海泡石對鎘污染稻田鈍化修復效果的穩(wěn)定性

裴楠，梁學峰，秦旭，趙立杰，黃青青*，徐應明，孫約兵

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地環(huán)境污染防控重點實驗室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；2.東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030）

隨著我國社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展，我國耕地土壤重金屬污染形勢越發(fā)嚴峻。2014 年原國家環(huán)境保護部和原國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國耕地土壤污染點位超標率為19.4%，且以重金屬鎘污染最為嚴重，鎘的點位超標率高達7.0%。鎘是農(nóng)作物生長發(fā)育非必需的金屬元素，由于其在土壤中具有較高的遷移性和生物可給性，因極易被農(nóng)作物根系吸收并在體內(nèi)積累，影響農(nóng)作物的生長和發(fā)育，并通過食物鏈在人體內(nèi)富集，對人體健康構(gòu)成嚴重威脅。水稻是我國第一大糧食作物，全國65%以上的人口以稻米為主食。研究已經(jīng)證實水稻是對鎘吸收最強的大宗谷類作物，是人體鎘暴露的主要途徑。SONG 等調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國居民飲食中大約56%的鎘通過大米攝入，其中南方地區(qū)居民大米鎘攝入量占總飲食鎘攝入量的65%，北方地區(qū)居民大米鎘攝入量占總飲食鎘攝入量的38%。因此，推進鎘污染土壤的修復進程，尤其是針對我國南方地區(qū)鎘污染酸性水稻田的修復，降低稻米中的鎘含量，從根本上保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上急需解決的問題。

近年來，我國針對南方地區(qū)水稻田土壤鎘污染問題開展了大量研究工作，研究者也提出了一系列修復技術(shù)，如鈍化修復、植物修復、微生物修復、土壤淋洗、農(nóng)藝調(diào)控以及替代種植與安全利用等。其中，基于鈍化材料的原位鈍化修復技術(shù)因其成本低、操作簡單、修復效率高，以及不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可以實現(xiàn)邊修復邊生產(chǎn)等特點，而被廣泛應用于治理中、輕度鎘污染農(nóng)田土壤。原位化學鈍化修復是通過向土壤中添加鈍化材料，降低重金屬在土壤環(huán)境中的移動性和生物有效性，從而降低農(nóng)作物體內(nèi)重金屬含量。原位鈍化修復技術(shù)的關(guān)鍵在于鈍化材料的選擇。海泡石是一種天然黏土礦物，具有較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)以及較強的離子交換能力量，對鎘污染農(nóng)田土壤具有較大的修復潛力。課題組前期利用海泡石在湖南和廣西地區(qū)鎘污染酸性水稻田修復中取得了較好的效果，研究結(jié)果顯示海泡石鈍化修復能夠顯著降低土壤中鎘的生物有效性，最終顯著降低糙米中鎘含量。但是目前對于海泡石在異地修復的穩(wěn)定性以及修復效果的持久性的研究較少。因此本文主要通過對在江西地區(qū)設(shè)置的兩年大田試驗中雙季稻的追蹤檢測，考察海泡石在異地對鎘污染水稻土壤修復的適應性以及其修復效果的持久性效應，并通過分析稻米品質(zhì)以及土壤酶活性考察海泡石鈍化修復對稻米品質(zhì)和土壤環(huán)境的影響，以期為海泡石鈍化修復的大面積推廣應用提供科學依據(jù)，同時為原位鈍化修復技術(shù)治理鎘污染農(nóng)田土壤提供有效的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗地位于江西省南昌縣蓮塘鎮(zhèn)涂埠村（28°34′10.56″ N，115°59′5.28″E），試驗田土壤的基本理化性質(zhì)：土壤pH約5.60，土壤有機質(zhì)含量38.8 g·kg，總氮含量3.69 g·kg，總磷含量0.33 g·kg，總鉀含量14.72 g·kg，陽離子交換量（CEC）12.73 cmol·kg，總鎘含量0.98 mg·kg，依據(jù)我國《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）限量值（pH＜6.5，鎘為0.30 mg·kg），試驗地土壤總鎘含量是標準限值的3.27倍，屬于中度污染土壤。

田間試驗中選用海泡石（Sep）作為鈍化劑，海泡石屬于天然黏土礦物材料，含少量的滑石和白云石，pH 10.1，孔徑1.4 nm，BET 比表面積22.3 m·kg，CEC18 cmol·kg，其主要組分為CaO 41.7%、MgO 16.8%、AlO7.4%、SiO32.5%，且未檢出Cd。海泡石于2015 年3 月在水稻插秧前30 d 一次性均勻施入各個小區(qū)內(nèi)。試驗田種植作物為水稻，采用一年兩季的種植模式，早稻和晚稻的品種分別為湘早秈45 號和黃華占。早稻在每年4 月下旬移栽秧苗，7 月上旬收獲，晚稻于7月中旬移栽秧苗，11月上旬收獲。

1.2 試驗設(shè)置與樣品采集

田間小區(qū)試驗中海泡石設(shè)置3 個不同的施用劑量，分別為0.50 kg·m（Sep1）、1.00 kg·m（Sep2）和2.00 kg·m（Sep3），同時設(shè)置不添加海泡石的處理為空白對照（CK），共計4個處理，每個處理重復3次，共計12 個小區(qū)，每個小區(qū)面積為25 m，各處理隨機區(qū)組排列。另外，各小區(qū)采取單獨排灌，且各小區(qū)間田埂使用塑料包膜隔開以防止灌水和降雨時相互串流。

水稻成熟期收樣時在每個小區(qū)隨機采集20~30株水稻穗，放置于尼龍袋中，剩余水稻用收割機收獲以統(tǒng)計每個小區(qū)的水稻產(chǎn)量。水稻穗在實驗室用去離子水清洗，用吸水紙吸干表面的水分后，置于烘箱中烘干至質(zhì)量恒定。將烘干的水稻子粒脫殼粉碎后裝入自封袋中密封待用。

在2016年晚稻收獲后，采用S型采樣法在每個處理小區(qū)采集耕層0~20 cm 土壤樣品，土壤樣品風干后，研磨過篩，密封存放于自封袋，用于土壤pH、有效態(tài)鎘含量、土壤鎘形態(tài)分級提取以及土壤酶活性測定。

1.3 分析方法

糙米中鎘含量測定：采用HNO體系消解，消解液用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（iCAP Q，美國賽默飛世爾儀器公司）測定。植物樣品采用湖南大米[GBW10045（GSB?23）]和空白樣品進行全程質(zhì)量控制。

稻米品質(zhì)測定：稻米中粗蛋白、灰分以及粗脂肪的含量分別采用凱氏定氮法（GB/T 5009.5—2010）、高溫灼燒稱重法（GB/T 5009.4—2010）和索氏抽提法（GB/T 5512—2008）測定。

土壤pH 測定：用除去二氧化碳的去離子水浸提（土水比1∶2.5）后，用pH 酸度計（PB?10，Sartorius）測定。

土壤有效態(tài)鎘含量測定：采用DTPA 浸提液（0.005 mol·LDTPA+0.01 mol·LCaCl+0.1 mol·LTEA）提取后，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定上清液中的鎘含量。

土壤鎘形態(tài)分級提取采用Tessier連續(xù)浸提法。土壤中鎘的賦存形態(tài)分為可交換態(tài)[Exc?Cd，用1 mol·LMgCl（pH 7）溶液浸提]，碳酸鹽結(jié)合態(tài)[CB?Cd，用1 mol·LNaOAc（pH 5）溶液提取]，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)[OX?Cd，用0.04 mol·LNHOH·HCl（pH 2，25% HOAc）溶液浸提]，有機物結(jié)合態(tài)[OM?Cd，用0.02 mol·LHNO和30%HO（pH 2）溶液浸提]和殘渣態(tài)（Res?Cd，用HClO?HNO?HF 體系消解）5 種形態(tài)。上述待測液鎘含量均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定。

土壤酶活性測定：采用風干后的土樣進行土壤酶活性測定，土壤脲酶（UA）、過氧化氫酶（CA）、蔗糖酶（SA）和酸性磷酸酶（ACP）活性分別采用高錳酸鉀滴定法、苯酚鈉?次氯酸鈉靛酚藍比色法、二硝基水楊酸比色法和對硝基苯磷酸二鈉比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

鈍化材料對土壤重金屬鎘的鈍化效率（）的計算公式：

式中：為鈍化處理區(qū)土壤鎘有效態(tài)含量（DTPA 提取態(tài)），mg·kg；為修復對照區(qū)土壤鎘有效態(tài)含量（DTPA提取態(tài)），mg·kg。

試驗數(shù)據(jù)以3 次重復的平均值±標準誤差表示，采用SAS 軟件進行雙因素方差分析（多重比較采用Duncan法）。采用Origin 2019b完成相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對水稻產(chǎn)量和稻米營養(yǎng)品質(zhì)的影響

早稻和晚稻的水稻產(chǎn)量分別為7 614~8 534 kg·hm和7 920~8 493 kg·hm，海泡石鈍化處理對水稻產(chǎn)量沒有顯著影響（＞0.05）（表1）。對稻米營養(yǎng)品質(zhì)的測定結(jié)果表明（表2），海泡石鈍化處理對稻米品質(zhì)也沒有顯著影響。

表1 海泡石鈍化處理對水稻產(chǎn)量的影響（kg·hm?2）Table 1 Effects of Sep treatments on the rice grain yield（kg·hm?2）

表2 海泡石鈍化處理對稻米品質(zhì)的影響Table 2 Effects of Sep treatments on the quality of rice grain

2.2 對水稻鎘累積的影響

一次性向土壤中施用不同劑量的海泡石后，連續(xù)兩年種植雙季稻的糙米鎘含量如圖1 所示，與CK 相比，海泡石處理能夠顯著降低每季水稻糙米的鎘含量（＜0.05）。對于2015 年早稻和晚稻，海泡石鈍化處理使早稻和晚稻糙米鎘含量分別比CK 降低了21.0%~79.0%和63.8%~88.0%，其中當海泡石的添加量達到1.0 kg·m時，可以使早稻糙米鎘含量降到我國食品中污染物限量標準（GB 2762—2017）中規(guī)定的限值（0.20 mg·kg）以下，但只有海泡石的添加量達到最大2.0 kg·m時，才能使2015 年收獲的晚稻糙米鎘含量降到標準限值以下（圖1a）。土壤中施加的海泡石，不僅對當年雙季水稻鎘吸收具有抑制作用，而且該抑制效果具有持續(xù)性，在未繼續(xù)施加海泡石的情況下，仍然可顯著降低第二年早稻和晚稻糙米的鎘含量，但是抑制作用相比第一年有所減弱。試驗結(jié)果顯示（圖1b），2016 年收獲的早稻和晚稻糙米鎘含量都顯著高于2015 年，分別增加了17.8%~87.4% 和53.0%~124.0%。此外，對于2016年早稻和晚稻，海泡石鈍化處理使早稻和晚稻糙米鎘含量分別比CK降低了4.0%~73.5%和21.4%~81.0%，且只有海泡石添加量為2.0 kg·m時早稻糙米鎘含量在限值以下，其余早稻和晚稻糙米鎘含量均超過了限值。另外，每一年的晚稻糙米鎘含量均顯著高于早稻，2015年和2016年收獲的晚稻糙米鎘含量分別是同一年早稻的1.32~2.87倍和1.90~3.18倍。

圖1 海泡石鈍化處理對雙季稻糙米鎘含量的影響Figure 1 Effects of Sep treatments on Cd concentrations in rice grain

2.3 對土壤pH、鎘賦存形態(tài)、土壤酶活性的影響

如圖2a 所示，海泡石鈍化處理能夠顯著提高土壤pH，但該影響隨著時間的延長而減弱。在2015 年晚稻收獲時，海泡石處理的土壤pH 比CK 高出0.47~1.06 個單位；2016 年晚稻收獲時，海泡石處理的土壤pH 比CK 高出0.31~0.97 個單位，且較2015 年降低了0.14~0.37個單位。

水稻對土壤鎘的吸收主要取決于土壤中有效態(tài)鎘含量，本研究采用DTPA 溶液對土壤中有效態(tài)鎘進行提取測定。如圖2b 所示，與土壤pH 的變化相反，海泡石鈍化處理能夠顯著降低土壤有效態(tài)鎘的含量，且隨海泡石施用量增加鈍化效果更顯著。此外，海泡石對土壤鎘的鈍化效應具有持續(xù)性，但是鈍化效應隨時間的延長而減弱。2015 年晚稻收獲時，海泡石對土壤鎘的鈍化效率為26.2%~50.7%；而到2016 年晚稻收獲時，海泡石對土壤鎘的鈍化效率降為15.7%~31.6%。

圖2 海泡石鈍化處理對土壤pH 和有效態(tài)鎘含量及其鈍化效率的影響Figure 2 Effects of Sep treatments on soil pH and available Cd content and immobilization efficiency

Tessier 連續(xù)浸提法結(jié)果顯示（圖3），在CK 處理小區(qū)，土壤鎘主要以Exc?Cd 和Res?Cd 存在，這兩者約占總鎘含量的87.6%。土壤中施用不同劑量的海泡石可顯著降低Exc?Cd 所占百分比，增加CB?Cd 和Res?Cd 所占百分比，但是對OX?Cd 和OM?Cd 所占百分比沒有顯著影響。

圖3 海泡石鈍化處理對土壤鎘形態(tài)的影響Figure 3 Effects of Sep treatments on species of Cd in soil

土壤酶活性是評價土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標之一。如表3 所示，海泡石鈍化處理對土壤酶活性有一定的影響。與CK 相比，海泡石鈍化處理能夠顯著提高土壤脲酶、過氧化氫酶以及酸性磷酸酶的活性，但是對蔗糖酶的活性沒有顯著影響。

表3 海泡石鈍化處理對土壤酶活性的影響Table 3 Effects of Sep treatments on soil enzymatic activity

2.4 相關(guān)性分析

Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果顯示，水稻糙米鎘含量（Cd）與土壤有效態(tài)鎘（DTPA?Cd）和Exc?Cd 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05），與土壤pH、CB?Cd、Res?Cd以及土壤UA、CA 和ACP 活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系（圖4）。土壤DTPA?Cd 與土壤pH、CB?Cd、ACP 活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系，與Exc?Cd 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05）。另外，土壤UA、CA 和ACP 活性與Exc?Cd 呈顯著負相關(guān)關(guān)系，而與CB?Cd 和Res?Cd 呈顯著正相關(guān)關(guān)系。由此可見，土壤酶活性可以作為重金屬鈍化修復污染土壤的評價指標。

3 討論

本研究主要是驗證海泡石在異地修復的適應性以及持續(xù)穩(wěn)定效應，大田試驗結(jié)果顯示，在江西南昌酸性鎘污染水稻田上，海泡石對土壤鎘具有較好的鈍化效果和持續(xù)穩(wěn)定的鈍化效應，且最終能顯著降低糙米鎘含量（圖1）。海泡石鈍化處理能夠顯著降低土壤中鎘的生物有效性，促進土壤中鎘由活性較高的交換態(tài)向活性低的碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化（圖3）。海泡石屬于堿性黏土礦物材料，具有較高的pH（10.1），土壤施用海泡石后，土壤pH 提高了0.31~1.06個單位，而土壤pH 是影響農(nóng)田土壤重金屬生物有效性的重要因素之一。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤pH與土壤有效態(tài)和可交換態(tài)鎘呈顯著負相關(guān)，而與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘呈顯著正相關(guān)（圖4）。土壤pH 主要從兩個方面影響土壤重金屬的生物有效性：一是土壤pH提高會使土壤膠體和黏粒表面的負電荷增加，從而增加土壤對重金屬的吸附能力，而且土壤溶液中OH濃度提高，會促進土壤中的Fe、Mn等離子與OH結(jié)合形成羥基化合物，從而為重金屬離子提供了更多的吸附位點；二是促進重金屬離子與土壤溶液中的OH等形成重金屬氫氧化物或碳酸鹽結(jié)合態(tài)等鹽類沉淀。此外，海泡石表面存在的大量羥基，可以與溶液中的OH共同作用，促使土壤溶液中的重金屬鎘離子在海泡石表面沉淀生成氫氧化鎘，且海泡石中伴生碳酸鈣為堿性材料，亦可促使土壤溶液中的鎘離子形成碳酸鎘沉淀，降低土壤中鎘的生物有效性。通過對海泡石的XRD 分析也證實，海泡石含有調(diào)節(jié)酸堿度的固定劑CaCO，從而可實現(xiàn)對鎘的特殊吸附。另外，海泡石比表面積大，對重金屬具有較強的吸附能力（包括表面絡(luò)合吸附和離子交換吸附），可以吸附土壤溶液中的重金屬離子，從而降低土壤重金屬有效性。

圖4 糙米鎘含量與土壤不同指標之間的相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis of Cd content in brown rice with different soil indexes

化學鈍化修復的機理是通過改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，從而降低土壤重金屬的可遷移性以及生物有效性，但并沒有將重金屬從土壤中去除，由于土壤環(huán)境的復雜性以及土壤本身的緩沖調(diào)節(jié)能力，鈍化劑自身形態(tài)結(jié)構(gòu)以及鈍化劑與重金屬的結(jié)合也會受環(huán)境影響而發(fā)生變化，因此鈍化劑對土壤重金屬的鈍化效果可能會隨著時間的延長而減弱。因此需要開展鈍化修復持續(xù)穩(wěn)定性效果研究以確定鈍化劑的最佳施用劑量以及施用周期和頻率。本研究結(jié)果顯示，海泡石的鈍化作用隨時間延長而逐漸減弱。第二年晚稻成熟期，海泡石處理的土壤pH 比空白對照高0.3~1.0 個單位，比第一年晚稻成熟期土壤pH 低0.1~0.2 個單位，且鈍化效率相比第一年有所降低。在海泡石的施用量為2.00 kg·m時，第一年的早稻和晚稻糙米以及第二年的早稻糙米鎘含量低于0.2 mg·kg，達到安全生產(chǎn)的目的，但是第二年的晚稻糙米鎘含量高于限量標準。因此為了保證水稻的安全生產(chǎn)，根據(jù)大田污染情況，以及結(jié)合水稻籽粒質(zhì)量測定分析結(jié)果，在第一年早稻種植前施用2.00 kg·m的海泡石，在連續(xù)種植三季水稻后即第二年晚稻種植之前，需要增施一定劑量的海泡石。

土壤酶活性是評價土壤環(huán)境質(zhì)量的重要指標之一。本研究結(jié)果顯示海泡石鈍化修復提高了土壤脲酶、過氧化氫酶以及酸性磷酸酶的活性（表3），這與本課題組前期的盆栽試驗結(jié)果一致。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶與土壤pH 呈顯著正相關(guān)，與土壤有效態(tài)鎘含量呈顯著負相關(guān)。王涵等的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)土壤pH 變化對土壤酶活性有較大的影響，且認為pH 變化對微生物活性的影響是造成土壤酶活性變化的主要原因。孫約兵等的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加海泡石后土壤過氧化氫酶和脲酶活性以及細菌和放線菌數(shù)量有所增加。張迪等的研究發(fā)現(xiàn)，海泡石處理提高了微生物的碳源利用能力，增強了微生物代謝活性。因此，我們推斷海泡石主要是通過降低土壤中鎘的生物有效性，緩解鎘對土壤微生物的毒害作用，提高細胞活性，促進微生物生長，進而提高了土壤酶活性。

4 結(jié)論

（1）土壤中一次性施用海泡石對鎘污染稻田具有持續(xù)的鈍化修復效果，且能夠提高土壤過氧化氫酶和脲酶的活性，在一定程度上可改善土壤環(huán)境質(zhì)量。

（2）海泡石鈍化處理能夠顯著降低連續(xù)兩年4 季水稻糙米的鎘含量，可以保障鎘污染水稻田的安全生產(chǎn)，但是其鈍化作用隨著時間延長有減弱趨勢。在田間修復過程中，需要跟蹤監(jiān)測海泡石的鈍化修復效果，必要情況下需要復施海泡石以確保修復效果的持久穩(wěn)定性。