不同鈍化劑對水稻田鎘污染的修復效應

宋肖琴，陳國安，馬嘉偉，柳丹*，葉正錢

(1.義烏市種子和植物檢疫站，浙江 義烏 322000；2.義烏市農技推廣服務中心，浙江 義烏 322000；3.浙江農林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300)

隨著人類不合理的工農業活動增加，導致大量重金屬通過不同途徑被輸入到土壤中，造成土壤重金屬污染[1]，而土壤重金屬污染具有長期性、隱蔽性與不可逆性，給人類生活造成嚴重的影響[2-3]。鎘(Cd)是一種痕量有毒重金屬，具有較強遷移性，易被植物吸收，對人體的危害早在1970年就已被提出[4]。水稻是我國主要的糧食作物之一，容易吸收土壤中的Cd元素[5]。據統計，我國水稻田Cd污染面積達530萬hm2，每年產出5 000萬kg Cd超標稻米，造成直接經濟損失200億元[6]。近年來，國內外“鎘米”事件頻發，敲響了人類糧食安全保衛戰的警鐘[7]。

原位修復技術具備修復周期短、效果好、成本低、局限性小等特點，適用于大面積中輕度Cd污染農田修復，在土壤Cd污染治理中廣受環境工作者的關注[8]。該技術主要通過調節影響農田中Cd的遷移轉化以及形態分布，降低其在土壤環境中的生物有效性和可遷移性，從而降低重金屬Cd對動植物的毒性[9]。該技術的關鍵在于選擇合適的鈍化劑，常用的鈍化劑材料有硅鈣物質、有機物質、含磷材料等[10]。因此，本試驗采用生物炭、石灰、有機肥與鈣鎂磷肥等4種常用鈍化劑，依托田間試驗手段，重點分析不同鈍化劑對水稻吸收Cd及對水稻生長的影響，以期為今后開展大田Cd污染鈍化修復治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地選擇

試驗地位于浙江省金華市某水稻種植區，屬亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，四季分明，年無霜期為243 d左右，年降水量為1 100～1 600 mm，適合水稻作物生長。供試土壤pH 5.03，土壤全Cd含量1.28 mg·kg-1。土壤Cd含量高于國家土壤質量標準，屬于Cd污染土壤。

1.2 處理設計

試驗設5個處理：不添加任何鈍化劑的空白對照(CK)；生物炭(采購于浙江金鍋鍋爐有限公司)11.25 t·hm-2；石灰(采購于杭州欣聯鈣業有限公司)0.75 t·hm-2；有機肥(采購于杭州樂天有機肥有限公司)11.25 t·hm-2；鈣鎂磷肥(采購于浙江農得惠肥業有限公司)0.15 t·hm-2。每個處理重復3次，隨機區組排列，小區面積100 m2。水稻品種為甬優1540，移栽種植。小區間采用田埂覆膜進行隔離與防滲處理。試驗區除鈍化劑材料投加不同外，其余農藝管理(水分管理、蟲害管理、肥料管理)保持一致。

1.3 樣品采集與分析

每個小區按照“五點法”采集0～20 cm土層樣品，每個樣品均采用三個單獨土壤樣品混合的混合土樣。土樣平攤自然風干，磨碎，過2 mm尼龍篩以備測定分析使用。

土壤pH采用pH計測定，土液比為1∶2.5，玻璃棒攪拌1 min后靜置測定。土壤有效態Cd采用原子吸收分光光度法測定，用1 mol·L-1的醋酸銨在室溫下浸提，土液比1∶50，振蕩時間30 min，提取液經離心、過濾后測定。

每個小區按“五點法”采集稻谷樣品，每個樣品采用混合樣品的形式進行采集。稻谷樣品用去離子水沖洗，放入烘箱在105 ℃下殺青30 min，再經65 ℃烘干至恒重后取出，研磨過篩保存備用。稻谷重金屬Cd測定通過濃HNO3消解法進行提取，用原子吸收分光光度法測定。

1.4 數據處理

數據整理采用 Excel 2016，數據統計分析采用SPSS 17.0，分析圖制作采用Origin Pro 8.0。

2 結果與分析

2.1 對土壤pH的影響

圖中無相同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2～4同。

2.2 對土壤有效態Cd的影響

圖2可以看出，與空白對照相比，石灰、生物炭與鈣鎂磷肥處理對降低土壤中有效態Cd含量均有顯著效果，其中，石灰處理的降低作用最明顯，降幅達50.0%；其次為生物炭處理，降低33.7%；鈣鎂磷肥處理降低15.1%；而有機肥處理則無顯著差異。土壤pH控制土壤中Cd沉淀-溶解平衡的化學行為，是影響有效態Cd的一個主要因素[14]，土壤中有效態Cd含量變化趨勢與土壤pH的變化呈負相關[15]。而在本試驗中石灰與生物炭本身具有較高的pH值，施入土壤中后對土壤的pH有著較高提升作用，而土壤pH的上升有助于土壤膠體對土壤溶液中Cd2+的吸附，有利于生成Cd氫氧化物沉淀或碳酸鹽沉淀，促使土壤中游離態Cd向氧化物結合態或更穩定的殘渣態轉化，進而降低土壤中Cd的遷移與毒性[16]。此外，生物炭有大量微小孔隙、較高比表面積、強離子交換性、豐富表面含氧官能團(—OH、—COOH)、獨特空間結構等特性，增加了其土壤膠體的吸附性能，導致生物炭對土壤中Cd的物理吸附作用更強[17-19]。

圖2 不同鈍化劑處理對土壤有效態Cd含量的影響

2.3 對水稻產量的影響

由圖3可知，不同鈍化劑對水稻產量的影響表現不一致。石灰、有機肥與鈣鎂磷肥處理對水稻產量增加的促進作用達顯著水平，每667 m2產量分別為480、496、459 kg，較空白對照分別增產16.2%、20.1%與11.1%；生物炭處理對水稻產量影響未達顯著水平，較空白對照增產4.4%。這可能由兩方面原因造成：一是石灰與鈣鎂磷肥投加后，增加了土壤pH值，降低了土壤溶液中有效態Cd含量，從而減少土壤中Cd對水稻生長的脅迫抑制效應[20]；二是鈣鎂磷肥與有機肥中含有大量水稻生長所需的可溶解性營養物質，如鈣、鎂、磷等必須元素和有機質等有機物料，當其被大量施入土壤中后，為水稻生長提供了大量的養分，進而促進水稻的生長，增加水稻的產量[10]。

圖3 不同鈍化劑處理對水稻667 m2產量的影響

2.4 對水稻籽粒中Cd含量的影響

圖4 不同鈍化劑處理對水稻籽粒中Cd含量的影響

3 小結

石灰、生物炭、有機肥、鈣鎂磷肥處理均能有效增加土壤pH值，其中，石灰處理對土壤pH的增效最高，比空白對照增加了12.9%。石灰、生物炭與鈣鎂磷肥三種鈍化劑能顯著降低土壤中有效態Cd含量，降低作用表現為石灰>生物炭>鈣鎂磷肥，依次降低了50.0%、33.7%與15.1%。

不同鈍化劑對水稻產量與籽粒中Cd積累量的影響不一致。石灰、有機肥、鈣鎂磷肥處理每667 m2水稻產量依次為480、496和459 kg，相對于空白對照增產16.2%、20.1%、11.1%。經石灰處理的水稻籽粒中Cd含量下降幅度最大，降幅達41.3%。由此可見，石灰處理不僅能顯著增加水稻產量，還能顯著抑制水稻籽粒對土壤Cd的吸收積累。

石灰對Cd污染水稻田土壤修復方面表現出高效的修復潛力，可為浙江省水稻田Cd污染土壤修復治理提供科學依據。