不同阻控劑對珠三角稻田鎘污染修復的效果探究

林智 李伯欣 周自強 張均和 余英德 李丁 章文貴 陳就

摘 要 為研究與篩選珠三角地區水稻鎘（Cd）污染有效阻控技術，選用多元硅鎂2號、森美思鈍化劑、生物炭、葉面阻控劑和硅肥于2017年在珠海開展了不同阻控劑對晚稻Cd污染修復大田示范試驗。結果發現：示范試驗地塊施加阻控劑對晚稻具有一定增產效益;除單施葉面阻控劑處理（P）外，其余處理均能提高土壤pH值6.1%～21.3%，僅森美思鈍化劑（X3）和配施硅肥（X1S）處理能夠顯著降低土壤有效態Cd含量（P<0.05）;所有施用阻控劑處理相較于空白對照（CK）均能顯著降低稻谷Cd含量（P<0.05），除CK與多元硅鎂2號（M）處理外，其他處理稻谷Cd含量均低于國家標準限值，降低幅度最大為森美思鈍化劑X3處理，生物炭與葉面阻控劑都能顯著降低稻谷Cd含量且二者聯用具有極顯著交互效應（P<0.001）。

關鍵詞 阻控劑;稻田;鎘污染;示范試驗

2016年，國務院頒發了《土壤污染防治行動計劃》，要求到2020和2030年，受污染耕地安全利用率分別達到90%左右和95%以上，中輕度污染農田土壤重金屬的修復與阻控成為近年來農業環境科學研究的熱點。我國人多地少，為了確保糧食安全，仍需安全利用中輕度污染農田，并生產出安全的農產品[1-2]。在諸多種重金屬中，Cd與其他重金屬不同，其在土壤中具有較高的植物有效性，并且土壤有效態Cd的濃度在達到毒害植物濃度之前就可以使可食部分Cd含量超過食用標準而危害人類健康[3]。鎘在土壤-植物系統中的移動性較強，容易在作物可食部位積累，因此，如何阻控作物對鎘的積累，是中輕度污染農田安全利用必須解決的關鍵問題。

珠三角地區為我國高度發達地區，是我國最大的制造業基地，部分區域土壤重金屬污染威脅尤為突出[4-5]，總體上南方稻田鎘污染相對嚴重，70%的稻米存在鎘污染，對我國部分市售大米的抽樣檢測結果顯示，鎘超標率達10%[6]，我國人群Cd平均攝入量在過去30年里增加了一倍[7]。諸多學者在湖南、廣東、湖北、安徽等地進行了大量實驗與效果示范，探索出了土壤調理劑、葉面阻控劑、生物炭、石灰等一系列以重金屬鈍化為主的修復方式，其目標是阻斷或減少農作物對Cd的吸收累積，從而控制土壤Cd經農作物吸收進入食物鏈[8-12]。本示范試驗使用的阻控劑包括生物炭、森美思鈍化劑、葉面阻控劑、多元硅肥及其組合技術。其中，生物炭由于具有高pH、高比表面積、豐富的孔隙及表面官能團等特性，作為重金屬污染土壤的修復材料受到環境修復界的廣泛關注[13-15];森美思鈍化劑是一種新型多孔陶瓷納米材料，由高比表面積納米陶瓷制備和分子組裝兩種前沿技術結合制備得到，可在吸附固定重金屬的同時預防土壤微生物進入孔洞重新活化重金屬，保障其生物安全性，相關研究發現田間施用森美思鈍化劑可使稻米Cd降低17.1%～44.2%[8];此外，有研究發現，噴施葉面阻控劑可通過抑制根部Cd的吸收，降低作物體內Cd轉運而降低其可食部位Cd含量[16-18]。

本示范試驗旨在施用不同阻控材料的條件下，監測不同阻控劑對稻田土壤Cd有效態含量、稻米Cd含量等的影響，通過大田效果示范試驗，篩選出對當地土壤Cd污染修復具有良好效果且適宜推廣的重金屬阻控材料，為珠三角地區稻田Cd污染耕地安全利用提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 區域與土壤

本示范試驗選址在廣東省珠海市斗門區斗門鎮（22.28°N，113.21°E），區域隸屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫22.5 ℃，年均降雨量為2 062 mm。供試區域土壤類型為水稻土，土壤質地為粉壤土，土壤Cd全量1.316±0.044 mg·kg-1;經調查檢測，試驗地塊往年稻谷鎘含量均超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762-2017）規定限量要求（0.2 mg·kg-1）。供試地塊土壤pH 5.07，土壤有機質含量49.7 g·kg-1，全氮含量2.72 mg·kg-1，有效磷含量40.3 mg·kg-1，速效鉀含量414 mg·kg-1，CEC為19.9 cmol·kg-1。

1.2 供試材料

示范試驗材料包括葉面阻控劑（P）、生物炭（B）、森美思鈍化劑（X1、X3）、多元硅鎂2號（M）、硅肥（S）等;其中葉面阻控劑（水稻用）主要成分為納米硅，購置于佛山市鐵人環保科技有限公司，于分蘗期、封行期、破口期、成熟期四個生育期噴施，每667 m2單次噴施量為1 L;生物炭購于佛山市鐵人環保科技有限公司，于水稻種植翻耕前一次性施入;森美思鈍化劑購于格豐環保科技有限公司，主要成分為多孔陶瓷材料，于水稻種植翻耕前一次性施入;多元硅鎂為市場購得的一般固體材料，于水稻種植翻耕前一次性施入;硅肥為市場購得的一般水溶性硅肥，種植前與基肥一同施入。供試晚稻品種為本地常規品種美占香。

1.3 試驗設計

本示范試驗區域共設置8個處理效果示范區，分別為：1）空白對照示范區（CK）;2）每667 m2施用多元硅鎂2號100 kg（M）;3）每667 m2施用森美思鈍化劑200 kg +硅肥10 kg（X1S）;4）每667 m2施用森美思鈍化劑300 kg（X3）;5）每667 m2施用森美思鈍化劑500 kg（X1）;6）每667 m2施用生物炭300 kg +葉面阻控劑4 kg（BP）;7）每667 m2施用生物炭300 kg（B）;8）每667 m2施用葉面阻控劑4 kg。

各處理均設置3個重復，每個示范區面積約667 m2（22 m×30 m），總示范面積共計1.6 hm2，示范小區之間用塑料薄膜田埂隔開。所有示范小區均采用當地常規水肥管理，確保條件統一。示范試驗為一個晚稻生長周期，水稻于2017年7月種植，2017年11月收獲。

1.4 樣品采集與分析

示范試驗開展前，采集土壤測定基本理化性質作為基礎數據;土壤、水稻樣品于收獲前1～3 d采集，采用五點法布點采樣，每個處理田塊四周四個點和中間點混勻后通過四分法制成一個綜合樣品。各田塊采集土壤樣品約1 kg，稻谷樣品約500 g，所有樣品均送第三方檢測單位分析檢測。本示范試驗檢測指標及對應方法如表1所示。

1.5 數據分析

本研究采用Microsoft Office Excel 2013軟件進行試驗數據的處理及圖表制作，采用JMP 9.0軟件進行統計分析，處理進行差異顯著性檢驗采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 不同阻控劑對水稻產量的影響

不同示范試驗處理田塊水稻產量如圖1所示，各處理每667 m2產量為411.1～436.7 kg。除了生物炭（B）處理外，其他處理示范區均有一定增產效果，增產率為0.72%～5.33%，其中增產率最高為單獨森美思鈍化劑處理（X1），增產5.33%;其次為森美思鈍化劑配施硅肥處理（X1S），增產4.17%。上述結果表明，施用Cd阻控劑一般不會對水稻造成減產現象，反之具有一定增產作用。

2.2 不同阻控劑對土壤pH及有效態Cd含量的影響

與空白對照（CK）相比，處理M、X1S、X3、X1、BP、B分別提高土壤pH值14.8%、9.7%、9.1%、6.1%、21.3%、14.0%，說明本示范試驗地塊施加土壤Cd阻控劑可以增加土壤pH，對酸性土壤起到調理作用;而僅配施葉面阻控劑處理（P）未提高土壤pH，原因是葉面阻控劑為葉面噴施，不會進入土壤對土壤產生影響（圖2）。

不同處理的土壤有效態Cd含量如圖2所示，各處理土壤有效態Cd含量差異較小，總體含量在0.496～0.596 mg·kg-1。與CK處理相比，僅X1S與X3處理土壤有效Cd含量顯著降低（P<0.05），降低率分別為13.8%和16.1%，P處理相較于CK處理土壤有效Cd含量無差異，其他處理有略微降低作用，但差異不顯著。通過相關性分析發現，土壤pH與土壤有效態Cd含量間相關性不顯著（P>0.05），這可能與有效態Cd的提取方法和土壤本身性質有關。

2.3 稻谷Cd含量

根據檢測結果，空白對照CK處理稻谷Cd含量為0.321 mg·kg-1，超過國家《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762-2017）規定的0.2 mg·kg-1標準值。由圖3可以看出，各處理相較于CK處理均能顯著降低稻谷Cd含量，降低率為30.1%～57.9%（P<0.05），表明Cd污染稻田施加阻控劑能夠有效緩解稻谷Cd超標風險，除M處理外，其他處理稻谷Cd含量均達到了國家標準限值，示范試驗修復區域稻谷總體達標率為85.7%;各處理對稻谷Cd含量的降低率由高到低依次為X3>BP>X1>P>X1S>B>M處理，說明不同阻控技術對于稻谷Cd含量的影響有所不同。總體而言，森美思鈍化劑與生物炭配施葉面阻控劑技術修復效果較好。

不同阻控劑的施用對試驗區稻谷Cd含量的降低幅度不同，森美思鈍化劑處理系列和生物炭處理系列總體降鎘效率較高，因此對該兩類阻控劑效果進行深度分析。森美思鈍化劑X3、X1以及X1S相較于CK處理分別降低稻谷Cd含量57.9%、47.0%和42.5%（P<0.05），說明單施森美思鈍化劑效果優于其配施硅肥處理，森美思鈍化劑X3產品表現最好。

生物炭及其配施葉面阻控劑處理（BP）相比于CK處理稻谷降鎘率高達55.2%，顯著高于單施生物炭處理（B）和單施葉面阻控劑處理（P<0.05）。如表2雙因子方差分析所示，單獨施用生物炭或葉面阻控劑對稻谷Cd降低均具有極顯著效應，同時，生物炭配施葉面阻控劑具有極顯著交互效應，表明生物炭與葉面阻控劑對稻谷Cd的降低具有顯著的相互促進作用。

3 結論與討論

3.1 結論

本研究通過田間示范試驗，在Cd污染稻田中施加不同類型的水稻Cd阻控劑，除處理B外，其他阻控劑均不會對水稻產量造成減產威脅且具有一定增產作用，增產效果較好的為森美思系列鈍化劑;除葉面阻控劑噴施措施外，土壤直接施入阻控劑能夠有效提高酸性土壤pH值，對土壤理化性質及其有效態Cd產生一定影響，其中森美思系列鈍化劑顯著降低了土壤有效Cd含量;不同阻控劑的施用均能起到抑制稻谷富集Cd的作用，除施用多元硅鎂肥外，其他處理稻谷Cd含量均達到了國家標準限值要求，所有施加阻控劑處理稻谷達標率為85.7%，其中森美思鈍化劑X3與生物炭配施葉面阻隔劑兩種措施降Cd效果最優。上述結果表明，施用阻控劑能夠促進Cd污染稻田的安全利用，森美思鈍化劑對珠三角地區酸性Cd污染土壤修復具有良好的示范效果。

3.2 討論

本示范試驗中不同稻田重金屬Cd阻控劑的施入不會對水稻造成減產且具有一定促進增產作用，多元硅鎂肥中的鎂和硅大多為水溶性，具有速效性，能夠增強水稻吸收磷、抗病菌以及抗倒伏等作用，對水稻的產量具有積極影響[19]。森美思系列鈍化劑主要成分為天然黏土礦物，輔以特殊工藝制成，施入土壤后會釋放一定含量的有效硅和鈣、鎂、鈉等堿或堿土金屬，同時材料的高比表面積和多孔性質能夠提高土壤的透氣性，改善土壤的團粒結構，提高土壤的pH值，增加微生物活性等[8]。相關研究發現，適量生物炭能顯著改善土壤肥力，提高水稻全生育期的根系活力，同時富含多種元素，其中不乏一些作物生長所需的營養元素和微量元素，從而提高水稻產量[20-22]。

水稻對Cd的吸收受諸多因素影響，例如pH值、CEC、有機質以及離子間的作用等[7]。本示范試驗中施加Cd阻控劑能夠提高土壤pH值，降低水稻稻谷Cd的積累（圖2，圖3），其原因主要有：1）隨著土壤pH值的升高，土壤氧化物和有機質釋放大量質子導致土壤表面的負電荷增多，促進了土壤對Cd的吸附，同時土壤溶液中氫氧根離子和多價陽離子的離子積增大，使生成Cd（OH）2沉淀的機會增大，這些沉淀增大了土壤對Cd2+的吸附力，降低了重金屬Cd的生物有效性[23];2）供試阻控劑中含有大量鈣、鎂、硅等元素，相關研究表明，鈣、鎂、硅等元素與Cd在進入作物的根表細胞時存在競爭作用，土壤中大量鈣離子、硅離子會與鎘離子競爭作物根細胞膜上的吸收位點，從而導致作物對Cd的吸收累積量減少[24];3）稻田土壤氧化還原狀況是影響土壤Cd化學形態和溶解度的另一個重要因素[25]，森美思鈍化劑、生物炭等阻控劑均有“保水、增肥、透氣”等性能，可以調節土壤的物理、化學和生物性狀，對改良土壤結構、改善土壤氧化還原狀態及修復污染土壤等有顯著作用;4）土壤中的Cd離子通過根的表皮細胞空隙以及根皮細胞膜上的運輸蛋白進入細胞內，水稻地下部分的根系直接接觸土壤，是最容易吸收和積累Cd的器官;莖部連接著地下部分和地上部分，向葉片及以上運輸著根部積累的物質[26]。噴施葉面阻控劑能阻止Cd的質外體運輸途徑，減少水稻地上部分Cd的沉積，最終降低稻谷中的Cd含量[27]。

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（責任編輯：趙中正）