不同土壤調理劑對土壤和稻米降鎘效果的影響

劉登彪，劉建華，苗雪雪，羅先富

（1.湖南高嶺環保科技有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省水稻研究所，農業部長江中下游秈稻遺傳育種重點實驗室，湖南 長沙 410125）

近年來，由于有色金屬采選、冶煉活動和化學肥料的過度使用等原因，我國土壤重金屬污染形勢日趨嚴重[1]。2014 年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》指出全國土壤點位污染總超標率為 16.1%，而所有污染物中，鎘污染超標率排在首位，達到了7 %[2]。鎘（Cd）是一種毒性極強的重金屬元素，會破壞農作物生理代謝和生長發育，使農作物減產、品質變差。此外，鎘具有很高的遷移性，容易被農作物吸收，進而通過食物鏈進入到人體，長期攝入重金屬將會對人體的皮膚、骨骼、神經系統和內臟器官等造成不同程度的危害[3-5]。隨著生活水平的提升，人們對食品安全提出了更高要求，土壤重金屬鎘污染成為當前農產品安全迫切需要解決的問題。

目前，國內外常見的鎘污染農田修復技術有物理修復、生物修復和化學修復等。物理修復是用未受污染的土壤置換已污染土壤，這樣雖然可以徹底解決當前地塊的污染問題，缺點是工程量大、成本高。生物修復中常見的是植物修復。植物修復是指種植對鎘具有特殊吸收富集能力的作物，對鎘進行吸收或固定，從而降低土壤中鎘的有效濃度，缺點是富集植物生長緩慢、產量低，修復周期長，很難實際應用。化學修復是指施用鈍化材料、石灰等改善土壤理化性質，提高土壤pH 值，降低土壤鎘的有效性，從而降低稻米中的鎘含量，是目前稻米降鎘的主要途徑之一[6-8]。該研究通過選用作物秸稈粉末、有機質、粘土礦物質粉末等常見易得且成本較低的幾種材料按不同比例復配成土壤調理劑，設置田間試驗，研究不同配比的6 種土壤調理劑對土壤pH 值、全鎘、有效態鎘以及稻米中鎘含量的影響，為鎘污染稻田安全修復提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在湘潭縣和長沙縣示范基地進行，供試土壤為河流沖積物發育的河沙泥，2 個試驗地點土壤的基本理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性質

湘潭縣供試品種為金優59，長沙縣供試品種為H 優518，均為當地農戶常規種植品種。土壤調理劑均為自主研制配方，處理1、2、3、4、5、6 均是由作物秸稈粉末、有機質、粘土礦物質粉末等常見易得且成本較低的幾種材料按不同比例復配而成。

1.2 試驗設計

田間試驗采取單因素隨機區組設計，4 次重復。設置空白對照（CK）、石灰處理、土壤調理劑處理（處理1、處理2、處理3、處理4、處理5、處理6）、共8 個處理。小區面積為20.0 m2，長5.0 m、寬4.0 m，小區埂下寬0.3 m，小區埂高出田面0.1 m，共32 個小區。小區埂上蓋地膜，地膜幅寬0.8 m，防止小區間串肥串水。根據2 個試驗地點土壤性質及常規種植習慣，長沙縣施氮磷鉀40%（22—8—10）復合肥1 kg/小區作為基肥；湘潭縣施氮磷鉀45%（15—15—15）復合肥2 kg/小區作為基肥。移栽前1 周，按照試驗設計，分別將石灰等各種調理劑施入相應小區中，人工用六齒耙均勻混入泥中，用木燙板燙平田面。湘潭縣將水稻種子浸種、催芽后，于7 月24 進行直播；長沙縣于6 月23 日育秧，7 月28 日移栽。病蟲草及鼠雀害按常規方法防治。

1.3 考察指標及方法

土壤樣品：稻谷成熟期時采集土壤樣品，按S 形曲線采用5 點取樣法采集0～20 cm 土層樣品，并混合成混合樣，采集量約1 kg；取樣土壤在室內自然風干，除去土壤中的石塊、植物根系和凋落物等，研磨過篩，測定指標為pH 值、全鎘和有效態鎘；土壤pH 值參照《土壤農業化學分析方法》測定，土壤中全鎘和有效態鎘分別參考國家標準 GB/T 17141—1997 和 GB/T 23739—2009 進行分析檢測。

稻米樣品：每個小區采集稻谷混合樣1 kg，在室內自然風干，去殼去皮制成精米粉，測定指標為稻米鎘含量。稻米中的鎘含量依據國家標準GB 5009.15—2014 進行測定。

1.4 數據分析

數據采用SPSS 18.0 軟件進行統計分析，設定5%的顯著性水平，運用單因素隨機區組方差分析，并用Duncan 氏法進行平均值間的多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同土壤調理劑對土壤pH 值的影響

湘潭縣和長沙縣的土壤pH 值均偏酸性，針對當地土壤pH 背景值在5～6 之間的情況，該試驗土壤調理劑配方能夠適當提高土壤pH值，從圖1中可以看出，湘潭縣對照的土壤pH 值較其他處理有顯著性差異。處理1、處理3 與石灰處理的效果差異不顯著；處理2、處理4、處理5、處理6 與石灰處理效果差異顯著。各處理pH 值提升率范圍為6.13%～12.74%，其效果排序為處理1 ＞石灰＞處理3 ＞處理6 ＞處理4 ＞處理5 ＞處理2 ＞CK，且處理1 和石灰處理均超過10%。

圖1 湘潭縣各處理的土壤pH 值

從圖2 中可以看出，長沙縣各小區的pH 值較CK 存在顯著性差異，并且各土壤調理劑處理與石灰處理的差異也是顯著的。除了處理2 和處理5 之間差異顯著，其他土壤調理劑處理無明顯差異。各處理pH 值提升率范圍為10.83%～32.70%，均超過了10%，其效果排序為石灰＞處理5 ＞處理1 ＞處理3 ＞處理4 ＞處理6 ＞處理2 ＞CK，處理5 和處理1 分別提升了19.78%和16.80%。

圖2 長沙縣各處理的土壤pH 值

2.2 不同土壤調理劑對土壤中全鎘、有效態鎘含量的影響

由于土壤為不均質，所以部分小區會存在一定差異，從圖3 中可以看出，湘潭縣各小區土壤中全鎘含量與CK 差異不顯著，石灰處理與處理1、處理2、處理3、處理4 存在顯著性差異。各小區全鎘含量范圍為0.35～0.43 mg/kg，整體差異不大。

圖3 湘潭縣各處理的土壤全鎘、有效態鎘含量

處理1 和處理6 土壤有效含鎘含量較CK 處理存在顯著性差異，降鎘效果明顯；雖然其他各處理差異不顯著，但較CK 均有不同程度地降低。各處理土壤中有效態鎘含量的降幅為3.66%～13.41%，其降鎘效果排序為處理1 ＞處理6 ＞處理5 ＞處理2 ＞處理3 ＞處理4 ＞石灰處理。處理1 和處理6 降鎘率均超過10%。

從圖4 中可以看出，長沙縣各小區土壤全鎘含量除處理1 與CK、石灰處理、處理5、處理6 存在顯著性差異外，其他各處理之間均無顯著性差異。各小區全鎘含量范圍為0.34～0.39 mg/kg，整體差異不大。

圖4 長沙縣各處理的土壤全鎘、有效態鎘含量

處理3 和石灰處理的土壤有效態鎘含量較CK 處理差異顯著，降鎘效果明顯；其他各處理雖然沒有顯著性差異，但較CK 均有不同程度地降低。各處理土壤中有效態鎘的降幅為1.37%～19.18%，其降鎘效果排序為處理3 ＞石灰處理＞處理5 ＞處理1 ＞處理4 ＞處理6 ＞處理2。處理3、石灰處理和處理5 降鎘率均超過10%。

2.3 不同土壤調理劑對稻米中鎘含量的影響

各土壤調理劑處理對湘潭縣晚稻稻米中鎘含量差異不顯著，但各土壤調理劑處理的稻米鎘含量均有不同程度地降低，降幅為5.35%～23.41%，其降鎘效果排序為處理1 ＞處理2 ＞處理6 ＞處理5 ＞處理3 ＞處理4（圖5）。處理1、處理2、處理5、處理6 降鎘率均超過20%。

圖5 湘潭縣各處理的稻米鎘含量

從圖6 中可以看出，處理1 和處理5 對長沙縣晚稻稻米中鎘含量存在顯著性差異，降鎘效果明顯。其他各土壤調理劑處理對稻米中鎘含量雖然沒有顯著性差異，但均有不同程度地降低，降幅為1.86%～43.3%，其降鎘效果排序為處理5 ＞處理1 ＞處理2 ＞處理3 ＞處理6 ＞處理4。處理1 和處理5 降鎘率均超過30%，處理2、處理3 和石灰處理降鎘率均超過了20%。

圖6 長沙縣各處理的稻米鎘含量

3 結 論

（1）湘潭縣各處理pH 值提升率為6.13%～12.74%，其效果排序為處理1 ＞石灰＞處理3 ＞處理6 ＞處理4、處理5 ＞處理2 ＞CK，且處理1 和石灰處理均超過10%。長沙縣各處理pH 值提升率為10.83%～2.70%，均超過了10%，其效果排序為石灰＞處理5 ＞處理1 ＞處理3 ＞處理4 ＞處理6 ＞處理2 ＞CK，處理5 和處理1 分別提升了19.78%和16.80%。

（2）湘潭縣土壤中有效態鎘含量降低了3.66%～13.41%，其降鎘效果排序為處理1 ＞處理6 ＞處理5 ＞處理2 ＞處理3 ＞處理4 ＞石灰處理。處理1 和處理6 降鎘率均在10%以上。長沙縣土壤中有效態鎘含量降低了1.37%～19.18%，其降鎘效果排序為處理3 ＞石灰處理＞處理5＞處理1＞處理4＞處理6＞處理2。處理3、石灰處理和處理5 降鎘率均在10%以上。

（3）各土壤調理劑處理稻米中鎘含量均有不同程度地降低，湘潭縣降幅為5.35%～23.41%，其降鎘效果排序為處理1 ＞處理2 ＞處理6 ＞處理5 ＞處理3 ＞處理4。土壤調理劑處理1、處理2、處理5、處理6降鎘率均超過了20%。長沙縣降幅為1.86%～43.30%，其降鎘效果排序為處理5 ＞處理1 ＞處理2 ＞處理3 ＞處理6 ＞處理4。土壤調理劑處理1 和處理5 降鎘率均超過30%，處理2、處理3 和石灰處理降鎘率均超過了20%。

4 討 論

試驗結果表明，處理1 和處理5 的土壤調理劑配方對土壤和稻米的降鎘效果較為理想，可作為后續土壤調理劑重點開發產品，亦可結合各配方優勢進一步整合優化，研發出適合當地酸性土壤且低成本、效果穩定的土壤調理劑。下一步可以通過優化調理劑中的鈍化成分，促進其與重金屬鎘絡合、沉淀等，進一步降低土壤有效態鎘含量；也可以優化配方中的鋅、錳、硅等有效元素，抑制水稻吸收重金屬起，從而降低稻米中鎘含量；其他復配的營養元素繼續保留，以促進農作物生長，提高產量。同時，可將土壤調理劑與其他物理、化學、生物修復技術聯合應用，探討其對污染農田土壤的修復效果。