鎘輕度污染農田水稻安全生產技術淺析

張麗君，吳學榮，項佳敏，章明奎

(1.平陽縣農業農村局，浙江 平陽 325400； 2.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058)

近些年來，我國農田土壤污染問題日漸突出。其中，稻米中鎘等重金屬的超標問題已引起公眾的廣泛關注[1-3]。平陽縣地處我國東部沿海，隨著經濟的快速發展和農用物資投入的增加，生活與生產活動向環境中釋放的重金屬量也隨之增加，農田土壤環境質量不容樂觀。對平陽縣域內農田土壤的取樣監測結果表明，局部地區農田已出現鎘的中輕度污染，部分稻米鎘含量已超出國家標準。研究表明，作物從農田中吸收的重金屬量與土壤重金屬的污染程度及其有效性有關[4-6]，調控農田土壤中重金屬的含量和活性可有效降低作物對重金屬的吸收和積累[7-9]；因此，包括植物修復、穩定化、化學淋洗、土壤氧化/還原調控、電動(分離)修復等技術在內的方法已被建議用于土壤污染修復[10-14]。為加快平陽縣“兩區”(糧食生產功能區和現代農業園區)土壤污染防治工作，推進當地中輕度污染耕地的安全利用，基于我國污染農田治理積累的經驗，本研究選擇2.8 hm2代表性污染農田開展鎘輕度污染農田安全利用技術示范試驗，旨在建立適于平陽縣推廣應用的鎘污染農田治理技術模式，為今后污染農田的安全利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在平陽縣昆陽鎮進行。地貌類型屬水網平原，土壤類型為水稻土類脫潛水稻土亞類青紫塥黏田土屬，土地利用方式為雙季水稻。區內灌溉、排水設施完善，道路通達良好。土壤質地為黏壤土，面積約2.8 hm2。

1.2 處理設計

基于試驗地土壤理化性狀，共設5個處理：處理1，每667 m2施生石灰180 kg，水分按農戶常規管理，面積0.533 hm2；處理2，每667 m2施150 kg鈣鎂磷肥，水分按農戶常規管理，面積共0.467 hm2；處理3，全生育期淹水深灌(田面保持5～10 cm水層)，在收獲前10 d排水，面積0.533 hm2；處理4，每667 m2施生石灰180 kg，同時全生育期淹水深灌(田面保持5～10 cm水層)，在收獲前10 d排水，面積0.600 hm2；處理5，對照，不施用生石灰、鈣鎂磷肥，水分按農戶常規管理，面積0.667 hm2。各處理中，生石灰和鈣鎂磷肥在早稻種植前撒施，結合翻耕與土壤混勻。試驗同時在早稻和晚稻中進行，早稻和晚稻品種分別為甬優17和甬優1540。試驗期間其他管理措施相同，采用農戶習慣管理方式。

1.3 測試方法

于試驗前，在試驗區內采集13個耕層樣品，分析土壤基礎性狀；在試驗期間，采集8次灌溉水樣和5個肥料樣，分析鎘含量。在水稻成熟期，分別在處理1～4的試驗區內采集3個重復土樣和5個重復稻谷/秸稈樣品，在對照組采5個土樣和8個重復稻谷/秸稈樣品，分析鎘含量，鑒定土壤鎘的形態組成。

土壤pH值采用pH計法測定[15]。土壤有機質、有效磷和速效鉀含量采用常規方法測定[15]。水稻秸稈和糙米樣品采用高氯酸消化-石墨爐原子吸收光譜法測鎘。土壤全鎘用鹽酸-硝酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測鎘。土壤鎘形態參照Spark[16]測定，共分為交換態、碳酸鹽結合態、氧化物結合態、有機質結合態和殘余態等5種組分，鎘含量用石墨爐原子吸收光譜法測定。

1.4 數據分析

所有試驗數據在Excel 2010上進行整理，在DPS 3.0軟件上進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 試驗地土壤性狀和投入品鎘含量

對試驗前采集的13個土樣進行分析，結果表明：試驗區土壤pH值在4.87～5.53，平均為5.22，土壤呈酸性；土壤鎘含量在0.157～0.487 mg·kg-1，平均為0.321 mg·kg-1，有62%的樣品鎘含量在0.30 mg·kg-1以上，呈現輕度污染；土壤有機質含量在23.54～33.45 g·kg-1，平均為28.22 g·kg-1；土壤有效磷含量在13.54～31.25 mg·kg-1，平均為20.08 mg·kg-1；土壤速效鉀含量在118～172 mg·kg-1，平均為142 mg·kg-1。總體上，試驗區土壤肥力處于中高水平。試驗區農田土壤鎘污染相對較輕，但土壤酸性較強，可能導致糧食作物中鎘積累。

對試驗期間收集的5個肥料樣品進行分析，結果表明，施用肥料的鎘含量在0.011～0.798 mg·kg-1，低于1 mg·kg-1；2種鈍化劑(生石灰和鈣鎂磷肥)的鎘含量分別為0.211、0.756 mg·kg-1，也都低于1 mg·kg-1，表明投入品符合農用標準。對試驗期間(3—11月)采集的8個灌溉水樣進行分析，結果表明，鎘含量在0.003 5～0.004 8 mg·L-1，低于0.005 mg·L-1，酸堿度在6.5～8.5，符合灌溉水要求。

2.2 不同處理對早稻和晚稻糙米鎘積累的影響

如表1所示，與對照相比，除早稻季處理2與對照的秸稈和籽粒鎘含量差異不顯著外，其他處理均可顯著降低早稻與晚稻秸稈和糙米中的鎘含量。對照的早稻秸稈和糙米鎘含量分別為0.830、0.218 mg·kg-1，糙米中的鎘含量超過相應標準限量(0.20 mg·kg-1)；對照的晚稻秸稈和糙米鎘含量分別為0.716、0.178 mg·kg-1，糙米中的鎘含量低于相應標準限量(0.20 mg·kg-1)。從8個重復采樣的結果可知，對照的早稻與晚稻糙米鎘含量超標(>0.20 mg·kg-1)比例分別為62.5%和37.5%。而處理1～4的早稻和晚稻糙米中鎘含量均小于0.20 mg·kg-1，全部符合標準限量要求，即全部滿足安全生產要求。

表1 不同處理對水稻秸稈和糙米中鎘含量的影響

與淹水深灌比較，淹水深灌-堿性物質(生石灰)降酸處理可更明顯降低早稻和晚稻的秸稈鎘含量和糙米鎘含量，這表明淹水深灌-堿性物質降酸2種技術并用比單一深灌可更有效降低水稻中的鎘含量。淹水深灌-堿性物質降酸處理早稻和晚稻的秸稈鎘含量平均分別比淹水深灌下降10.16%和25.07%，糙米鎘含量平均分別下降10.81%和28.89%。

2.3 不同處理對農田土壤性狀和鎘形態的影響

如表2所示，與對照相比，處理1可顯著提高土壤的pH值(提高1.17個pH值單位)，顯著降低土壤有效鎘含量(降低55.98%)，但對土壤有機質、全氮、速效鉀無顯著影響。處理2可顯著提高土壤的pH值(提高0.37個pH值單位)和速效磷含量(增加138.06%)，顯著降低土壤有效鎘含量(降低37.18%)，但對土壤有機質、全氮和速效鉀無顯著影響；處理3對土壤pH值、有機質、全氮、速效磷和速效鉀無顯著影響，但可顯著降低土壤有效鎘含量(降低23.50%)；處理4可顯著提高土壤的pH值(提高1.25個pH值單位)和速效磷含量(增加30.20%)，顯著降低土壤有效鎘含量(降低47.86%)，但對土壤有機質、全氮和速效鉀含量無顯著影響。

表2 不同處理對土壤理化性狀的影響

如表3所示，與對照相比，處理1和處理4促進了土壤中交換態鎘向碳酸鹽結合態、氧化物結合態和殘余態鎘的轉變，從而降低了土壤有效鎘；處理2主要促進了土壤中交換態鎘向殘余態、氧化物結合態和碳酸鹽結合態鎘的轉變，也降低了土壤有效鎘；而處理3對土壤中交換態鎘含量的影響相對較小，主要促進了土壤中氧化物結合態鎘的形成。

表3 不同處理對土壤鎘化學形態的影響

3 小結與討論

本研究主要探討了堿性物質原位鈍化、鈣鎂磷肥原位鈍化、深灌，以及深灌+堿性物質等技術在降低水稻鎘積累方面的效果，結果表明，在本試驗條件下，采用上述方式均可使試驗農田早稻和晚稻的安全利用率達100%。同時，這些技術對土壤肥力無不良影響，甚至對土壤肥力有一定的改善，適用于試驗地鎘輕度污染農田土壤的安全利用。

堿性物質原位鈍化主要是通過改變土壤pH值、降低土壤酸度來降低土壤鎘的生物有效性從而實現水稻中鎘含量的下降，因此，該技術適用于酸性土壤的治理。石灰具有價格低廉、使用方便的特點，可考慮作為一項主推技術在鎘輕、中度污染的酸性農田中施用，石灰的施用量可根據土壤酸度確定。

鈣鎂磷肥原位鈍化的作用機理如下：一是鈣鎂磷肥中也含有堿性物質，可通過降低土壤酸度來降低土壤鎘的生物有效性；二是鈣鎂磷肥中的磷可與土壤中的鎘形成溶解度很低的化合物，從而降低土壤鎘的生物有效性。由于鈣鎂磷肥中的堿性物質含量較低，因此，較適用于微酸性的鎘污染農田。原位鈍化技術操作方便，便于推廣應用，且施用鈍化劑1次即可實現約3 a的效果。

深灌主要通過營造還原環境來促進土壤中硫化鎘化合物的形成。硫化鎘是一種難溶于水的化合物，可促進土壤中鎘向無效化(低活性)的方向轉化，從而實現降低水稻鎘積累的目的。深灌技術較適用于水源充足的地區。在采用深灌技術時，務必嚴格按照要求進行深水灌溉，直至收獲前5～10 d再根據需要進行排水。另外，本試驗中的深灌+堿性物質技術主要是在原位鈍化技術的基礎上，增加了深灌措施。從本試驗結果來看，2類技術的復合應用能最大限度地降低水稻中鎘的積累，可考慮用于鎘中度污染的農田。