治理技術(shù)組合應(yīng)用對(duì)提高鎘污染農(nóng)田水稻安全生產(chǎn)的潛力分析

章秀梅，謝煒，鐘林炳，楊文葉，倪兆華，章明奎

(1.杭州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 310020；2.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 桐廬 311500；3.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

水稻鎘超標(biāo)是我國(guó)南方糧食安全生產(chǎn)的重要限制因素，其主要由農(nóng)田土壤中鎘的污染引起。為解決這一環(huán)境問題，近年來，我國(guó)各地科研單位與農(nóng)業(yè)部門開展了大量的田間試驗(yàn)，提出了多途徑、多方法降低稻谷中鎘含量的思路[1-2]。這些技術(shù)包括推行鎘低吸收水稻品種降低水稻對(duì)土壤鎘的吸收，施用堿性物質(zhì)降低土壤酸度與鎘的溶解度，采用全生育期淹水灌溉降低土壤的氧化還原電位、增強(qiáng)土壤中難溶性鎘化合物的形成，施用黏土礦物鈍化增加土壤對(duì)鎘的固定，通過噴施葉面阻隔劑降低進(jìn)入水稻的鎘由根部向可食部分轉(zhuǎn)移[3-6]。這些技術(shù)對(duì)保障區(qū)域污染農(nóng)田水稻安全生產(chǎn)起到了非常重要的作用，但試驗(yàn)也表明，對(duì)于鎘污染較為嚴(yán)重的農(nóng)田，采用以上技術(shù)中的某一項(xiàng)常常難以保證農(nóng)產(chǎn)品的安全。因此，近年來也有人提出聯(lián)合多種技術(shù)來治理農(nóng)田鎘的污染[7-9]，較為關(guān)注的是VIP+n模式(即采用低積累品種+淹水灌溉+pH調(diào)控等多種方法)，并取得了明顯的成效。但至今，對(duì)同時(shí)采用多項(xiàng)技術(shù)的效果與單項(xiàng)技術(shù)之間的關(guān)系，特別是多項(xiàng)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的效果是否有加和性還了解不多，對(duì)多技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用在水稻安全生產(chǎn)上的潛力缺少探討。為此，本研究在浙西某一鎘重度污染農(nóng)田進(jìn)行了微區(qū)試驗(yàn)，探討了鎘低積累品種、全生育期淹水灌溉、堿性物質(zhì)降酸、黏土礦物鈍化及生理阻控(葉面肥)等5類技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用在削減糙米鎘積累的效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在浙西某一鎘重度污染農(nóng)田中進(jìn)行。試驗(yàn)地年降水量1 365 mm，年平均溫度為17.2 ℃；試驗(yàn)前土壤全鎘含量為1.214 mg·kg-1，pH為5.17，有機(jī)質(zhì)含量26.48 mg·kg-1，質(zhì)地為壤土，有效磷為14.68 mg·kg-1，速效鉀為112 mg·kg-1，CEC為11.34 cmol·kg-1。試驗(yàn)材料包括石灰石粉(堿性物質(zhì))、蒙脫石(黏土礦物)、葉面阻隔劑(“鐵人”牌降鎘靈，有效成分主要為硅)。石灰石粉和蒙脫石顆粒均<100目(<0.125 mm)。試驗(yàn)水稻品種2個(gè)，分別為甬優(yōu)5550和甬優(yōu)538，前者為常規(guī)品種，后者為鎘低積累品種。

1.2 處理設(shè)計(jì)

為了保障試驗(yàn)結(jié)果的可比性，田間試驗(yàn)采用微區(qū)方式進(jìn)行，試驗(yàn)地總面積約300 m2。為了使試驗(yàn)范圍內(nèi)土壤性狀基本一致，試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)區(qū)耕層翻耕3次，結(jié)合人工耙田進(jìn)行勻田。每一試驗(yàn)小區(qū)面積4 m2，周圍采用土埂覆塑料膜隔離，每一小區(qū)單獨(dú)設(shè)置灌、排溝。基于當(dāng)前鎘污染農(nóng)田中推行的技術(shù)及各技術(shù)應(yīng)用的相對(duì)廣度，共設(shè)置10個(gè)處理：CK1，常規(guī)品種對(duì)照，種植甬優(yōu)5550，其他管理措施為常規(guī)；CK2，鎘低積累品種對(duì)照，種植甬優(yōu)538，其他管理措施為常規(guī)；VP，鎘低積累品種+堿性物質(zhì)降酸，種植甬優(yōu)538，施用石灰石粉5 250 kg·hm-2；VI，鎘低積累品種+全生育期淹水灌溉，種植甬優(yōu)538，全生育期保持田面5 cm左右的水層；VL，鎘低積累品種+葉面阻隔劑，種植甬優(yōu)538，在水稻生長(zhǎng)灌漿期至乳熟期每7 d噴葉面阻隔劑1次，共噴3次；VM，鎘低積累品種+施用蒙脫石鈍化，種植甬優(yōu)538，施用蒙脫石5 250 kg·hm-2；VPI，鎘低積累品種+堿性物質(zhì)降酸+全生育期淹水灌溉；VPIL，鎘低積累品種+堿性物質(zhì)降酸+全生育期淹水灌溉+葉面阻隔劑；VPIM，鎘低積累品種+堿性物質(zhì)降酸+全生育期淹水灌溉+施用蒙脫石鈍化；VPILM，鎘低積累品種+堿性物質(zhì)降酸+全生育期淹水灌溉+葉面阻隔劑+施用蒙脫石鈍化。每一處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。石灰石粉和蒙脫石在水稻播種前7 d施用，并通過翻耕與耕層混勻。水稻采用直播方式種植?；视昧堪崔r(nóng)戶常規(guī)方式進(jìn)行，各處理相同。

水稻成熟時(shí)分小區(qū)采集土樣和水稻樣品。土樣采集深度0～15 cm，由5點(diǎn)分樣混合而成，經(jīng)風(fēng)干過0.15 mm塑料土篩，用于土壤性狀和鎘測(cè)定。水稻采用整株采集，由5叢水稻組成，先用清水反復(fù)沖洗去除土壤和雜質(zhì)，然后用去離子水沖洗。清洗后植株按器官分為根部、莖葉和稻谷等3部分，用于鎘含量分析。

1.3 分析方法

土壤有機(jī)質(zhì)、pH、CEC和質(zhì)地測(cè)定采用常規(guī)方法[10]。土壤全鎘用硝酸-高氯酸消化，土壤有效鎘采用EDTA提取，土壤水溶性鎘用0.01 mol·L-1CaCl2提??；用石墨爐原子吸收法測(cè)定鎘。植物中鎘用HNO3-HClO4消煮-石墨爐原子吸收法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)土壤性狀的影響

試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，采取不同技術(shù)措施后土壤全鎘沒有發(fā)生明顯的變化。但土壤有效鎘和水溶性鎘發(fā)生了一定的變化。與常規(guī)種植區(qū)(CK1)比較，種植低積累水稻品種(CK2)不會(huì)引起試驗(yàn)土壤中有效鎘和水溶性鎘的變化；同時(shí)，采用全生育期淹水灌溉(VI)和噴施葉面阻隔劑(VL)也不會(huì)影響土壤有效鎘和水溶性鎘的含量。但施用堿性物質(zhì)降酸(VP)和施用蒙脫石鈍化(VM)后，土壤有效鎘和水溶性鎘明顯下降，并以施用堿性物質(zhì)的下降幅度較大，前者土壤有效鎘和水溶性鎘分別比CK2下降29.65%和62.75%，后者分別比CK2下降22.10%和37.25%。土壤水溶性鎘的下降幅度明顯高于土壤有效鎘的下降幅度，表明土壤水溶性鎘對(duì)降酸和鈍化的響應(yīng)更為明顯。在施用堿性物質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全生育期淹水灌溉(VPI)或噴施葉面阻隔劑(VPIL)不會(huì)引起土壤有效鎘和水溶性鎘的明顯變化；但在施用堿性物質(zhì)的基礎(chǔ)上同時(shí)施蒙脫石鈍化(VPIM)可進(jìn)一步降低土壤有效鎘和水溶性鎘，分別比VPI下降13.60%和14.29%。在VPIM處理的基礎(chǔ)上，再噴施葉面阻隔劑(VPILM)也不會(huì)引起土壤有效鎘和水溶性鎘的明顯變化。

表1 各處理對(duì)土壤有效鎘、pH和CEC的影響

施用堿性物質(zhì)(包括VP、VPI、VPIL、VPIM和VPILM等處理)可明顯提高土壤pH值，大約上升1.2個(gè)pH單位；施用蒙脫石(VM)則會(huì)引起土壤pH值的輕微下降，下降量約0.17個(gè)pH單位；但全生育期淹水灌溉或噴施葉面阻隔劑對(duì)土壤pH值不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。另外，施用蒙脫石(包括VM、VPIM和VPILM處理)可輕微增加土壤的CEC，約增加1 cmol·kg-1，這顯然與蒙脫石具較高的陽(yáng)離子交換能力有關(guān)。

2.2 對(duì)水稻鎘積累的影響

水稻各器官中鎘積累有明顯的差異(表2)，根部明顯高于莖葉和糙米，而莖葉中鎘含量又明顯高于糙米。從表中結(jié)果可知，各種技術(shù)措施及其組合對(duì)各器官中鎘含量的影響程度與方式有所差異，其中對(duì)根部的影響相對(duì)較小。鎘低積累品種(CK2，甬優(yōu)538)各器官中鎘含量明顯低于常規(guī)品種(CK1，甬優(yōu)5550)，前者根部、莖葉和糙米中鎘含量分別比后者低27.09%、26.73%和31.23%。與CK2比較，施用堿性物質(zhì)降酸(VP)和蒙脫石鈍化(VM)均可降低所有器官中鎘的含量；而采用全生育期淹水灌溉(VI)和施用葉面阻隔劑(VL)對(duì)水稻根部鎘含量影響較小，甚至略有增加(根部鎘含量分別比CK2提高3.42%和2.98%)，而這兩種技術(shù)對(duì)莖葉和糙米鎘含量也有明顯的降低作用。全生育期淹水灌溉引起的根部鎘輕微增加可能與淹水還原增加了土壤中亞鐵數(shù)量，而亞鐵可遷移至根附近在根表被氧化形成鐵膜，增加了對(duì)鎘的固定有關(guān)；而施用葉面阻隔劑由于阻隔了鎘由根部向地上部分遷移，因而相對(duì)增加了根部鎘的積累。施用堿性物質(zhì)降酸(VP)和蒙脫石鈍化(VM)后，水稻根部鎘含量分別比CK2下降17.06%和10.88%，顯然這是土壤中活性鎘下降的結(jié)果。

表2 各處理對(duì)水稻各器官中鎘含量的影響

對(duì)莖葉中鎘降低作用的大?。菏┯脡A性物質(zhì)(VP)>全生育期淹水灌溉(VI)>蒙脫石(VM)>施用葉面阻隔劑(VL)，依次比CK2降低23.58%、18.90%、12.20%和4.98%，其中施用葉面阻隔劑(VL)對(duì)莖葉鎘的降低較不明顯。對(duì)糙米中鎘降低作用的大?。菏┯脡A性物質(zhì)(VP)>全生育期淹水灌溉(VI)>施用葉面阻隔劑(VL)>蒙脫石(VM)，依次比CK2降低39.21%、31.89%、21.01%和12.38%。VPIL與VPIM組合方式對(duì)莖葉與糙米鎘含量的影響不同，莖葉中鎘含量是VPIL高于VPIM處理，糙米中鎘含量是VPIL低于VPIM處理，原因可能與施用葉面阻隔劑(VPIL)降低了從根部向上遷移進(jìn)入籽粒的鎘，而更多鎘停留在莖葉中有關(guān)。

表2中結(jié)果還可以看出，VP、VPI、VPIM、VPILM處理，隨著用于鎘污染治理技術(shù)組合數(shù)的增加，莖葉和籽粒中鎘含量依次下降。其中，莖葉中鎘含量依次為0.752、0.689、0.654、0.673，糙米中依次為0.324、0.232、0.195、0.165 mg·kg-1；同時(shí)，采用4種技術(shù)可保證糙米中鎘含量低于食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(<0.20 mg·kg-1)。以上結(jié)果表明，多類技術(shù)組合應(yīng)用的效果明顯高于單一技術(shù)，效果隨組合技術(shù)的數(shù)量增加而增加。但表中結(jié)果也表明，多技術(shù)組合的效果不具加和性，隨著應(yīng)用的組合技術(shù)增加，其效果的增加量逐漸下降。例如，表中VP處理、VI處理與單獨(dú)低積累品種處理(CK2)比較，糙米中鎘含量分別降低了0.209和0.170 mg·kg-1，而在VP處理的基礎(chǔ)上再進(jìn)行全生育期淹水灌溉的處理(VPI)，其糙米中鎘含量?jī)H比VP處理下降0.092 mg·kg-1，低于以上的0.170 mg·kg-1。又如，在VPI基礎(chǔ)上再施用蒙脫石鈍化的處理(VPIM)糙米中鎘含量為0.195 mg·kg-1，比VPI處理降低0.037 mg·kg-1，此下降量遠(yuǎn)低于VM與CK2之間糙米鎘含量的差值(0.066 mg·kg-1)。同樣，VPIM處理與VPILM處理之間糙米中鎘含量的差異(0.030 mg·kg-1)體現(xiàn)了施用葉面阻隔劑的貢獻(xiàn)，但此值也遠(yuǎn)低于鎘低積累品種對(duì)照(CK2)與鎘低積累品種+葉面阻隔(VL)之間的差值(0.112 mg·kg-1)。

3 小結(jié)

無論是采用何種技術(shù)，都會(huì)在一定程度上增加成本和勞力，因此，隨著組合技術(shù)應(yīng)用數(shù)量的增加，治理重金屬污染農(nóng)田的成本也逐漸增加。本試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然多類技術(shù)組合應(yīng)用的效果明顯高于單一技術(shù)，綜合效果隨組合技術(shù)的數(shù)量增加而增加，但多技術(shù)組合的效果不具加和性，當(dāng)應(yīng)用的技術(shù)數(shù)量較少(低于3個(gè))時(shí)，其技術(shù)的組合累加效應(yīng)較為明顯；當(dāng)應(yīng)用技術(shù)超過4個(gè)時(shí)，因技術(shù)增加產(chǎn)生的降鎘效果的增加量逐漸趨于下降。為此，基于多技術(shù)組合應(yīng)用效果的變化及成本的增加，認(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用時(shí)以采用3類左右技術(shù)組合為宜。