土壤重金属污染修复剂在镉污染稻田中的应用效果

时间：2024-05-25

田发祥，谢运河,3，纪雄辉

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125；2. 农业部长江中下游平原农业环境重点实验室，湖南长沙 410125；3. 中南大学研究生院隆平分院，湖南长沙 410125）

随着工农业的迅速发展，受工业三废和农业活动自身的影响，我国农用土壤重金属污染问题已日趋严重[1-5]。有资料表明，1980年我国受工业三废污染的耕地面积为266.7 万hm2，1992年增至1 000 万hm2，而目前我国受重金属污染耕地面积已超过0.2 亿hm2[6]，其中Cd、Pb 污染较为突出[7]。湖南省是中国的有色金属之乡，受日益发展的采、选、冶等工业以及含重金属农业投入品的影响，农田土壤重金属污染逐渐成为影响湖南经济发展和人类身体健康的重要环境问题[8-11]。由于未采取合理的污染控制措施，稻米中重金属含量特别是镉（Cd）极易出现超过国家质量标准的情况，因此，Cd 污染稻田的治理与修复成了人们关注的热点。为了验证重金属污染修复剂“镉康”的降Cd 效果，在长沙县江背镇、北山镇典型的污染稻田中开展了修复剂应用效果研究，以期为镉康的大面积应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

根据《土壤环境质量标准》（GB 15618－1995），选择长沙县江背镇、北山镇2个镉污染稻田土壤开展田间试验。其中，江背镇试验点位于东经113°20'30"，北纬28°07'54"，土壤为板页岩发育的水稻土，土壤pH值为5.8，有机质和全氮含量分别为45.6 g/kg 和2.41 g/kg，土壤全镉含量0.70 mg/kg，主要污染来自水泥厂产生的粉尘。北山镇农业技术推广站试验基地位于东经113°04'06"，北纬28°23'15"，土壤为花岗岩发育的水稻土，土壤pH 值为5.1，有机质和全氮含量分别为42.0 g/kg 和2.48 g/kg，土壤全镉含量0.88 mg/kg。20世纪80～90年代，上游建有一化工厂，下游长期灌溉污水导致污染。两地种植制度均为双季稻，两地的土壤理化性质及重金属含量见表1。

表1 供试土壤速效养分及重金属含量（mg/kg）

1.2 试验材料及农事管理

试验均为晚稻小区试验，江背镇晚稻品种为天优998，北山镇晚稻品种为五丰优569，均为软盘育秧移栽。修复剂“镉康”为成都朝阳作物科学有限公司提供；尿素、钙镁磷肥和氯化钾均为当地大面积应用产品。采取常规施肥，施N、P2O5、K2O 量分别为180、60、90 kg/hm2。其中70%的氮肥，全部的磷和钾肥作基肥，移栽前施用，30%氮肥作追肥配合除草剂插秧7～10 d后施用。水分管理采取常规措施，苗期至分蘖盛期淹水，分蘖时晒田，拔节期覆淹。病虫害防治按当地常规管理进行。

1.3 试验设计

试验设4个处理，3 次重复，共计12个小区，随机区组排列，小区面积25 m2，四周设保护行。其中江背镇的处理如下，处理1：不施修复剂；处理2：施修复剂225 kg/hm2；处理3：施修复剂450 kg/hm2；处理4：施修复剂675 kg/hm2。北山镇的处理如下，处理1：不施修复剂；处理2：施修复剂300 kg/hm2；处理3：施修复剂600 kg/hm2；处理4：施修复剂900 kg/hm2。修复剂的用量根据两地不同的污染程度来确定。

修复剂于2013年土壤翻耕前一次性施入，然后施用基肥，翻耕后充分耙匀，移栽水稻秧苗。小区间起垄隔开，防止田间水流失和串流，而且各小区实行单独排灌，田埂要求高出土面20 cm，采取二次筑埂的方法，即提前1 周耕作整平稻田，规划小区，第一次做埂，待土埂硬化后再加高一次，然后用塑料膜包住土埂。

1.4 样品采集与处理

试验前取基础土壤，测定土壤基本理化性质及重金属全量和有效态含量。水稻收获后每个试验小区，取0～15 cm 土壤样，测定重金属有效态含量。水稻成熟后各小区单打单收，测产，并取样分析大米及植株中重金属含量，大米及植株样品采用微波消解。所有重金属指标均采用ICP-MS 进行测定。

1.5 数据统计及分析

试验数据用Excel、DPS 等统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 修复剂对水稻产量的影响

从表2 中可知，施用不同用量修复剂对水稻产量有一定的影响，但均未达显著水平。在江背镇，修复剂对水稻产量影响较小；在北山镇，与不施修复剂处理相比，水稻增产766.7～906.7 kg/hm2，增幅为12.1%～16.4%，其中以处理3 产量最高，达6 435.9 kg/hm2。可见修复剂对促进水稻生长有一定效果，但这与土壤条件、水稻品种密切相关。

表2 不同用量修复剂对水稻产量的影响

2.2 修复剂对水稻Cd 积累的影响

对水稻各部位Cd 含量测定的结果表明（表3），施用修复剂均能有效降低各部位对Cd 的积累，且随修复剂用量的增加，效果越明显。江背试验点，与不施修复剂对照相比，水稻糙米Cd 含量降低0.019～0.027 mg/kg，降幅为4.8%～9.2%；水稻茎秆Cd 含量降低0.501～0.655 mg/kg，降幅为17.3%～22.6%；水稻叶片Cd 含量降低0.045～0.068 mg/kg，降幅为11.4%～17.3%；且当修复剂用量达225 kg/hm2时，水稻茎秆Cd含量下降幅度就已经达显著水平；当修复剂用量达450 kg/hm2时，水稻叶片Cd 含量下降幅度也达显著水平；当修复剂用量达675 kg/hm2时，水稻糙米Cd 含量下降幅度达显著水平。北山试验点，与不施修复剂对照相比，水稻糙米Cd 含量降低0.005～0.025 mg/kg，降幅为3.7%～18.4%；水稻茎秆Cd 含量降低0.025～0.075 mg/kg，降幅为2.4%～7.3%；水稻叶片Cd含量降低0.006～0.024 mg/kg，降幅为3.5%～14.0%。当修复剂用量达600 kg/hm2时，水稻糙米Cd 含量下降幅度达显著水平。

进一步以修复剂施用量与水稻糙米Cd 含量进行相关性分析可得方程：

式中Y 为水稻糙米Cd 含量（mg/kg）；X 为修复剂用量（kg/hm2）。

可见，水稻糙米Cd 含量与修复剂施用量呈显著的负相关。依据拟合方程，江背点每施用1 500 kg/hm2修复剂，糙米镉含量可降低0.059 3 mg/kg，北山点每施用1 500 kg/hm2修复剂，糙米镉含量可降低0.046 3 mg/kg。可见，施用1 500 kg/hm2修复剂降低糙米镉含量在0.05 mg/kg 左右。

表3 不同处理的水稻糙米、茎秆、叶片重金属Cd 含量变化

2.3 修复剂对土壤有效Cd 含量的影响

水稻收获期取样测定土壤有效Cd 含量，结果表明（表4），施用修复剂对土壤Cd 有效态的影响明显，且随施用量的增加，土壤Cd 有效态含量降低。其中江背镇有效Cd 含量降低11.2%～23.3%，北山镇有效Cd含量降低2.5%～52.5%；江背镇施用量达450 kg/hm2时，下降幅度达显著水平，北山镇施用量达600 kg/hm2时，下降幅度达显著水平。

进一步以修复剂施用量与土壤有效Cd 含量进行相关性分析可得方程：

公式中Y 为土壤有效Cd 含量（mg/kg）；X 为修复剂用量（kg/hm2）。

可见，土壤有效Cd 含量与修复剂施用量呈显著的负相关，依据公式可得：江背点每施用1 500 kg/hm2修复剂，土壤有效Cd 含量可降低0.17 mg/kg，北山点每施用1 500 kg/hm2修复剂，土壤有效Cd 含量可降低0.64 mg/kg。可见，施用1 500 kg/hm2修复剂在不同试验点对土壤有效Cd 的钝化效果不一样，这可能与当地的土壤类型、污染程度、水分管理等有关。

表4 修复剂对土壤有效Cd 含量的影响

2.4 水稻Cd 含量与土壤Cd 含量的关系

稻米Cd 富集与土壤Cd 含量及其形态有关，相关分析表明（图1），2个试验点的稻米镉含量与土壤有效态Cd 均呈显著的线性相关，说明土壤有效态镉与稻米吸收积累相关性较强。综合表3、表4 可得，相对土壤有效态Cd，江背镇试验点稻米Cd 平均富集系数为0.79，北山镇试验点稻米Cd 平均富集系数为0.2。计算稻米Cd∶叶Cd∶茎Cd，江背点平均为0.11∶0.14∶1.0，北山点为0.13∶0.16∶1.0，表明2个品种的茎、叶、米中Cd 分布规律基本一致。但计算茎Cd∶土壤有效Cd，江背点平均为6.77∶1，北山点平均为1.72∶1。可见，江背点水稻茎秆中镉积累显著大于北山点，是导致江背点稻米Cd 富集系数大于北山点的关键。

图1 试验点稻米Cd 含量与土壤有效Cd 含量的相关性分析

3 小结与讨论

除土壤有效态Cd 外，仍存在其他影响稻米镉富集的关键因素：（1）稻田水分管理[12-13]。普遍认为，稻田水分状态对水稻吸收积累Cd 的影响很大，主要是淹水形成CdS 沉淀或铁锰结合物，但对风干测定的土壤形态影响不大。晚稻试验期间湖南省比较干旱，江背点灌溉相对较少（试验取样时田面较干），提高了Cd的生物有效性，而北山点为农技站试验田，有较好的水源保证，导致了2个试验点水稻对Cd 吸收积累的差异；（2）水稻品种对镉吸收积累差异[14-16]。以往大量试验证明，水稻品种间Cd 吸收积累存在较大差异，尽管由于江背点和北山点的品种均为外地品种，尚未进行Cd 吸收鉴定，但初步结果仍可以看出，两个水稻品种镉分布规律基本一致，主要是茎相对于土壤积累较高所致。这可能说明江背点品种——天优998 是一个高吸收品种，但不排除水稻生长前期（分蘖期）水分等条件导致植株体内积累增加的影响。

与不施修复剂对照处理相比，施用土壤重金属污染修复剂“镉康”对水稻生长有一定促进作用，但不同试验点效果不一，其中北山镇水稻增产766.7～906.7 kg/hm2，增幅为12.1%～16.4%，而江背镇水稻增产效果不明显。

施用修复剂能够降低水稻各部位对Cd 的积累，且随着修复剂用量的增加，降低的效果越明显。江背镇，当修复剂用量达225 kg/hm2时，水稻茎秆Cd 含量下降幅度就已经达显著水平，当修复剂用量达450 kg/hm2时，水稻叶片Cd 含量下降幅度也达显著水平，当修复剂用量达675 kg/hm2时，水稻糙米Cd 含量下降幅度达显著水平。北山镇，当修复剂用量达600 kg/hm2时，水稻糙米Cd 含量下降幅度达显著水平。修复剂施用量与水稻糙米镉含量的相关关系可得，施用1 500 kg/hm2修复剂可使糙米镉含量降低0.05 mg/kg左右。

施用修复剂镉康能够降低土壤有效Cd 的含量，其中江背镇有效Cd 含量降低11.2%～23.3%，北山镇有效Cd 含量降低2.5%～52.5%，且随施用量的增加，土壤Cd 有效态含量越低。江背镇、北山整施用量分别达450 kg/hm2、600 kg/hm2时，下降幅度就能达显著水平。江背镇施用1 500 kg/hm2修复剂，土壤有效Cd 含量可降低0.17 mg/kg；北山点施用1 500 kg/hm2修复剂，土壤有效Cd 含量可降低0.64 mg/kg。

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