土壤調理劑對重度鎘污染土壤改良及農作物吸收累積鎘的影響

汪丹 周偉 張陽陽 王夢園

摘要 [目的]研究土壤調理劑對重度鎘污染土壤改良及農作物吸收累積鎘的影響。[方法]利用恩施富硒高鎘地區表層土壤作為盆栽供試土壤，以辣椒為供試作物，通過開展盆栽試驗，研究9種土壤調理劑對辣椒生長、吸收積累鎘以及土壤中鎘形態變化的影響。[結果]土壤調理劑的施用能明顯降低辣椒果實中鎘含量，降幅76.35%～90.27%，總體以T土壤調理劑（12.99%小麥秸稈生物炭+6.49%過磷酸鈣+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%貝殼粉）效果最佳。添加生物炭比菜籽粕試驗組提升土壤pH效果更好；土壤調理劑的施用能顯著降低可交換態和碳酸鹽結合態鎘含量，且可以促使鎘向農作物不可利用的鐵錳結合態以及殘渣態轉變，同時提高了植物葉片的光合速率，促進了植株的生長。辣椒果實鎘含量與土壤中鎘相關關系表明，辣椒在吸收土壤中水溶態鎘的同時，也會對碳酸鹽結合態鎘進行吸收。[結論]在恩施富硒高鎘地區施用“12.99%小麥秸稈生物炭+6.49%過磷酸鈣+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%貝殼粉”組合的調理劑可有效降低農作物對鎘的吸收。高鎘地區進行農作物安全種植不僅要降低能被植物直接利用的水溶態和離子交換態鎘活性，還需降低具有潛在風險的碳酸鹽結合態鎘含量。

關鍵詞 鎘；土壤調理劑；土壤改良；辣椒；吸收累積

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）02-0073-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.015

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Soil Conditioners on the Improvement of Heavily Cadmium Polluted Soil and the Absorption and Accumulation of Cadmium by Crops

WANG Dan，ZHOU Wei，ZHANG Yang-yang et al

（1.Hubei Institute of Geosciences （Hubei Selenium Industrial Research Institute），Wuhan，Hubei 430034; 2.Hubei Test Center of Selenium Ecological Environment Effects，Wuhan，Hubei 430034）

Abstract [Objective]To study the effects of soil conditioners on the improvement of heavily cadmium contaminated soil and the absorption and accumulation of cadmium by crops.[Method]The surface soil of Enshi area rich in selenium and high cadmium was used as the pot experiment soil，and pepper was used as the test crop.Through pot experiment，the effects of nine soil conditioners on the growth，absorption and accumulation of cadmium in pepper，as well as the change of cadmium morphology in soil were studied.[Result]The application of soil conditioners could significantly reduce the content of cadmium in pepper fruits by 76.35%-90.27%，and T4 soil conditioner （12.99% wheat straw biochar +6.49% superphosphate +64.94% attapulgite +2.60% silicon fertilizer +12.99% shell powder） had the best effect overall.Compared with rapeseed dregs，biochar in experimental group had a significant effect on soil pH.The application of soil conditioner could significantly reduce the content of exchangeable and carbonate-bound cadmium，and promote the conversion of cadmium to the unusable iron-manganese binding state and residue state，and increase the photosynthetic rate of plant leaves and promote plant growth.The correlation between the content of cadmium in pepper fruit and cadmium in soil indicated that pepper could absorb both water-soluble cadmium and carbonate-bound cadmium in soil.[Conclusion]The combination of "12.99% wheat straw biochar +6.49% superphosphate +64.94% attapulgite +2.60% silicon fertilizer +12.99% shell powder" can effectively reduce the uptake of cadmium by crops in selenium-rich and cadmium-high areas of Enshi.The safe planting of crops in high cadmium area should not only reduce the activities of water-soluble and ion-exchange cadmium，which can be directly used by plants，but also reduce the content of carbonate-bound cadmium，which has potential risks.

Key words Cadmium;Soil conditioner;Soil improvement;Peppers;Absorption accumulation

基金項目 湖北省地質局科技項目（KJ2019-11，KJ2021-21，MSDZ202215）。

作者簡介 汪丹（1990—），女，湖北黃岡人，工程師，碩士，從事農業地質、富硒產業研究。*通信作者，工程師，碩士，從事農業地質、富硒產業研究。

收稿日期 2023-02-27

鎘是一種毒性較強的重金屬元素，易被動植物吸收富集而產生危害。重金屬高背景地區的污染相比于人為污染，往往污染面積更大，由于巖層重金屬含量高，污染頑固且難以治理，嚴重影響著當地人民群眾的身體健康。湖北省恩施土家族苗族自治州被譽為“世界硒都”，硒資源優勢顯著，開發利用前景廣闊。有研究發現恩施地區表層土壤中硒、鎘呈伴生關系，高硒高鎘土壤區占恩施州土地面積的45.14%，面積約10 878.74 km。此現象嚴重制約了恩施州富硒產業的發展，如何合理利用富硒區域土地資源發展綠色富硒產業，對提高恩施州農產品質量安全和附加值、促進農民增收具有十分重大的意義。

目前土壤中鎘的鈍化通常采用原位化學固定技術，它具有高效、經濟的特點，可在不影響正常農業生產的情況下抑制鎘生物毒性，具有較好的應用前景。目前，石灰、黏土礦物、生物炭等鈍化材料均已被證明能有效降低土壤中鎘的有效性，抑制植物對鎘的吸收。Zhang等研究發現采用石灰修復鎘污染土壤，能有效降低稻谷中的鎘濃度。Liu等研究發現施用納米羥基磷灰石及其組合材料，能有效降低土壤中鎘的有效性，進而降低馬鈴薯塊莖對鎘的富集。Sun等研究發現向土壤中添加海泡石、膨潤土和磷酸鹽的單一或復合材料能有效降低土壤中鎘的有效性，進而降低水稻根、莖、葉、糙米及稻殼中的鎘濃度。Lu等研究發現施用生物質碳材料能改變土壤中重金屬的形態，降低在重金屬污染土壤中的遷移率和生物利用度。針對恩施州富硒土壤鎘背景值高的特點，降低土壤中鎘的有效性，從而生產出安全的農產品，是目前恩施州富硒地區急需解決的問題。我國辣椒種植面積居蔬菜作物第2位，辣椒作為人們喜食的蔬菜之一，具有較強的吸收和富集鎘的能力。該研究以生物炭、黏土礦物、磷肥、硅鈣材料等為原料制備土壤調理劑，通過開展辣椒盆栽試驗，分析9種土壤調理劑對恩施富硒高鎘土壤pH、鎘的有效態，以及辣椒果實和植株中鎘含量的影響，為解決我國鎘污染土壤可持續利用、農產品安全生產和保障人體健康提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

恩施市新塘鄉麻柳洞村富硒高鎘地區表層耕作土壤（0～20 cm），去除雜物后風干，過2 mm尼龍篩。該地區二疊系地層出露廣泛，土壤類型為黃棕壤。土壤pH呈弱堿性，為7.81，鎘含量達到23.30 mg/kg，有效鎘含量達到12.50 mg/kg，遠超過國家標準《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018），供試土壤有機質含量為27.10 g/kg，堿解氮含量為247.00 mg/kg，有效磷含量為23.40 mg/kg，速效鉀含量為136.00 mg/kg，陽離子交換量為18.4 cmol/kg。供試辣椒品種為香辣天下尖椒F1。

9種土壤調理劑由有機質（菜籽粕）、生物炭（小麥秸稈生物炭、稻谷生物炭）、含磷材料（鈣鎂磷肥、過磷酸鈣、硅鈣鉀鎂肥）、硅鈣類材料（硅肥、貝殼粉）、黏土礦物（海泡石、凹凸棒石、蛭石）按照不同的組合和比例混合而成，具體如表1所示。

1.2 試驗設計

試驗采用傳統農業方式灌溉，全程在大棚中進行。盆栽試驗設計10個處理（表1），其中CK為空白對照組，T～T為施用不同土壤調理劑的試驗組，每個處理5個重復，每盆用土10 kg，隨機擺放，統一管理。辣椒盆栽于2022年4月25日開始育苗，5月13日進行移栽，8月17日收獲。

1.3 試驗指標測定

辣椒成熟期采集辣椒果實、植株以及根系土進行測定。利用原子熒光光譜法（AFS）、電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定辣椒和土壤中鎘含量；利用七步提取法提取土壤中鎘形態；利用氧化還原法（VOL）測定土壤pH。

1.4 統計分析

統計前利用拉伊達準則（3σ準則）對數據進行異常值篩除，采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理，采用IBM SPSS Statistics 20和Origin Pro 9.1軟件進行圖件繪制。

2 結果與分析

2.1 不同土壤調理劑對土壤pH和鎘形態的影響

2.1.1 土壤pH。

土壤pH是影響土壤中鎘的吸附與解吸，控制其有效性與移動性的關鍵因素。研究表明，土壤pH越低，土壤吸附鎘的能力越低，使得鎘在土壤中遷移性增強，隨著pH的升高，鎘在土壤固相上的吸附量和吸收能力增強，從而降低鎘的活性。辣椒生長期和成熟期不同調理劑對土壤pH的影響見圖1。與空白對照組相比，除生長期T和T處理組外，其余處理均不同程度地提高了土壤pH，生長期提升了0.04～0.46，成熟期提升了0.01～0.28。從土壤調理劑施配效果來看，添加生物炭（T～T）處理組比菜籽粕（T～T）處理組效果更好，推測生物炭表面含有一定數量的堿性基團而呈堿性，因此可以提高土壤pH。

2.1.2 土壤鎘形態。

植物吸收和累積鎘的含量不僅取決于土壤中總鎘含量，更與鎘的賦存價態和形態有關。一般認為水溶態和離子交換態是土壤活性較高的部分，兩者總量為可交換態，可以供生物直接吸收利用，對作物的危害最大；碳酸鹽結合態、腐殖酸結合態和鐵錳結合態被認為對作物存在潛在危害，由于環境的變化可能被釋放造成二次污染，故旱地土作物存在較大的鎘污染風險。

辣椒根系土中鎘的有效態含量變化結果顯示（圖2），添加土壤調理劑之后，土壤中殘渣態和碳酸鹽結合態鎘依舊占據較大比例，其次為離子交換態、鐵錳結合態、腐殖酸結合態、強有機結合態、水溶態。相對于空白對照組（CK），添加土壤調理劑的試驗組可交換態鎘含量均呈現下降的趨勢，下降幅度13.84%～20.91%，以T、T、T、T試驗組效果較為明顯。由于碳酸鹽結合態鎘在土壤中的結合較弱，在酸性條件下，容易被釋放出來，施用土壤調理劑之后，碳酸鹽結合態鎘含量也有所下降，降幅12.75%～24.85%。另一方面，T、T、T、T、T試驗組調理劑還可以促使鎘向農作物不可利用的鐵錳結合態和殘渣態轉變，致使可供農作物直接利用的鎘含量減少，進一步降低了農作物對土壤中鎘的吸收。綜合對比T～T不同調理劑對土壤中鎘的有效態影響程度，T調理劑降鎘效果佳。

2.2 不同土壤調理劑對辣椒生長及鎘含量的影響

2.2.1 辣椒生長。

葉綠素作為植物光合作用的反應場所，為電子傳遞與光合磷酸化提供了環境。辣椒生長期和成熟期葉片的葉綠素含量結果表明（圖3），添加土壤調理劑的試驗組在生長期的葉綠素含量均高于對照組，最高可達41.39。成熟期由于辣椒生長速度減慢，葉綠素含量有所降低，但試驗組葉綠素含量仍高于對照組。T～T試驗組生長期葉綠素漲幅為2.79%～11.74%，成熟期漲幅2.19%～11.05%。土壤調理劑的添加，減輕了辣椒在高鎘脅迫條件下發生的光合色素降解反應，降低了鎘對光系統 Ⅰ 和 Ⅱ 的破壞程度。

研究表明，隨著鎘脅迫時間的延長和鎘離子濃度的增加，農作物株高變矮。辣椒植株株高統計結果顯示（圖4），添加土壤調理劑的試驗組植株株高均高于空白對照組，增長幅度為2.55%～19.03%，其中T、T、T增長較為明顯。可見土壤調理劑的施用促進了辣椒植株生長，對鎘脅迫下農作物的生長起到了緩解作用。

2.2.2 辣椒果實及植株鎘含量。

依據中華人民共和國《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017），辣椒鎘超標的標準限制為0.1 mg/kg。成熟期辣椒果實和地上部植株中鎘含量分析結果表明（圖5），辣椒植株中鎘含量除T相對于空白對照組有升高趨勢，其余處理均呈不同程度的下降，下降幅度在24.00%～64.25%，下降程度最低為T處理，下降程度最高為T處理。總體而言，T調理劑施用對辣椒果實和植株中鎘含量降低效果最優。

從圖5可以看出，除對照組鎘含量超過國家標準，添加土壤調理劑的試驗組辣椒果實鎘含量均在食品安全范圍以內，且遠低于超標限值，鎘含量下降幅度為76.35%～90.27%。其中T試驗組鎘降幅最大，達到90.27%，其次為T和T試驗組，分別達到86.06%和85.50%，可見土壤調理劑的添加能有效降低辣椒果實中鎘的吸收積累。

為衡量農作物從土壤中吸收鎘元素的能力，定義鎘的生物富集系數（BCF）=辣椒中鎘含量/土壤中鎘含量×100%，BCF越大，農作物對重金屬富集能力越強。辣椒鎘生物富集系數分析結果表明，空白對照組BCF為31.99%，T～T處理組BCF為4.97%～16.09%，T處理組辣椒鎘的生物富集系數最低。可見土壤調理劑的施用明顯降低了辣椒對土壤中鎘的吸收，尤其是T處理，降低了鎘元素從土壤到果實中的遷移。

2.3 辣椒鎘含量與土壤總鎘、有效鎘及不同形態鎘相關性分析

辣椒鎘含量與土壤總鎘、有效鎘以及不同形態鎘之間相關關系表明，辣椒果實中鎘含量與土壤總鎘呈極顯著正相關（r=0.81，P＜0.01），與土壤有效鎘含量呈極顯著正相關（r=0.82，P＜0.01）；另一方面，恩施地區土壤中總鎘與有效鎘之間呈極顯著正相關（r=0.84，P＜0.01），可見高鎘土壤中重金屬的含量能直接影響農作物中重金屬的含量，土壤中重金屬含量高的地方，有效鎘含量也高，從而種植出來的農作物重金屬含量也隨之升高。

辣椒鎘含量與水溶態鎘呈顯著正相關（r=0.68，P＜0.05），與碳酸鹽結合態鎘呈顯著正相關（r=0.75，P＜0.05），說明辣椒在吸收土壤中水溶態鎘的同時，也會對碳酸鹽結合態鎘進行吸收。主要是由于水溶態鎘可以直接被吸收利用，而碳酸鹽結合態鎘對pH較為敏感，容易重新釋放而重新被植物吸收利用所導致。可見恩施高鎘地區進行農作物安全種植不僅要降低能被植物直接利用的水溶態和離子交換態鎘活性，還可以通過提高土壤pH等手段降低對具有潛在風險的碳酸鹽結合態鎘含量。

3 結論

（1）土壤調理劑的施用能明顯降低辣椒果實中鎘含量，低于《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）標準，總體以T（12.99%小麥秸稈生物炭+6.49%過磷酸鈣+64.94%凹凸棒石+2.60%硅肥+12.99%貝殼粉）土壤調理劑效果最佳。

（2）除生長期T和T處理組外，其余處理均不同程度地提高了土壤pH，添加生物炭（T～T）比菜籽粕（T～T）試驗組提升土壤pH效果更好。

（3）土壤調理劑的施用能明顯降低可交換態和碳酸鹽結合態鎘含量，并且促使鎘向農作物不可利用的鐵錳結合態和殘渣態轉變，致使可供農作物直接利用的鎘含量減少，降低了農作物對土壤中鎘的吸收，對比T～T不同調理劑對土壤中鎘的鈍化效果，T為對辣椒降鎘效果最好的調理劑。

（4）施用土壤調理劑后無論是植株葉片葉綠素含量還是植株株高，所有試驗組（T～T）均呈現不同程度的升高。可見土壤調理劑的添加，增加了植物葉片的光合速率，促進了植株的生長。

（5）辣椒在吸收土壤中水溶態鎘的同時，也會對碳酸鹽結合態鎘進行吸收。恩施高鎘地區進行農作物安全種植不僅要降低能被植物直接利用的水溶態和離子交換態鎘活性，還需降低對具有潛在風險的碳酸鹽結合態鎘含量。

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