一種新型降鎘增硒修復技術在鎘輕度污染區的應用效果研究

摘 要：洞庭湖區土壤為鎘輕度污染，同時存在硒富集，為富硒土壤。為降低洞庭湖區水稻鎘質量分數，提高水稻硒質量分數，生產富硒稻米，對“礦物改性復合鈍化—雙重阻隔—增值修復”技術進行試驗。該技術利用礦物改性復合鈍化劑2作為第一道防線，牢牢吸附土壤中的鎘；以水溶性硅肥作為第二道防線，阻止土壤中的鎘通過水稻根系進入稻谷中；利用生石灰調節土壤酸堿性，使土壤中的鎘活性降低，同時允許部分硒進入水稻根系被稻谷吸收，達到降鎘增硒目的。經過小區試驗及大田示范，發現將改性復合鈍化劑2、水溶性硅肥、石灰配合施用，對水稻降鎘增硒效果明顯，可作為一種新型降鎘增硒修復技術廣泛推廣應用。

關鍵詞：修復技術；降鎘增硒；應用效果；鎘輕度污染區

中圖分類號：S663.1 文獻標志碼：B 文章編號：1674-7909（2023）19-148-4

0 引言

洞庭湖區位于湖南省北部，地勢平坦開闊，氣候溫暖濕潤，土地肥沃，是湖南省重要的糧食產區，以種植水稻為主。2000年之前，因用受污染的湘江水灌溉，導致洞庭湖區農田大面積污染，特別是鎘污染較嚴重［1-2］。為了修復受污染的土壤，人們采用多種方法，常見的有機械修復（移除）、物理修復（電動修復）、化學修復（淋濾、沉淀、吸附、鈍化）、生物修復（植物、微生物作用）、綜合修復（低鎘農作物+化學+農藝）等方法［3-6］。這些方法在一定條件下能夠取得一定效果，但也存在一些問題，如有些方法成本高、效率低，或者固化時間短，在一定條件下重金屬會重新釋放出來，又或者操作復雜、環節多，難以大范圍推廣應用［7-8］。因此，探索一種成本低、效果好、操作簡便的鎘污染土壤修復技術是需要重點關注的問題。黏土礦物是一種成本低、吸附性能好的土壤鈍化劑［9］，但單一的黏土礦物在吸附重金屬元素方面會受到一定限制，特別是對于復合污染土壤中重金屬元素的吸附作用較弱，而且如果不對黏土礦物進行改性，其吸附性能也會有一定程度的減弱。目前，對黏土礦物改性通常采取高溫加熱法、酸化法、有機處理等方法［10］。這些方法雖然增強了黏土礦物的吸附性能，但成本也隨之增加，不利于推廣應用。

根據相關研究，一些高鎘區域往往伴有硒的富集。洞庭湖區土壤除了鎘污染外，也存在硒富集，是富硒土壤。硒是一種對人體有益的元素，具有增強免疫力和防治糖尿病、白內障、心腦血管疾病等功效。洞庭湖區主要種植的農作物為水稻，鎘污染土壤會導致稻米中鎘超標，顯然不利于洞庭湖區稻米產業發展。如果探索出一種新型降鎘增硒土壤修復技術，在降低稻米中鎘質量分數的同時，可增加稻米中硒質量分數，將對洞庭湖區稻米產業發展具有重要意義，鎘污染土壤修復水平也將提高到更高的層次。基于此，筆者以2022年承擔的湖南省生態環境廳“岳陽市湘陰縣重金屬污染耕地風險管控試點服務項目”為契機，針對洞庭湖區鎘污染土壤特點，汲取前期土壤修復中的經驗教訓，開發出一種以黏土礦物為主的改性復合鈍化劑2（GXFH-2），提出“礦物改性復合鈍化—二次阻隔—增值修復”技術，并對該套技術進行小區試驗及大田示范，驗證該修復技術的應用效果，為修復鎘污染土壤，實現稻米降鎘增硒目標提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區選擇在湖南省岳陽市湘陰縣愛民村，為洞庭湖濱湖平原區，土壤類型為河（湖）沖積型土壤，亞類屬潴育型水稻土。試驗前，筆者對試驗區土壤理化性質進行分析：土壤pH值為5.0～7.5，全氮質量分數為1.19～3.71 g/kg，全磷質量分數為0.50～0.90 g/kg，全鉀質量分數為18.70～22.40 g/kg，土壤肥力中等偏上；土壤硒質量分數為0.40～0.71 mg/kg，總體為富硒土壤；土壤鎘質量分數為0.50～1.50 mg/kg，有效鎘質量分數為0.23～0.70 mg/kg，按照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）判斷，試驗區土壤鎘污染為輕度污染。

1.2 “礦物改性復合鈍化—二次阻隔—增值修復”技術

1.2.1 礦物改性復合鈍化劑配制

1.2.1.1 黏土礦物選擇

根據以往對黏土礦物試驗效果及試驗區鎘污染狀況，主要選擇具2∶1型結構的黏土礦物，主要有蒙脫石、伊利石、沸石、硅藻土等。

1.2.1.2 礦物改性

采取細磨的方法，將單一黏土礦物細磨至-38～23 μm。研磨過細則可能會出現團聚體浮在水面，反而不利于土壤吸收。

1.2.1.3 礦物改性復合鈍化劑配制

將改性后的蒙脫石、伊利石、沸石、硅藻土按一定比例配制成礦物改性復合鈍化劑2（GXFH-2）。

1.2.2 二次阻隔技術

礦物改性復合鈍化劑是第一道防線。土壤中的鎘經過礦物改性復合鈍化劑吸附后，大部分被固定在土壤中，但仍會有少量通過水稻根系進入稻米中。為了阻止鎘進入稻米，需構筑第二道防線。構筑第二道防線采用的技術是在水稻抽穗前噴施水溶性硅肥（用SI表示）。水溶性硅肥中的二氧化硅會與鎘結合，生成無毒或低毒絡合物，阻止鎘通過稻稈進入稻米中［11］。

1.2.3 土壤酸堿性調節及降鎘增硒措施

土壤酸堿性是影響土壤中重金屬離子活性的重要因素。在堿性條件下，土壤中重金屬離子活性減弱，有效態鎘質量分數降低，有利于減少水稻對鎘的吸收。要使土壤呈堿性，最常用、最經濟的方法就是施用生石灰（用SH 表示）。施用適量的生石灰，可在保證土壤中鎘元素沉淀鈍化的同時，允許部分硒釋放出來被水稻吸收，從而達到稻米降鎘增硒的目的［12-15］。

1.3 試驗設計

為了便于比較，試驗設4個處理，分別記為CK、T₁、T₂、T₃，具體設計如表1所示。

GXFH-2施用具體操作：在水稻插秧前7～10 d施加，每667 m²施用量為150 kg，采用人工施撒方式，施后翻耕耙勻。

SH施用具體操作：在水稻插秧前7～10 d施加，每667 m²施用量為100 kg，可與GXFH-2同步施用。

SI施用具體操作：在水稻抽穗前噴施，每667 m²施用量為100 g，選擇在09：00前或16：00后噴施，雨天或大風情況下不宜噴施。

此次試驗中，小區試驗與大田示范同步進行，對同一地塊的早稻和晚稻均進行試驗，晚稻在早稻各處理基礎上采取與早稻相同的處理。

小區試驗：采用隨機區組設計，每處理為一個小區，每處理4次重復，共16個試驗小區，每小區面積為20.3 m²。小區間用田埂分隔，小區外設保護行。為保證各小區試驗效果，水稻先異地育秧再人工移栽至田中，并且統一移栽密度。早稻移栽時間為2022年4月下旬，移栽規格為16.7 cm×20.0 cm，早稻栽培品種為湘早秈24號（常規稻）；晚稻移栽時間為2022年7月中旬，移栽規格為20.0 cm×20.0 cm，晚稻栽培品種為耘兩優玖48雜交稻。

大田示范：每處理為一個試驗田塊，田塊間以田埂或溝渠自然分隔，每試驗田塊面積在0.1 hm²以上。早稻、晚稻播種方式均為撒播，早稻播種時間為2022年4月下旬，晚稻播種時間為2022年7月中旬，早稻、晚稻栽培品種均為湘早秈24號（常規稻）。

1.4 樣品采集與測定

待水稻成熟后，采集籽粒樣品。為保證樣品代表性，根據田塊形狀，采用五點梅花形或菱形多點取樣。將籽粒樣品曬干后進行脫粒、脫殼，然后用不銹鋼粉碎機粉碎，再取100 g樣品送化驗室分析。采用電感耦合等離子體原子發射光譜法測定樣品中鎘、硒質量分數，測定質量符合《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》（GB 5009.268—2016）要求。

2 試驗結果與分析

2.1 小區試驗結果與分析

由表2可知，在小區試驗中，T₁、T₂、T₃處理早稻鎘質量分數均小于CK，T3處理早稻鎘質量分數最小。這說明單獨施用GXFH-2有一定的降鎘效果，但降鎘效果較差；GXFH-2、SH配合施用降鎘效果略有提升；GXFH-2、SH、SI配合施用降鎘效果最好。

由表3可知，在小區試驗中，T₁、T₂、T₃處理晚稻鎘質量分數均小于CK，說明在早稻處理的基礎上，單獨施用GXFH-2或GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SH、SI配合施用均能降低晚稻鎘質量分數，但單獨施用GXFH-2降鎘效果較差，GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SH、SI配合施用降鎘效果較好。

由表4可知，在小區試驗中，各處理早稻硒質量分數為0.038～0.045 mg/kg，T₂、T₃處理早稻硒質量分數均大于CK，說明GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高早稻硒質量分數。

由表4可知，在小區試驗中，T₁、T₂、T₃處理晚稻硒質量分數均大于CK，其中T₃處理晚稻硒質量分數最大（0.093 mg/kg）。這說明在早稻處理的基礎上，GXFH-2、SH、SI配合施用可提高晚稻硒質量分數。

2.2 大田示范結果與分析

由表5可知，在大田示范中，T₁、T₂、T₃處理早稻鎘質量分數均小于CK。其中，T2、T3處理早稻鎘質量分數均小于稻米鎘質量分數安全限定值（0.2 mg/kg）。這說明GXFH-2、SH、SI配合施用可降低早稻鎘質量分數，且使早稻鎘質量分數達標，降鎘效果較好。

由表6可知，在大田示范中，T₁、T₂、T₃處理晚稻鎘質量分數均小于CK。其中，T₁、T₂處理晚稻鎘質量分數稍大于稻米鎘質量分數安全限定值（0.2 mg/kg），T3處理晚稻鎘質量分數小于稻米鎘質量分數安全限定值。這說明GXFH-2、SH、SI配合施用可降低晚稻鎘質量分數，且使晚稻鎘質量分數達標，降鎘效果較好。

由表7可知，在大田示范中，T₂、T₃處理早稻硒質量分數大于CK，說明GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高早稻硒質量分數；T₂、T₃處理晚稻硒質量分數大于CK，說明在早稻處理的基礎上，GXFH-2、SH配合施用或GXFH-2、SI、SH配合施用可以提高晚稻硒質量分數。

3 結論與討論

通過小區試驗和大田示范，發現在鎘輕度污染地區配合施用GXFH-2、SH、SI，可降低稻米鎘質量分數，同時提高稻米硒質量分數，使其成為富硒稻米。因此，建議廣泛推廣應用該土壤修復技術。

參考文獻：

［1］吳旭，任可愛，任雙春.湘陰縣耕地土壤環境狀況調查［J］.湖南農業科學，2005（3）：37-39.

［2］劉耀馳，高粟，李志光，等.湘江重金屬污染現狀、污染原因分析與對策探討［J］.環境保護科學，2010（4）：26-29.

［3］陳曉雪，鐘瀚濤，王琦，等.湖南省耕地重金屬污染“VIP+n”修復措施應用及研究進展［J］.現代農業科技，2019（6）：149-150.

［4］樊霆，葉文玲，陳海燕，等.農田土壤重金屬污染狀況及修復技術研究［J］.生態環境學報，2013（10）：1727-1736.

［5］崔俊義，馬友華，王陳絲絲，等.農田土壤鎘污染原位鈍化修復技術的研究進展［J］.中國農學通報，2017（30）：79-83.

［6］趙侗燁，陳旭，俞周龍，等.基于礦物微膠囊的鎘高背景區農田土壤修復［J］.浙江農業科學，2020（2）：317-320.

［7］方振東.電動力學修復重金屬銅鎘復合污染土壤的研究［D］.合肥：合肥工業大學，2014.

［8］譚蒙.化學淋洗聯合植物修復處理重金屬污染土壤研究［D］.廣州：華南農業大學，2016.

［9］陳功宇.礦物質鈍化劑對重金屬污染紅壤的修復效應及機理研究［D］.廣州：華南理工大學，2017.

［10］朱潤良，曾淳，周青，等.改性蒙脫石及其污染控制研究進展［J］.礦物巖石地球化學通報，2017（5）：697-705.

［11］吳金富，宋照銀，吳傳海，等.水溶性硅肥在水稻上的施用效果［J］.現代農業科技，2011（24）：301-302.

［12］楊福林，高菲，程文旭.土壤-植物系統中硒與鎘交互作用研究進展［J］.安徽農學通報，2021（8）：136-138.

［13］王新，梁仁祿，周啟星.Cd-Pb復合污染在土壤-水稻系統中生態效應的研究［J］.農村生態環境，2001（2）：41-44.

［14］鄭春榮，陳懷滿.土壤-水稻體系中污染重金屬的遷移及其對水稻的影響［J］.環境科學學報，1990（2）：145-152.

［15］李元，祖艷群.重金屬污染生態與生態修復［M］.北京：科學出版社，2016.