不同鈍化劑對水稻田鎘污染的修復效應

宋肖琴，陳國安，馬嘉偉，柳丹*，葉正錢

(1.義烏市種子和植物檢疫站，浙江 義烏 322000；2.義烏市農(nóng)技推廣服務中心，浙江 義烏 322000；3.浙江農(nóng)林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300)

隨著人類不合理的工農(nóng)業(yè)活動增加，導致大量重金屬通過不同途徑被輸入到土壤中，造成土壤重金屬污染[1]，而土壤重金屬污染具有長期性、隱蔽性與不可逆性，給人類生活造成嚴重的影響[2-3]。鎘(Cd)是一種痕量有毒重金屬，具有較強遷移性，易被植物吸收，對人體的危害早在1970年就已被提出[4]。水稻是我國主要的糧食作物之一，容易吸收土壤中的Cd元素[5]。據(jù)統(tǒng)計，我國水稻田Cd污染面積達530萬hm2，每年產(chǎn)出5 000萬kg Cd超標稻米，造成直接經(jīng)濟損失200億元[6]。近年來，國內(nèi)外“鎘米”事件頻發(fā)，敲響了人類糧食安全保衛(wèi)戰(zhàn)的警鐘[7]。

原位修復技術具備修復周期短、效果好、成本低、局限性小等特點，適用于大面積中輕度Cd污染農(nóng)田修復，在土壤Cd污染治理中廣受環(huán)境工作者的關注[8]。該技術主要通過調(diào)節(jié)影響農(nóng)田中Cd的遷移轉(zhuǎn)化以及形態(tài)分布，降低其在土壤環(huán)境中的生物有效性和可遷移性，從而降低重金屬Cd對動植物的毒性[9]。該技術的關鍵在于選擇合適的鈍化劑，常用的鈍化劑材料有硅鈣物質(zhì)、有機物質(zhì)、含磷材料等[10]。因此，本試驗采用生物炭、石灰、有機肥與鈣鎂磷肥等4種常用鈍化劑，依托田間試驗手段，重點分析不同鈍化劑對水稻吸收Cd及對水稻生長的影響，以期為今后開展大田Cd污染鈍化修復治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地選擇

試驗地位于浙江省金華市某水稻種植區(qū)，屬亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，四季分明，年無霜期為243 d左右，年降水量為1 100～1 600 mm，適合水稻作物生長。供試土壤pH 5.03，土壤全Cd含量1.28 mg·kg-1。土壤Cd含量高于國家土壤質(zhì)量標準，屬于Cd污染土壤。

1.2 處理設計

試驗設5個處理：不添加任何鈍化劑的空白對照(CK)；生物炭(采購于浙江金鍋鍋爐有限公司)11.25 t·hm-2；石灰(采購于杭州欣聯(lián)鈣業(yè)有限公司)0.75 t·hm-2；有機肥(采購于杭州樂天有機肥有限公司)11.25 t·hm-2；鈣鎂磷肥(采購于浙江農(nóng)得惠肥業(yè)有限公司)0.15 t·hm-2。每個處理重復3次，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積100 m2。水稻品種為甬優(yōu)1540，移栽種植。小區(qū)間采用田埂覆膜進行隔離與防滲處理。試驗區(qū)除鈍化劑材料投加不同外，其余農(nóng)藝管理(水分管理、蟲害管理、肥料管理)保持一致。

1.3 樣品采集與分析

每個小區(qū)按照“五點法”采集0～20 cm土層樣品，每個樣品均采用三個單獨土壤樣品混合的混合土樣。土樣平攤自然風干，磨碎，過2 mm尼龍篩以備測定分析使用。

土壤pH采用pH計測定，土液比為1∶2.5，玻璃棒攪拌1 min后靜置測定。土壤有效態(tài)Cd采用原子吸收分光光度法測定，用1 mol·L-1的醋酸銨在室溫下浸提，土液比1∶50，振蕩時間30 min，提取液經(jīng)離心、過濾后測定。

每個小區(qū)按“五點法”采集稻谷樣品，每個樣品采用混合樣品的形式進行采集。稻谷樣品用去離子水沖洗，放入烘箱在105 ℃下殺青30 min，再經(jīng)65 ℃烘干至恒重后取出，研磨過篩保存?zhèn)溆?。稻谷重金屬Cd測定通過濃HNO3消解法進行提取，用原子吸收分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理采用 Excel 2016，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0，分析圖制作采用Origin Pro 8.0。

2 結果與分析

2.1 對土壤pH的影響

圖中無相同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2～4同。

2.2 對土壤有效態(tài)Cd的影響

圖2可以看出，與空白對照相比，石灰、生物炭與鈣鎂磷肥處理對降低土壤中有效態(tài)Cd含量均有顯著效果，其中，石灰處理的降低作用最明顯，降幅達50.0%；其次為生物炭處理，降低33.7%；鈣鎂磷肥處理降低15.1%；而有機肥處理則無顯著差異。土壤pH控制土壤中Cd沉淀-溶解平衡的化學行為，是影響有效態(tài)Cd的一個主要因素[14]，土壤中有效態(tài)Cd含量變化趨勢與土壤pH的變化呈負相關[15]。而在本試驗中石灰與生物炭本身具有較高的pH值，施入土壤中后對土壤的pH有著較高提升作用，而土壤pH的上升有助于土壤膠體對土壤溶液中Cd2+的吸附，有利于生成Cd氫氧化物沉淀或碳酸鹽沉淀，促使土壤中游離態(tài)Cd向氧化物結合態(tài)或更穩(wěn)定的殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，進而降低土壤中Cd的遷移與毒性[16]。此外，生物炭有大量微小孔隙、較高比表面積、強離子交換性、豐富表面含氧官能團(—OH、—COOH)、獨特空間結構等特性，增加了其土壤膠體的吸附性能，導致生物炭對土壤中Cd的物理吸附作用更強[17-19]。

圖2 不同鈍化劑處理對土壤有效態(tài)Cd含量的影響

2.3 對水稻產(chǎn)量的影響

由圖3可知，不同鈍化劑對水稻產(chǎn)量的影響表現(xiàn)不一致。石灰、有機肥與鈣鎂磷肥處理對水稻產(chǎn)量增加的促進作用達顯著水平，每667 m2產(chǎn)量分別為480、496、459 kg，較空白對照分別增產(chǎn)16.2%、20.1%與11.1%；生物炭處理對水稻產(chǎn)量影響未達顯著水平，較空白對照增產(chǎn)4.4%。這可能由兩方面原因造成：一是石灰與鈣鎂磷肥投加后，增加了土壤pH值，降低了土壤溶液中有效態(tài)Cd含量，從而減少土壤中Cd對水稻生長的脅迫抑制效應[20]；二是鈣鎂磷肥與有機肥中含有大量水稻生長所需的可溶解性營養(yǎng)物質(zhì)，如鈣、鎂、磷等必須元素和有機質(zhì)等有機物料，當其被大量施入土壤中后，為水稻生長提供了大量的養(yǎng)分，進而促進水稻的生長，增加水稻的產(chǎn)量[10]。

圖3 不同鈍化劑處理對水稻667 m2產(chǎn)量的影響

2.4 對水稻籽粒中Cd含量的影響

圖4 不同鈍化劑處理對水稻籽粒中Cd含量的影響

3 小結

石灰、生物炭、有機肥、鈣鎂磷肥處理均能有效增加土壤pH值，其中，石灰處理對土壤pH的增效最高，比空白對照增加了12.9%。石灰、生物炭與鈣鎂磷肥三種鈍化劑能顯著降低土壤中有效態(tài)Cd含量，降低作用表現(xiàn)為石灰>生物炭>鈣鎂磷肥，依次降低了50.0%、33.7%與15.1%。

不同鈍化劑對水稻產(chǎn)量與籽粒中Cd積累量的影響不一致。石灰、有機肥、鈣鎂磷肥處理每667 m2水稻產(chǎn)量依次為480、496和459 kg，相對于空白對照增產(chǎn)16.2%、20.1%、11.1%。經(jīng)石灰處理的水稻籽粒中Cd含量下降幅度最大，降幅達41.3%。由此可見，石灰處理不僅能顯著增加水稻產(chǎn)量，還能顯著抑制水稻籽粒對土壤Cd的吸收積累。

石灰對Cd污染水稻田土壤修復方面表現(xiàn)出高效的修復潛力，可為浙江省水稻田Cd污染土壤修復治理提供科學依據(jù)。