土壤調理劑對不同成土母質Cd污染稻田的修復效果

陳 誠，鐵柏清（.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 4028；2.湖南省農業資源與環境保護管理站，湖南 長沙 40005）

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土壤調理劑對不同成土母質Cd污染稻田的修復效果

陳 誠1，2，鐵柏清1
（1.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省農業資源與環境保護管理站，湖南 長沙 410005）

摘 要：選擇不同成土母質發育的典型Cd污染稻田，研究土壤調理劑對土壤Cd形態及水稻Cd吸收的效果，為修復不同成土母質Cd污染稻田土壤提供科學依據。研究結果表明，施用土壤調理劑對水稻產量無顯著影響，但能顯著降低水稻稻米和植株Cd含量，并顯著提高土壤pH值，有效降低土壤有效態Cd含量。施用土壤調理劑主要受其強堿性對土壤的調酸及降低土壤Cd有效性的影響，并受成土母質的調節。

關鍵詞：鎘；土壤調理劑；水稻；成土母質；重金屬

重金屬鎘（Cd）是生物毒性極強的環境污染元素之一［1］，我國農田Cd污染土壤不僅面積大，而且污染程度重，20世紀90年代Cd污染農田面積已超過1.0×106hm2，在各類Cd污染農田中有5%～10%的面積嚴重減產［2-3］。土壤Cd污染還造成稻米品質下降，影響我國農業的可持續發展［4］，并危及到我國糧食質量安全和人身健康，治理任務已刻不容緩。國內外治理Cd污染土壤采用的方法主要有工程治理法、生物改良法和化學改良法3類。工程治理法因耗資巨大不宜大面積作業；生物改良法因涉及大面積耕作改變制度需多方協調，而篩選Cd吸收和轉移能力均弱的農作物品種以適應污染土壤，雖前景誘人但該項工作尚處于起步階段；此外，還可以通過種植超積累植物來修復受污染的土壤和水體［5］，但由于目前報道的超積累植物基本上都存在著生長量小、生長速度慢的限制［6］，使得修復過程極其漫長，生產實際中應用困難。因此，化學改良法在今后一段時期內仍是最為理想的方法。國內外眾多學者對施用各種物理化學改良劑降低Cd進入食物鏈的效果進行了大量的研究，一般認為，在酸性污染土壤上施加石灰、赤泥等堿性物質均能起到降低土壤有效Cd含量及降低作物體內Cd含量的作用［7-9］。但在實際應用過程中，不同成土母質發育的水稻土壤施用土壤調理劑的效果存在較大差異，為探明土壤調理劑在不同成土母質Cd污染土壤上的修復效果，選擇長株潭地區典型的第四紀紅壤、花崗巖、河流沖積物發育的肥力基本一致的Cd污染稻田，以常規施肥為對照，選擇高效Cd污染土壤鈍化劑研究其對稻田土壤Cd形態、水稻Cd吸收的影響，為農田Cd污染土壤修復治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：（1）長沙縣北山鎮Cd超標土壤：花崗巖發育的水稻土，pH值5.8，土壤全氮含量2.48 g/ kg，堿解氮157 mg/kg，有效磷17.9 mg/kg，速效鉀69 mg/kg，有機質含量42 g/kg，土壤總Cd含量0.88 mg/kg，土壤有效Cd含量0.57 mg/kg；

（2）長沙縣江背鎮Cd超標土壤：第四紀紅壤發育的水稻土，pH值5.1，土壤全氮含量2.41 g/kg，堿解氮198 mg/kg，有效磷19.1 mg/kg，速效鉀55 mg/kg，有機質含量45.6 g/kg，土壤總Cd含量0.70 mg/kg，土壤有效Cd含量0.41 mg/kg；

（3）攸縣大同橋鎮Cd超標土壤：河流沖積物發育的酸性潮泥田，pH值4.9，土壤全氮含量3.64 g/kg，堿解氮192 mg/kg，有效磷12.0 mg/kg，速效鉀68 mg/ kg，有機質含量40.8 g/kg，土壤總Cd含量0.51 mg/ kg，土壤有效Cd含量0.36 mg/kg。

供試土壤調理劑：宇豐農科生態工程股份有限公司提供的“宇豐”土壤調理劑，主要通過改良土壤酸性和提供活性硅、鋅等物質，降低土壤重金屬活性、阻控重金屬在土壤和水稻植株中遷移，降低水稻對重金屬Cd的吸收積累。產品主要技術參數：pH值為12.2，全量CaO為37.2%，全量SiO2為18.4%，有效SiO2為3.1 g/kg，Zn含量為4.5%，有機質為17.0%，水分含量3.9%。產品Cd、As、Cr、Pb、Hg含量分別為0.34、7.3、48.4、22.2、1.7 mg/kg。

供試水稻品種：株兩優819。

1.2 試驗方法

試驗分別在長沙縣江背鎮、北山鎮和攸縣大同橋鎮3地選擇典型的第四紀紅壤、花崗巖和河流沖積物發育的Cd污染稻田進行試驗，各設2個處理，3次重復，小區面積30 m2，隨機排列，田埂用塑料薄膜包至田面20 cm以下，防止串肥串水。

處理1（CK）：對照；

處理2（LR）：“宇豐”土壤調理劑1 500 kg/hm2。

調理劑于插秧前1周均勻撒施并耙勻，使之與土壤充分混勻，按當地習慣進行水肥及病蟲害管理。成熟期測定小區產量，并按多點取樣法取樣測定稻米、莖、葉Cd含量、土壤有效Cd含量及土壤pH值。

1.3 分析方法

土壤有效態Cd含量：稱10 g過20目篩土樣，加入DTPA-TEA-CaCl2浸提液（土︰水=1︰5）50 mL，震蕩2 h后過濾，稀釋20倍后用ICP-MS（ICAP Q，thermo fisher scientific）測定溶液Cd含量。

土壤Cd含量：稱過100目篩土樣0.3 g于消煮管中，采用HNO3-H2O2-HF微波消煮，定容后過濾，用ICP-MS測定溶液Cd濃度。

水稻稻米及植株Cd含量：稱樣0.3 g于消煮管中，分別加入5 mL HNO3、1 mL H2O2，微波消解，定容后過濾，用ICP-MS測定Cd含量。

為確保數據的可靠性和穩定性，植株Cd含量測定時每5樣品做1次平行，每40個樣帶1個質控樣GSB-23（湖南大米）；ICP-MS檢測采用銠（Rh）做內標，回收率90%～105%。

數據處理：采用SPSS 17.0及Microsoft Excel 2003進行數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 施用土壤調理劑對水稻產量的影響

施用土壤調理劑對水稻產量無顯著影響，江背、大同橋點產量水平較高，北山點略低。北山、江背、大同橋3個試驗點施用土壤調理劑后水稻產量（圖1）平均比對照增產3.08%，增產不顯著。其中，北山點增加257.79 kg/hm2，增產4.66%；江背點增加244.01 kg/hm2，增產2.83%；北山點增加144.45 kg/hm2，增產1.74%，但增產效果皆不顯著。

圖1 不同地點施用土壤調理劑的水稻產量

2.2 施用土壤調理劑對水稻Cd含量的影響

北山、江背、大同橋3個試驗點施用土壤調理劑皆顯著降低了稻米Cd含量（圖2），平均比對照降低36.90%（P＜0.05），降低稻米Cd含量的效果為大同橋＞北山＞江背。大同橋、北山和江背點施用土壤調理劑的稻米Cd含量分別比對照降低62.18%（P＜0.05）、29.62%（P＜0.05）和18.90%（P＜0.05），皆達到顯著差異水平。

圖2 不同地點施用土壤調理劑的稻米Cd含量

北山、江背、大同橋3個試驗點施用土壤調理劑的水稻莖稈Cd含量（圖3）平均比對照降低25.33% （P＜0.05），降低水稻莖稈Cd含量的效果也為大同橋＞北山＞江背。大同橋、北山、江背點施用土壤調理劑的莖Cd含量分別比對照降低63.26%（P＜0.05）、12.26%和0.48%。

北山、江背、大同橋3個試驗點施用土壤調理劑的水稻葉Cd含量（圖4）平均比對照降低29.96% （P＜0.05），降低水稻葉Cd含量的效果為大同橋＞江背＞北山。大同橋、北山和江背點施用土壤調理劑的葉Cd含量分別比對照降低48.74%（P＜0.05）、8.72%、32.43%（P＜0.05）。

可見，不同成土母質發育的Cd污染稻田施用土壤調理劑皆可降低水稻對Cd的吸收積累，但在不同地點的鈍化效果存在一定差異。從降低水稻Cd吸收上看，施用土壤調理劑對水稻Cd吸收積累的抑制作用效果為大同橋＞北山＞江背，即施用土壤調理劑的鈍化效果為河流沖積物發育的酸性潮泥田優于花崗巖發育的水稻土，優于第四紀紅壤發育的水稻土。

圖3 不同地點施用土壤調理劑的莖桿Cd含量

圖4 不同地點施用土壤調理劑的水稻葉Cd含量

2.3 施用土壤調理劑對土壤pH值及有效態Cd含量的影響

施用土壤調理劑后，北山、江背、大同橋3個試驗點水稻成熟期的土壤pH值比對照平均提高0.44個單位（P＜0.05）（圖5）。其中，大同橋點施用土壤調理劑的土壤pH值比對照高0.96個pH值單位（P＜0.05）；江背、北山點土壤pH值分別比對照高0.20、0.16個單位，但差異不顯著。

施用土壤調理劑后，北山、江背、大同橋3個試驗點水稻成熟期的土壤有效態Cd含量（圖6）比對照平均降低22.47%（P＜0.05）。其中，大同橋、江背、北山點施用土壤調理劑的土壤有效態Cd含量分別比對照降低37.30%（P＜0.05）、19.14%（P＜0.05）和10.98%（P＜0.05）。

圖5 不同地點施用鈍化劑的土壤pH值

圖6 不同地點施用鈍化劑的土壤有效Cd含量

可見，施用土壤調理劑可有效提高土壤pH值，并顯著降低土壤有效態Cd含量。且在土壤pH值最低的河流沖積物發育的酸性潮泥田（大同橋）調酸效果最好，且土有效態Cd含量降低效果也最高，而在花崗巖發育的水稻土（北山）和第四紀紅壤發育的水稻土（江背）上提高土壤pH值和降低土壤有效態Cd含量的效果次之。

2.4 水稻各器官Cd含量與土壤有效Cd含量、pH值間的相關分析

分析各試驗點水稻稻米及莖葉Cd含量與土壤有效態Cd含量、土壤pH值之間的相關性表明（表1），稻米Cd含量與土壤有效態Cd含量呈極顯著正相關，與土壤pH值呈顯著或極顯著負相關，莖、葉Cd含量與土壤有效態Cd含量以及土壤pH值的相關性與稻米基本一致，表明土壤pH值越高，土壤有效態Cd含量越低，水稻對Cd的吸收積累越少，稻米Cd含量也越低。但不同地點間存在一定差異，不管是稻米Cd含量與莖葉Cd含量之間，還是水稻稻米及莖葉Cd含量與土壤有效態Cd含量及土壤pH值之間的相關性，皆表現為大同橋＞江背＞北山。這與施用土壤調理劑后提高土壤pH值和降低土壤有效態Cd含量的順序基本一致。

表1 不同地點水稻各器官Cd含量與土壤有效Cd含量、pH值之間的相關系數

3 討 論

研究結果表明，施用土壤調理劑主要通過提高土壤pH值、改良土壤酸性、降低土壤有效態Cd含量，從而達到鈍化土壤Cd的效果，減少水稻對Cd的吸收積累。大量研究結果也表明，提高污染土壤的pH值可有效降低土壤Cd的生物有效性［10］。因此，針對酸性重金屬污染土壤的改良，提高土壤pH值是最為直接有效的途徑之一。目前，應用于重金屬污染土壤的改良劑，多數具有調節土壤pH值的作用［7，9，10-17］。土壤pH值是影響Cd吸附與解吸，控制其移動性和有效性的重要因子［7］。隨土壤pH值升高，土壤對Cd的吸附量和吸收能力急劇上升，最終發生沉淀，在酸性砂土中，pH值每增加0.5個單位，土壤對Cd的吸附就增加一倍［14］；土壤pH值還影響土壤溶液中重金屬元素的離子活度，在低pH值時尤其明顯，土壤Cd的有效性或植物對Cd的吸收與土壤pH值成反比［10，18，19］；也有研究表明，土壤中Cd離子濃度隨pH值上升而下降，但pH值過高又會溶解，離子濃度又會再升高［14-15］，因此，對重金屬污染土壤的治理尤其應注意土壤的pH值。石灰和赤泥等強堿性物質調理Cd污染土壤酸性的最常用的物質，在強酸性赤紅壤中適當加入石灰可將pH值提高到6.5～7.5［20］，并使土壤交換態和松結有機態Cd的含量降低，促進碳酸鹽態、氫氧化物沉淀態Cd的形成，促進其向鐵錳氧化物結合態和有機物結合態Cd轉變，降低土壤中Cd的有效性，從而抑制作物對Cd的吸收［21-22］。此外，因土壤調理劑還含有大量的Ca、Si、Zn及有機質等，也能在一定程度上對土壤Cd等重金屬起到拮抗作用，并在一定程度上抑制水稻對土壤Cd的吸收和水稻植株體內Cd的遷移轉運［23-24］。

本研究結果還表明，在不同成土母質發育的Cd污染稻田中，河流沖積物發育的酸性潮泥田施用“宇豐”土壤調理劑對提高土壤pH值和降低土壤有效態Cd含量的效果以及降低水稻Cd吸收積累的效果最好，而在花崗巖發育的水稻土和第四紀紅壤發育的水稻土上效果次之，這主要是受土壤調理劑酸性調理效果的影響；而施用“宇豐”土壤調理劑提高第四紀紅壤發育的水稻土的土壤pH值和降低土壤有效態Cd含量的效果優于花崗巖發育的水稻土，而降低水稻Cd吸收的效果則為花崗巖發育的水稻土優于第四紀紅壤發育的水稻土，這可能是因為第四紀紅壤發育的水稻土較花崗巖發育的水稻土緩沖能力更強，在花崗巖發育的水稻土施用土壤調理劑后，其Ca、Si、Zn及有機質能更有效的起到鈍化土壤中的重金屬的作用，因此，在花崗巖發育的水稻土中施用土壤調理劑增加土壤pH值的效果不如第四紀紅壤發育的水稻土，但其中Ca、Si、Zn及有機質的作用能得到更好的發揮，反而導致花崗巖發育的水稻土中施用“宇豐”土壤調理劑降低水稻Cd吸收的效果更明顯?？梢?，不同成土母質發育的Cd污染稻田中施用“宇豐”土壤調理劑，主要受其強堿性對土壤的調酸及降低土壤Cd有效性的作用，并受不同成土母質中Ca、Si、Zn及有機質作用效果的調節。

4 結 論

（1）施用土壤調理劑對水稻產量無顯著影響，但能顯著降低稻米Cd含量，有效降低水稻莖葉Cd含量。北山、江背、大同橋3試驗點的水稻稻米、莖、葉Cd含量分別平均比對照下降36.90%、25.33%、29.96%，皆達到顯著差異水平。

（2）施用土壤調理劑主要是提高了土壤的pH值，降低了土壤有效態Cd含量，降低了土壤中Cd的活性，進而減少水稻對Cd的吸收積累；同時，土壤調理劑中Ca、Si、Zn及有機質也對水稻吸收積累Cd具有一定的抑制作用，但受成土母質的影響，不同地點間施用土壤調理劑的降Cd效果存在一定的差異。

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（責任編輯：賀 藝）

中圖分類號：S19

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）06-0026-04

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.06.009

收稿日期：2016-03-20

基金項目：湖南省重點研發計劃項目“湖南鎘超標農田安全利用關鍵技術研究”（2015NK3015）

作者簡介：陳 誠（1983-），男，湖南衡東縣人，碩士研究生，主要從事農業環境污染治理管理與技術推廣工作。

通訊作者：鐵柏清

Remediation Effect of Soil Conditioner to Cd Polluted Paddy Field from Different Soil Parent Materials

CHEN Cheng1， 2，TIE Bo-qing1
（1. College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC；2. Hunan Agricultural Resources and Environment Protection Station， Changsha 410005， PRC）

Abstract:Choosing different soil parent materials of typical Cd polluted paddy soil， researching the soil conditioners’ effect on soil Cd morphology and rice Cd absorption， toprovidea scientifc basis for repairing different soil parent material of Cd polluted paddy. The result showed that the application of soil conditioner had no signifcant effect on rice yield， but it could signifcantly reduce the content of Cd in rice and improve soil pH value， it also reduced the content of Cd in soil effectively. The application of soil conditioner was mainly affected by the strong alkali on soil acid adjustment and reduced the effectiveness of soil Cd， also affected by adjustment of soil parent materials.

Key words:cadmium； soil conditioner； rice； soil parent materials； heavymetal