土壤改良劑對鎘污染稻田的治理穩(wěn)定性研究

摘要 為驗證大田環(huán)境下土壤改良劑對鎘污染稻田的治理效果穩(wěn)定性，開展了連續(xù)3年的原位鈍化試驗。結(jié)果表明，土壤改良劑施用第1年，土壤酸化情況明顯改善，土壤pH由5.64最高提升至7.13；土壤中有效鎘含量與土壤pH呈顯著負相關(guān)；稻米鎘含量與土壤有效鎘含量呈顯著正相關(guān)，最高降幅達71.48%，治理效果整體隨施用量的增加而增強。后續(xù)2年，處理組土壤pH、土壤有效鎘含量均有所回彈，但稻米鎘含量仍顯著低于空白對照且降幅與施用量間無明顯相關(guān)性，此外，所有處理組均未對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生明顯負面影響。由此可見，通過高施用量的土壤改良劑可在短期內(nèi)明顯提升土壤治理水平，但長期來看較低的施用量更有利于實現(xiàn)鎘污染耕地的長效治理。

關(guān)鍵詞 土壤改良劑；鎘污染稻田；原位鈍化；治理；穩(wěn)定性

中圖分類號 S 156.2 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）22-0075-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Study on the Stability of Soil Amendments in the Treatment of Cadmium-contaminated Rice Fields

WU Zhi-hang1，ZHU Ying-ting2，GONG Ya-long3 et al

（1.Wuhu Agricultural Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment，Wuhu，Anhui 241200;2.Wuhu Agricultural Technology Center，Wuhu，Anhui 241200;3.China Merchants Ecological Environmental Protection Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400000）

Abstract To verify the stability of the treatment effect of soil amendment on cadmium-contaminated paddy field under field environment，this study carried out in situ passivation test for three consecutive years.The results showed that soil acidification was significantly improved in the year of soil amendment application，and the soil pH was increased from 5.64 to 7.13;the effective cadmium content in the soil showed a significant negative correlation with the soil pH;the cadmium content in rice showed a significant positive correlation with the effective cadmium content in the soil，and the maximum reduction was up to 71.48%，and the overall effect of treatment was enhanced with the increase of application amount.In the following two years，the soil pH and effective cadmium content of the treatment groups rebounded，but the cadmium content of rice was still significantly lower than that of the blank control and there was no significant correlation between the reduction and the application rate，in addition，all the treatment groups did not have a significant negative impact on rice yield.It can be seen that the high application rate of soil conditioner can significantly improve the level of soil treatment in the short term，but in the long term，the lower application rate was more conducive to the realization of long-term management of cadmium-contaminated arable land.

Key words Soil amendment;Cadmium-contaminated rice fields;In-situ passivation;Government;Stability

根據(jù)全國土壤污染狀況調(diào)查報告，重金屬鎘（Cd）污染已是我國當(dāng)前不容忽視的土壤環(huán)境質(zhì)量問題^［1］。由于具備較強的生物毒性，鎘被世界衛(wèi)生組織（WHO）認為是殺傷力僅次于黃曲霉和無機砷的食品污染物。此外，其較強的遷移能力與易被植物吸收的特性，使鎘可通過食物鏈傳遞在人體富集，尤其是“鎘米”“鎘菜”的食用加劇了鎘對人體的健康風(fēng)險^［2-4］。有研究表明，長期暴露于鎘環(huán)境下將對人體器官、骨骼等產(chǎn)生不可逆損傷，并顯著增加致癌風(fēng)險^［5-6］，日本發(fā)生的“痛痛病”就是鎘中毒的慘痛案例。因此，治理鎘污染耕地、降低糧食安全風(fēng)險是關(guān)系民生的重要環(huán)境問題。

當(dāng)前鎘污染耕地的治理方法主要分為2類，即以削減污染物總量為目標的“總量控制”和以抑制重金屬活性為目標的“有效態(tài)含量控制”^［7］。前者主要有客土、換土法和植物提取技術(shù)，具備修復(fù)徹底、無二次污染等特點，但也因高昂的成本或較長的修復(fù)周期而鮮于實際運用^［8-9］；后者主要是指土壤改良鈍化技術(shù)，通過吸附、沉淀、絡(luò)合等反應(yīng)改變土壤中重金屬的賦存形態(tài)，進而降低其生物有效性，減少作物吸收的風(fēng)險^［10-11］。低成本、易操作、見效快的特點使土壤改良技術(shù)在耕地治理行業(yè)中受到廣泛青睞，但因鈍化技術(shù)是否具有長期穩(wěn)定性存在諸多質(zhì)疑。

Wang等^［12］認為鈍化技術(shù)終究無法削減土壤中重金屬總量，被抑制活性的重金屬無法在復(fù)雜的大田環(huán)境中保持穩(wěn)定。而通過持續(xù)性施用改良劑以維系治理效果的方法將導(dǎo)致治理成本和二次污染風(fēng)險持續(xù)累加，并且可能破壞土壤結(jié)構(gòu)和土壤生物化學(xué)循環(huán)，對土壤生產(chǎn)力產(chǎn)生不利影響^［13-15］。

基于此，該研究選取某鎘污染耕地進行持續(xù)3年的原位鈍化試驗，在土壤改良劑施用后3年中對土壤理化性質(zhì)、農(nóng)作物重金屬含量及產(chǎn)量進行跟蹤檢測，旨在驗證大田環(huán)境下土壤改良劑對鎘污染耕地的治理穩(wěn)定性，為土壤改良劑的科學(xué)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗地點位于安徽省蕪湖市繁昌區(qū)某鎘污染稻田，該地區(qū)年平均氣溫15.3 ℃，年降水量1 244.1 mm。土壤類型為黃棕壤，pH 5.23、總鎘含量0.53 mg/kg、有機質(zhì)含量40.53 g/kg、全氮含量2.54 g/kg、有效磷含量6.67 mg/kg、速效鉀含量90.33 mg/kg。總鎘含量超過《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中風(fēng)險篩選值（0.3 mg/kg）。

1.2 供試材料

供試土壤改良劑由招商局生態(tài)環(huán)保科技有限公司研制，主要成分為熟石灰、腐殖酸、鐵粉，重金屬元素滿足《肥料中有毒有害物質(zhì)的限量要求》（GB 38400—2019）。水稻品種為晶兩優(yōu)8612，為當(dāng)?shù)刂饕N植品種。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個處理，分別為常規(guī)施肥處理（CK）、常規(guī)施肥+土壤改良劑 1 500 kg/hm2（T1）、常規(guī)施肥+土壤改良劑3 000 kg/hm2（T）、常規(guī)施肥+土壤改良劑4 500 kg/hm2（T3），每個處理3次重復(fù)。每個重復(fù)對應(yīng)一個試驗小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2（7.5 m×4.0 m），各小區(qū)隨機排列。

試驗時間為2021—2023年，每年6月由當(dāng)?shù)胤N植統(tǒng)一育苗，并選取長勢相近的秧苗移栽，10月收獲，每年僅種植一季。每年復(fù)合肥（N-PO5-KO3=20%-20%-20%）施用量為600 kg/hm2，不施基肥。土壤改良劑于2021年秧苗移栽前10 d一次性通過人工撒施均勻施入試驗小區(qū)，并翻地使改良劑在耕作層均勻分布。為防治小區(qū)之間串水串藥，各小區(qū)單排單灌且相互用田埂隔開，田埂包薄膜防止塌陷和滲漏。后續(xù)2年不再額外施用改良劑，田間日常管理小區(qū)之間保持完全一致。

1.4 樣品測定與分析

每年10月收獲期，使用五點取樣法分別采集各小區(qū)土壤耕作層（0～20 cm）樣品和水稻籽粒樣品，小區(qū)單次采集土壤混合樣品干重不少于2 kg，水稻籽粒樣品不少于1 kg。土壤樣品風(fēng)干研磨過100目篩后測定理化性質(zhì)；稻米用去離子水清洗后在60 ℃下烘干至恒重，去殼后研磨成粉備用。

土壤pH采用玻璃電極法測定，土液比為1∶2.5（NY/T 1121.2—2006）。土壤總鎘含量采用王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，土壤有效鎘含量采用DTPA浸提法測定。稻米鎘含量采用經(jīng)硝酸與過氧化氫消解后電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定；水稻收割后以各試驗小區(qū)籽粒干重計算產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用軟件Excel 2021和SPSS 27進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用軟件origin 2022和GraphPad Prism 8進行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用土壤改良劑對土壤pH的影響

土壤酸化將引發(fā)土壤板結(jié)、養(yǎng)分淋失、毒害物質(zhì)溶出等問題，是耕地質(zhì)量下降、農(nóng)作物減產(chǎn)的重要原因^［16］。通常pH低于6.5被認為是酸性土壤，低于5.5則為強酸性土壤。試驗3年時間中，CK中土壤pH為5.23 ～ 5.65（表1），酸化程度較嚴重。土壤改良劑施用當(dāng)年（第1年），處理組土壤pH提升至6.44 ～ 7.13，其中T和T3處理土壤pH相較于CK顯著增加（P<0.05）。第2年，各處理土壤pH相較于第1年整體下降，其原因可能在于受干旱氣候影響，土壤中氧化還原電位較淹水條件升高，導(dǎo)致稻田中難溶性硫化物溶解，重新釋放SO4^2-與Cd²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等金屬陽離子，而金屬陽離子在氧化水解過程中將釋放質(zhì)子使土壤pH降低^［17-18］；其中T1和T3處理土壤pH仍顯著高于CK（P<0.05），但增幅相較于第1年有明顯回落。第3年，各處理土壤pH相較于CK僅有小幅增加，均未達顯著性水平（P>0.05）。研究結(jié)果表明，試驗條件下土壤改良劑施用后可在短期內(nèi)明顯改善土壤酸化情況，且在一定時間段內(nèi)維持較好的治理效果。

2.2 施用土壤改良劑對土壤有效鎘含量的影響

從圖1可以看出，土壤改良劑施用第1年，土壤鎘鈍化效果隨改良劑施用量的增加而增加，T1、T和T3處理土壤有效鎘含量相較于CK分別降低16.84%、18.58%和29.98%，其中T3處理降幅達顯著水平（P<0.05）。第2年，與CK相比，T1處理土壤有效鎘含量降幅為24.09%，顯著低于CK（P<0.05）；T、T3處理土壤有效鎘含量降幅相較于第1年明顯回落，分別為8.13%和9.65%。第3年，T1、T、T3處理土壤有效鎘含量仍低于CK，但鈍化效果不顯著，且處理間差異不明顯（P>0.05）。研究結(jié)果表明，短期內(nèi)通過較高施用量的土壤改良劑可明顯降低土壤中有效鎘含量，但較高的施用量并不意味著更好的鈍化效果穩(wěn)定性。長期來看，較低的施用量可能更能維持治理效果并減少治理成本。

2.3 施用土壤改良劑對水稻產(chǎn)量的影響

從圖2可以看出，試驗條件下，改良劑的施用未對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生明顯負面影響，且適量的施用量對水稻產(chǎn)量有提升作用，當(dāng)施用量為3 000 kg/hm2（T）時，3年內(nèi)增產(chǎn)率分別為4.94%、9.71%和9.32%，其中第3年水稻產(chǎn)量顯著高于其他處理。已有研究表明，石灰類改良劑的大量施用，可能導(dǎo)致CaSO4在土壤中大量累積，進而破壞土壤空隙結(jié)構(gòu)引發(fā)土壤板結(jié)、降低土壤產(chǎn)能^［13］。該研究中，改良劑一次性施用后3年內(nèi)并未對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生明顯負面影響。

2.4 施用土壤改良劑對稻米鎘含量的影響

土壤改良劑施用后，不同處理稻米鎘含量如圖3所示。試驗過程中，CK稻米鎘含量為0.21 ～ 0.27 mg/kg，超過國家標準（GB 2762—2022）限值。3年中T1、T、T3處理稻米鎘含量相較于CK均顯著降低，降幅分別為42.92% ～ 55.58%、37.15% ～ 61.28%、58.64% ～ 71.48%。整體來看，治理效果與改良劑施用量之間關(guān)系并不顯著；改良劑施用后3年內(nèi)治理效果隨時間推移有所減弱，但處理組稻米鎘含量仍顯著低于對照組，且低于國家標準限值。

2.5 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果（圖4）表明，土壤改良劑施用第1年，土壤pH與有效鎘含量整體呈顯著負相關(guān)（P<0.05，r=-0.674 1），水稻籽粒中鎘含量與土壤有效鎘含量整體呈顯著正相關(guān)（P<0.05，r=0.825 1）。說明試驗前期pH是重金屬鎘鈍化的主導(dǎo)因素，隨土壤pH升高，土壤中有效鎘含量隨之降低，并且抑制了作物對鎘的吸收。

改良劑施用第2 ～ 3年，各處理土壤pH與有效鎘含量差異性逐漸減弱，但各處理水稻籽粒中鎘含量仍顯著低于CK。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果（圖5），水稻籽粒中鎘含量整體與土壤有效鎘含量呈正相關(guān)關(guān)系，但并不顯著（P>0.05，r>0），表明水稻對鎘的吸收累積還受到土壤鎘生物有效性以外的其他因素影響。

3 討論

工業(yè)化時代背景下，土壤酸化已成為土壤重金屬污染的伴生環(huán)境問題^［18-20］，而土壤酸化程度與鎘在土壤中的賦存形態(tài)直接相關(guān)^［21］，較高的土壤pH更有利于抑制土壤中陽離子重金屬的遷移。因此，土壤酸堿度調(diào)節(jié)是鎘污染耕地治理的重要切入點。該研究供試土壤改良劑含石灰成分，對土壤pH有明顯提升效果。改良劑施用第1年，土壤pH由5.64提升至6.44 ～ 7.13，土壤中有效鎘含量降低16.84% ～ 29.98%，稻米鎘含量下降51.12% ～ 71.48%。相關(guān)性分析結(jié)果表明，第1年土壤pH與有效鎘含量整體呈顯著負相關(guān)（P< 0.05，r=-0.674 1），稻米鎘含量與土壤有效鎘含量整體呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05，r=0.825 1）。說明試驗第1年pH是重金屬鎘鈍化的主導(dǎo)因素，隨土壤pH升高，導(dǎo)致土壤中鎘遷移性下降，進而抑制了作物對鎘的吸收。已有研究表明，當(dāng)土壤pH高于6.0時，水解平衡將驅(qū)動CdS、Cd（OH）、CdCO3等沉淀物質(zhì)形成，當(dāng)pH高于7.5時，這些沉淀中的鎘將很難再次溶出，鎘遷移能力隨之下降^［22］。此外，土壤pH的增加還會提升土壤中黏土礦物、有機質(zhì)和水合氧化物表面的負電荷含量，進而提高其對重金屬鎘的“捕獲”能力，進一步降低作物吸收累積鎘的風(fēng)險^［23］。這與該研究結(jié)果相契合。

改良劑施用第2～3年，不同處理組中土壤pH與有效鎘含量相較于空白對照均有一定程度的降低，但降幅整體低于第1年；稻米中鎘含量仍顯著低于CK，且第3年改良劑施用量較高的T3處理中稻米鎘含量明顯低于其他處理。相關(guān)性分析表明，改良劑施用第2～3年，水稻籽粒中鎘含量與土壤有效鎘含量整體仍呈正相關(guān)關(guān)系，但并不顯著（P>0.05，r> 0），表明水稻對鎘的吸收累積還可能受到土壤鎘生物有效性以外的其他因素影響。供試改良劑中鈣離子（Ca²⁺）含量占比較高，廖建勛等^［24］研究表明，作物根系對土壤中的Ca²⁺和Cd²⁺存在競爭吸收的機制，Ca²⁺會占據(jù)根表細胞Cd²⁺的吸收點位，當(dāng)土壤中Ca²⁺濃度較高時將顯著抑制作物對Cd²⁺的吸收。此外，改良劑成分鐵粉的施入利于水稻根系表面鐵膜的形成，對土壤重金屬進入作物起到了阻隔作用^［25］。

4 結(jié)論

（1）供試條件下，土壤改良劑施用第1年可有效改善土壤酸化情況，且較高的施用量對土壤pH提升效果更為顯著。隨時間推移各處理土壤pH有所回彈，第3年不同處理間已無顯著差異。

（2）土壤改良劑施用第1年，可有效降低土壤中有效鎘含量，且土壤pH的提升對土壤有效鎘含量的降低起到主導(dǎo)作用（P< 0.05）。后續(xù)2年，處理組土壤中有效鎘含量有所回彈但整體仍低于空白對照，且鎘的鈍化效果與施用量之間關(guān)系不明顯。

（3）改良劑施用第1年，稻米鎘含量與土壤有效鎘含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05），處理組中稻米鎘含量顯著降低。后續(xù)2年，處理組稻米鎘含量仍顯著低于空白對照，降幅與施用量的相關(guān)性不明顯，且均未對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生明顯負面影響。因此，較低的施用量更利于鎘污染耕地的長效治理。

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