森美思土壤調理劑對鎘污染稻田改良的影響研究

李伯欣 楊玉環 羅順輝 張均和 周自強 奉啟云 李丁 李紅濤

摘 要 為研究稻田鎘（Cd）污染的治理與修復技術，于2016年在珠海開展了森美思土壤調理劑對水稻Cd污染修復大田驗證試驗。結果表明：與S0相比，各森美思處理均能在一定程度上促進水稻增產，且S1、S2和Sc處理均能顯著降低水稻稻谷中的總Cd含量，降幅達56.67%～63.33%（P<0.05）；施用森美思可以對土壤有效態Cd起到一定的鈍化作用；各處理對比S0均顯著提高了土壤的pH值（P<0.05），但對其他理化性質無顯著影響。

關鍵詞 森美思；土壤Cd；稻谷Cd；理化性質；大田驗證

中圖分類號：X53 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.23.095

我國因礦產資源濫挖、濫采造成的農田重金屬污染狀況不容忽視，全國每年約1 200萬噸糧食遭受重金屬污染，約占總耕地面積的1/5，其中受Cd污染的耕地面積近1.33萬公頃。南方土壤污染重于北方，長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業基地等部分區域土壤污染問題較為突出[1]。土壤是作物吸收重金屬的最主要來源，重金屬難降解、易積累、毒性大，不利于作物的生長發育，對其產量和品質均有較大影響，而且還存在被作物吸收、進入食物鏈危害人體健康的潛在威脅[2]。Cd是人體非必需元素，對人和動植物均有毒害，世界各國均將Cd列為高危害、有毒物質和可致癌物質并予以管控[3]。在我國南方地區，水稻是主要糧食作物，水稻具有富集重金屬Cd的習性，是吸收Cd能力最強的大宗谷類作物，造成稻米Cd污染比較嚴重，成為以稻米為主食人群的主要Cd暴露源[4]。控制土壤Cd的有效性和稻米籽粒Cd積累是提高稻米質量安全水平的關鍵，也是稻米質量安全研究的重要方向。

施用土壤調理劑是修復重金屬污染農田土壤的重要措施之一。研究表明，土壤調理劑可以調節土壤的物理、化學和生物性狀，對改良土壤結構、降低土壤鹽堿危害、改善土壤水分狀況及修復污染土壤等有顯著作用[5]。本研究應用的森美思靶向吸附重金屬土壤調理劑，是一種新型多孔陶瓷納米材料，由高比表面積納米陶瓷制備和分子組裝2種前沿技術結合制備得到[6-7]。

因此，在南方地區重度Cd污染水稻種植大田示范試驗基礎上，研究施用森美思土壤重金屬調理劑施用條件下的稻谷籽粒Cd、土壤有效態Cd含量和土壤基本理化性質變化，為探索南方地區稻田重度Cd污染修復與改良技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

大田示范試驗選在廣東省珠海市斗門區，該地屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫22.5 ℃，年均降雨量為2 062 mm。供試土壤類型為水稻土，土壤質地為粉壤土。土壤Cd含量為1.01～2.19 mg·kg-1，按照國家《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）分類屬于中度Cd污染，同時試驗田表現出較大的空間差異性，地塊污染不均一；有效態Cd含量為0.80～1.10 mg·kg-1。土壤與土壤調理劑基本理化性質如表1所示。

1.2 試驗方法

試驗設置4個處理：空白對照S0處理（常規施肥，不施土壤調理劑）；低量土壤調理劑S1處理（常規施肥+每森美思土壤調理劑），高量土壤調理劑S2處理（常規施肥+森美思土壤調理劑）；Sc處理（常規施肥+每+土壤調理劑）。試驗田各處理地塊隨機分布，每個地塊面積一致，均為1 000 m2，各處理具有獨立灌排水系統，并用混凝土分隔，防止串水串肥。森美思土壤調理劑于2016年8月1日晚稻移栽翻地前一次性施入，后續不再施用，然后按處理把土壤調理劑均勻撒施在對應的田塊內，隨即耙勻，平衡3 d后再施基肥，進行水稻移栽。

除試驗處理方案外，其余田間管理措施依據當地常規進行，各試驗田肥料管理措施及施用量與當地常規水肥管理方式保持一致。供試晚稻為本地常規水稻品種金農絲苗，項目于2016年7月18開始，11月11收獲結束，共計116 d。

1.3 樣品的采集和測定

項目地采樣布點采用五點法，每個處理田塊四周4個點和中間點混勻后通過四分法制成1個綜合樣品。各田塊采集土壤樣品約1 kg，稻谷樣品約500 g。背景污染調查初次采樣時在整個項目田塊采用五點法，每個點位分別取0～10 cm、10～20 cm處的土壤制成混合樣品，各點位混合樣品再制成綜合樣品。該樣品測試5次，每份樣品獨立送檢。

水稻產量為晚稻收獲時實地稱量測產，稻谷籽粒Cd含量采用《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》

（GB 5009.15—2014）測定，檢出限為0.001 mg·kg-1；土壤總Cd測定采用《土壤質量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）；土壤有效態鎘測定采用《土壤質量有效態鉛和鎘的測定原子吸收法》

（GB/T 23739—2009）。土壤基本理化性質測定參照《土壤農化分析》按常規分析方法進行分析，土壤容重的測定采用環刀法[8-9]。

1.4 數據處理與分析

圖表制作和數據計算處理利用Excel 2013，并采用SAS-JMP（9.0）軟件進行方差分析和多重比較（LSD檢驗）。各處理數據均用平均值±誤差值表示。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤理化性質的影響

不同處理田塊土壤pH變化如圖1所示。與對照S0處理相比，S1、S2、Sc處理均可顯著提高土壤pH，且效果隨著材料用量的加大而增加，土壤本底pH值低于6.0，偏酸性，表明森美思土壤調理劑可有效改善土壤酸化問題。

不同森美思處理間的土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質和陽離子交換量等理化性質無顯著性差異，說明不會對土壤的本身理化性質造成明顯影響（表2）。

2.2 不同處理對水稻產量的影響

施用土壤調理劑S2處理田塊稻谷667 m2產量

（405.5 kg）與Sc處理田塊稻谷667 m2產量（399 kg）均顯著大于空白對照S0處理產量（378 kg），增產率分別為7.27%和5.56%。而低施用量S1處理田塊稻谷667 m2產量（371.5 kg）與對照S0處理相比無顯著差異，增產幅度隨著森美思土壤調理劑的增加而增加（圖2）。結果表明，森美思土壤調理劑的施用不僅不會降低稻谷產量，還可在一定程度上促進水稻增產，原因為森美思土壤調理劑施用后，將會釋放一定含量的有效硅和鈣、鎂、鈉等堿或堿土金屬。同時，材料的高比表面積和多孔性質能夠提高土壤的透氣性，改善土壤的團粒結構，提高土壤的pH值（圖1），增加微生物活性等。上述因素均會對水稻增產起到積極的作用。

2.3 不同處理對稻谷籽粒Cd含量的影響

從表3可以看出，各處理的土壤總Cd含量表現為S2>S1>Sc>S0，說明4個大田地塊的土壤平均含Cd量存在一定的差異。通過分析表3中的各處理土壤總Cd含量與稻谷籽粒Cd含量發現，在空白對照組S0處理土壤總Cd含量顯著低于其他森美思處理條件，3個森美思處理相比于空白對照S0依然能夠顯著降低稻谷籽粒中的Cd含量，平均降幅達到59.1%（P<0.05），效果良好。

S1、S2和Sc處理之間稻谷籽粒含Cd量無顯著性差異（表3，P>0.05），原因可能為各地塊污染程度并不是完全不均一，其土壤全Cd含量在大田中表現出分布差異，對不同污染程度的地塊水稻稻谷籽粒Cd含量造成一定的影響。此外，本研究中森美思土壤調理劑施用量均較大，667 m2最小施用量為500 kg，過多地施用可能對土壤活性Cd吸附達到平衡狀態，多余的添加無法繼續產生明顯的效果。

2.4 土壤有效態Cd

S0、S1、S2和Sc處理的土壤有效態Cd含量分別為0.61 mg·kg-1、0.64 mg·kg-1、0.99 mg·kg-1和0.82 mg·kg-1，各處理土壤有效Cd之間無顯著性差異。如圖3所示，鑒于不同地塊土壤全Cd含量不同，因此主要分析各自有效態Cd占土壤全Cd的比例，隨著森美思土壤調理劑用量的增加和配施石灰，占比呈不斷降低趨勢，總體趨勢為S0≥S1>Sc≥S2，與S0處理相比，S2和Sc處理可顯著降低土壤有效Cd占全Cd含量的比例，結果表明森美思具有一定鈍化土壤Cd的作用，可將部分土壤可利用Cd轉化為水稻無法吸收的形態。

不同處理對土壤有效態Cd含量的降低效果低于其對稻谷籽粒Cd含量的降低效果，原因可能為以下幾方面。1）由于土壤有效態Cd存在離子平衡，本研究中土壤全Cd含量較高，可能會在材料吸附的同時繼續從礦質態中解離出新的有效態Cd，從而會在檢測效果時土壤有效態Cd依然保持在較高濃度，此情況在酸性土壤中可能更加明顯。2）污染來源不明，材料效果也可能會被掩蓋，當材料吸附土壤有效態Cd后，可能會有新的Cd補充進來，對實驗結果產生影響。3）土壤有效態Cd屬人為定義，與實際水稻吸收Cd的生理機制有很大差異，存在一部分可被浸提出的有效態Cd實則無法被水稻吸收的可能。

3 結論

研究中的不同森美思處理均不會降低稻谷產量，還可在一定程度上促進水稻增產；施用森美思均能顯著降低水稻稻谷中的Cd含量，平均降幅達60%；森美土壤調理劑具有一定的鈍化土壤活性Cd的效果；施用森美思能提高土壤pH且不會對土壤基本理化性質產生任何負面影響。綜合考慮修復成本和修復效果，在本試驗涉及的3種修復處理中，Sc處理（667 m2施500 kg森美思+667 m2施30 kg石灰）更適宜作為當地Cd污染農田治理與修復模式。建議將森美思土壤調理劑與其他農藝措施（如土壤改良、水肥管理、農作物品種篩選等）聯用，在當地繼續開展集成修復模式，強化修復效果。

參考文獻：

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（責任編輯：趙中正）