不同土壤調(diào)理劑對土壤和稻米降鎘效果的影響

劉登彪，劉建華，苗雪雪，羅先富

（1.湖南高嶺環(huán)保科技有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南省水稻研究所，農(nóng)業(yè)部長江中下游秈稻遺傳育種重點實驗室，湖南 長沙 410125）

近年來，由于有色金屬采選、冶煉活動和化學(xué)肥料的過度使用等原因，我國土壤重金屬污染形勢日趨嚴(yán)重[1]。2014 年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》指出全國土壤點位污染總超標(biāo)率為 16.1%，而所有污染物中，鎘污染超標(biāo)率排在首位，達(dá)到了7 %[2]。鎘（Cd）是一種毒性極強的重金屬元素，會破壞農(nóng)作物生理代謝和生長發(fā)育，使農(nóng)作物減產(chǎn)、品質(zhì)變差。此外，鎘具有很高的遷移性，容易被農(nóng)作物吸收，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入到人體，長期攝入重金屬將會對人體的皮膚、骨骼、神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)臟器官等造成不同程度的危害[3-5]。隨著生活水平的提升，人們對食品安全提出了更高要求，土壤重金屬鎘污染成為當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品安全迫切需要解決的問題。

目前，國內(nèi)外常見的鎘污染農(nóng)田修復(fù)技術(shù)有物理修復(fù)、生物修復(fù)和化學(xué)修復(fù)等。物理修復(fù)是用未受污染的土壤置換已污染土壤，這樣雖然可以徹底解決當(dāng)前地塊的污染問題，缺點是工程量大、成本高。生物修復(fù)中常見的是植物修復(fù)。植物修復(fù)是指種植對鎘具有特殊吸收富集能力的作物，對鎘進(jìn)行吸收或固定，從而降低土壤中鎘的有效濃度，缺點是富集植物生長緩慢、產(chǎn)量低，修復(fù)周期長，很難實際應(yīng)用。化學(xué)修復(fù)是指施用鈍化材料、石灰等改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤pH 值，降低土壤鎘的有效性，從而降低稻米中的鎘含量，是目前稻米降鎘的主要途徑之一[6-8]。該研究通過選用作物秸稈粉末、有機(jī)質(zhì)、粘土礦物質(zhì)粉末等常見易得且成本較低的幾種材料按不同比例復(fù)配成土壤調(diào)理劑，設(shè)置田間試驗，研究不同配比的6 種土壤調(diào)理劑對土壤pH 值、全鎘、有效態(tài)鎘以及稻米中鎘含量的影響，為鎘污染稻田安全修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在湘潭縣和長沙縣示范基地進(jìn)行，供試土壤為河流沖積物發(fā)育的河沙泥，2 個試驗地點土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

湘潭縣供試品種為金優(yōu)59，長沙縣供試品種為H 優(yōu)518，均為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)種植品種。土壤調(diào)理劑均為自主研制配方，處理1、2、3、4、5、6 均是由作物秸稈粉末、有機(jī)質(zhì)、粘土礦物質(zhì)粉末等常見易得且成本較低的幾種材料按不同比例復(fù)配而成。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗采取單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，4 次重復(fù)。設(shè)置空白對照（CK）、石灰處理、土壤調(diào)理劑處理（處理1、處理2、處理3、處理4、處理5、處理6）、共8 個處理。小區(qū)面積為20.0 m2，長5.0 m、寬4.0 m，小區(qū)埂下寬0.3 m，小區(qū)埂高出田面0.1 m，共32 個小區(qū)。小區(qū)埂上蓋地膜，地膜幅寬0.8 m，防止小區(qū)間串肥串水。根據(jù)2 個試驗地點土壤性質(zhì)及常規(guī)種植習(xí)慣，長沙縣施氮磷鉀40%（22—8—10）復(fù)合肥1 kg/小區(qū)作為基肥；湘潭縣施氮磷鉀45%（15—15—15）復(fù)合肥2 kg/小區(qū)作為基肥。移栽前1 周，按照試驗設(shè)計，分別將石灰等各種調(diào)理劑施入相應(yīng)小區(qū)中，人工用六齒耙均勻混入泥中，用木燙板燙平田面。湘潭縣將水稻種子浸種、催芽后，于7 月24 進(jìn)行直播；長沙縣于6 月23 日育秧，7 月28 日移栽。病蟲草及鼠雀害按常規(guī)方法防治。

1.3 考察指標(biāo)及方法

土壤樣品：稻谷成熟期時采集土壤樣品，按S 形曲線采用5 點取樣法采集0～20 cm 土層樣品，并混合成混合樣，采集量約1 kg；取樣土壤在室內(nèi)自然風(fēng)干，除去土壤中的石塊、植物根系和凋落物等，研磨過篩，測定指標(biāo)為pH 值、全鎘和有效態(tài)鎘；土壤pH 值參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測定，土壤中全鎘和有效態(tài)鎘分別參考國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 17141—1997 和 GB/T 23739—2009 進(jìn)行分析檢測。

稻米樣品：每個小區(qū)采集稻谷混合樣1 kg，在室內(nèi)自然風(fēng)干，去殼去皮制成精米粉，測定指標(biāo)為稻米鎘含量。稻米中的鎘含量依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.15—2014 進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，設(shè)定5%的顯著性水平，運用單因素隨機(jī)區(qū)組方差分析，并用Duncan 氏法進(jìn)行平均值間的多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤調(diào)理劑對土壤pH 值的影響

湘潭縣和長沙縣的土壤pH 值均偏酸性，針對當(dāng)?shù)赝寥纏H 背景值在5～6 之間的情況，該試驗土壤調(diào)理劑配方能夠適當(dāng)提高土壤pH值，從圖1中可以看出，湘潭縣對照的土壤pH 值較其他處理有顯著性差異。處理1、處理3 與石灰處理的效果差異不顯著；處理2、處理4、處理5、處理6 與石灰處理效果差異顯著。各處理pH 值提升率范圍為6.13%～12.74%，其效果排序為處理1 ＞石灰＞處理3 ＞處理6 ＞處理4 ＞處理5 ＞處理2 ＞CK，且處理1 和石灰處理均超過10%。

圖1 湘潭縣各處理的土壤pH 值

從圖2 中可以看出，長沙縣各小區(qū)的pH 值較CK 存在顯著性差異，并且各土壤調(diào)理劑處理與石灰處理的差異也是顯著的。除了處理2 和處理5 之間差異顯著，其他土壤調(diào)理劑處理無明顯差異。各處理pH 值提升率范圍為10.83%～32.70%，均超過了10%，其效果排序為石灰＞處理5 ＞處理1 ＞處理3 ＞處理4 ＞處理6 ＞處理2 ＞CK，處理5 和處理1 分別提升了19.78%和16.80%。

圖2 長沙縣各處理的土壤pH 值

2.2 不同土壤調(diào)理劑對土壤中全鎘、有效態(tài)鎘含量的影響

由于土壤為不均質(zhì)，所以部分小區(qū)會存在一定差異，從圖3 中可以看出，湘潭縣各小區(qū)土壤中全鎘含量與CK 差異不顯著，石灰處理與處理1、處理2、處理3、處理4 存在顯著性差異。各小區(qū)全鎘含量范圍為0.35～0.43 mg/kg，整體差異不大。

圖3 湘潭縣各處理的土壤全鎘、有效態(tài)鎘含量

處理1 和處理6 土壤有效含鎘含量較CK 處理存在顯著性差異，降鎘效果明顯；雖然其他各處理差異不顯著，但較CK 均有不同程度地降低。各處理土壤中有效態(tài)鎘含量的降幅為3.66%～13.41%，其降鎘效果排序為處理1 ＞處理6 ＞處理5 ＞處理2 ＞處理3 ＞處理4 ＞石灰處理。處理1 和處理6 降鎘率均超過10%。

從圖4 中可以看出，長沙縣各小區(qū)土壤全鎘含量除處理1 與CK、石灰處理、處理5、處理6 存在顯著性差異外，其他各處理之間均無顯著性差異。各小區(qū)全鎘含量范圍為0.34～0.39 mg/kg，整體差異不大。

圖4 長沙縣各處理的土壤全鎘、有效態(tài)鎘含量

處理3 和石灰處理的土壤有效態(tài)鎘含量較CK 處理差異顯著，降鎘效果明顯；其他各處理雖然沒有顯著性差異，但較CK 均有不同程度地降低。各處理土壤中有效態(tài)鎘的降幅為1.37%～19.18%，其降鎘效果排序為處理3 ＞石灰處理＞處理5 ＞處理1 ＞處理4 ＞處理6 ＞處理2。處理3、石灰處理和處理5 降鎘率均超過10%。

2.3 不同土壤調(diào)理劑對稻米中鎘含量的影響

各土壤調(diào)理劑處理對湘潭縣晚稻稻米中鎘含量差異不顯著，但各土壤調(diào)理劑處理的稻米鎘含量均有不同程度地降低，降幅為5.35%～23.41%，其降鎘效果排序為處理1 ＞處理2 ＞處理6 ＞處理5 ＞處理3 ＞處理4（圖5）。處理1、處理2、處理5、處理6 降鎘率均超過20%。

圖5 湘潭縣各處理的稻米鎘含量

從圖6 中可以看出，處理1 和處理5 對長沙縣晚稻稻米中鎘含量存在顯著性差異，降鎘效果明顯。其他各土壤調(diào)理劑處理對稻米中鎘含量雖然沒有顯著性差異，但均有不同程度地降低，降幅為1.86%～43.3%，其降鎘效果排序為處理5 ＞處理1 ＞處理2 ＞處理3 ＞處理6 ＞處理4。處理1 和處理5 降鎘率均超過30%，處理2、處理3 和石灰處理降鎘率均超過了20%。

圖6 長沙縣各處理的稻米鎘含量

3 結(jié) 論

（1）湘潭縣各處理pH 值提升率為6.13%～12.74%，其效果排序為處理1 ＞石灰＞處理3 ＞處理6 ＞處理4、處理5 ＞處理2 ＞CK，且處理1 和石灰處理均超過10%。長沙縣各處理pH 值提升率為10.83%～2.70%，均超過了10%，其效果排序為石灰＞處理5 ＞處理1 ＞處理3 ＞處理4 ＞處理6 ＞處理2 ＞CK，處理5 和處理1 分別提升了19.78%和16.80%。

（2）湘潭縣土壤中有效態(tài)鎘含量降低了3.66%～13.41%，其降鎘效果排序為處理1 ＞處理6 ＞處理5 ＞處理2 ＞處理3 ＞處理4 ＞石灰處理。處理1 和處理6 降鎘率均在10%以上。長沙縣土壤中有效態(tài)鎘含量降低了1.37%～19.18%，其降鎘效果排序為處理3 ＞石灰處理＞處理5＞處理1＞處理4＞處理6＞處理2。處理3、石灰處理和處理5 降鎘率均在10%以上。

（3）各土壤調(diào)理劑處理稻米中鎘含量均有不同程度地降低，湘潭縣降幅為5.35%～23.41%，其降鎘效果排序為處理1 ＞處理2 ＞處理6 ＞處理5 ＞處理3 ＞處理4。土壤調(diào)理劑處理1、處理2、處理5、處理6降鎘率均超過了20%。長沙縣降幅為1.86%～43.30%，其降鎘效果排序為處理5 ＞處理1 ＞處理2 ＞處理3 ＞處理6 ＞處理4。土壤調(diào)理劑處理1 和處理5 降鎘率均超過30%，處理2、處理3 和石灰處理降鎘率均超過了20%。

4 討 論

試驗結(jié)果表明，處理1 和處理5 的土壤調(diào)理劑配方對土壤和稻米的降鎘效果較為理想，可作為后續(xù)土壤調(diào)理劑重點開發(fā)產(chǎn)品，亦可結(jié)合各配方優(yōu)勢進(jìn)一步整合優(yōu)化，研發(fā)出適合當(dāng)?shù)厮嵝酝寥狼业统杀尽⑿Ч€(wěn)定的土壤調(diào)理劑。下一步可以通過優(yōu)化調(diào)理劑中的鈍化成分，促進(jìn)其與重金屬鎘絡(luò)合、沉淀等，進(jìn)一步降低土壤有效態(tài)鎘含量；也可以優(yōu)化配方中的鋅、錳、硅等有效元素，抑制水稻吸收重金屬起，從而降低稻米中鎘含量；其他復(fù)配的營養(yǎng)元素繼續(xù)保留，以促進(jìn)農(nóng)作物生長，提高產(chǎn)量。同時，可將土壤調(diào)理劑與其他物理、化學(xué)、生物修復(fù)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，探討其對污染農(nóng)田土壤的修復(fù)效果。