?石灰質復合調理劑對中堿性鎘污染稻田的修復效果

引用格式：何運祥. 石灰質復合調理劑對中堿性鎘污染稻田的修復效果[J]. 湖南農業科學，2024（6）：52-56.

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2024.006.011

收稿日期：2024-02-28

基金項目：國家重點研發計劃課題（2023YFD1700102）；國家自然科學基金（42077374）

作者簡介：何運祥（1965—），男，湖南澧縣人，高級農藝師，主要從事土壤肥料等農業技術推廣、農業項目管理等工作。

摘要：為探究石灰質材料（生石灰和石灰石粉）與枯餅肥、海泡石復配對中堿性鎘污染稻田的修復效果，通過田間小區試驗，研究了石灰質復合材料與枯餅肥、海泡石的不同組配方式對土壤pH值、有效態鎘含量及糙米鎘含量的影響，并進行效益分析。結果表明：石灰質復合調理劑主要是通過提升土壤酸堿度，降低土壤有效態鎘含量，從而降低水稻對鎘的吸收積累。石灰質復合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）3 600 kg/hm2合理搭配枯餅肥、海泡石的復合調理劑，可顯著提高土壤pH值0.47～0.67個單位，顯著降低土壤有效態鎘含量34.71%～44.94%，顯著降低糙米鎘含量39.60%～53.47%，且其作用效果隨調理劑用量的增加而提高。復合調理劑還具有顯著的增產效果，增產幅度達1.75%～10.59%，其增產效果主要受枯餅肥用量的影響。成本效益分析結果表明，降鎘1%新增成本隨糙米降鎘率呈先下降后上升的趨勢，但糙米降鎘率與修復成本呈報酬遞減規律。綜合考慮糙米降鎘效果和成本，生石灰（1 200 kg/hm2）+石灰石粉（2 400 kg/hm2）+海泡石（1 500 kg/hm2）可推薦為最佳復合調理劑。

關鍵詞： 石灰質材料；枯餅肥；海泡石；復合調理劑；鎘；重金屬

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2024）06-0052-05

Composite Calcareous Conditioners Remediate the Alkaline Paddy Soil Contaminated by Cadmium

HE Yun-xiang

（Lixian County Bureau of Agriculture and Rural Affairs， Lixian 415500， PRC）

Abstract：Calcareous materials （quicklime and limestone powder） were mixed with seed meal and sepiolite at different ratios to prepare composite calcareous conditioners， which were then used to remediate the alkaline paddy soil contaminated by cadmium. Field plot experiments were conducted to study the effects of the composite calcareous conditioners on soil pH， available cadmium content in soil， and cadmium content in brown rice. Furthermore， the cost and benefit of cadmium reduction were analyzed. The results showed that composite calcareous conditioners reduced the content of available cadmium in soil by increasing soil pH， thus reducing the absorption and accumulation of cadmium in rice. The calcareous materials （quicklime ： limestone powder=1∶2） applied at 3 600 kg/hm2 with seed meal and sepiolite increased the soil pH by 0.47-0.67， reduced the soil available cadmium by 34.71%-44.94%， and decreased the cadmium content in brown rice by 39.60%-53.47%. Moreover， the effects enhanced with the increase in the application rate. Furthermore， the composite calcareous conditioners increased the rice yield by 1.75%-10.59%， and the yield-increasing effect was affected by the amount of seed meal. The results of cost-benefit analysis showed that the cost for 1% reduction of cadmium in brown rice first decreased and then increased with the increase of the cadmium reduction rate in brown rice. The benefit decreased as the cadmium reduction rate in brown rice and the remediation cost increased. Considering the effect and cost of cadmium reduction in brown rice， the optimal formula of the composite calcareous conditioner was recommended as quicklime （1 200 kg/hm2） + limestone powder （2 400 kg/hm2） + sepiolite （1 500 kg/hm2）.

Key words： calcareous material; seed meal; sepiolite; composite conditioner; cadmium; heavy metal

隨著我國的工業化進程的加快，環境問題日益凸顯，土壤重金屬污染進一步加劇。據報道，全國土壤污染點位超標率為16.1%，其中鎘污染點位超標率高達7.0%，且主要分布在我國南方稻區[1]。水稻作為全國60%人口的主要糧食作物，具有高鎘累積的特征[2]。根據農業部統計顯示，我國稻米鎘含量是小麥和其他谷物的3～8倍[3]，部分地區稻米鎘超標率高達10.0%[4]，嚴重威脅我國稻米糧食質量安全。因此，采取安全有效的稻田降鎘措施對稻米安全生產具有重要的現實意義。

原位鈍化被認為是最簡捷高效的土壤修復手段，其主要機理是通過降低重金屬在土壤中的遷移轉化，從而降低重金屬的生物有效性[5]。石灰、海泡石、有機肥等均是土壤鎘污染治理的常用物料[6-7]，石灰可通過提高土壤pH值，降低土壤有效態鎘含量，減少水稻對鎘的吸收，但長期施用會破壞土體團粒結構，造成土壤板結[8]；施用有機肥則可提升土壤有機質含量，增加土壤庫容，改變土壤鎘的賦存形態，減少水稻對鎘的積累[9]；增施海泡石等硅基調理劑則可促進硅鎘沉淀，顯著降低土壤鎘的生物有效性[10]。

近年來，將多種修復物料按一定比例進行互配，尤其是有機、無機材料的組合互配可實現優勢互補，顯著提升修復效率[11-13]，但應用于中堿性土壤的鎘污染稻田修復治理報道較少[14-15]。為此，筆者針對澧縣典型的中堿性鎘污染稻田，在優選出石灰質復合材料配方的基礎上，進一步通過石灰質復合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）與海泡石、枯餅肥進行組配，研究其對土壤pH值、有效態鎘含量、糙米鎘含量和水稻產量的影響，并分析其經濟效益，以期為同類型鎘污染稻田的安全利用提供經驗參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

田間試驗位于湖南省澧縣安全利用區的某中性鎘污染稻田，其土壤類型為河流沖積母質發育的河潮泥，基本理化性質為pH值6.76、有機質22.8 g/kg、

全氮1.64 g/kg、堿解氮121.3 mg/kg、速效磷32.4 mg/kg和速效鉀102.6 mg/kg，土壤總鎘含量0.79 mg/kg，有效態鎘0.25 mg/kg。供試水稻品種為天優華占，試驗用生石灰（CaO≥80%）、石灰石粉（CaCO3≥90%）、枯餅肥（有機質≥50%）、海泡石（SiO2≥30%）。

1.2 試驗設計

試驗以常規施肥為對照，設石灰質復合材料（生石灰∶石灰石粉=1∶2）與枯餅肥和海泡石的8個配方，共9個處理，每個處理3次重復，隨機區組排列小區面積30 m2，具體配方及用量見表1。

水稻移栽前1周按照配方設置分別施入生石灰、石灰石粉、枯餅肥和海泡石，并旋耕均勻。水稻移栽前1 d按750.0 kg/hm2施入15–15–15史丹利牌復合肥作基肥，移栽后14 d追施洞庭牌尿素112.5 kg/hm2。

其他耕作管理措施與當地常規種植方式保持一致。

2023年6月12日移栽水稻秧苗；2023年9月23日收獲水稻，并實地測產。

供試材料成本為生石灰450元/t，石灰石粉200元/t，枯餅肥2 000元/t，海泡石600元/t；撒施成本按0.02元/kg計算。

1.3 樣品采集與處理

水稻成熟期各小區采集長勢均勻的水稻6株，脫粒后的稻谷于105℃下殺青30 min，70℃烘干至恒重。稻谷樣品使用小型礱谷機脫殼制成糙米，用不銹鋼粉碎機（FW–80，北京市永光明醫療儀器有限公司）粉碎后裝袋備用。

水稻成熟期采集各小區耕層（0～20 cm）土壤樣品，剔除雜物后混合均勻，樣品室內自然風干后過20目尼龍篩，保存至封口袋中備用。

1.4 測定指標及方法

土壤pH值采用pH計（pHs–3C，上海雷茲）測定，土水比為1∶2.5（m∶V）；有機質采用重鉻酸鉀容量–外加熱法測定；堿解氮采用擴散法測定；全氮采用凱氏定氮儀測定；速效磷采用NaHCO3浸提–鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度法測定[16]。土壤有效態鎘采用DTPA法提取，土水比1∶2.5（m∶V），180 r/min條件下振蕩2 h后過濾；土壤全鎘采用王水–高氯酸消解法消解后定容過濾，用電感耦合等離子光譜儀（ICP–OES–5110，美國安捷倫）測定濾液中鎘含量。

糙米鎘含量采用混合酸溶液（HNO3–H2O2，體積比8∶1）微波消解法消解，消解液定容過濾后用ICP–OES–5110（美國安捷倫）測定濾液中鎘含量。

1.5 數據處理與分析

每公頃新增成本（元/hm2）＝材料成本+撒施成本；每降鎘1%新增成本（元）＝每公頃新增成本/糙米鎘降低率。

用Excel 2016軟件進行試驗數據處理和作圖；數據分析基于SPSS 26.0方差分析法（ANOVA）和LSD法（P＜0.05）進行顯著性差異分析，線性回歸法進行指標相關性分析，每個圖形值代表平均值±

標準差。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值變化

由圖1可知，水稻成熟期對照處理（T1）的土壤pH值為6.73。與T1相比，其余8個配方處理的土壤pH值提高了0.47～0.67個單位，皆達到顯著差異水平；而石灰質復合材料與海泡石（T2）、枯餅肥（T5）及其組合處理間的pH值皆無顯著差異。可見，石灰質復合材料與海泡石、枯餅的復合調理劑皆可顯著提升土壤酸堿度，但增施海泡石、枯餅肥對土壤pH值無顯著影響。

2.2 土壤有效態鎘含量變化

由圖2可知，水稻成熟期對照處理（T1）的土壤有效態鎘含量為0.25 mg/kg。與T1相比，其余8個配方處理的土壤有效態鎘含量降低了34.71%～44.94%，皆達到顯著差異水平；而石灰質復合材料與海泡石（T2）、枯餅肥（T5）及其組合處理間的土壤有效態鎘含量皆無明顯差異。可見，石灰質復合材料與海泡石、枯餅的復合調理劑皆可顯著降低土壤有效態鎘含量，但增施海泡石、枯餅肥皆對土壤有效態鎘含量無顯著影響。

2.3 稻谷產量與糙米鎘含量變化

由圖3可知，水稻成熟期對照處理（T1）的稻谷產量8.55 t/hm2。與T1相比，所有處理皆有增產效果，增產幅度在1.75%～10.59%之間。其中，除施用枯餅肥量較低的處理（T2、T3、T4）外，其余處理皆增產顯著，表明在試驗條件下增施枯餅肥750 kg/hm2及以上可顯著增加稻谷產量，而增施海泡石對水稻產量的影響不明顯。

由圖4可知，糙米鎘含量的變化，與土壤有效態鎘含量的變化基本一致，除T1及T3處理外，其余處理的糙米鎘含量均低于國家食品安全限值（0.2 mg/kg）。與T1相比，其余8個處理的糙米鎘含量降低了39.60%～53.47%，皆達到顯著差異水平；由圖5可知，且隨復合材料施用量的增加，糙米降鎘效果有增加趨勢（y = 4.58 x + 22.98，R2 = 0.59）；糙米降鎘率與枯餅肥施用量也呈顯著的正相關（y = 9.83 x -

41.83，R2 = 0.55），但糙米降鎘率與海泡石用量相關性不明顯。可見，在施用石灰質復合材料條件下，增加枯餅肥、或者枯餅肥與海泡石的總用量，可進一步提升糙米降鎘效果，并實現糙米鎘含量降低至0.2 mg/kg以下。

2.4 糙米鎘含量與土壤有效態鎘含量及土壤pH值間的關系

分析糙米鎘含量與土壤有效態鎘含量及土壤pH值之間的關系（圖6）表明，糙米鎘含量與成熟期土壤pH值呈顯著負相關，與土壤有效態鎘含量呈顯著正相關，表明施用石灰質復合材料與枯餅肥、海泡石復配主要是通過提升土壤酸堿度，降低土壤有效態鎘含量，從而提升糙米降鎘效果。

2.5 糙米降鎘成本分析

由圖7可知，糙米降鎘率與修復產品施用成本呈正相關（y = 0.013 9x + 20.744，R2 = 0.949 8），表明增加修復產品施用量，糙米降鎘效果增強，但修復成本也會顯著增加。T2～T9處理糙米降鎘率與降鎘1%新增成本之間呈二次曲線關系（R2 =0.98），降鎘1%新增成本與糙米降鎘率呈先下降后上升趨勢，降鎘1%新增成本在46.37～80.32元/hm2；其中，T2降鎘1%新增成本最低，僅46.37元/hm2，為最經濟的處理。整體上，糙米降鎘率與降鎘1%新增成本呈顯著正相關，表明增加修復產品施用量，糙米降鎘效果也隨之增強，但修復效果呈報酬遞減

規律。

3 討論與結論

土壤有效態鎘受多種因素共同制約，其中土壤酸堿度是最重要的控制因子，調控著重金屬離子在土壤–溶液界面的動態平衡[17]。隨著pH值升高，土壤膠體表面負電荷點位逐漸增多，土壤對重金屬的專性吸附能力增強；此外土壤酸堿度提升有利于鐵、錳羥基化合物形成，為重金屬提供更多羥基吸附點位[18-19]。提升土壤酸堿度降低土壤鎘的生物有效性是修復酸性鎘污染稻田最常用的方法，但在中堿性鎘污染土壤中，大部分集中在鈣鎂磷肥、椰殼生物炭、油菜秸稈生物炭、腐殖酸等形成的有機–無機復合調理劑對鎘的鈍化效果研究，基于石灰質材料的研究相對較少[15]。因此，筆者在前期研究探明生石灰∶石灰石粉=1∶2時修復效果較好的基礎上，通過該石灰質復合材料與枯餅肥、海泡石進行復配，以期探明石灰質材料及其與枯餅肥、海泡石復配在中堿性鎘污染稻田的修復效果。研究結果表明，復合調理劑處理的土壤pH值提高了0.47～0.67個單位，土壤有效態鎘含量降低了34.71%～44.94%，稻米鎘含量也降低了39.60%～53.47%，皆達顯著差異水平；而復配枯餅肥、海泡石對土壤pH值、土壤有效態鎘含量的影響不明顯，但隨枯餅肥、海泡石施用比例及施用量的增加，降低稻米鎘含量的效果增加，但隨復合調理劑施用量的增加，其修復效果呈報酬遞減規律。

石灰類物質、有機肥和海泡石中分別含有水稻生長所需的鈣、鎂、鋅、硅等礦質元素，能夠促進水稻生長，增強水稻抗逆能力[20]。適量施用石灰類物質、有機肥和海泡石能夠促進土壤養分循環、提高微生物活性和生物酶活性等，加速土壤養分在土壤中的遷移，增加水稻對養分元素的吸收等[21-22]。研究結果也表明，隨復合調理劑的施用，稻谷產量也增加了1.75%～10.59%，尤其是增施枯餅肥750 kg/hm2及

以上時，水稻增產效果明顯。可見，根據項目降鎘效果及成本效應，T2處理為最優處理，低于食品安全國家標準要求，在此基礎上適當增加枯餅肥用量，還可進一步降低糙米鎘含量的同時增加稻谷產量。

通過田間小區試驗，探究了石灰質復合材料與枯餅肥、海泡石復配在中堿性鎘污染稻田中的應用效果，結果表明復合調理劑可顯著提升土壤酸堿度，降低土壤有效態鎘含量，并顯著降低糙米鎘含量，還具有一定的增產效果。綜合糙米降鎘效果和成本效應，優選出了適合中堿性鎘污染稻田的最佳配方，即：

生石灰（1 200 kg/hm2）+石灰石粉（2 400 kg/hm2）+

海泡石（1 500 kg/hm2）組配施用的效果最佳。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國環境保護部. 全國土壤污染狀況調查公報[R]. 北京：中華人民共和國環境保護部，2014.

[2] IRSHAD M K，NOMAN A，ALHAITHLOUL H A S，et al. Goethite–modified biochar ameliorates the growth of rice（Oryza sativa L.）plants by suppressing Cd and As–induced oxidative stress in Cd and As co–contaminated paddy soil[J]. The Science of the Total Environment，2020，717：137086.

[3] SONG Y，WANG Y，MAO W F，et al. Dietary cadmium exposure assessment among the Chinese population[J]. PLoS One，2017，12（5）：e0177978.

[4] 彭鷗，鐵柏清，葉長城，等. 稻米鎘關鍵積累時期研究[J]. 農業資源與環境學報，2017，34（3）：272-279.

[5] 胡艷美，王旭軍，黨秀麗. 改良劑對農田土壤重金屬鎘修復的研究進展[J]. 江蘇農業科學，2020，48（6）：17-23.

[6] 張長波，羅啟仕，付融冰，等. 污染土壤的固化/穩定化處理技術研究進展[J]. 土壤，2009，41（1）：8-15.

[7] 冉洪珍，郭朝暉，肖細元，等. 改良劑連續施用對農田水稻Cd吸收的影響[J]. 中國環境科學，2019，39（3）：1117-1123.

[8] 朱奇宏，黃道友，劉國勝，等. 改良劑對鎘污染酸性水稻土的修復

效應與機理研究[J]. 中國生態農業學報，2010，18（4）：847-851.

[9] LI B，ZHU Q H，ZHANG Q，et al. Cadmium and arsenic availability in soil under submerged incubation：The influence of humic substances on iron speciation[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，2021，225：112773.

[10] 孫迪，陳燦，龔意輝，等. 海泡石在農產品及水體重金屬污染修復中的研究進展[J]. 生命科學研究，2024，28（1）：83-94.

[11] ZHOU H，ZHOU X，ZENG M，et al. Effects of combined amendments on heavy metal accumulation in rice（Oryza sativa L.）

planted on contaminated paddy soil[J]. Ecotoxicology and Envir-

onmental Safety，2014，101：226-232.

[12] 朱維，周航，吳玉俊，等. 組配改良劑對稻田土壤中鎘鉛形態及糙米中鎘鉛累積的影響[J]. 環境科學學報，2015，35（11）：3688-3694.

[13] 吳烈善，曾東梅，莫小榮，等. 不同鈍化劑對重金屬污染土壤穩定化效應的研究[J]. 環境科學，2015，36（1）：309-313.

[14] 王超，高珊，孫濤，等. 生物炭復配海泡石鈍化修復弱堿性鎘污染土壤[J]. 環境科學學報，2024，44（2）：365-374.

[15] 解曉露，袁毳，朱曉龍，等. 中堿性鎘污染農田原位鈍化修復材料研究進展[J]. 土壤通報，2018，49（5）：1254-1260.

[16] 鮑士旦. 土壤農化分析 3版[M]. 北京：中國農業出版社，2000.

[17] HOODA P S，ALLOWAY B J. Cadmium and lead sorption behaviour of selected English and Indian soils[J]. Geoderma，1998，84（1/2/3）：121-134.

[18] 周航，周歆，曾敏，等. 2種組配改良劑對稻田土壤重金屬有效性的效果[J]. 中國環境科學，2014，34（2）：437-444.

[19] 文炯，李祖勝，許望龍，等. 生石灰和鈣鎂磷肥對晚稻生長及稻米

鎘含量的影響[J]. 農業環境科學學報，2019，38（11）：2496-2502.

[20] 李心，林大松，劉巖，等. 不同土壤調理劑對鎘污染水稻田控鎘效應研究[J]. 農業環境科學學報，2018，37（7）：1511-1520.

[21] 李江遐，關強，黃伏森，等. 不同改良劑對礦區土壤重金屬有效性

及土壤酶活性的影響[J]. 水土保持學報，2014，28（6）：211-215.

[22] 鐘俊杰，李曉鏡，尹澤潤，等. 紫泥田水稻土細菌群落對不同農藝調控措施的響應[J]. 農業環境科學學報，2022，41（2）：367-374.

（責任編輯：肖彥資）