金城江区Cd污染水稻田修复技术模式研究

覃 帅，韩 磊，潘丽香，韦华艳，韦梦萍，韩冬梅，韦建赳，兰加永，黄绍应

(1.河池市金城江区农业农村局，广西河池 547000；2.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191)

2014年，环境保护部联合国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%，其中，Cd的点位超标率高达7.0%[1]，为重金属之首。作为我国的主要粮食作物，水稻对土壤Cd有较强的富集能力[2]，随着工业化的发展，水稻土污染问题日趋严重，有研究表明，稻米是人体Cd摄入的主要来源[3]，曾发生在日本富山县骇人听闻的痛痛病，就是因为当地人摄入了Cd超标的稻米。不同水稻品种对重金属的吸收富集能力存在差异，有研究表明，高积累水稻品种籽粒中Cd含量是低积累水稻品种的250倍[4]；陈德等[5]研究表明，常规稻品种籽粒中Cd含量相对较低,而杂交稻籽粒中Cd含量较高。因此，在重金属Cd污染土壤上，合理选择低积累水稻品种进行种植，是实现水稻安全生产的良好思路。

除了选用低积累水稻品种，还可以通过施用叶面阻隔剂、钙镁磷肥和合理灌排等农艺措施保证水稻的安全生产。研究表明，施用叶面阻隔剂既可以降低糙米中的Cd含量[6]，又可以实现适当增产[7-8]。叶面阻隔剂采用叶面喷施的方式，方法较为简单，但是需要注意喷施时间、技术、用量等。酸性条件下，土壤Cd的有效性较强，从而导致作物对Cd的吸收富集增加，通过施加钙镁磷肥的方式可以有效增加土壤pH，降低土壤重金属有效性，从而实现水稻安全生产。田间试验发现，施用钙镁磷肥后，土壤pH增幅为10.5%～16.1%，并显著降低了土壤有效镉含量[9]。合理灌排是影响水稻品质的重要因素，土壤的氧化还原电位(Eh)与有效镉含量呈极显著正相关,淹水后土壤还原性增强，氧化还原电位显著降低,土壤Cd的有效性也显著降低[10]。陈江民等[11]研究表明，持续淹水显著降低了2个水稻品种的土壤有效性Cd含量，但也有研究表明，全生育期淹水可以减少稻米Cd含量，但会降低水稻产量[12]。

为探究生产实践中不同农艺措施对Cd污染水稻田的治理效果，该试验选择位于广西河池市金城江区的Cd污染水稻田，采用种植低积累品种、施用叶面阻隔剂、优化施肥和水分调控4种处理，研究其修复效果和生产效益，以期为当地Cd污染土壤水稻的安全生产提供经验与指导。

1 材料与方法

1.1 供试土壤广西河池市金城江区有安全利用类耕地8 328.933 hm2(其中3.708 hm2属于南丹县)，面积占辖区内总耕地面积的36.00%；严格管控类耕地有3 960.071 hm2(其中3.374 hm2属于南丹县，19.037 hm2属于宜州区)，占总耕地面积的17.12%，大部分地区土壤呈酸性。安全利用类耕地主要为Cd污染，部分为汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)单项污染及Cd-Hg、Cd-As、Cd-Pb、Cd-Cr、Hg-As复合污染，主要种植水稻和其他作物；严格管控类耕地也主要为Cd污染，部分为Hg、Pb、As单项污染及Cd-As、Cd-Pb复合污染，主要种植水稻和其他作物。项目区位于金城江区侧岭乡拉合村，为安全利用类耕地，土壤pH在5.5～6.5，全镉含量为0.8 mg/kg。

1.2 供试植物水稻具有较强的区域性特点，每个水稻品种都有其特定的适宜种植区，只能在其适宜种植区推广，因此应当选择适宜于特定目标种植区域的品种或材料作为筛选库。通过对目标种植区域的品种进行筛选，筛选出来的水稻品种可以直接用于当地的生产应用。

推荐的水稻品种应同时满足以下3方面条件：①已通过广西水稻新品种审定，至今仍未退出市场；②适合在河池市稻作生态区种植推广，综合农艺性状优良；③已在Cd超标稻田环境条件下进行种植筛选，试验数据表明该品种具有Cd低富集表现。根据实施方案要求以及金城江区侧岭乡拉合村的种植特点，选取野香优9号、野香优丝苗、泰优553低积累杂交水稻品种进行种植。

1.3 叶面阻隔剂对于土壤目标污染物为Cd的区域考虑使用含硅、硒及锌等元素的叶面阻隔剂，并在水稻孕穗期至灌浆期进行水分调控。硅元素促进Cd元素在水稻根系中沉淀，硒可以减少Cd在水稻不同组织和部位之间的分配。不仅如此，硅和硒都有基因水平上的降镉机制，即上位调节镉毒相关基因的表达。因此，叶面阻隔剂的关键组分可以阻控稻谷Cd的积累与转换。同时叶面阻隔剂中富含有机质、氮、磷、钾、锌等营养元素，为农作物提供养分，促进生长、提高品质、增加产量。既可以单独叶面喷施，也可以与大多数农药混合使用，还可以借助无人机或其他机械进行机喷。经多年实践数据统计，水稻米平均降镉超过30%。具体施用的叶面阻隔剂如表1。

表1 叶面阻隔剂施用明细

1.4 钙镁磷肥对于土壤目标污染物Cd平均值在大于0.4 mg/kg 的区域，可以考虑使用硅钙镁类土壤调理剂，施到土壤里不仅可以中和土壤酸性，降低土壤Cd的活性，还能增加土壤的矿质营养元素，再配施钙镁磷肥也可以进一步降低土壤中Cd的活性。

1.5 试验设计侧岭乡拉合村内设立4个田间试验示范小区，示范面积33.333 hm2，项目区内水稻为一季中稻，4—5月育种插秧，8月中旬收割。4个处理(表2)分别为水稻低积累品种常规种植(T0)、低积累品种+叶面阻隔剂(T1)、低积累品种+优化施肥(T2)、低积累品种+水分调控(T3)，4个处理的具体实施方法如下：

表2 技术模式示范

1.5.1低积累品种常规种植(T0)。

(1)田间设计。共选择13.333 hm2田块，分别种植3种水稻，每种水稻进行4个重复，共设置12个分区。

(2)水稻品种。野香优9号、野香优丝苗、泰优553。

(3)田间管理。采用常规田间管理，但水、肥、药等要统一。

1.5.2低积累品种+叶面阻隔剂(T1)。

(1)田间设计。在项目区域内选取4 块地势平坦、总面积0.667 hm2左右的田块用于叶面阻控剂验证试验，每块地分2组，分别喷施2个种类叶面阻隔剂。每个小区之间留出 30 cm 宽的间隔即可，不用田埂隔开。

(2)水稻品种。泰优553。

(3)叶面阻隔剂。选择镉无忧和降镉灵2种叶面阻隔剂，在拔节孕穗期和乳熟灌浆期用人工喷施2次。

(4)田间管理。田间水分管理和施肥情况与当地管理的情况保持一致。

1.5.3低积累品种+优化施肥(T2)。

(1)田间设计。在项目区域内选取地势平坦、每块面积约为0.667 hm2的田块用于低积累品种+钙镁磷肥示范区，进行4次重复试验。每个小区之间要用田埂隔开。

(2)水稻品种。泰优553。

(3)田间管理。田间水分管理情况与当地管理的情况保持一致。

1.5.4低积累品种+水分调控(T3)。

(1)田间设计。在项目区域内选取4块地势平坦、每块面积约为1.667 hm2的田块用于低积累品种+淹水处理，进行4次重复试验。每个小区之间要用田埂隔开。

(2)水稻品种。泰优553。

(3)田间管理。施肥情况与当地管理的情况保持一致。

1.6 样品采集与指标测定水稻样品检测指标为Cd、Hg、As、Pb、Cr 5种重金属，依据《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中农产品标准限量值进行重金属评价。

定量(0.250 0 g)称取水稻样品于玻璃消解管中，加入10 mL 硝酸，放入电热消解仪上消解，80 ℃消解1.5 h，120 ℃消解1.5 h，150 ℃消解2 h后，升温至170 ℃赶酸至样品剩余约1 mL，用1%硝酸分多次冲洗消解管至样品完全移入25 mL 容量瓶，待冷却至室温后定容。样品于4 ℃保存待测。用ICP-MS测定待测液中各元素含量。

取过100目筛的土壤0.250 0 g，加入10 mL硝酸、4 mL氢氟酸，静置过夜，放入电热消解仪消解，经过120 ℃消解3 h，150 ℃消解2 h后，升温至170 ℃赶酸至样品剩余1 mL，用1%硝酸分多次冲洗消解管至样品完全移入25 mL容量瓶，待冷却至室温后定容。样品于4 ℃保存待测。用ICP-MS测定待测液中各元素含量。

1.7 统计分析采用Excel 2007软件进行数据统计以及图表制作。

2 结果与分析

2.1 重金属Cd修复效果分析

2.1.1低积累品种常规种植。从图1可以看出，野香优9号、野香优丝苗、泰优553这3种水稻稻谷中Cd含量分别为0.111、0.090、0.135 mg/kg，3种水稻稻谷中重金属Cd含量均低于国家限量值标准，且根据后续走访调查，3种水稻的产量均是正常水平，没有明显的增高或者降低。

图1 低积累品种常规种植示范区稻米Cd含量Fig.1 Cd content of rice in conventional planting demonstration area of low accumulation varieties

2.1.2低积累品种+叶面阻隔剂。从实施不同叶面阻隔剂后Cd含量(图2)可以看出，喷施镉无忧叶面阻隔剂和降镉灵叶面阻隔剂均可阻挡稻谷对土壤中Cd的吸收，从而降低稻谷中Cd含量，但是喷施过镉无忧叶面阻隔剂验证区的稻谷还是有Cd超标的情况出现，而喷施降镉灵叶面阻隔剂的稻谷中Cd含量均在0.2 mg/kg以下。喷施镉无忧叶面阻隔剂的稻谷Cd的降低率为39.71%，喷施降镉灵叶面阻隔剂的稻谷Cd的降低率为46.49%，说明在侧岭乡拉合村的生态条件下，降镉灵的降镉率高于镉无忧的降镉率，因此，相比较而言，推荐施用降镉灵叶面阻隔剂。

图2 低积累品种+叶面阻隔剂验证区稻米Cd含量Fig.2 Cd content of rice in the validation area of low-accumulation varieties+foliar resistance control agents

2.1.3低积累品种+优化施肥。试验结果表明，单独种植低积累水稻泰优553和种泰优553并且施用钙镁磷肥后稻米中的Cd含量均降低至0.150 mg/kg，但是低积累品种+优化施肥组合措施可使稻米中Cd含量降低至0.099 mg/kg。与未施用钙镁磷肥相比，施用钙镁磷肥后稻谷中Cd含量降低34.00%，降镉效果更加明显，但是由于施用钙镁磷肥(750 kg/hm2)成本较高(1 200元/hm2)，农户不容易接受这种组合的技术措施，所以筛选出效果好但成本低的土壤调理剂任务比较艰巨。因此不推荐使用低积累品种+优化施肥组合措施。

2.1.4低积累品种+水分调控。试验结果表明，采用种植泰优553并全生育期进行淹水处理措施后稻米中的Cd含量为0.143 mg/kg，低于国家限量值标准，并且低于单独种植泰优553的Cd含量(0.335 mg/kg)，采取这种组合措施的稻谷中Cd的降低率为57.31%。由于侧岭乡拉合村水源充足，灌溉方便，所以低积累品种+水分调控组合措施的降镉效果很好，由于水分调控措施受到自然因素影响较大，因此在水源充足地区推荐采用低积累品种+水分调控组合措施进行耕地障碍的修复。

对比不同处理相对于泰优553低积累品种常规种植的降镉率(图3)发现，降镉率排序为T3>T1>T2,即水分调控>叶面阻隔剂>优化施肥，生产实践中应合理进行水分管理，适当淹水，以保证水稻的安全生产。

图3 不同处理的降镉率Fig.3 Cadmium reduction rate of different treatments

2.2 成本分析该项目主要涉及的示范技术包括低积累品种、叶面阻隔剂、钙镁磷肥和水分管理，其中，种植低积累水稻品种(T0)的成本为2 250元/hm2，低积累品种+叶面阻隔剂(T1)成本为1 500元/hm2，低积累品种+优化施肥(T2)成本为3 750元/hm2，低积累品种+水分调控(T3)成本为3 000元/hm2；T1处理成本最低，而T2处理成本最高。

2.3 产量分析从图4可以看出，T0处理中3种低积累水稻品种的产量均是正常水平，没有显著变化。T1处理中稻谷喷施叶面阻隔剂后，产量没有明显变化，与低积累品种相比还略有上升。施用钙镁磷肥后的泰优553比单独种植低积累水稻泰优553的产量高123.75 kg/hm2，可见施用钙镁磷肥促进了稻谷的结实。采用种植泰优553并全生育期进行淹水处理措施后稻谷产量有所下降，降低112.50 kg/hm2。可能是因为长期淹水处理后水稻更易感病，导致稻谷中结实率降低，从而导致产量下降。

图4 不同处理稻谷产量Fig.4 Rice yield of different treatments

3 讨论

农田土壤重金属污染修复技术应遵循绿色可持续的理念，以消除土壤污染、恢复土壤基本功能、保障农作物正常生长和农产品质量安全为主要目标。根据农田土壤加密调查数据，项目区域属于Cd单一污染。以成本低、绿色友好、操作简单为标准，根据对不同修复技术的比较分析，从经济、可行、安全、高效的角度出发，认为安全利用区可采用作物替代种植、农艺调控等技术进行整合，建立适用于安全利用区的生物联合修复技术；该项目主要采取原位钝化修复技术、叶面阻控、优化施肥、水分调控等单一技术或者联合技术措施。

从水稻籽粒的结果分析可以看出，通过对水稻超标区实施低积累品种+叶面阻隔剂、低积累品种+优化施肥和低积累品种+水分调控等联合技术措施，可以有效地降低水稻籽粒中的重金属Cd含量。

当采用单一的低积累品种或者叶面阻隔剂来进行安全利用技术措施时，在不同的区域甚至田块会出现不同的表现。通过低积累品种+优化施肥或低积累品种+水分调控集成技术可以进一步降低稻米中Cd含量。在集成技术措施实施时，无论是哪种技术，想要镉降低率最大时还得考虑品种的影响以及不同技术措施对产量的影响。建议在技术措施实施前，要进行项目区背景值的调查和农产品的调查分析，以便确定最适合当地的技术。

从各个技术的应用效果分析，喷施叶面阻隔剂和优化施肥技术对于农田修复来说，见效快、易实施，但难以彻底去除重金属，且存在一定的时效性。淹水可以有效减少水稻对镉的富集，但是也会降低产量，实际生产时应综合水肥管理，充分考虑各种因素的影响。

4 结论

该研究表明，在Cd污染轻中度区可采用低积累品种、叶面阻隔剂等单一修复技术，在水分条件充足的地方可采用低积累品种+水分调控的联合修复技术，可实现在保证作物产量的同时降低作物中Cd含量。水分要求灌浆期必须淹水，叶面阻隔剂选用降镉灵，种植过程中施用钙镁磷肥总体上来减少土壤中Cd向水稻籽粒的转移。

对于Cd污染中重度区，可采用低积累品种+优化施肥的联合修复技术，降低土壤Cd有效性，减少Cd向作物的转移。低积累品种初步建议选取泰优553，土壤调理剂选择含硅的中性调理剂，例如钙镁磷肥750 kg/hm2，选用土壤调理剂来降低土壤中Cd的活性。土壤调理剂具有改良土壤、增加土壤硅含量、抑制水稻吸收Cd的作用，此外还可实现水稻增产。但由于钙镁磷肥成本太高，除非Cd污染严重超标，否则不建议撒施钙镁磷肥。