不同钝化剂对水稻田镉污染的修复效应

宋肖琴，陈国安，马嘉伟，柳丹*，叶正钱

(1.义乌市种子和植物检疫站，浙江 义乌 322000；2.义乌市农技推广服务中心，浙江 义乌 322000；3.浙江农林大学 浙江省土壤污染生物修复重点实验室，浙江 杭州 311300)

随着人类不合理的工农业活动增加，导致大量重金属通过不同途径被输入到土壤中，造成土壤重金属污染[1]，而土壤重金属污染具有长期性、隐蔽性与不可逆性，给人类生活造成严重的影响[2-3]。镉(Cd)是一种痕量有毒重金属，具有较强迁移性，易被植物吸收，对人体的危害早在1970年就已被提出[4]。水稻是我国主要的粮食作物之一，容易吸收土壤中的Cd元素[5]。据统计，我国水稻田Cd污染面积达530万hm2，每年产出5 000万kg Cd超标稻米，造成直接经济损失200亿元[6]。近年来，国内外“镉米”事件频发，敲响了人类粮食安全保卫战的警钟[7]。

原位修复技术具备修复周期短、效果好、成本低、局限性小等特点，适用于大面积中轻度Cd污染农田修复，在土壤Cd污染治理中广受环境工作者的关注[8]。该技术主要通过调节影响农田中Cd的迁移转化以及形态分布，降低其在土壤环境中的生物有效性和可迁移性，从而降低重金属Cd对动植物的毒性[9]。该技术的关键在于选择合适的钝化剂，常用的钝化剂材料有硅钙物质、有机物质、含磷材料等[10]。因此，本试验采用生物炭、石灰、有机肥与钙镁磷肥等4种常用钝化剂，依托田间试验手段，重点分析不同钝化剂对水稻吸收Cd及对水稻生长的影响，以期为今后开展大田Cd污染钝化修复治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地选择

试验地位于浙江省金华市某水稻种植区，属亚热带季风气候，温和湿润，四季分明，年无霜期为243 d左右，年降水量为1 100～1 600 mm，适合水稻作物生长。供试土壤pH 5.03，土壤全Cd含量1.28 mg·kg-1。土壤Cd含量高于国家土壤质量标准，属于Cd污染土壤。

1.2 处理设计

试验设5个处理：不添加任何钝化剂的空白对照(CK)；生物炭(采购于浙江金锅锅炉有限公司)11.25 t·hm-2；石灰(采购于杭州欣联钙业有限公司)0.75 t·hm-2；有机肥(采购于杭州乐天有机肥有限公司)11.25 t·hm-2；钙镁磷肥(采购于浙江农得惠肥业有限公司)0.15 t·hm-2。每个处理重复3次，随机区组排列，小区面积100 m2。水稻品种为甬优1540，移栽种植。小区间采用田埂覆膜进行隔离与防渗处理。试验区除钝化剂材料投加不同外，其余农艺管理(水分管理、虫害管理、肥料管理)保持一致。

1.3 样品采集与分析

每个小区按照“五点法”采集0～20 cm土层样品，每个样品均采用三个单独土壤样品混合的混合土样。土样平摊自然风干，磨碎，过2 mm尼龙筛以备测定分析使用。

土壤pH采用pH计测定，土液比为1∶2.5，玻璃棒搅拌1 min后静置测定。土壤有效态Cd采用原子吸收分光光度法测定，用1 mol·L-1的醋酸铵在室温下浸提，土液比1∶50，振荡时间30 min，提取液经离心、过滤后测定。

每个小区按“五点法”采集稻谷样品，每个样品采用混合样品的形式进行采集。稻谷样品用去离子水冲洗，放入烘箱在105 ℃下杀青30 min，再经65 ℃烘干至恒重后取出，研磨过筛保存备用。稻谷重金属Cd测定通过浓HNO3消解法进行提取，用原子吸收分光光度法测定。

1.4 数据处理

数据整理采用 Excel 2016，数据统计分析采用SPSS 17.0，分析图制作采用Origin Pro 8.0。

2 结果与分析

2.1 对土壤pH的影响

图中无相同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图2～4同。

2.2 对土壤有效态Cd的影响

图2可以看出，与空白对照相比，石灰、生物炭与钙镁磷肥处理对降低土壤中有效态Cd含量均有显著效果，其中，石灰处理的降低作用最明显，降幅达50.0%；其次为生物炭处理，降低33.7%；钙镁磷肥处理降低15.1%；而有机肥处理则无显著差异。土壤pH控制土壤中Cd沉淀-溶解平衡的化学行为，是影响有效态Cd的一个主要因素[14]，土壤中有效态Cd含量变化趋势与土壤pH的变化呈负相关[15]。而在本试验中石灰与生物炭本身具有较高的pH值，施入土壤中后对土壤的pH有着较高提升作用，而土壤pH的上升有助于土壤胶体对土壤溶液中Cd2+的吸附，有利于生成Cd氢氧化物沉淀或碳酸盐沉淀，促使土壤中游离态Cd向氧化物结合态或更稳定的残渣态转化，进而降低土壤中Cd的迁移与毒性[16]。此外，生物炭有大量微小孔隙、较高比表面积、强离子交换性、丰富表面含氧官能团(—OH、—COOH)、独特空间结构等特性，增加了其土壤胶体的吸附性能，导致生物炭对土壤中Cd的物理吸附作用更强[17-19]。

图2 不同钝化剂处理对土壤有效态Cd含量的影响

2.3 对水稻产量的影响

由图3可知，不同钝化剂对水稻产量的影响表现不一致。石灰、有机肥与钙镁磷肥处理对水稻产量增加的促进作用达显著水平，每667 m2产量分别为480、496、459 kg，较空白对照分别增产16.2%、20.1%与11.1%；生物炭处理对水稻产量影响未达显著水平，较空白对照增产4.4%。这可能由两方面原因造成：一是石灰与钙镁磷肥投加后，增加了土壤pH值，降低了土壤溶液中有效态Cd含量，从而减少土壤中Cd对水稻生长的胁迫抑制效应[20]；二是钙镁磷肥与有机肥中含有大量水稻生长所需的可溶解性营养物质，如钙、镁、磷等必须元素和有机质等有机物料，当其被大量施入土壤中后，为水稻生长提供了大量的养分，进而促进水稻的生长，增加水稻的产量[10]。

图3 不同钝化剂处理对水稻667 m2产量的影响

2.4 对水稻籽粒中Cd含量的影响

图4 不同钝化剂处理对水稻籽粒中Cd含量的影响

3 小结

石灰、生物炭、有机肥、钙镁磷肥处理均能有效增加土壤pH值，其中，石灰处理对土壤pH的增效最高，比空白对照增加了12.9%。石灰、生物炭与钙镁磷肥三种钝化剂能显著降低土壤中有效态Cd含量，降低作用表现为石灰>生物炭>钙镁磷肥，依次降低了50.0%、33.7%与15.1%。

不同钝化剂对水稻产量与籽粒中Cd积累量的影响不一致。石灰、有机肥、钙镁磷肥处理每667 m2水稻产量依次为480、496和459 kg，相对于空白对照增产16.2%、20.1%、11.1%。经石灰处理的水稻籽粒中Cd含量下降幅度最大，降幅达41.3%。由此可见，石灰处理不仅能显著增加水稻产量，还能显著抑制水稻籽粒对土壤Cd的吸收积累。

石灰对Cd污染水稻田土壤修复方面表现出高效的修复潜力，可为浙江省水稻田Cd污染土壤修复治理提供科学依据。