金城江區Cd污染水稻田修復技術模式研究

覃 帥，韓 磊，潘麗香，韋華艷，韋夢萍，韓冬梅，韋建赳，蘭加永，黃紹應

(1.河池市金城江區農業農村局，廣西河池 547000；2.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191)

2014年，環境保護部聯合國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國耕地土壤重金屬點位超標率為19.4%，其中，Cd的點位超標率高達7.0%[1]，為重金屬之首。作為我國的主要糧食作物，水稻對土壤Cd有較強的富集能力[2]，隨著工業化的發展，水稻土污染問題日趨嚴重，有研究表明，稻米是人體Cd攝入的主要來源[3]，曾發生在日本富山縣駭人聽聞的痛痛病，就是因為當地人攝入了Cd超標的稻米。不同水稻品種對重金屬的吸收富集能力存在差異，有研究表明，高積累水稻品種籽粒中Cd含量是低積累水稻品種的250倍[4]；陳德等[5]研究表明，常規稻品種籽粒中Cd含量相對較低,而雜交稻籽粒中Cd含量較高。因此，在重金屬Cd污染土壤上，合理選擇低積累水稻品種進行種植，是實現水稻安全生產的良好思路。

除了選用低積累水稻品種，還可以通過施用葉面阻隔劑、鈣鎂磷肥和合理灌排等農藝措施保證水稻的安全生產。研究表明，施用葉面阻隔劑既可以降低糙米中的Cd含量[6]，又可以實現適當增產[7-8]。葉面阻隔劑采用葉面噴施的方式，方法較為簡單，但是需要注意噴施時間、技術、用量等。酸性條件下，土壤Cd的有效性較強，從而導致作物對Cd的吸收富集增加，通過施加鈣鎂磷肥的方式可以有效增加土壤pH，降低土壤重金屬有效性，從而實現水稻安全生產。田間試驗發現，施用鈣鎂磷肥后，土壤pH增幅為10.5%～16.1%，并顯著降低了土壤有效鎘含量[9]。合理灌排是影響水稻品質的重要因素，土壤的氧化還原電位(Eh)與有效鎘含量呈極顯著正相關,淹水后土壤還原性增強，氧化還原電位顯著降低,土壤Cd的有效性也顯著降低[10]。陳江民等[11]研究表明，持續淹水顯著降低了2個水稻品種的土壤有效性Cd含量，但也有研究表明，全生育期淹水可以減少稻米Cd含量，但會降低水稻產量[12]。

為探究生產實踐中不同農藝措施對Cd污染水稻田的治理效果，該試驗選擇位于廣西河池市金城江區的Cd污染水稻田，采用種植低積累品種、施用葉面阻隔劑、優化施肥和水分調控4種處理，研究其修復效果和生產效益，以期為當地Cd污染土壤水稻的安全生產提供經驗與指導。

1 材料與方法

1.1 供試土壤廣西河池市金城江區有安全利用類耕地8 328.933 hm2(其中3.708 hm2屬于南丹縣)，面積占轄區內總耕地面積的36.00%；嚴格管控類耕地有3 960.071 hm2(其中3.374 hm2屬于南丹縣，19.037 hm2屬于宜州區)，占總耕地面積的17.12%，大部分地區土壤呈酸性。安全利用類耕地主要為Cd污染，部分為汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)單項污染及Cd-Hg、Cd-As、Cd-Pb、Cd-Cr、Hg-As復合污染，主要種植水稻和其他作物；嚴格管控類耕地也主要為Cd污染，部分為Hg、Pb、As單項污染及Cd-As、Cd-Pb復合污染，主要種植水稻和其他作物。項目區位于金城江區側嶺鄉拉合村，為安全利用類耕地，土壤pH在5.5～6.5，全鎘含量為0.8 mg/kg。

1.2 供試植物水稻具有較強的區域性特點，每個水稻品種都有其特定的適宜種植區，只能在其適宜種植區推廣，因此應當選擇適宜于特定目標種植區域的品種或材料作為篩選庫。通過對目標種植區域的品種進行篩選，篩選出來的水稻品種可以直接用于當地的生產應用。

推薦的水稻品種應同時滿足以下3方面條件：①已通過廣西水稻新品種審定，至今仍未退出市場；②適合在河池市稻作生態區種植推廣，綜合農藝性狀優良；③已在Cd超標稻田環境條件下進行種植篩選，試驗數據表明該品種具有Cd低富集表現。根據實施方案要求以及金城江區側嶺鄉拉合村的種植特點，選取野香優9號、野香優絲苗、泰優553低積累雜交水稻品種進行種植。

1.3 葉面阻隔劑對于土壤目標污染物為Cd的區域考慮使用含硅、硒及鋅等元素的葉面阻隔劑，并在水稻孕穗期至灌漿期進行水分調控。硅元素促進Cd元素在水稻根系中沉淀，硒可以減少Cd在水稻不同組織和部位之間的分配。不僅如此，硅和硒都有基因水平上的降鎘機制，即上位調節鎘毒相關基因的表達。因此，葉面阻隔劑的關鍵組分可以阻控稻谷Cd的積累與轉換。同時葉面阻隔劑中富含有機質、氮、磷、鉀、鋅等營養元素，為農作物提供養分，促進生長、提高品質、增加產量。既可以單獨葉面噴施，也可以與大多數農藥混合使用，還可以借助無人機或其他機械進行機噴。經多年實踐數據統計，水稻米平均降鎘超過30%。具體施用的葉面阻隔劑如表1。

表1 葉面阻隔劑施用明細

1.4 鈣鎂磷肥對于土壤目標污染物Cd平均值在大于0.4 mg/kg 的區域，可以考慮使用硅鈣鎂類土壤調理劑，施到土壤里不僅可以中和土壤酸性，降低土壤Cd的活性，還能增加土壤的礦質營養元素，再配施鈣鎂磷肥也可以進一步降低土壤中Cd的活性。

1.5 試驗設計側嶺鄉拉合村內設立4個田間試驗示范小區，示范面積33.333 hm2，項目區內水稻為一季中稻，4—5月育種插秧，8月中旬收割。4個處理(表2)分別為水稻低積累品種常規種植(T0)、低積累品種+葉面阻隔劑(T1)、低積累品種+優化施肥(T2)、低積累品種+水分調控(T3)，4個處理的具體實施方法如下：

表2 技術模式示范

1.5.1低積累品種常規種植(T0)。

(1)田間設計。共選擇13.333 hm2田塊，分別種植3種水稻，每種水稻進行4個重復，共設置12個分區。

(2)水稻品種。野香優9號、野香優絲苗、泰優553。

(3)田間管理。采用常規田間管理，但水、肥、藥等要統一。

1.5.2低積累品種+葉面阻隔劑(T1)。

(1)田間設計。在項目區域內選取4 塊地勢平坦、總面積0.667 hm2左右的田塊用于葉面阻控劑驗證試驗，每塊地分2組，分別噴施2個種類葉面阻隔劑。每個小區之間留出 30 cm 寬的間隔即可，不用田埂隔開。

(2)水稻品種。泰優553。

(3)葉面阻隔劑。選擇鎘無憂和降鎘靈2種葉面阻隔劑，在拔節孕穗期和乳熟灌漿期用人工噴施2次。

(4)田間管理。田間水分管理和施肥情況與當地管理的情況保持一致。

1.5.3低積累品種+優化施肥(T2)。

(1)田間設計。在項目區域內選取地勢平坦、每塊面積約為0.667 hm2的田塊用于低積累品種+鈣鎂磷肥示范區，進行4次重復試驗。每個小區之間要用田埂隔開。

(2)水稻品種。泰優553。

(3)田間管理。田間水分管理情況與當地管理的情況保持一致。

1.5.4低積累品種+水分調控(T3)。

(1)田間設計。在項目區域內選取4塊地勢平坦、每塊面積約為1.667 hm2的田塊用于低積累品種+淹水處理，進行4次重復試驗。每個小區之間要用田埂隔開。

(2)水稻品種。泰優553。

(3)田間管理。施肥情況與當地管理的情況保持一致。

1.6 樣品采集與指標測定水稻樣品檢測指標為Cd、Hg、As、Pb、Cr 5種重金屬，依據《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中農產品標準限量值進行重金屬評價。

定量(0.250 0 g)稱取水稻樣品于玻璃消解管中，加入10 mL 硝酸，放入電熱消解儀上消解，80 ℃消解1.5 h，120 ℃消解1.5 h，150 ℃消解2 h后，升溫至170 ℃趕酸至樣品剩余約1 mL，用1%硝酸分多次沖洗消解管至樣品完全移入25 mL 容量瓶，待冷卻至室溫后定容。樣品于4 ℃保存待測。用ICP-MS測定待測液中各元素含量。

取過100目篩的土壤0.250 0 g，加入10 mL硝酸、4 mL氫氟酸，靜置過夜，放入電熱消解儀消解，經過120 ℃消解3 h，150 ℃消解2 h后，升溫至170 ℃趕酸至樣品剩余1 mL，用1%硝酸分多次沖洗消解管至樣品完全移入25 mL容量瓶，待冷卻至室溫后定容。樣品于4 ℃保存待測。用ICP-MS測定待測液中各元素含量。

1.7 統計分析采用Excel 2007軟件進行數據統計以及圖表制作。

2 結果與分析

2.1 重金屬Cd修復效果分析

2.1.1低積累品種常規種植。從圖1可以看出，野香優9號、野香優絲苗、泰優553這3種水稻稻谷中Cd含量分別為0.111、0.090、0.135 mg/kg，3種水稻稻谷中重金屬Cd含量均低于國家限量值標準，且根據后續走訪調查，3種水稻的產量均是正常水平，沒有明顯的增高或者降低。

圖1 低積累品種常規種植示范區稻米Cd含量Fig.1 Cd content of rice in conventional planting demonstration area of low accumulation varieties

2.1.2低積累品種+葉面阻隔劑。從實施不同葉面阻隔劑后Cd含量(圖2)可以看出，噴施鎘無憂葉面阻隔劑和降鎘靈葉面阻隔劑均可阻擋稻谷對土壤中Cd的吸收，從而降低稻谷中Cd含量，但是噴施過鎘無憂葉面阻隔劑驗證區的稻谷還是有Cd超標的情況出現，而噴施降鎘靈葉面阻隔劑的稻谷中Cd含量均在0.2 mg/kg以下。噴施鎘無憂葉面阻隔劑的稻谷Cd的降低率為39.71%，噴施降鎘靈葉面阻隔劑的稻谷Cd的降低率為46.49%，說明在側嶺鄉拉合村的生態條件下，降鎘靈的降鎘率高于鎘無憂的降鎘率，因此，相比較而言，推薦施用降鎘靈葉面阻隔劑。

圖2 低積累品種+葉面阻隔劑驗證區稻米Cd含量Fig.2 Cd content of rice in the validation area of low-accumulation varieties+foliar resistance control agents

2.1.3低積累品種+優化施肥。試驗結果表明，單獨種植低積累水稻泰優553和種泰優553并且施用鈣鎂磷肥后稻米中的Cd含量均降低至0.150 mg/kg，但是低積累品種+優化施肥組合措施可使稻米中Cd含量降低至0.099 mg/kg。與未施用鈣鎂磷肥相比，施用鈣鎂磷肥后稻谷中Cd含量降低34.00%，降鎘效果更加明顯，但是由于施用鈣鎂磷肥(750 kg/hm2)成本較高(1 200元/hm2)，農戶不容易接受這種組合的技術措施，所以篩選出效果好但成本低的土壤調理劑任務比較艱巨。因此不推薦使用低積累品種+優化施肥組合措施。

2.1.4低積累品種+水分調控。試驗結果表明，采用種植泰優553并全生育期進行淹水處理措施后稻米中的Cd含量為0.143 mg/kg，低于國家限量值標準，并且低于單獨種植泰優553的Cd含量(0.335 mg/kg)，采取這種組合措施的稻谷中Cd的降低率為57.31%。由于側嶺鄉拉合村水源充足，灌溉方便，所以低積累品種+水分調控組合措施的降鎘效果很好，由于水分調控措施受到自然因素影響較大，因此在水源充足地區推薦采用低積累品種+水分調控組合措施進行耕地障礙的修復。

對比不同處理相對于泰優553低積累品種常規種植的降鎘率(圖3)發現，降鎘率排序為T3>T1>T2,即水分調控>葉面阻隔劑>優化施肥，生產實踐中應合理進行水分管理，適當淹水，以保證水稻的安全生產。

圖3 不同處理的降鎘率Fig.3 Cadmium reduction rate of different treatments

2.2 成本分析該項目主要涉及的示范技術包括低積累品種、葉面阻隔劑、鈣鎂磷肥和水分管理，其中，種植低積累水稻品種(T0)的成本為2 250元/hm2，低積累品種+葉面阻隔劑(T1)成本為1 500元/hm2，低積累品種+優化施肥(T2)成本為3 750元/hm2，低積累品種+水分調控(T3)成本為3 000元/hm2；T1處理成本最低，而T2處理成本最高。

2.3 產量分析從圖4可以看出，T0處理中3種低積累水稻品種的產量均是正常水平，沒有顯著變化。T1處理中稻谷噴施葉面阻隔劑后，產量沒有明顯變化，與低積累品種相比還略有上升。施用鈣鎂磷肥后的泰優553比單獨種植低積累水稻泰優553的產量高123.75 kg/hm2，可見施用鈣鎂磷肥促進了稻谷的結實。采用種植泰優553并全生育期進行淹水處理措施后稻谷產量有所下降，降低112.50 kg/hm2。可能是因為長期淹水處理后水稻更易感病，導致稻谷中結實率降低，從而導致產量下降。

圖4 不同處理稻谷產量Fig.4 Rice yield of different treatments

3 討論

農田土壤重金屬污染修復技術應遵循綠色可持續的理念，以消除土壤污染、恢復土壤基本功能、保障農作物正常生長和農產品質量安全為主要目標。根據農田土壤加密調查數據，項目區域屬于Cd單一污染。以成本低、綠色友好、操作簡單為標準，根據對不同修復技術的比較分析，從經濟、可行、安全、高效的角度出發，認為安全利用區可采用作物替代種植、農藝調控等技術進行整合，建立適用于安全利用區的生物聯合修復技術；該項目主要采取原位鈍化修復技術、葉面阻控、優化施肥、水分調控等單一技術或者聯合技術措施。

從水稻籽粒的結果分析可以看出，通過對水稻超標區實施低積累品種+葉面阻隔劑、低積累品種+優化施肥和低積累品種+水分調控等聯合技術措施，可以有效地降低水稻籽粒中的重金屬Cd含量。

當采用單一的低積累品種或者葉面阻隔劑來進行安全利用技術措施時，在不同的區域甚至田塊會出現不同的表現。通過低積累品種+優化施肥或低積累品種+水分調控集成技術可以進一步降低稻米中Cd含量。在集成技術措施實施時，無論是哪種技術，想要鎘降低率最大時還得考慮品種的影響以及不同技術措施對產量的影響。建議在技術措施實施前，要進行項目區背景值的調查和農產品的調查分析，以便確定最適合當地的技術。

從各個技術的應用效果分析，噴施葉面阻隔劑和優化施肥技術對于農田修復來說，見效快、易實施，但難以徹底去除重金屬，且存在一定的時效性。淹水可以有效減少水稻對鎘的富集，但是也會降低產量，實際生產時應綜合水肥管理，充分考慮各種因素的影響。

4 結論

該研究表明，在Cd污染輕中度區可采用低積累品種、葉面阻隔劑等單一修復技術，在水分條件充足的地方可采用低積累品種+水分調控的聯合修復技術，可實現在保證作物產量的同時降低作物中Cd含量。水分要求灌漿期必須淹水，葉面阻隔劑選用降鎘靈，種植過程中施用鈣鎂磷肥總體上來減少土壤中Cd向水稻籽粒的轉移。

對于Cd污染中重度區，可采用低積累品種+優化施肥的聯合修復技術，降低土壤Cd有效性，減少Cd向作物的轉移。低積累品種初步建議選取泰優553，土壤調理劑選擇含硅的中性調理劑，例如鈣鎂磷肥750 kg/hm2，選用土壤調理劑來降低土壤中Cd的活性。土壤調理劑具有改良土壤、增加土壤硅含量、抑制水稻吸收Cd的作用，此外還可實現水稻增產。但由于鈣鎂磷肥成本太高，除非Cd污染嚴重超標，否則不建議撒施鈣鎂磷肥。