸、蛋白/脂类物质、碳水化合物等。dom的提取方法为，向晾干土壤加纯水，使水土比为5:1，室温振荡提取24小时，悬液离心，上清液过0.45μm后得到的滤液。

21、据本发明目的技术方案的任一实施方案，按照土壤中溶解性有机质的含量进行计算，所述有机质与所述多孔炭的加入量的质量比为0.8～2wt％。

22、基于此，比如土壤中的溶解性有机质含量在50-400mgkg-1变化，则所述土壤中多孔炭施加量可以在0.5wt％-5wt％变化。

23、据本发明目的技术方案的任一实施方案，包括如下步骤：

24、1)在水稻种植之前，对于土壤中溶解性有机质含量进行测试；

25、2)按照土壤中溶解性有机质的含量，向所述土壤中添加多孔炭；

26、3)使所述土壤处于饱和含水状态；

27、4)进行水稻的种植，在水稻成熟前，包括对土壤进行淹水处理。

28、在此需要说明的是，所述步骤3)中，使所述土壤处于饱和含水状态，主要目的是使土壤保持厌氧状态；

29、基于此，只要土壤处于饱和含水状态(一般情况下大概是40g水/100g土壤)，稻田土壤就是厌氧的；此外，若进一步使所述土壤表面覆盖水层则更能使其保持厌氧状态，一般正常情况下水层0-10cm的厚度即可；所述水层的厚度可以为以下任一所述数值范围：0.1～10cm、0.5～10cm、1～10cm、1.5～10cm、2～10cm、2.5～10cm、3～10cm、3.5～10cm、5～10cm、7～10cm。

30、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述多孔炭与土壤混合后，形成的种植水稻的土壤层的厚度是15-20cm

31、据本发明目的技术方案的任一实施方案，所述种植的水稻成熟后，还包括对所述土壤进行休耕处理的步骤。

32、以年为单位，每年需对所述土壤需进行休耕处理，所述休耕处理条件包括在常温下进行自然晒田，时间不低于1个月；例如，所述晒田时间可以为1～2个月。

33、需要在此说明的是，研究中发现，经过本发明方法处理过的土壤，经过休耕期的落干过程后，多孔炭吸附溶解性有机质，阻控砷的甲基化，减少稻米中甲基砷含量，减少稻田碳排放的能力能够恢复，因而具有长期、持续有效且稳定的抑制稻米砷累积、防控水稻生长过程中的直穗病发生，减少稻田碳排放的作用。

34、3.有益效果

35、1)本发明提供的同步阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放的方法，通过选择具有特殊孔径结构(微孔)的多孔炭，具备吸附淹水状态下稻田土壤中释放的溶解性有机质，减少土壤微生物厌氧呼吸的碳源和微生物还原铁矿过程中的电子穿梭体，进而能够有效的阻止水稻生长中的微生物对稻田土壤硫酸盐还原，最终有效的阻止砷的甲基化，减少稻米中甲基砷含量；

36、本发明提供的阻控稻米砷累积的方法，还可以有效的防控水稻生长过程中的直穗病的发生。

37、2)本发明提供的同步阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放的方法，经多孔炭混入后的土壤，只需经过简单的休耕处理，就能够再次有效的抑制水稻生长中稻米砷的累积；即本发明的方法具有长期、持续有效且稳定的抑制稻米砷累积、防控水稻生长过程中的直穗病发生的作用。

38、3)现有的稻田温室气体甲烷的减排技术主要包括间歇灌溉增加土壤氧气含量，研发新型抗旱型水稻品种或根系泌氧能力强的水稻品种，优化秸秆还田农艺措施，以及施加缓释硝态氮肥、铁氧化物、硫酸盐和生物质炭等，以上修复方法均是通过增加土壤中产甲烷过程的竞争性电子受体量达到甲烷减排的目的。与之不同的是，本发明提供的同步阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放的方法，通过向稻田土壤中施加孔改性炭，持续吸附去除土壤溶液中的溶解性有机质，抑制土壤中含铁矿物的还原溶解，阻止含铁矿物中结合有机质的释放，阻断微生物厌氧呼吸过程所需的有机质碳源和含铁矿物还原所需的有机质电子穿梭体，从而达到减少稻田土壤二氧化碳和甲烷排放的目的。

39、4)本发明提供的同步阻控稻米砷累积和减少稻田碳排放的方法，技术环境友好、操作简单、应用前景广泛。