重金属污染耕地安全利用技术与实践

本书以重金属污染耕地安全利用为主线，内容包含耕地重金属污染与农作物重金属吸收累积特征、土壤调理剂调控污染耕地重金属生物有效性、拮抗元素调控土壤-水稻系统重金属迁移转运、农艺措施调控土壤-水稻系统重金属迁移转运、镉污染耕地水稻安全种植技术、镉砷复合污染耕地水稻安全种植技术、重金属污染耕地可食用农作物种植结构调整与安全种植技术、重金属污染耕地经济作物种植与修复、农作物秸秆资源化利用技术、典型应用案例分析等，并推荐了一批重金属污染耕地水稻和蔬菜等农作物安全生产技术和一批重度污染耕地重金属富集移除并边生产边修复的模式。
本书具有较强的针对性和技术应用性，可供从事耕地重金属污染防控与污染修复治理等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程、农业工程及相关专业师生参阅。

廖柏寒，博士，中南林业科技大学教授，博士生导师，研究方向为重金属在土壤植物系统中的化学行为、酸沉降对陆地生态系统的影响、农用施肥的环境问题、表面活性剂-重金属-农药复合污染及机理、污染环境中生物反应指标的筛选、重金属对植物致突变毒性机理等。主持了酸沉降对土壤重金属化学行为的影响（中法合作项目）、红壤－大豆系统中镉的污染预警、毒性机理与迁移模型（国家自然科学基金，20677080）、湘江流域土壤重金属迁移阻隔物理-化学控制技术（国家水专项子课题，2008ZX07212-0105）等多项课题。历任湖南省土壤肥料学会常务理事、湖南省生态学会常务理事、省自然资源学会常务理事、湖南省土地学会常务理事、科技部国际科技合作计划项目评价专家、《农业环境科学学报》编委。先后获得省部级自然科学三等奖2项。在国内外环境类重要学术刊物发表论文180多篇，其中SCI、EI源刊论文30余篇。申报专利4项，认定科技成果1项。

第1章 耕地重金属污染与农作物重金属吸收累积特征 001
1.1 我国耕地重金属污染问题 002
1.2 重金属污染耕地的管理与评价 004
1.3 耕地土壤重金属赋存形态与生物有效性 006
1.4 水稻对重金属的吸收与累积 009
1.4.1 典型水稻品种镉吸收与累积 009
1.4.2 水稻不同生育期镉累积与转运 015
1.4.3 水稻镉累积关键生育期 019
1.4.4 水稻砷累积关键生育期 021
1.4.5 水稻铅累积关键生育期 023
1.5 蔬菜和大豆重金属吸收与累积 026
1.5.1 常见蔬菜重金属吸收与累积 026
1.5.2 典型工矿区大豆重金属吸收累积与评价 029
参考文献 033

第2章 土壤调理剂调控污染耕地重金属生物有效性 034
2.1 黏土矿物调控耕地重金属生物有效性 035
2.1.1 试验设计 035
2.1.2 黏土矿物对耕地土壤重金属生物有效性的影响 036
2.1.3 改性黏土矿物对耕地土壤重金属生物有效性的影响 038
2.2 改性高岭土调控耕地重金属和砷的生物有效性 039
2.2.1 试验设计 039
2.2.2 改性高岭土对土壤重金属和砷生物有效性的影响 040
2.2.3 改性高岭土对水稻生长和稻米重金属吸收累积的影响 041
2.2.4 稻米重金属含量与土壤重金属生物有效性的相关性分析 042
2.3 碱性材料调控耕地重金属生物有效性 044
2.3.1 试验设计 044
2.3.2 碱性材料对土壤理化性质的影响 044
2.3.3 碱性材料对大豆生长和重金属吸收的影响 045
2.3.4 碱性材料调控土壤重金属生物有效性的机理 049
2.4 生物炭调控耕地重金属生物活性 050
2.4.1 纳米铁改性生物炭对土壤重金属生物有效性的调控 050
2.4.2 铁锰氧化物改性生物炭对土壤重金属生物有效性的调控 055
2.5 含铁材料和稀土材料调控耕地土壤砷生物有效性 066
2.5.1 试验设计 066
2.5.2 含铁材料和稀土材料对土壤交换态砷含量和土壤pH 值的影响 067
2.5.3 含铁材料降低小白菜砷吸收的效果 069
2.5.4 稀土材料降低小白菜砷吸收的效果 070
2.5.5 含铁材料和稀土材料对小白菜生长状况的影响 071
2.6 土壤调理剂调控耕地土壤镉生物有效性的持续性 073
2.6.1 试验设计 073
2.6.2 土壤调理剂对土壤理化性质和镉生物有效性的影响 074
2.6.3 土壤调理剂降低水稻镉吸收的效果 075
2.6.4 水稻镉含量与土壤理化性质的相关性分析 076
2.6.5 补施土壤调理剂降低稻米镉吸收与累积的效果 077
2.6.6 施用土壤调理剂降低稻米镉吸收累积的机理 080
参考文献 081

第3章 拮抗元素调控土壤- 水稻系统重金属迁移转运 083
3.1 锌元素 084
3.1.1 基施锌肥调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 085
3.1.2 叶面喷施锌肥调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 091
3.2 硅元素 096
3.2.1 基施硅肥调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 096
3.2.2 基施硅肥调控土壤- 水稻系统砷迁移转运 100
3.3 铁和锰元素 105
3.3.1 基施含铁材料调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 105
3.3.2 外源铁锰诱导根表铁膜形成对水稻镉吸收转运的影响 112
3.4 钙和镁元素 119
3.4.1 施钙调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 120
3.4.2 施镁调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 123
3.4.3 盐基离子调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 137
3.5 磷元素 142
3.5.1 外源磷调控水稻生长和镉吸收累积 143
3.5.2 外源磷调控下水稻镉吸收累积的关键生育期 148
参考文献 156

第4章 农艺措施调控土壤- 水稻系统重金属迁移转运 162
4.1 水分管理 163
4.1.1 水分管理调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 164
4.1.2 水分管理调控土壤- 水稻系统砷迁移转运 170
4.2 肥料管理 174
4.2.1 钙镁磷肥调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 175
4.2.2 菜籽饼堆肥调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 182
4.3 叶面阻控剂 185
4.3.1 叶面喷施锌锰调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 186
4.3.2 叶面喷施氨基酸和锌肥调控土壤- 水稻系统镉迁移转运 193
4.4 镉低积累水稻品种与秸秆移除 198
4.4.1 不同水稻品种对重金属在水稻植株中累积和分配的影响 198
4.4.2 秸秆移除对土壤镉生物有效性及水稻镉累积的影响 208
参考文献 212

第5章 镉污染耕地水稻安全种植技术 216
5.1 “淹水灌溉+ 土壤调理剂”组合技术 217
5.1.1 试验设计 218
5.1.2 组合技术对土壤理化性质和镉生物有效性的影响 218
5.1.3 组合技术对水稻镉吸收累积的影响 219
5.1.4 组合技术对水稻镉富集能力的影响 219
5.2 “土壤调理剂+ 锌肥调控”组合技术 221
5.2.1 试验设计 222
5.2.2 组合技术对土壤理化性质的影响 223
5.2.3 组合技术对土壤镉锌有效态含量的影响 224
5.2.4 组合技术对水稻镉吸收累积的影响 225
5.3 “土壤调理剂+ 叶面喷施硅肥+ 土壤基施硅肥”组合技术 227
5.3.1 试验设计 228
5.3.2 组合技术对土壤镉生物有效性的影响 229
5.3.3 组合技术对水稻镉吸收累积的影响 229
5.4 含锌灌溉水关键生育期施用技术 231
5.4.1 试验设计 231
5.4.2 含锌灌溉水对水稻生长的影响 232
5.4.3 含锌灌溉水对水稻根表铁膜重金属含量的影响 233
5.4.4 含锌灌溉水对土壤孔隙水重金属含量的影响 233
5.4.5 含锌灌溉水对水稻重金属含量的影响 233
5.5 组配调理剂关键生育期施用技术 236
5.5.1 试验设计 236
5.5.2 组配调理剂对土壤理化性质和重金属生物有效性的影响 237
5.5.3 组配调理剂对水稻重金属吸收累积的影响 237
参考文献 239

第6章 镉砷复合污染耕地水稻安全种植技术 243
6.1 富硅谷壳灰调理剂 244
6.1.1 试验设计 245
6.1.2 富硅谷壳灰的扫描电镜和傅里叶变换红外光谱分析 245
6.1.3 富硅谷壳灰对土壤理化性质的影响 246
6.1.4 富硅谷壳灰对土壤镉砷赋存形态的影响 247
6.1.5 富硅谷壳灰对稻米镉砷含量的影响 248
6.2 钙铁基组配调理剂 249
6.2.1 试验设计 250
6.2.2 钙铁基调理剂对土壤理化性质的影响 251
6.2.3 钙铁基调理剂对土壤TCLP 提取态镉砷含量的影响 252
6.2.4 钙铁基调理剂对水稻根表铁膜中镉砷含量的影响 254
6.2.5 钙铁基调理剂对稻米镉砷含量的影响 255
6.3 “石灰石+ 海泡石+ 二氧化钛”和“石灰石+ 海泡石+ 硫酸铁”组配调理剂 257
6.3.1 试验设计 257
6.3.2 组配调理剂对土壤pH 值和重金属生物有效性的影响 258
6.3.3 组配调理剂对水稻镉砷吸收转运的影响 259
6.4 “石灰石+ 硅藻土+ 硫酸铁”三元复合调理剂 262
6.4.1 试验设计 263
6.4.2 三元复合调理剂对土壤理化性质及土壤交换态镉砷含量的影响 263
6.4.3 三元复合调理剂对土壤镉砷赋存形态的影响 264
6.4.4 三元复合调理剂对水稻镉砷吸收累积的影响 265
6.4.5 三元复合调理剂对水稻根表铁膜镉砷含量的影响 266
6.5 “碱性材料+ 铁粉”组配调理剂 268
6.5.1 试验设计 268
6.5.2 组配调理剂对土壤理化性质的影响 269
6.5.3 组配调理剂对水稻不同生育期土壤镉砷形态的影响 271
6.5.4 组配调理剂对水稻生长和镉砷吸收累积的影响 274
6.6 “水分管理+ 叶面喷施硅肥”组合技术 275
6.6.1 试验设计 276
6.6.2 组合技术对土壤镉砷生物有效性的影响 277
6.6.3 组合技术对水稻镉吸收的影响 278
6.6.4 组合技术对水稻砷吸收的影响 280
6.6.5 组合技术对水稻镉砷转运的影响 282
6.7 “土壤调理剂+ 硅肥调控”组合技术 284
6.7.1 试验设计 285
6.7.2 组合技术对土壤理化性质的影响 285
6.7.3 组合技术对土壤镉砷生物有效性的影响 288
6.7.4 组合技术对水稻镉砷含量的影响 291
6.8 “碱性物质+ 水分管理”组合技术 296
6.8.1 试验设计 296
6.8.2 组合技术对土壤镉砷生物有效性的影响 297
6.8.3 组合技术对水稻生长的影响 297
6.8.4 组合技术对水稻根表铁膜铅镉砷含量的影响 298
6.8.5 组合技术对稻米铅镉砷吸收累积的影响 299
参考文献 300

第7章 重金属污染耕地可食用农作物种植结构调整与安全种植技术 304
7.1 玉米 305
7.1.1 镉污染耕地玉米响应差异和替代种植潜力 306
7.1.2 镉砷污染耕地玉米响应差异和替代种植潜力 311
7.2 油菜 316
7.2.1 镉铅污染耕地油菜响应差异和替代种植潜力 316
7.2.2 镉铅砷污染耕地油菜响应差异和替代种植潜力 319
7.3 红薯 324
7.3.1 镉污染耕地红薯响应差异和替代种植潜力 324
7.3.2 镉污染耕地红薯安全种植技术 328
7.4 蔬菜 332
7.4.1 试验设计 332
7.4.2 土壤调理剂对土壤理化性质的影响 332
7.4.3 土壤调理剂对土壤重金属生物有效性的影响 333
7.4.4 土壤调理剂对蔬菜生物量和可食部位重金属含量的影响 335
参考文献 337

第8章 重金属污染耕地经济作物种植与修复 340
8.1 麻类植物 342
8.1.1 试验设计 342
8.1.2 不同红麻品种对镉的吸收与富集移除差异 342
8.1.3 不同黄麻品种对镉的吸收与富集移除差异 343
8.1.4 不同大麻品种对镉的吸收与富集移除差异 345
8.2 甜高粱 346
8.2.1 试验设计 346
8.2.2 柠檬酸对甜高粱的生长性状和生物量的影响 347
8.2.3 柠檬酸对甜高粱根际土壤pH 值和有机质含量的影响 348
8.2.4 柠檬酸对甜高粱根际土壤镉总量和镉赋存形态的影响 348
8.2.5 柠檬酸对甜高粱各部位镉含量和累积量的影响 350
8.3 象草和巨菌草 353
8.3.1 试验设计 353
8.3.2 象草植物修复效果 353
8.3.3 巨菌草植物修复效果 356
8.4 象草镉富集移除技术与修复效果 356
8.4.1 试验设计 356
8.4.2 施用酒石酸联合刈割强化象草镉吸收累积的效果 358
8.4.3 不同酒石酸施用方式强化象草植物修复治理效果 361
8.4.4 施用肥料强化象草镉吸收累积的效果 364
参考文献 367

第9章 农作物秸秆资源化利用技术 369
9.1 秸秆不同资源化利用途径 370
9.1.1 秸秆“五化”利用 370
9.1.2 资源化利用对秸秆原料的要求 371
9.1.3 严格管控区富镉秸秆资源化利用指南 372
9.1.4 富镉秸秆资源化前处置技术流程 373
9.2 纤维类作物秸秆生产生物基复合板材木塑 375
9.2.1 不同增容助剂对木塑地板强度的影响 375
9.2.2 不同超分散助剂对地板强度的影响 376
9.2.3 木塑板材生产配方调试与工艺参数优化 377
9.2.4 木塑板材生产线组装与调试 378
9.3 甜高粱和象草秸秆发酵生产纤维乙醇 380
9.3.1 甜高粱和象草汁液发酵制乙醇工艺 381
9.3.2 甜高粱秸秆制备乙醇工艺 382
9.3.3 象草秸秆制备纤维乙醇工艺 385
9.3.4 甜高粱和象草秸秆制备乙醇生产线组装 387
9.4 象草秸秆镉脱除后生产饲料 391
9.4.1 萃取剂脱镉象草秸秆生产饲料 391
9.4.2 发酵脱镉象草秸秆生产饲料 393
参考文献 398

第10章 典型应用案例分析 399
10.1 湘中某中轻度镉污染稻田安全利用项目案例 400
10.1.1 案例概况 401
10.1.2 项目区基本情况 401
10.1.3 技术实施 403
10.1.4 效果分析 407
10.1.5 案例总结 408
10.2 湘北某镉污染农田安全利用与土壤镉移除修复项目案例 408
10.2.1 案例概况 409
10.2.2 项目区基本情况 409
10.2.3 技术实施 411
10.2.4 效果分析 413
10.2.5 案例总结 414
10.3 湘南某镉砷复合污染农田修复治理项目案例 414
10.3.1 案例概况 414
10.3.2 项目区基本情况 415
10.3.3 技术实施 419
10.3.4 效果分析 422
10.3.5 案例总结 423
10.4 广西某地重金属轻度污染耕地修复治理项目案例 423
10.4.1 案例概况 424
10.4.2 项目区基本情况 424
10.4.3 技术实施 426
10.4.4 效果分析 429
10.4.5 案例总结 430
10.5 镉重度污染耕地“油菜- 红薯”轮作安全种植技术应用案例 430
10.5.1 案例概况 430
10.5.2 项目区基本概况 431
10.5.3 技术实施 432
10.5.4 效果分析 435
10.5.5 案例总结 438
10.6 重金属重度污染耕地“油菜- 甜高粱/ 红麻”富集移除技术应用案例 438
10.6.1 案例概况 438
10.6.2 项目区基本概况 439
10.6.3 技术实施 439
10.6.4 耕地重金属富集移除“油菜- 甜高粱”轮作技术效果分析 441
10.6.5 耕地重金属富集移除“油菜- 红麻”轮作技术效果分析 445
10.6.6 案例总结 449
参考文献 450