土壤重金屬污染修復劑在鎘污染稻田中的應用效果

田發祥，謝運河,3，紀雄輝

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2. 農業部長江中下游平原農業環境重點實驗室，湖南 長沙 410125；3. 中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125）

隨著工農業的迅速發展，受工業三廢和農業活動自身的影響，我國農用土壤重金屬污染問題已日趨嚴重[1-5]。有資料表明，1980年我國受工業三廢污染的耕地面積為266.7 萬hm2，1992年增至1 000 萬hm2，而目前我國受重金屬污染耕地面積已超過0.2 億hm2[6]，其中Cd、Pb 污染較為突出[7]。湖南省是中國的有色金屬之鄉，受日益發展的采、選、冶等工業以及含重金屬農業投入品的影響，農田土壤重金屬污染逐漸成為影響湖南經濟發展和人類身體健康的重要環境問題[8-11]。由于未采取合理的污染控制措施，稻米中重金屬含量特別是鎘（Cd）極易出現超過國家質量標準的情況，因此，Cd 污染稻田的治理與修復成了人們關注的熱點。為了驗證重金屬污染修復劑“鎘康”的降Cd 效果，在長沙縣江背鎮、北山鎮典型的污染稻田中開展了修復劑應用效果研究，以期為鎘康的大面積應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

根據《土壤環境質量標準》（GB 15618－1995），選擇長沙縣江背鎮、北山鎮2個鎘污染稻田土壤開展田間試驗。其中，江背鎮試驗點位于東經113°20'30"，北緯28°07'54"，土壤為板頁巖發育的水稻土，土壤pH值為5.8，有機質和全氮含量分別為45.6 g/kg 和2.41 g/kg，土壤全鎘含量0.70 mg/kg，主要污染來自水泥廠產生的粉塵。北山鎮農業技術推廣站試驗基地位于東經113°04'06"，北緯28°23'15"，土壤為花崗巖發育的水稻土，土壤pH 值為5.1，有機質和全氮含量分別為42.0 g/kg 和2.48 g/kg，土壤全鎘含量0.88 mg/kg。20世紀80～90年代，上游建有一化工廠，下游長期灌溉污水導致污染。兩地種植制度均為雙季稻，兩地的土壤理化性質及重金屬含量見表1。

表1 供試土壤速效養分及重金屬含量 （mg/kg）

1.2 試驗材料及農事管理

試驗均為晚稻小區試驗，江背鎮晚稻品種為天優998，北山鎮晚稻品種為五豐優569，均為軟盤育秧移栽。修復劑“鎘康”為成都朝陽作物科學有限公司提供；尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀均為當地大面積應用產品。采取常規施肥，施N、P2O5、K2O 量分別為180、60、90 kg/hm2。其中70%的氮肥，全部的磷和鉀肥作基肥，移栽前施用，30%氮肥作追肥配合除草劑插秧7～10 d后施用。水分管理采取常規措施，苗期至分蘗盛期淹水，分蘗時曬田，拔節期覆淹。病蟲害防治按當地常規管理進行。

1.3 試驗設計

試驗設4個處理，3 次重復，共計12個小區，隨機區組排列，小區面積25 m2，四周設保護行。其中江背鎮的處理如下，處理1：不施修復劑；處理2：施修復劑225 kg/hm2；處理3：施修復劑450 kg/hm2；處理4：施修復劑675 kg/hm2。北山鎮的處理如下，處理1：不施修復劑；處理2：施修復劑300 kg/hm2；處理3：施修復劑600 kg/hm2；處理4：施修復劑900 kg/hm2。修復劑的用量根據兩地不同的污染程度來確定。

修復劑于2013年土壤翻耕前一次性施入，然后施用基肥，翻耕后充分耙勻，移栽水稻秧苗。小區間起壟隔開，防止田間水流失和串流，而且各小區實行單獨排灌，田埂要求高出土面20 cm，采取二次筑埂的方法，即提前1 周耕作整平稻田，規劃小區，第一次做埂，待土埂硬化后再加高一次，然后用塑料膜包住土埂。

1.4 樣品采集與處理

試驗前取基礎土壤，測定土壤基本理化性質及重金屬全量和有效態含量。水稻收獲后每個試驗小區，取0～15 cm 土壤樣，測定重金屬有效態含量。水稻成熟后各小區單打單收，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。所有重金屬指標均采用ICP-MS 進行測定。

1.5 數據統計及分析

試驗數據用Excel、DPS 等統計軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 修復劑對水稻產量的影響

從表2 中可知，施用不同用量修復劑對水稻產量有一定的影響，但均未達顯著水平。在江背鎮，修復劑對水稻產量影響較小；在北山鎮，與不施修復劑處理相比，水稻增產766.7～906.7 kg/hm2，增幅為12.1%～16.4%，其中以處理3 產量最高，達6 435.9 kg/hm2。可見修復劑對促進水稻生長有一定效果，但這與土壤條件、水稻品種密切相關。

表2 不同用量修復劑對水稻產量的影響

2.2 修復劑對水稻Cd 積累的影響

對水稻各部位Cd 含量測定的結果表明（表3），施用修復劑均能有效降低各部位對Cd 的積累，且隨修復劑用量的增加，效果越明顯。江背試驗點，與不施修復劑對照相比，水稻糙米Cd 含量降低0.019～0.027 mg/kg，降幅為4.8%～9.2%；水稻莖稈Cd 含量降低0.501～0.655 mg/kg，降幅為17.3%～22.6%；水稻葉片Cd 含量降低0.045～0.068 mg/kg，降幅為11.4%～17.3%；且當修復劑用量達225 kg/hm2時，水稻莖稈Cd含量下降幅度就已經達顯著水平；當修復劑用量達450 kg/hm2時，水稻葉片Cd 含量下降幅度也達顯著水平；當修復劑用量達675 kg/hm2時，水稻糙米Cd 含量下降幅度達顯著水平。北山試驗點，與不施修復劑對照相比，水稻糙米Cd 含量降低0.005～0.025 mg/kg，降幅為3.7%～18.4%；水稻莖稈Cd 含量降低0.025～0.075 mg/kg，降幅為2.4%～7.3%；水稻葉片Cd含量降低0.006～0.024 mg/kg，降幅為3.5%～14.0%。當修復劑用量達600 kg/hm2時，水稻糙米Cd 含量下降幅度達顯著水平。

進一步以修復劑施用量與水稻糙米Cd 含量進行相關性分析可得方程：

式中Y 為水稻糙米Cd 含量（mg/kg）；X 為修復劑用量（kg/hm2）。

可見，水稻糙米Cd 含量與修復劑施用量呈顯著的負相關。依據擬合方程，江背點每施用1 500 kg/hm2修復劑，糙米鎘含量可降低0.059 3 mg/kg，北山點每施用1 500 kg/hm2修復劑，糙米鎘含量可降低0.046 3 mg/kg。可見，施用1 500 kg/hm2修復劑降低糙米鎘含量在0.05 mg/kg 左右。

表3 不同處理的水稻糙米、莖稈、葉片重金屬Cd 含量變化

2.3 修復劑對土壤有效Cd 含量的影響

水稻收獲期取樣測定土壤有效Cd 含量，結果表明（表4），施用修復劑對土壤Cd 有效態的影響明顯，且隨施用量的增加，土壤Cd 有效態含量降低。其中江背鎮有效Cd 含量降低11.2%～23.3%，北山鎮有效Cd含量降低2.5%～52.5%；江背鎮施用量達450 kg/hm2時，下降幅度達顯著水平，北山鎮施用量達600 kg/hm2時，下降幅度達顯著水平。

進一步以修復劑施用量與土壤有效Cd 含量進行相關性分析可得方程：

公式中Y 為土壤有效Cd 含量（mg/kg）；X 為修復劑用量（kg/hm2）。

可見，土壤有效Cd 含量與修復劑施用量呈顯著的負相關，依據公式可得：江背點每施用1 500 kg/hm2修復劑，土壤有效Cd 含量可降低0.17 mg/kg，北山點每施用1 500 kg/hm2修復劑，土壤有效Cd 含量可降低0.64 mg/kg。可見，施用1 500 kg/hm2修復劑在不同試驗點對土壤有效Cd 的鈍化效果不一樣，這可能與當地的土壤類型、污染程度、水分管理等有關。

表4 修復劑對土壤有效Cd 含量的影響

2.4 水稻Cd 含量與土壤Cd 含量的關系

稻米Cd 富集與土壤Cd 含量及其形態有關，相關分析表明（圖1），2個試驗點的稻米鎘含量與土壤有效態Cd 均呈顯著的線性相關，說明土壤有效態鎘與稻米吸收積累相關性較強。綜合表3、表4 可得，相對土壤有效態Cd，江背鎮試驗點稻米Cd 平均富集系數為0.79，北山鎮試驗點稻米Cd 平均富集系數為0.2。計算稻米Cd∶葉Cd∶莖Cd，江背點平均為0.11∶0.14∶1.0，北山點為0.13∶0.16∶1.0，表明2個品種的莖、葉、米中Cd 分布規律基本一致。但計算莖Cd∶土壤有效Cd，江背點平均為6.77∶1，北山點平均為1.72∶1。可見，江背點水稻莖稈中鎘積累顯著大于北山點，是導致江背點稻米Cd 富集系數大于北山點的關鍵。

圖1 試驗點稻米Cd 含量與土壤有效Cd 含量的相關性分析

3 小結與討論

除土壤有效態Cd 外，仍存在其他影響稻米鎘富集的關鍵因素：（1）稻田水分管理[12-13]。普遍認為，稻田水分狀態對水稻吸收積累Cd 的影響很大，主要是淹水形成CdS 沉淀或鐵錳結合物，但對風干測定的土壤形態影響不大。晚稻試驗期間湖南省比較干旱，江背點灌溉相對較少（試驗取樣時田面較干），提高了Cd的生物有效性，而北山點為農技站試驗田，有較好的水源保證，導致了2個試驗點水稻對Cd 吸收積累的差異；（2）水稻品種對鎘吸收積累差異[14-16]。以往大量試驗證明，水稻品種間Cd 吸收積累存在較大差異，盡管由于江背點和北山點的品種均為外地品種，尚未進行Cd 吸收鑒定，但初步結果仍可以看出，兩個水稻品種鎘分布規律基本一致，主要是莖相對于土壤積累較高所致。這可能說明江背點品種——天優998 是一個高吸收品種，但不排除水稻生長前期（分蘗期）水分等條件導致植株體內積累增加的影響。

與不施修復劑對照處理相比，施用土壤重金屬污染修復劑“鎘康”對水稻生長有一定促進作用，但不同試驗點效果不一，其中北山鎮水稻增產766.7～906.7 kg/hm2，增幅為12.1%～16.4%，而江背鎮水稻增產效果不明顯。

施用修復劑能夠降低水稻各部位對Cd 的積累，且隨著修復劑用量的增加，降低的效果越明顯。江背鎮，當修復劑用量達225 kg/hm2時，水稻莖稈Cd 含量下降幅度就已經達顯著水平，當修復劑用量達450 kg/hm2時，水稻葉片Cd 含量下降幅度也達顯著水平，當修復劑用量達675 kg/hm2時，水稻糙米Cd 含量下降幅度達顯著水平。北山鎮，當修復劑用量達600 kg/hm2時，水稻糙米Cd 含量下降幅度達顯著水平。修復劑施用量與水稻糙米鎘含量的相關關系可得，施用1 500 kg/hm2修復劑可使糙米鎘含量降低0.05 mg/kg左右。

施用修復劑鎘康能夠降低土壤有效Cd 的含量，其中江背鎮有效Cd 含量降低11.2%～23.3%，北山鎮有效Cd 含量降低2.5%～52.5%，且隨施用量的增加，土壤Cd 有效態含量越低。江背鎮、北山整施用量分別達450 kg/hm2、600 kg/hm2時，下降幅度就能達顯著水平。江背鎮施用1 500 kg/hm2修復劑，土壤有效Cd 含量可降低0.17 mg/kg；北山點施用1 500 kg/hm2修復劑，土壤有效Cd 含量可降低0.64 mg/kg。

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