鎘輕度污染農(nóng)田水稻安全生產(chǎn)技術(shù)淺析

張麗君，吳學(xué)榮，項佳敏，章明奎

(1.平陽縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 平陽 325400； 2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

近些年來，我國農(nóng)田土壤污染問題日漸突出。其中，稻米中鎘等重金屬的超標(biāo)問題已引起公眾的廣泛關(guān)注[1-3]。平陽縣地處我國東部沿海，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和農(nóng)用物資投入的增加，生活與生產(chǎn)活動向環(huán)境中釋放的重金屬量也隨之增加，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量不容樂觀。對平陽縣域內(nèi)農(nóng)田土壤的取樣監(jiān)測結(jié)果表明，局部地區(qū)農(nóng)田已出現(xiàn)鎘的中輕度污染，部分稻米鎘含量已超出國家標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，作物從農(nóng)田中吸收的重金屬量與土壤重金屬的污染程度及其有效性有關(guān)[4-6]，調(diào)控農(nóng)田土壤中重金屬的含量和活性可有效降低作物對重金屬的吸收和積累[7-9]；因此，包括植物修復(fù)、穩(wěn)定化、化學(xué)淋洗、土壤氧化/還原調(diào)控、電動(分離)修復(fù)等技術(shù)在內(nèi)的方法已被建議用于土壤污染修復(fù)[10-14]。為加快平陽縣“兩區(qū)”(糧食生產(chǎn)功能區(qū)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū))土壤污染防治工作，推進(jìn)當(dāng)?shù)刂休p度污染耕地的安全利用，基于我國污染農(nóng)田治理積累的經(jīng)驗，本研究選擇2.8 hm2代表性污染農(nóng)田開展鎘輕度污染農(nóng)田安全利用技術(shù)示范試驗，旨在建立適于平陽縣推廣應(yīng)用的鎘污染農(nóng)田治理技術(shù)模式，為今后污染農(nóng)田的安全利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在平陽縣昆陽鎮(zhèn)進(jìn)行。地貌類型屬水網(wǎng)平原，土壤類型為水稻土類脫潛水稻土亞類青紫塥黏田土屬，土地利用方式為雙季水稻。區(qū)內(nèi)灌溉、排水設(shè)施完善，道路通達(dá)良好。土壤質(zhì)地為黏壤土，面積約2.8 hm2。

1.2 處理設(shè)計

基于試驗地土壤理化性狀，共設(shè)5個處理：處理1，每667 m2施生石灰180 kg，水分按農(nóng)戶常規(guī)管理，面積0.533 hm2；處理2，每667 m2施150 kg鈣鎂磷肥，水分按農(nóng)戶常規(guī)管理，面積共0.467 hm2；處理3，全生育期淹水深灌(田面保持5～10 cm水層)，在收獲前10 d排水，面積0.533 hm2；處理4，每667 m2施生石灰180 kg，同時全生育期淹水深灌(田面保持5～10 cm水層)，在收獲前10 d排水，面積0.600 hm2；處理5，對照，不施用生石灰、鈣鎂磷肥，水分按農(nóng)戶常規(guī)管理，面積0.667 hm2。各處理中，生石灰和鈣鎂磷肥在早稻種植前撒施，結(jié)合翻耕與土壤混勻。試驗同時在早稻和晚稻中進(jìn)行，早稻和晚稻品種分別為甬優(yōu)17和甬優(yōu)1540。試驗期間其他管理措施相同，采用農(nóng)戶習(xí)慣管理方式。

1.3 測試方法

于試驗前，在試驗區(qū)內(nèi)采集13個耕層樣品，分析土壤基礎(chǔ)性狀；在試驗期間，采集8次灌溉水樣和5個肥料樣，分析鎘含量。在水稻成熟期，分別在處理1～4的試驗區(qū)內(nèi)采集3個重復(fù)土樣和5個重復(fù)稻谷/秸稈樣品，在對照組采5個土樣和8個重復(fù)稻谷/秸稈樣品，分析鎘含量，鑒定土壤鎘的形態(tài)組成。

土壤pH值采用pH計法測定[15]。土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量采用常規(guī)方法測定[15]。水稻秸稈和糙米樣品采用高氯酸消化-石墨爐原子吸收光譜法測鎘。土壤全鎘用鹽酸-硝酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測鎘。土壤鎘形態(tài)參照Spark[16]測定，共分為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)和殘余態(tài)等5種組分，鎘含量用石墨爐原子吸收光譜法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)在Excel 2010上進(jìn)行整理，在DPS 3.0軟件上進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗地土壤性狀和投入品鎘含量

對試驗前采集的13個土樣進(jìn)行分析，結(jié)果表明：試驗區(qū)土壤pH值在4.87～5.53，平均為5.22，土壤呈酸性；土壤鎘含量在0.157～0.487 mg·kg-1，平均為0.321 mg·kg-1，有62%的樣品鎘含量在0.30 mg·kg-1以上，呈現(xiàn)輕度污染；土壤有機(jī)質(zhì)含量在23.54～33.45 g·kg-1，平均為28.22 g·kg-1；土壤有效磷含量在13.54～31.25 mg·kg-1，平均為20.08 mg·kg-1；土壤速效鉀含量在118～172 mg·kg-1，平均為142 mg·kg-1。總體上，試驗區(qū)土壤肥力處于中高水平。試驗區(qū)農(nóng)田土壤鎘污染相對較輕，但土壤酸性較強(qiáng)，可能導(dǎo)致糧食作物中鎘積累。

對試驗期間收集的5個肥料樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，施用肥料的鎘含量在0.011～0.798 mg·kg-1，低于1 mg·kg-1；2種鈍化劑(生石灰和鈣鎂磷肥)的鎘含量分別為0.211、0.756 mg·kg-1，也都低于1 mg·kg-1，表明投入品符合農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。對試驗期間(3—11月)采集的8個灌溉水樣進(jìn)行分析，結(jié)果表明，鎘含量在0.003 5～0.004 8 mg·L-1，低于0.005 mg·L-1，酸堿度在6.5～8.5，符合灌溉水要求。

2.2 不同處理對早稻和晚稻糙米鎘積累的影響

如表1所示，與對照相比，除早稻季處理2與對照的秸稈和籽粒鎘含量差異不顯著外，其他處理均可顯著降低早稻與晚稻秸稈和糙米中的鎘含量。對照的早稻秸稈和糙米鎘含量分別為0.830、0.218 mg·kg-1，糙米中的鎘含量超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限量(0.20 mg·kg-1)；對照的晚稻秸稈和糙米鎘含量分別為0.716、0.178 mg·kg-1，糙米中的鎘含量低于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限量(0.20 mg·kg-1)。從8個重復(fù)采樣的結(jié)果可知，對照的早稻與晚稻糙米鎘含量超標(biāo)(>0.20 mg·kg-1)比例分別為62.5%和37.5%。而處理1～4的早稻和晚稻糙米中鎘含量均小于0.20 mg·kg-1，全部符合標(biāo)準(zhǔn)限量要求，即全部滿足安全生產(chǎn)要求。

表1 不同處理對水稻秸稈和糙米中鎘含量的影響

與淹水深灌比較，淹水深灌-堿性物質(zhì)(生石灰)降酸處理可更明顯降低早稻和晚稻的秸稈鎘含量和糙米鎘含量，這表明淹水深灌-堿性物質(zhì)降酸2種技術(shù)并用比單一深灌可更有效降低水稻中的鎘含量。淹水深灌-堿性物質(zhì)降酸處理早稻和晚稻的秸稈鎘含量平均分別比淹水深灌下降10.16%和25.07%，糙米鎘含量平均分別下降10.81%和28.89%。

2.3 不同處理對農(nóng)田土壤性狀和鎘形態(tài)的影響

如表2所示，與對照相比，處理1可顯著提高土壤的pH值(提高1.17個pH值單位)，顯著降低土壤有效鎘含量(降低55.98%)，但對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀無顯著影響。處理2可顯著提高土壤的pH值(提高0.37個pH值單位)和速效磷含量(增加138.06%)，顯著降低土壤有效鎘含量(降低37.18%)，但對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀無顯著影響；處理3對土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀無顯著影響，但可顯著降低土壤有效鎘含量(降低23.50%)；處理4可顯著提高土壤的pH值(提高1.25個pH值單位)和速效磷含量(增加30.20%)，顯著降低土壤有效鎘含量(降低47.86%)，但對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀含量無顯著影響。

表2 不同處理對土壤理化性狀的影響

如表3所示，與對照相比，處理1和處理4促進(jìn)了土壤中交換態(tài)鎘向碳酸鹽結(jié)合態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)和殘余態(tài)鎘的轉(zhuǎn)變，從而降低了土壤有效鎘；處理2主要促進(jìn)了土壤中交換態(tài)鎘向殘余態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘的轉(zhuǎn)變，也降低了土壤有效鎘；而處理3對土壤中交換態(tài)鎘含量的影響相對較小，主要促進(jìn)了土壤中氧化物結(jié)合態(tài)鎘的形成。

表3 不同處理對土壤鎘化學(xué)形態(tài)的影響

3 小結(jié)與討論

本研究主要探討了堿性物質(zhì)原位鈍化、鈣鎂磷肥原位鈍化、深灌，以及深灌+堿性物質(zhì)等技術(shù)在降低水稻鎘積累方面的效果，結(jié)果表明，在本試驗條件下，采用上述方式均可使試驗農(nóng)田早稻和晚稻的安全利用率達(dá)100%。同時，這些技術(shù)對土壤肥力無不良影響，甚至對土壤肥力有一定的改善，適用于試驗地鎘輕度污染農(nóng)田土壤的安全利用。

堿性物質(zhì)原位鈍化主要是通過改變土壤pH值、降低土壤酸度來降低土壤鎘的生物有效性從而實現(xiàn)水稻中鎘含量的下降，因此，該技術(shù)適用于酸性土壤的治理。石灰具有價格低廉、使用方便的特點，可考慮作為一項主推技術(shù)在鎘輕、中度污染的酸性農(nóng)田中施用，石灰的施用量可根據(jù)土壤酸度確定。

鈣鎂磷肥原位鈍化的作用機(jī)理如下：一是鈣鎂磷肥中也含有堿性物質(zhì)，可通過降低土壤酸度來降低土壤鎘的生物有效性；二是鈣鎂磷肥中的磷可與土壤中的鎘形成溶解度很低的化合物，從而降低土壤鎘的生物有效性。由于鈣鎂磷肥中的堿性物質(zhì)含量較低，因此，較適用于微酸性的鎘污染農(nóng)田。原位鈍化技術(shù)操作方便，便于推廣應(yīng)用，且施用鈍化劑1次即可實現(xiàn)約3 a的效果。

深灌主要通過營造還原環(huán)境來促進(jìn)土壤中硫化鎘化合物的形成。硫化鎘是一種難溶于水的化合物，可促進(jìn)土壤中鎘向無效化(低活性)的方向轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)降低水稻鎘積累的目的。深灌技術(shù)較適用于水源充足的地區(qū)。在采用深灌技術(shù)時，務(wù)必嚴(yán)格按照要求進(jìn)行深水灌溉，直至收獲前5～10 d再根據(jù)需要進(jìn)行排水。另外，本試驗中的深灌+堿性物質(zhì)技術(shù)主要是在原位鈍化技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了深灌措施。從本試驗結(jié)果來看，2類技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用能最大限度地降低水稻中鎘的積累，可考慮用于鎘中度污染的農(nóng)田。