12種鈍化劑在鎘污染稻田上的應用效果對比

張劍，盧升高

(1.溫州市耕地質量與土肥管理站，浙江 溫州 325600； 2.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058)

水稻是我國最主要的糧食作物之一，也是容易積累Cd的作物，在輕中度Cd污染稻田上容易發生稻米Cd超標問題，并會通過食物鏈途徑影響人類健康。因此，輕中度Cd污染稻田的安全生產已成為我國土壤污染治理與修復的重要內容。目前，鎘污染稻田的修復主要采取種植低積累水稻品種、施用鈍化劑和農藝措施控制等技術。其中，施用鈍化劑固定土壤中的重金屬以降低其生物有效性是中輕度污染土壤修復、保障水稻安全生產的重要途徑，該技術具有見效快、經濟廉價、適用范圍廣等特點。常用的鈍化劑包括各類含磷物質、黏土礦物、堿性肥料、生物質炭、氧化物、納米材料，及一些工農業廢棄物等[1-9]。不同鈍化劑的修復效果根據重金屬類型、土壤性質、作物種類、污染程度、區域等的不同而異。本研究根據前期試驗，選擇磷肥、堿性肥料、有機物、無機礦物等鈍化劑，進行鈍化效果的田間對比試驗，以篩選出能夠穩定鈍化土壤中重金屬鎘，且水稻產量達到常規水平，稻米鎘含量低于國家食品中污染物限量值的鈍化劑，為鎘污染稻田的安全利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間小區試驗設置于浙江省溫州市某水稻種植區，土壤類型系發育于沖積物上的潴育型水稻土(泥質田)，土壤pH值為5.4，有機質49.8 mg·kg-1，水解氮221 mg·kg-1，有效磷15.0 mg·kg-1，速效鉀46 mg·kg-1。試驗區土壤Cd含量在0.43～0.53 mg·kg-1，平均值為0.48 mg·kg-1。根據GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》，試驗區Cd含量超過農用地土壤污染篩選值，存在污染風險。

選擇12種鈍化劑進行試驗，分別是硅鈣鎂鉀肥、鈣鎂磷肥、過磷酸鈣、海泡石、膨潤土、沸石粉、木質生物質炭、果殼生物質炭、腐殖酸、商品土壤調理劑、復合改良劑1號和復合改良劑2號，鈍化劑用量根據前期試驗和預備試驗確定。以不施用鈍化劑的處理作為對照(CK)。

1.2 田間試驗布置與樣品采集

試驗于2019年6—11月進行，田間小區面積24 m2，小區間用土埂隔開，每個處理3個重復。每小區鈍化劑用量：海泡石、膨潤土和沸石粉為11.25 kg，硅鈣鎂鉀肥和商品土壤調理劑為2.7 kg，鈣鎂磷肥和過磷酸鈣為11.25 kg，木質生物質炭、果殼生物質炭和腐殖酸為27 kg，復合改良劑1號和復合改良劑2號為20 kg。鈍化劑在水稻移栽前1周撒施。水稻于6月4日播種，7月2日移栽，10月18日成熟。

試驗水稻品種為鎘低積累品種中浙優8號。每個處理除鈍化劑不同外，采用相同的水肥管理措施。水稻成熟后，每個小區單獨收割，測產，采集水稻與土壤樣品。土壤樣品，在每個小區采集3～5樣點，獲得混合樣。水稻樣品，采集植株樣，用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗，將水稻分為根系、秸稈、籽粒3部分。水稻樣品105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干。水稻籽粒去殼成糙米后，用于重金屬含量測定。

1.3 土壤分析與數據處理

土壤總Cd根據GB/T 17141—1997《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》測定，土壤有效態Cd根據GB/T 23739—2009《土壤質量 有效態鉛和鎘的測定 原子吸收法》測定，水稻根系、秸稈和糙米中的Cd含量根據GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》測定。

所有數據在Microsoft Excel 2016軟件中進行整理，用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同鈍化劑對水稻產量的影響

水稻產量是評價鈍化劑是否適合農田修復的重要指標，一般要求水稻產量接近常規產量。本試驗中，與CK相比，鈍化劑處理的水稻長勢良好。如圖1所示，施用鈍化劑的各處理水稻產量較CK均有所增加，其中，海泡石和膨潤土處理的水稻產量增幅最大(12.3%)，沸石粉、商品土壤調理劑、過磷酸鈣和鈣鎂磷肥處理增產8%左右，其他鈍化劑處理的增產效果不明顯。

圖1 不同鈍化劑對水稻產量的影響

2.2 不同鈍化劑對糙米中鎘含量的影響

試驗品種屬于前期篩選出來的鎘低積累水稻品種，在供試土壤中糙米的Cd平均含量為0.14 mg·kg-1，低于國家規定的稻米Cd安全限量標準。如圖2所示，施用12種鈍化劑后，其糙米中的Cd含量較CK均有所下降，降幅在14%～71%，其中，效果最明顯的是硅鈣鎂鉀肥和鈣鎂磷肥，降幅分別為64%和71%。以GB 2762—2012《食品安全國家標準 食品中污染物限量》為依據，結合水稻產量，鈣鎂磷肥和硅鈣鎂鉀肥效果良好，可推薦為適宜當地應用的鈍化劑。

圖2 不同鈍化劑對糙米鎘含量的影響

2.3 不同鈍化劑對水稻根系和秸稈中鎘含量的影響

如圖3所示，與CK相比，鈣鎂磷肥降低水稻秸稈中Cd含量的效果最明顯，降幅達74.5%，海泡石、膨潤土、商品土壤調理劑、硅鈣鎂鉀肥、過磷酸鈣、果殼生物質炭、腐殖酸和復合改良劑2號處理的秸稈中Cd含量較CK下降20%～60%，而沸石粉、木質生物質炭和復合改良劑1號對秸稈中Cd含量無明顯下降作用。

圖3 不同鈍化劑對水稻秸稈和根系鎘含量的影響

水稻根系的Cd含量測定結果表明，海泡石、商品土壤調理劑、鈣鎂磷肥、過磷酸鈣、腐殖酸處理的水稻根系Cd含量較CK降低，而沸石粉、硅鈣鎂鉀肥、果殼生物質炭、復合改良劑1號和復合改良劑2號處理的水稻根系Cd含量較CK增加。

另外，從試驗數據來看，Cd在水稻各部位的累積量從大到小依次為根系>秸稈>籽粒。秸稈的Cd含量比籽粒高10倍左右。因此，鎘污染農田上種植的水稻秸稈若直接還田，會將作物吸收的重金屬重新帶入土壤，導致修復效率大大降低。因此，在對Cd污染農田土壤進行修復時，對農作物秸稈應進行移除并做適當處理，以有效去除土壤中的Cd。

2.4 不同鈍化劑對土壤鎘含量的影響

水稻吸收Cd的關鍵因子是土壤中的有效態Cd含量。土壤中的有效態Cd強烈地影響水稻對Cd的吸收，是決定Cd在水稻中積累的重要控制因子。如圖4所示，CK土壤中DTPA提取的有效態鎘含量平均為0.21 mg·kg-1，有效態Cd占總Cd的比例接近50%，這是酸化稻田容易發生籽粒Cd超標的主要原因之一。不同鈍化劑處理后，土壤中的有效態Cd含量在0.10～0.21 mg·kg-1，平均為0.15 mg·kg-1。與CK相比，根據鈍化劑降低有效態Cd的效果，供試鈍化劑可分為3類：第1類鈍化劑可降低土壤有效Cd含量50%以上，主要包括硅鈣鎂鉀肥和過磷酸鈣2種鈍化劑；第2類鈍化劑降低土壤有效Cd含量在20%～50%，包括膨潤土、沸石粉、鈣鎂磷肥、果殼生物質炭、木質生物質炭、腐殖酸和復合改良劑2號；第3類鈍化劑降低土壤有效Cd含量<20%或沒有影響，包括海泡石、商品土壤調理劑和復合改良劑1號。

圖4 不同鈍化劑處理的土壤總鎘和有效鎘含量

土壤有效態Cd含量受多種因素的影響，如土壤pH值、陽離子交換量(CEC)、有機質含量，以及離子間的作用等[6,7,9]。本試驗表明，堿性肥料(硅鈣鎂鉀肥)和磷肥(鈣鎂磷肥)能夠有效降低土壤有效態Cd和糙米Cd含量。其主要機制可能是，堿性肥料和磷肥對重金屬發生直接固定作用，降低了土壤中重金屬的有效性，并通過提高土壤pH值、改善土壤的理化性質間接減少重金屬的生物毒性，減少水稻植株對重金屬的富集，進而阻控Cd向水稻地上部分各器官的遷移和分配，最終降低了Cd在籽粒中的累積。堿性肥料和磷肥除了能夠顯著提高土壤pH值外，還可補充水稻生長所需的礦質營養；而試驗區農田土壤養分本就不平衡，表現為中量礦質元素缺乏而氮富集。對照以往試驗可知，總體上，堿性肥料和磷肥(鈣鎂磷肥)對重金屬Cd的鈍化效果比較一致，而其他鈍化劑在不同地區的效果并不完全一致[1-9]。這可能與堿性肥料、磷肥(鈣鎂磷肥)降酸和提供礦質營養的作用有關，而其他鈍化劑在降酸和平衡礦質營養方面的效果受土壤性質的影響較大。

3 小結

以水稻產量、糙米Cd含量、土壤有效態Cd含量為評價指標，根據12種鈍化劑的田間試驗效果，在保持水稻產量達到常規水平、農產品安全達標的前提下，考慮鈍化劑成本、來源、安全性等因素，認為適宜試驗地推廣的鈍化劑為硅鈣鎂鉀肥和鈣鎂磷肥。篩選出來的鈍化劑除了能夠保持水稻產量達到常規水平或增產，農產品安全達標外，還具有低成本、易推廣等優勢。