不同用量土壤調理劑對鎘污染農田控鎘的影響

徐 聰，張建云，顧祝禹，耿協蘇，周志遠，晏陳钘，舒海嘯

（1.崇陽縣農業農村局，湖北 咸寧 437500；2.武漢市秀谷科技有限公司，武漢 430000）

隨著城市化與工業的快速發展，污染物排放增加，農田重金屬污染問題突出。重金屬污染問題已成為限制中國糧食安全生產的重要因素［1，2］。全國耕地污染的土壤點位超標率達19.4%，其中鎘（Cd）超標最為嚴重，達7.0%［3］。重金屬Cd 具有較高的生物毒性，植物通過根系吸收Cd，并在植物體內遷移與富集，通過食物鏈進入人體，對人類健康構成嚴重的威脅［4-6］。降低Cd 對治理農田污染及保障農產品安全具有較大意義，受到社會的廣泛關注。

修復土壤Cd 污染主要通過2 種方式，一是將Cd從土壤中提取出來，降低Cd 在土壤環境中的絕對含量，使土壤清潔；二是通過改變Cd 的存在形態，降低其活性與有效性，將Cd 固定在土壤中，從而降低其生態風險［7］。原位鈍化技術屬于第二種，是國內外修復耕地輕度Cd 污染應用較為廣泛的技術［8］。其方法是將一定量的土壤調理劑或鈍化劑施入鎘污染農田中，通過與農田中的Cd 發生吸附、絡合、沉淀、氧化還原、離子交換等一系列物理、化學反應，改變Cd 在農田中存在的形態，使活潑的有效態Cd 向穩定形態轉化，降低Cd 在農田環境中的生物有效性和可遷移性，從而減少農作物根系對Cd 的吸收［9，10］。原位鈍化技術具有可操作性強、成本低廉、見效快、無二次污染等優點，被廣泛用于受Cd 污染農田的治理與修復。

中國南方地區酸性農田土壤Cd 活性較高、遷移性較強，容易被水稻根系吸收，并在水稻植株不同部位轉移與富集，影響稻米Cd 含量，造成稻米Cd 含量超標問題。土壤調理劑能夠在一定范圍內調節土壤的pH，降低土壤有效Cd 的含量，減少水稻根系對Cd元素的吸收，降低稻米Cd 的含量［11，12］。已有研究多為通過盆栽試驗評價土壤調理劑對Cd 污染農田的修復效果［13，14］，田間使用探索較為少見。土壤調理劑的使用量與其大田修復效果密切相關，研究土壤調理劑使用量對Cd 污染的影響，對農田修復具有重要意義。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 研究區域概況

選取崇陽縣石咀村Cd 中度污染區域，且Cd 分布相對均勻的水稻田進行試驗。田間試驗設在湖北崇陽縣石咀村Cd 污染農田，地勢由西南向東北傾斜。該地屬副亞熱帶季風大陸性氣候，熱量比較充足，年平均氣溫18 ℃，年平均降水量1 312.9 mm。耕作方式采用旋耕，主要以種植水稻和玉米為主。耕地類型主要包括旱地、水田和水澆地。試驗土壤pH約為5.53，土壤Cd 含量均值為0.46 mg/kg，超過了國家二級標準（0.30 mg/kg），屬于中度污染，土壤有效態Cd的含量均值為0.185 mg/kg，灌溉水中未檢出Cd。

1.2 試驗設計

試驗區種植水稻。試驗共設置7 種處理，分別為CK（對照）、T1、T2、T3、T4、T5 和T6 處理，對應添加土壤調理劑的含量為0、1 500、3 000、4 500、6 000、7 500 和9 000 kg/hm2。每種處理做3 次重復試驗，共21 個小區，每個小區面積為50 m2，小區隨機排列。為防止各個小區間相互影響，將每個處理之間進行分割，對田埂加高，并用塑料薄膜加固處理，防止修復材料、灌溉水等相互影響。試驗選用土壤調理劑為湖北某公司生產采用天然礦物原料制備而成，主要原料為鉀長石和生石灰，土壤調理劑中含有大量的硅、鈣、鎂、鉀等礦物元素。試驗所用土壤調理劑材料經檢測，pH 為10.4，氧化鈣含量為28.37%、二氧化硅含量為23.15%、氧化鎂含量為5.80%、氧化鉀含量為5.53%、水分含量為3.85%，Pb含量為6.14 mg/kg，Cd 含量為0.24 mg/kg，As 含量為2.30 mg/kg，Cr含量為18.40 mg/kg。水稻播種前10 d，將土壤調理劑一次性撒施，然后整地翻耕，使土壤調理劑與土地充分混合均勻。

水稻選用當地常用品種旱優73，水稻于5 月初開始播種育秧，6 月初水稻秧苗移栽，秧苗之間株行為0.2 m×0.2 m，參照當地農業實際生產情況，田間試驗期間采用統一的水肥與病蟲害管理，確保試驗田塊管理條件一致。

1.3 樣品的采集與分析

水稻收獲于9 月下旬，土壤與水稻樣品于收獲前2～3 d 采集，采用五點取樣法對試驗田中各小區水稻取樣，每樣點采集2 株水稻，即每個小區采集10株水稻。對水稻根系附近0～20 cm 表層土壤取樣，去除雜質，室溫風干至恒量，過2 mm 的尼龍篩，裝袋置干燥處保存待測。將收獲的稻米用去離子水沖洗，105 ℃殺青10 min，70 ℃烘干至恒重，并將稻米樣品粉碎，裝袋備用。

土壤的理化性質均按照常用的測定方法進行檢測［15］。土樣pH 測定采用電位計法，水土比為2.5∶1.0；土壤有效態Cd 采用二乙烯三胺五乙酸-氯化鈣- 三乙醇胺緩沖溶液浸提法提取，含量用原子吸收分光光度計測定，樣品分析過程按《土壤質量有效態Cd 的測定》（GB/T 23739—2009），檢出限0.005 mg/kg ，Cd 的回收率在92.2%～99.2%，同時做空白試驗；稻米采用HNO3-HClO4消解，Cd 的含量用原子吸收分光光度計（石墨爐）測定，分析過程按《食品安全國家標準食品中鎘的測定》（GB 5009.15—2014）的方法，檢出限0.001 mg/kg，Cd 的回收率在96.6%~102.6%，同時做空白試驗。

1.4 數據統計

采用Excel、Origin 和SPSS 軟件進行數據統計和分析，進行相應的圖表繪制，數據為平均值±標準偏差。采用單因素方差分析（ANOYA）和Duncan 氏法進行各處理之間差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同用量土壤調理劑對土壤pH 的影響

土壤pH 是影響土壤有效Cd 的重要因素。由不同用量的土壤調理劑施用后土壤pH 變化情況（圖1）可知，調理劑處理T1 至T6 土壤的pH 與對照組（CK）相比，均有一定程度的提高，提高幅度為0.21~0.80，且分別比對照增加了3.80%、7.78%、9.04%、10.49%、12.12%、14.47%，各處理土壤pH 均顯著高于CK 處理（P＜0.05）。

圖1 不同用量土壤調理劑對土壤pH 的影響

2.2 不同用量土壤調理劑對土壤有效Cd 的影響

農作物中重金屬的含量很大程度上取決于重金屬有效態的含量［16，17］。不同用量土壤調理劑對土壤有效Cd 含量的影響見圖2。土壤調理劑使土壤有效Cd 含量降低，與對照組相比，T2 至T6 處理土壤有效Cd 的含量均顯著降低（P＜0.05），降低了11.89%～30.27%。T1 處理土壤有效Cd 的含量與對照組差異不顯著（P＞0.05）。當土壤調理劑用量達到3 000 kg/hm2時，隨著土壤調理劑用量的增加對土壤有效Cd 的降低效果不顯著。當用量達到6 000 kg/hm2后，加大用量，土壤有效Cd 的含量呈現出上升。結果表明，適量的土壤調理劑能有效降低土壤中有效Cd 的含量。

圖2 不同用量土壤調理劑對土壤有效Cd 含量的影響

2.3 不同用量土壤調理劑對稻米中Cd 含量的影響

不同用量土壤調理劑對稻米中Cd 含量的影響見圖3。與對照組相比，T1 至T6 處理稻米中Cd 的含量分別降低了16.93%、34.39%、38.62%、32.80%、37.04%、29.63%，且稻米中Cd 的含量與對照組差異顯著（P＜0.05）。當土壤調理劑用量超過4 500 kg/hm2后，隨調理劑用量的增加，稻米中Cd 的含量呈現逐漸上升的趨勢。以T3 處理的稻米中Cd 含量最低，為0.116 mg/kg。

圖3 不同用量土壤調理劑對稻米中Cd 含量的影響

2.4 不同用量土壤調理劑對水稻產量的影響

不同用量土壤調理劑對水稻產量的影響見圖4。施用土壤調理劑的各處理水稻產量均有一定程度的提高。與對照相比，T1 至T6 水稻產量分別增加了2.78%、6.04%、5.53%、6.37%、4.84%、4.52%，且T2與T4 處理水稻產量顯著高于對照（P＜0.05），T1、T3、T5 與T6 與對照組差異不顯著（P＞0.05）。其中T4 水稻產量最高，為6 776.25 kg/hm2。

圖4 不同用量土壤調理劑對水稻產量的影響

3 討論

土壤調理劑能夠有效調節土壤的理化性質，提升酸性土壤的pH，而土壤pH 影響著土壤中一系列化學反應，影響Cd 的形態變化、轉化、遷移與生物有效性。施一定量的土壤調理劑，土壤的pH 升高，土壤表面負電荷也隨之增加，并產生大量對Cd 吸附的點位，土壤對Cd 的專性吸附增強，使Cd 形成穩定性較強的狀態，不易被植物吸收［18］，pH 升高還有利于土壤中Cd 離子與-OH 相結合形成Cd（OH）2沉淀［19］，進而降低土壤有效Cd 的含量，并降低Cd 在土壤環境中的遷移能力。土壤調理劑能夠調節土壤環境pH，增加土壤pH，降低土壤有效Cd 的含量［20，21］。試驗采用不同用量土壤調理劑，使土壤pH 增加了0.21~0.80，土壤有效Cd 下降了11.89%～30.27%。一方面，由于土壤調理劑堿性較強，含有大量的堿性基團，適度提高酸性土壤pH，同時土壤調理劑含有大量的鈣鎂離子，這些離子與Cd 離子發生交換與吸附，導致重金屬Cd 離子被固定［20］；另一方面，由于土壤調理劑的比表面積相對較大，且具有大量特殊層狀結構的可交換性陽離子，這些特殊結構對重金屬Cd 離子具有較強的吸附作用［22］；此外，土壤調理劑中的部分硫酸根離子能夠與酸性土壤發生配位、交換、吸附等一系列反應，釋放出大量的OH-，提高土壤pH，降低土壤有效Cd 的含量［23］。

土壤調理劑能通過調節土壤pH 降低有效Cd 的含量，但過量的土壤調理劑可能會破壞土壤結構，降低土壤某些酶類的活性［24］。因此，需要明確土壤調理劑的施用量，以利于對土壤進行改良，降低施用土壤調理劑過量可能帶來的不良影響。研究表明，當土壤調理劑用量超過3 000 kg/hm2后，土壤調理劑用量的增加對土壤有效Cd 的降低效果不顯著。當土壤調理劑用量超過6 000 kg/hm2后，土壤有效Cd 的含量呈現隨土壤調理施用量增加而上升的趨勢。T2 土壤調理劑用量較少，且對土壤有效Cd 的降低效果較好，與對照組相比，pH 升高了7.78%，土壤有效Cd 降低了34.39%。有研究表明，施用土壤調理劑能夠有效降低土壤有效Cd 的含量［25］，與本研究結果相似。

土壤有效Cd 的含量是影響水稻對Cd 吸收的主要因素［26］。朱奇宏等［27］研究表明，糙米Cd 與土壤有效態Cd 呈顯著正相關。土壤調理劑能夠調節土壤pH，且具有大量交換性陽離子和較大的比表面積，促進土壤對Cd 離子的吸附，有效降低Cd 離子的活性與遷移能力。土壤調理劑中含有大量水稻生長所需的硅、鈣、鎂等元素，能夠促進水稻的生長，增強水稻的抗脅迫能力，降低水稻對Cd 的吸收與富集［20］。有研究表明，Cd 與Ca 在進入作物根表細胞時存在著競爭關系［28］，土壤中Ca 與Cd 離子競爭根細胞膜上的吸收位點，Ca 的增加使得作物對Cd 的吸收與累積量減少。本研究結果表明，稻米Cd 的含量隨土壤調理劑用量的增加，呈先減小后升高的趨勢，而水稻產量呈先增加后減少的趨勢。當施用量在4 500 kg/hm2以內時，水稻Cd 的含量隨施用量增加而降低，原因可能是土壤調理劑對土壤的理化性質的改善效果逐漸增強；隨土壤調理劑用量繼續增加，土壤稻米Cd 的含量呈升高趨勢，可能是由于高劑量的土壤調理劑對土壤養分循環、微生物的活性、生物酶的活性等方面產生了負面影響。

試驗中各處理稻米中Cd 的含量均滿足《食品安全國家標準食品中污染物限量》的要求（0.2 mg/kg），使用土壤調理劑使稻米Cd 含量降低了16.93%～38.62%，水稻產量增加了2.78%～6.37%，表明該土壤調理劑能夠有效降低稻米Cd 的含量，提升水稻的產量，對實際生產具有一定的意義。土壤調理劑對土壤結構、生物酶活性與鈍化效果隨時間的變化規律等因素的影響，還需進一步研究。在實際生產中，大劑量使用土壤調理劑會導致生產成本提高，不利于產品的推廣與使用，試驗所用土壤調理劑的市場價格為3 500 元/t，結合生產成本與使用效果綜合考慮，以T2 處理為較佳。

4 結論

1）土壤調理劑能夠有效改善酸性土壤的pH，降低土壤有效Cd 的含量，添加1 500～9 000 kg/hm2土壤調理劑，土壤pH 提高了0.21～0.80，且均與對照組差異顯著。

2）施用土壤調理劑后，土壤有效Cd 的含量減少了11.89%～30.27%，稻米Cd 含量降低了16.93%～38.62%，水稻產量增加了2.78%～6.37%，表明該土壤調理劑能夠有效降低土壤有效Cd 與稻米Cd 的含量，提升水稻的產量。

3）高用量的土壤調理劑對減少土壤有效Cd 與稻米Cd 含量可能會產生負面影響，因此，需要結合實際情況，綜合考慮生產成本與修復效果等因素，選擇合適的用量。