農田鎘污染與安全利用修復治理試驗研究
——以江西某項目為例

王鐵劉云黃純輪文陽平張楠楠

(1.江西普瑞豐生態科技有限公司，江西 南昌 330001；2.江西農業大學，江西 南昌 330045)

引言

土壤是生態環境的重要組成部分，是人類賴以生存的主要自然資源之一，所有作物的種植都離不開土壤，土壤健康對于作物的安全及糧食安全都起到至關重要的作用[1]。然而，由于長期不規范的種植及人類生產活動的影響，土壤健康已經受到了嚴重的破壞[2]，2014年環境保護部和國土資源部發布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，通過2005年4月—2013年12月為期8a的普查得出，全國土壤總的點位超標率為16.1%，輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，其中鎘污染的超標極為嚴重，污染物點位超標率為7.0%[3]。農田鎘金屬的污染對我國的糧食安全生產造成了極大的影響[4]，2013年在湖南長沙株洲發生了震驚全國的“鎘大米”事件[5]，近百噸受污染鎘大米被銷毀；湖北、江西、廣西、貴州等地也是農田重金屬污染的重災區，每年都有大米因重金屬超標而被銷毀，使農民的財產受到嚴重影響，百姓的健康也受到極大威脅。項目所在的江西省每年因土壤重金屬污染而減產糧食80萬以上，直接被重金屬污染的糧食多達10萬t，已形成“毒大米”的“鎘米”區[6]。江西省農業環境監測站對全省優勢水稻區域土壤環境監測發現，全省Cd污染最嚴重，樣本超標率4.7%，最大超標64倍；全省Cu污染超標率4.2%，最大超標10倍；全省As污染超標率2.3%，最大超標4倍[7]。《全國土壤環境保護“十二五”規劃》和《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》已把江西省納入全國受重金屬污染最嚴重的防護試點區和重點區域[8，9]，大量學者已經進行了相關的理論及實驗研究[10-14]，但在廣泛的應用上仍缺少相關的數據，因此通過在項目中開展農田鎘金屬污染修復研究對開展大范圍的推廣修復具有極為重要的意義。

1 項目農田鎘污染與安全利用修復治理試驗方案

1.1 項目概況

研究區域位于江西省南昌市某區，介于E115°50′39″～115°58′50″，N28°40′15″～28°47′50″，屬亞熱帶季風氣候，其特點是四季分明，年平均氣溫17.5℃，1月平均氣溫5.0℃，極端最低氣溫-9.3℃；7月平均氣溫29.6℃，極端最高氣溫40.6℃，平均氣溫年較差24.6℃。該地有耕地總面積1002.2hm2，其中優先保護類面積258.8hm2；安全利用類面積733.9hm2，嚴格管控類面積9.5hm2，受污染耕地重金屬污染元素為鎘(Cd)，點位超標率為69.68%，土壤pH平均值為5.4，呈弱酸性。

2021年對研究區域受污染耕地安全利用地塊168.6hm2水稻種植區，采用噴施葉面阻控劑、撒施土壤調理劑和水分管理措施對受污染耕地進行修復，治理措施詳見表2。

表1 研究區域不同村組安全利用水田質量分類面積統計

表2 研究區域受污染耕地信息及治理措施

圖1 研究區域耕地環境質量類別分布圖

1.2 耕地安全利用試驗方案

在安全利用耕地主體采用成熟技術方案進行治理的同時，劃出1.8hm2稻田地進行探索性耕地安全利用修復，對比研究不同調理劑，不同田間管理方式或不同施肥方式對耕地安全利用治理修復效果的差異。分為不同調理劑、不同葉面阻控劑、不同中微量元素肥料、固定調理劑加不同葉面阻控劑、不同土壤調理劑撒施方式5個大組，共18個小區，詳細情況見表3。

表3 耕地安全利用試驗方案

1.3 取樣、檢測方法及評價方法

在收獲季節對水稻進行取樣，項目實施地塊按照2hm2/個布設采樣點，共計布設86個水稻監測點位，探索性耕地安全利用修復實驗地塊對每塊地區3個樣品，樣品檢測方法為《食品安全國家標準食品中鎘的測定》(GB 5009.15-2014)。整個過程設置平行和質控盲樣，確保檢測數據的質量。

農產品中目標污染物單因子污染指數算術平均值計算公式：

式中，E為所采集的農產品中目標污染物單因子污染指數算術平均值；n為治理效果評價點位數量，個；A為農產品中目標污染物的實測值，mg·kg-1；S為農產品中目標污染物的限量標準值，mg·kg-1。

農產品樣本超標率計算公式：

式中，R為農產品樣本超標率，%；N為農產品超標樣本總數，個；M為監測樣本總數，個。

表4 治理效果等級(NY/T 3343-2018)

2 結果與討論

2.1 水稻種植區污染物鎘治理效果評價

研究區域耕地土壤環境質量報告顯示，其土壤主要重金屬超標元素為鎘，其他4種汞、砷、鉛、鉻未超標，因此受污染耕地安全利用區水稻樣本檢測指標僅為鎘。根據水稻檢測報告結果顯示，鎘含量范圍為0.036～0.46mg·kg-1，平均值為0.112mg·kg-1，基于農產品中重金屬限量標準值計算結果，見表5，可以發現，某區受污染耕地安全利用區水稻樣本中Cd單因子污染指數均值(E平均)為0.558，小于1，且其評價點t檢驗結果均小于1，達到顯著性水平(α=0.05)；經安全利用治理后，86個水稻監測樣本中有4個樣本Cd超標，超標點位主要分布在上房村1個、滕州村1個、漁業村1個和熊萬村1個。水稻樣本達標率為95.3%，滿足評價目標水稻重金屬檢測達標率90%以上的要求。

表5 研究區域鎘污染區水稻采樣地點信息及Cd含量

表6 研究區域水稻中鎘元素含量參數統計表

2.2 耕地安全利用試驗效果評價

通過研究區域水稻檢測報告結果顯示，18個水稻樣本鎘含量均低于《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762-2017))限值0.2mg·kg-1標準。因此通過比較不同實驗方式水稻鎘降低率進行效果評價，具體將檢測結果與空白對照(2個空白樣本的平均值為0.15mg·kg-1)進行比較。不同的降鎘效果試驗方式效果比較如下。

2.2.1 施用不同土壤調理劑

從表7計算結果可以看出，水稻鎘的降低率排序為土壤調理劑1>土壤調理劑3>土壤調理劑2，最大降鎘率72.67%。說明土壤調理劑1對水稻的降鎘效果比較明顯。

表7 不同土壤調理劑降鎘效果統計表

2.2.2 施用不同葉面阻控劑

從表8計算結果可以看出，水稻鎘的降低率排序為葉面阻控劑1>葉面阻控劑2，最大降鎘率52%。說明葉面阻控劑1對水稻降鎘效果比較明顯。

表8 不同葉面阻控劑降鎘效果統計表

2.2.3 施用固定土壤調理劑與不同葉面阻控劑組合

從表9計算結果可以看出，水稻鎘的降低率排序為土壤調理劑1加葉面阻控劑1>土壤調理劑1加葉面阻控劑2；2種使用方式對水稻鎘的降低率均大于50%。說明施用土壤調理劑1加葉面阻控劑1為最優組合，對水稻的降鎘效果比較明顯。

表9 固定土壤調理劑與不同葉面阻控劑組合降鎘效果統計表

2.2.4 施用不同中微量元素肥料

從表10計算結果可以看出，當施用不同中微量元素肥料時，水稻鎘的降低率排序為鋅硼肥>鋅肥>硅肥；鋅硼肥對水稻鎘的降低率達到89.33%。說明施用鋅硼肥對水稻的降鎘效果比較明顯。

表10 不同中微量元素肥料降鎘效果統計表

2.2.5 土壤調理劑施撒用量及方式不同

從表11計算結果可以看出，當用不同質量土壤調理劑化水撒施時，水稻鎘的降低率排序為土壤調理劑200kg化水>100kg化水>50kg化水；當用不同質量土壤調理劑直接撒施，水稻鎘的降低率排序為土壤調理劑200kg正常>100kg正常；比較土壤調理劑不同撒施方式，土壤調理劑200kg化水>土壤調理劑200kg正常，降鎘率均大于50%。說明土壤調理劑用量達到200kg且化水撒施對水稻的降鎘效果比較明顯。

表11 土壤調理劑施撒方式不同降鎘效果統計表

通過比較小面積稻田示范區不同安全利用方式，各措施對水稻降鎘效果：對比撒施土壤調理劑用量和方式不同的措施中，土壤調理劑(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)用量200kg且化水撒施效果更佳；對比撒施不同中微量元素肥料中，微量元素鋅硼肥(Zn+B≥10%顆粒)效果更佳；對比使用不同葉面阻控劑的措施中，葉面阻控劑3(SiO2≥10%，粉劑，pH8～10)效果更佳；使用組合措施中，土壤調理劑1(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)加葉面阻控劑1(Si≥150g·L-1，水劑，pH10～12)效果更佳；對比使用不同土壤調理劑的措施中，土壤調理劑1(CaO≥40%，粉劑，pH8～10)效果更佳。

3 結語

依據耕地土壤5項重金屬污染風險篩選值(GB 15618-2018)及《耕地污染治理效果評價準則(NY/T 3343-2018)》進行計算，研究區域重金屬點位超標率為69.68%，其主要污染元素為Cd元素。

根據研究區域的污染情況，針對中度污染與輕度污染采用了不同的修復措施，對修復后種植水稻的田塊共取樣品86個，經檢測僅4個樣品超標，水稻樣品達標率為95.3%，遠高于當地所要求的安全利用率達到90%，證明通過治理修復使當地的Cd污染有了明顯的改善。

項目團隊同時進行了不同產品及不同使用方式的探索實驗，實驗結果表明，土壤調理劑1、鋅硼肥和葉面阻控劑1對水稻降鎘具有最好的效果，在單獨使用下對Cd的降低率分別達到了69.33%、72.67%和52.00%；其中土壤調理劑1如果采用化水的方式進行使用的話對Cd的降低率能夠達到80%，通過土壤調理劑1和葉面阻控劑1進行聯合使用，能使水稻中Cd的降低率達到91.33%，實現了對農田重金屬Cd污染較好的修復。

本項目在進行大面積修復的同時進行了探索實驗，對不同產品及用法進行了研究，為未來在相關農田污染修復的實踐打下較好的理論及實踐基礎，也為我國其它類似農田土壤重金屬污染修復提供一定參考。