基于土壤質(zhì)量的改良劑修復(fù)鎘污染稻田綜合效果評(píng)價(jià)

李義純，王艷紅，陳勇，唐明燈，李奇，李林峰，林曉揚(yáng)，尹貽龍，艾紹英*

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣州510640；2.農(nóng)業(yè)部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640；3.廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640）

我國(guó)農(nóng)田土壤污染目前已成為威脅生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人體健康的重大環(huán)境問(wèn)題之一[1-3]。其中，重金屬污染問(wèn)題較為突出：鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、鉛（Pb）4種污染物的含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢(shì)；耕地Cd污染點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7.0%，在8種被調(diào)查的重金屬[Cd、Hg、As、銅（Cu）、Pb、鉻（Cr）、鋅（Zn）和鎳（Ni）]中排第一[4]。對(duì)此，我國(guó)科學(xué)家在修復(fù)技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)方面開(kāi)展了許多研究，盡管與發(fā)達(dá)國(guó)家相比起步較晚，但進(jìn)展迅速，有的已處于國(guó)際領(lǐng)先地位[5]。值得關(guān)注的是，這些修復(fù)技術(shù)在有效降低作物可食用部位重金屬含量的同時(shí)，也可能對(duì)農(nóng)田土壤質(zhì)量產(chǎn)生正面或者負(fù)面的影響[6]。最近的研究報(bào)道，改良劑施用不僅會(huì)提高稻田土壤pH、容重和陽(yáng)離子交換量（CEC）[7]、有機(jī)質(zhì)[8]、有效磷和堿解氮含量[9]以及細(xì)菌和放線菌數(shù)量[10]，而且還會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[11]、降低土壤中鐵（Fe）、錳（Mn）的生物有效性[12]以及水稻糙米中微量元素[Fe、鎂（Mg）、Mn和Cu][13]和直鏈淀粉[8]的含量。因此，在目前修復(fù)技術(shù)層出不窮的背景下，選擇合適的指標(biāo)體系構(gòu)建修復(fù)效果評(píng)價(jià)模型，科學(xué)評(píng)判這些技術(shù)的修復(fù)效果，對(duì)推進(jìn)我國(guó)土壤污染管控與修復(fù)工作有著重要的時(shí)代意義。

在以往關(guān)于修復(fù)技術(shù)的可行性和適宜性的評(píng)價(jià)中，研究人員所關(guān)注的指標(biāo)大多集中在重金屬生物有效性和農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量[14-19]，而對(duì)土壤質(zhì)量的變化關(guān)注尚少[20-22]。劉佳煒等[17]依據(jù)土壤中有效態(tài)Cd、水稻各部位Cd和糙米Cd含量的下降程度，研究發(fā)現(xiàn)組配改良劑（石灰石+海泡石）（4 500 kg·hm-2）、基施硅肥（90 kg·hm-2）及葉面噴施硅肥（0.4 g·L-1）的組合技術(shù)的修復(fù)效果最佳，可以實(shí)現(xiàn)中重度Cd污染稻田水稻安全生產(chǎn)。Deng等[18]在研究氮磷鉀不同配比肥料單施及其與分蘗期錳肥追施聯(lián)合修復(fù)Cd污染稻田的過(guò)程中，結(jié)合土壤中有效態(tài)Cd和糙米Cd含量，以及水稻不同組織器官中Cd的分布特征，評(píng)價(jià)了不同施肥模式的修復(fù)效果。周利軍等[7]在4種調(diào)理劑修復(fù)效果的評(píng)價(jià)過(guò)程中，除考慮了土壤有效態(tài)Cd和糙米Cd含量變化以外，還考慮了調(diào)理劑對(duì)土壤pH、容重、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分、質(zhì)地和微團(tuán)聚體等理化性質(zhì)的影響，但沒(méi)有利用合適的評(píng)價(jià)模型對(duì)不同調(diào)理劑的修復(fù)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。何贏等[22]以土壤有效態(tài)Cd、糙米Cd、修復(fù)成本和產(chǎn)量為指標(biāo)，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)加權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型，綜合評(píng)價(jià)了7種鈍化劑的修復(fù)效果及適用性，但尚未考慮各種鈍化劑對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響。在土壤學(xué)領(lǐng)域，土壤質(zhì)量是土壤環(huán)境、肥力及健康質(zhì)量三方面的綜合量度[23]，是土壤維持生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、保障環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)動(dòng)物和人類(lèi)健康的能力基礎(chǔ)[24]。土壤質(zhì)量的改變，會(huì)直接或者間接地影響作物的正常生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定[5，24]。因此，基于土壤環(huán)境、肥力和健康質(zhì)量三方面的變化構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系，勢(shì)必能更加科學(xué)有效地評(píng)價(jià)各種修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果。

本研究在我國(guó)華南地區(qū)受Cd污染的水稻種植區(qū)開(kāi)展野外大田試驗(yàn)，以自主研發(fā)的改良劑[25]為供試材料，重點(diǎn)圍繞土壤環(huán)境（采用DTPA浸提態(tài)Cd含量評(píng)價(jià)）、肥力（采用有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和CEC含量評(píng)價(jià)）和健康質(zhì)量（采用糙米Cd含量評(píng)價(jià)）的變化，探索改良劑施用對(duì)土壤質(zhì)量的影響；選擇DTPA浸提態(tài)Cd、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、CEC、糙米Cd及稻谷產(chǎn)量構(gòu)建綜合指標(biāo)體系，利用動(dòng)態(tài)加權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型[22，26]評(píng)判改良劑的修復(fù)效果。本研究成果可為后期改良劑的大范圍應(yīng)用與推廣提供科學(xué)依據(jù)，并為當(dāng)前我國(guó)受污染農(nóng)田修復(fù)技術(shù)效果評(píng)估體系的構(gòu)建提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

改良劑是本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)產(chǎn)品，主要成分為硅酸鈣、熟石灰、硫酸鉀、無(wú)水硫酸鎂和九水合硝酸鐵[25]。這些成分都是我國(guó)常見(jiàn)的農(nóng)用肥料，對(duì)土壤的肥力和環(huán)境質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生潛在的影響。一方面，改良劑中所含的鈣離子、鉀離子和硝酸根，會(huì)分別影響土壤中有效磷、速效鉀和堿解氮的含量；另一方面，鈣（Ca）、鉀（K）、Mg、Fe等鹽基離子，會(huì)通過(guò)影響土壤固相表面鹽基離子的數(shù)量而影響CEC；另外，土壤有機(jī)質(zhì)可作為電子供體參與氧化還原過(guò)程[27]，其含量也會(huì)因硫酸根、硝酸根和三價(jià)鐵作為電子受體參與氧化還原過(guò)程而受到影響。本團(tuán)隊(duì)以往的研究也發(fā)現(xiàn)，這種改良劑會(huì)通過(guò)提高土壤pH、促進(jìn)無(wú)定形鐵礦物對(duì)Cd吸附或與Cd共沉淀，以及鐵硫化物與Cd共沉淀來(lái)影響土壤中有效態(tài)Cd含量[25，28]。改良劑的總Cd含量為0.1 mg·kg-1，低于《肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態(tài)指標(biāo)》（GB/T 23349—2009）中Cd的限量值（≤0.001%）。

1.2 田間小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2020年3月至2020年7月，在廣東省興寧市寺崗村水稻田（24.34°N，115.69°E）開(kāi)展田間試驗(yàn)。試驗(yàn)前，土壤的理化性質(zhì)為：pH 6.2，有機(jī)質(zhì)54.3 g·kg-1，堿解氮181.6 mg·kg-1，有效磷20.5 mg·kg-1，速效鉀139.4 mg·kg-1，CEC 14.7 cmol·kg-1。土壤中總Cd含量為0.5 mg·kg-1，超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中Cd的風(fēng)險(xiǎn)篩選值（水田，5.5＜pH≤6.5，0.4 mg·kg-1），但低于污染風(fēng)險(xiǎn)管制值（水田，5.5＜pH≤6.5，2.0 mg·kg-1），說(shuō)明在該區(qū)域進(jìn)行水稻種植，存在糙米Cd含量超過(guò)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中Cd限量值（0.2 mg·kg-1）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）的風(fēng)險(xiǎn)，原則上需要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

田間試驗(yàn)小區(qū)的布置過(guò)程及方法同本團(tuán)隊(duì)以往的報(bào)道[28]，主要為：試驗(yàn)前，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域采用旋耕機(jī)進(jìn)行第一次均勻耙田；改良劑撒施結(jié)束后，隨即進(jìn)行第二次人工耙田，確保改良劑與表層土壤（0～20 cm）混合均勻。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的面積為20 m2（長(zhǎng)5.0 m，寬4.0 m）；小區(qū)之間用田基（寬0.3 m，高0.3 m）隔離，并用黑色塑料薄膜將其覆蓋至田面以下0.3 m；每個(gè)小區(qū)實(shí)行單排單灌，進(jìn)、排水渠的寬度為0.5 m；小區(qū)以外區(qū)域設(shè)置保護(hù)行。參考本團(tuán)隊(duì)前期研究成果[25]，按照改良劑的施用量設(shè)置6種處理，即：0（control）、1 500（T1500）、3 000（T3000）、4 500（T4500）、6 000（T6000）kg·hm-2和7 500（T7500）kg·hm-2，每種處理3次重復(fù)。改良劑通過(guò)人工撒施完畢后，隨即對(duì)每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)持續(xù)淹水（淹水層高出田面約5.0 cm）7 d，最后再進(jìn)行秧苗移栽（25株·m-2，秧苗3棵·株-1）。

按照當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣進(jìn)行施肥、除草、防病蟲(chóng)害及灌溉等田間管理。于拋秧前1 d內(nèi)，人工撒施水稻專(zhuān)用肥（N+P2O5+K2O≥35%，南通正聯(lián)肥料有限公司生產(chǎn)），施用量為300 kg·hm-2；分別于拋秧后的第15 d和第30 d，再次人工撒施水稻專(zhuān)用肥，每次施用量都為250 kg·hm-2。在水稻生長(zhǎng)期間，噴施除草劑（芐·丁，江蘇快達(dá)農(nóng)化股份有限公司生產(chǎn)；吡嘧·丙草胺，廣西田園生化股份有限公司生產(chǎn)）1次和農(nóng)藥（阿維菌素，鄭州漢翔化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)；春雷霉素，贛州宇田化工有限公司生產(chǎn)）2次。在分蘗末期，各試驗(yàn)小區(qū)淹水層高出田面約1.0 cm；在成熟收割前20 d，對(duì)各試驗(yàn)小區(qū)排水烤田，田面無(wú)明顯淹水層；除此之外，在水稻的其他生育期，各試驗(yàn)小區(qū)淹水層均高出田面約5.0 cm。

1.3 采樣及指標(biāo)測(cè)定

在對(duì)試驗(yàn)區(qū)域第一次均勻耙田后，運(yùn)用對(duì)角線布點(diǎn)法采集土壤表層（0～20 cm）樣品，經(jīng)自然風(fēng)干、研磨和過(guò)篩后，再測(cè)定其理化性質(zhì)和總Cd含量[29]；利用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW07387（GSS-31）（地球物理地球化學(xué)勘查研究所IGGE生產(chǎn)）對(duì)整個(gè)消解和測(cè)定分析過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，標(biāo)樣中Cd的回收率為98.8%。

另外，于水稻成熟收割的前1 d內(nèi)，運(yùn)用對(duì)角線布點(diǎn)法在各小區(qū)“一對(duì)一”采集根際土壤鮮樣和稻谷樣品，將其置于4℃車(chē)載冰箱中，在24 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。將根際土壤樣品轉(zhuǎn)至-80℃超低溫冷藏箱中冷凍24 h后，再對(duì)其進(jìn)行真空冷凍干燥處理、研磨和過(guò)篩，然后采用DTPA浸提法提取和測(cè)定有效態(tài)Cd含量[30]，按照文獻(xiàn)[29]的方法依次進(jìn)行有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和CEC的測(cè)定與分析。將稻谷樣品晾曬至恒質(zhì)量，再對(duì)其進(jìn)行脫粒、脫殼、研磨和消解[31]，然后采用石墨爐原子吸收光譜儀（PE AA600）測(cè)定消解液中Cd的含量，同時(shí)利用植物標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW10048（GSB-26）（地球物理地球化學(xué)勘查研究所IGGE生產(chǎn)）對(duì)整個(gè)消解和分析測(cè)定過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，標(biāo)樣中Cd的回收率為95.6%。

1.4 修復(fù)效率計(jì)算

按照對(duì)照組和處理組糙米Cd含量的差值與對(duì)照組糙米Cd含量的比值計(jì)算修復(fù)效率（Remediation efficiency，RE），即：式中：C0為對(duì)照組糙米Cd含量，mg·kg-1；Cn為處理組糙米Cd含量，mg·kg-1。

1.5 修復(fù)效果綜合評(píng)價(jià)模型

本文主要遵循主導(dǎo)性、客觀性、易測(cè)性和可評(píng)性的原則，同時(shí)參考以往文獻(xiàn)報(bào)道，確定DTPA浸提態(tài)Cd為土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[7-9，17，23，32]，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和CEC為土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[23，33-34]，以及糙米Cd為土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[22-23]。

采用動(dòng)態(tài)加權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)改良劑的修復(fù)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。該方法的原理在于：先將每項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)無(wú)量綱化處理，再將各指標(biāo)的權(quán)重與其評(píng)價(jià)值關(guān)聯(lián)，各指標(biāo)的權(quán)重滿(mǎn)足特定的函數(shù)關(guān)系，將定常權(quán)變?yōu)閯?dòng)權(quán)，淡化主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響[22，26]。

首先，計(jì)算各指標(biāo)的動(dòng)態(tài)權(quán)重值。在實(shí)際情況中，當(dāng)改良劑的施用量在某個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)值可能會(huì)隨著施用量的改變而發(fā)生顯著變化；當(dāng)偏離這個(gè)區(qū)間范圍后，即便是改良劑的施用量再繼續(xù)發(fā)生改變，評(píng)價(jià)指標(biāo)值也將趨于穩(wěn)定。所以，本文選取偏大型正態(tài)分布函數(shù)求得各指標(biāo)的動(dòng)態(tài)權(quán)重值，即：

式中：Wi（x）為各指標(biāo)的權(quán)函數(shù)；xi為第i個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值經(jīng)過(guò)極小、極差和標(biāo)準(zhǔn)變換后的評(píng)價(jià)指標(biāo)值；αi為第i個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的第1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間[a1，b1）的中間值；σi由Wi（a3i）=0.9（在本研究中，i=1，2，3，4，5，6，7，8）確定，其中a3i為第i個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的第3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間[a3，b3）中的a3值。

然后，計(jì)算各指標(biāo)的動(dòng)態(tài)加權(quán)和。根據(jù)xi及其所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)權(quán)重值Wi（x）建立綜合評(píng)價(jià)模型，求得各指標(biāo)的動(dòng)態(tài)加權(quán)和（X），即：X的值越小，說(shuō)明修復(fù)的綜合效果越好。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及表格制作。采用SPSS 17.0進(jìn)行T檢驗(yàn)和單因素方差分析，顯著性檢驗(yàn)采用Duncan法。采用OriginPro 8.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中DTPA浸提態(tài)Cd含量

改良劑的用量為1 500、3 000 kg·hm-2和4 500 kg·hm-2時(shí)，DTPA浸提態(tài)Cd含量與對(duì)照相比無(wú)顯著差異；然而，當(dāng)用量為6 000 kg·hm-2和7 500 kg·hm-2時(shí)，DTPA浸提態(tài)Cd含量較對(duì)照分別減少10.5%和8.8%（圖1）。這說(shuō)明，當(dāng)用量為6 000 kg·hm-2和7 500 kg·hm-2時(shí)，改良劑施用會(huì)顯著降低根際土壤中Cd的活性。

2.2 土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀及CEC含量

當(dāng)改良劑的用量為6 000 kg·hm-2時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量較對(duì)照顯著減小6.3%（圖2A）；堿解氮（圖2B）、有效磷（圖2C）和CEC（圖3）含量盡管較對(duì)照有減少趨勢(shì)，但差異并不顯著。另外，在所有用量處理?xiàng)l件下，改良劑的施用都會(huì)顯著增大速效鉀含量。與對(duì)照相比，當(dāng)用量為1 500、3 000、4 500、6 000 kg·hm-2和7 500 kg·hm-2時(shí)，速效鉀含量分別增大24.8%、16.0%、24.8%、12.9%和36.5%（圖2D）。

2.3 糙米Cd含量及修復(fù)效率

當(dāng)改良劑的用量為4 500、6 000 kg·hm-2和7 500 kg·hm-2時(shí)，糙米Cd含量分別為0.16、0.14 mg·kg-1和0.09 mg·kg-1，均顯著低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（P＜0.05）（圖4）。當(dāng)用量為3 000 kg·hm-2時(shí)，糙米Cd含量盡管較對(duì)照顯著減小11.9%，但仍顯著高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（P＜0.05）；并且，當(dāng)用量為1 500 kg·hm-2時(shí)，糙米Cd含量較對(duì)照顯著增大23.9%（P＜0.05）（圖4）。

改良劑的RE隨施用量逐漸增大而持續(xù)升高。當(dāng)用量由3 000 kg·hm-2增加到7 500 kg·hm-2，RE也由11.9%持續(xù)升高至69.4%（圖5）。當(dāng)改良劑用量為1 500 kg·hm-2時(shí)，RE出現(xiàn)負(fù)值（圖5）。這說(shuō)明，在該用量條件下的改良劑對(duì)Cd污染稻田并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的修復(fù)效果。

2.4 稻谷產(chǎn)量

在所有處理中，僅當(dāng)用量為4 500 kg·hm-2時(shí)，改良劑施用會(huì)導(dǎo)致稻谷產(chǎn)量較對(duì)照顯著增大18.7%（圖6）。

3 討論

3.1 改良劑對(duì)土壤質(zhì)量的影響

3.1.1 改良劑對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響

與總量相比，土壤中重金屬的有效態(tài)可以較好地預(yù)測(cè)糙米中重金屬的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)[31，35-37]。近年來(lái)，關(guān)于有效態(tài)Cd的提取方法很多[38]；并且，由于土壤樣品的前處理方法[39]和不同區(qū)域土壤理化性質(zhì)之間的差異[40-41]，究竟哪一種提取方法所得到的有效態(tài)Cd含量與糙米Cd含量具有較好的相關(guān)性，至今仍無(wú)定論。目前，我國(guó)以DTPA浸提法作為提取土壤中有效態(tài)Cd的標(biāo)準(zhǔn)方法；對(duì)于酸性土壤，該方法除了會(huì)提取出水溶態(tài)Cd和交換態(tài)Cd以外，同時(shí)也會(huì)提取出部分碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd[42]。考慮到在水稻的種植過(guò)程中，周期性的干濕交替會(huì)誘導(dǎo)碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd向水溶態(tài)Cd及交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)變而影響土壤中Cd的生物有效性[43-44]，同時(shí)由DTPA提取的有效態(tài)Cd含量不僅與土壤母質(zhì)和Cd總量密切相關(guān)[42]，而且還與糙米中Cd含量存在極顯著相關(guān)關(guān)系[30]，本研究選擇DTPA浸提態(tài)Cd來(lái)衡量根際土壤中Cd的生物有效性。本團(tuán)隊(duì)最近的研究結(jié)果表明，改良劑中的硫酸根和三價(jià)鐵，不僅會(huì)促進(jìn)根際土壤中無(wú)定形鐵礦物對(duì)Cd的吸附或與Cd共沉淀，以及鐵硫化物與Cd共沉淀，而且還會(huì)影響水稻不同組織器官對(duì)Cd的累積量及轉(zhuǎn)運(yùn)能力[25]。由此可以推測(cè)，土壤中Cd活性以及水稻不同器官對(duì)Cd累積量與轉(zhuǎn)運(yùn)能力的變化，很可能是本研究中有效態(tài)Cd含量隨改良劑施用量逐漸增大而明顯減小的重要原因。

3.1.2 改良劑對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響

土壤肥力質(zhì)量在改良劑施用后所發(fā)生的一系列變化，不僅會(huì)影響當(dāng)季作物的健康狀況與產(chǎn)量，而且還會(huì)直接或間接地影響修復(fù)效果的穩(wěn)定性和持續(xù)性[32，45]。參考全國(guó)第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表1）可以發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和CEC的養(yǎng)分等級(jí)在改良劑施用前后并沒(méi)有發(fā)生明顯變化。但是，當(dāng)改良劑的用量為6 000 kg·hm-2時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量（圖2A）與對(duì)照相比顯著減小，并且所有處理均顯著提高速效鉀含量（圖2D）。這些結(jié)果進(jìn)一步表明了改良劑施用對(duì)土壤肥力質(zhì)量的重要影響；同時(shí)也暗示在改良劑的后期應(yīng)用中，需要根據(jù)土壤肥力質(zhì)量的現(xiàn)狀，及時(shí)采取有效措施防止有機(jī)質(zhì)含量下降，以維持土壤良好的生產(chǎn)能力。

3.1.3 改良劑對(duì)土壤健康質(zhì)量的影響

按照糙米Cd含量范圍可以將Cd污染稻田進(jìn)行污染程度的劃分[46]，即：糙米Cd含量在0.2～0.4 mg·kg-1為輕度污染，0.4～0.8 mg·kg-1為中度污染，大于0.8 mg·kg-1為重度污染。在本研究中，改良劑未施用以及施用量為1 500 kg·hm-2和3 000 kg·hm-2時(shí)，糙米Cd含量均在0.2～0.4 mg·kg-1范圍內(nèi)，說(shuō)明稻田仍處于輕度Cd污染。本團(tuán)隊(duì)以往的研究表明，根際土壤中Cd活性、根表鐵膜中Cd含量，以及水稻不同組織器官（尤其是根、葉和結(jié)節(jié)）對(duì)Cd的累積及轉(zhuǎn)運(yùn)，是影響糙米Cd含量在改良劑施用前后發(fā)生變化的重要因素[25，28]。在本研究中，當(dāng)用量為1 500 kg·hm-2時(shí)，DTPA浸提態(tài)Cd含量并未發(fā)生明顯變化（圖1）。所以，根表鐵膜和水稻不同組織器官對(duì)土壤-水稻系統(tǒng)中Cd運(yùn)移的影響，可能是導(dǎo)致改良劑用量為1 500 kg·hm-2時(shí)糙米Cd含量顯著增大的重要原因。此外，在改良劑施用量為4 500、6 000 kg·hm-2和7 500 kg·hm-2時(shí)，糙米Cd含量顯著低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（圖4），且RE均超過(guò)40%（圖5）；與此同時(shí)，當(dāng)改良劑施用量為4 500 kg·hm-2時(shí)，稻谷產(chǎn)量較對(duì)照出現(xiàn)明顯的增產(chǎn)效果（圖6）。所以，如果僅基于糙米Cd含量減少和稻谷增產(chǎn)這兩方面考慮，改良劑的最佳施用量為4 500 kg·hm-2。

表1土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[33-34]Table 1 Criteria for grading of soil nutrients[33-34]

3.2 改良劑修復(fù)Cd污染稻田效果的綜合評(píng)價(jià)

選擇何種評(píng)價(jià)體系或應(yīng)用模型對(duì)改良劑的修復(fù)效果進(jìn)行客觀評(píng)判，是當(dāng)前我國(guó)農(nóng)田修復(fù)工作中所面臨的難點(diǎn)。一方面，目前出臺(tái)的與工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)相關(guān)的技術(shù)導(dǎo)則并不能直接應(yīng)用于農(nóng)田重金屬污染修復(fù)效果的評(píng)價(jià)工作中[5]，工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)中所關(guān)注的重點(diǎn)是修復(fù)后的場(chǎng)地是否可以進(jìn)一步地開(kāi)發(fā)利用為建設(shè)用地或工業(yè)用地，然而，農(nóng)田重金屬污染修復(fù)重點(diǎn)關(guān)注的是修復(fù)后的土壤是否可以復(fù)墾，生產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品是否達(dá)到國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)[23]；另一方面，傳統(tǒng)的農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法也不能直接應(yīng)用于農(nóng)田重金屬污染修復(fù)效果的評(píng)價(jià)工作中，傳統(tǒng)的農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是選取一系列相關(guān)指標(biāo)，從時(shí)間和空間尺度對(duì)土壤的生產(chǎn)力、環(huán)境質(zhì)量和動(dòng)植物健康等土壤功能屬性進(jìn)行定性和定量評(píng)價(jià)，相比而言，農(nóng)田重金屬污染修復(fù)效果評(píng)價(jià)重點(diǎn)考慮的是修復(fù)后的土壤中重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)降低程度、農(nóng)田土壤生態(tài)功能恢復(fù)程度、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的安全性等，參照一定的標(biāo)準(zhǔn)，定性或定量地評(píng)價(jià)修復(fù)后農(nóng)田土壤質(zhì)量的改善程度[23]。土壤質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康密不可分，是維持生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)健康發(fā)展的重要內(nèi)容[24，47-49]。所以，綜合考慮土壤的環(huán)境、肥力和健康質(zhì)量的變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)修復(fù)后土壤質(zhì)量?jī)?yōu)劣的客觀評(píng)判[50]，在當(dāng)前農(nóng)田修復(fù)技術(shù)的效果評(píng)價(jià)中顯得尤為必要。

當(dāng)改良劑的用量為4 500、6 000 kg·hm-2和7 500 kg·hm-2時(shí)，糙米Cd含量均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（圖4）。所以，本研究只對(duì)這3種施用量的修復(fù)效果進(jìn)行綜合評(píng)判。在采用動(dòng)態(tài)加權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)改良劑的修復(fù)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的過(guò)程中，按照以下方法確定各指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2）：參考研究中物種敏感性分析法得到不同危險(xiǎn)值將有效態(tài)Cd含量劃分等級(jí)[51]；參考全國(guó)第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和CEC含量劃分等級(jí)[33-34]；參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中糙米Cd限量值的20%和50%將糙米Cd含量劃分等級(jí)[22]；水稻產(chǎn)量按照5.3 t·hm-2為基準(zhǔn)，對(duì)產(chǎn)量的影響在10%以?xún)?nèi)劃分等級(jí)[22]。將糙米Cd含量（x1）和土壤DTPA浸提態(tài)Cd含量（x2）進(jìn)行極差變換并標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)將有機(jī)質(zhì)（x3）、堿解氮（x4）、有效磷（x5）、速效鉀（x6）、CEC（x7）和稻谷產(chǎn)量（x8）進(jìn)行極小化和極差變換并標(biāo)準(zhǔn)化（表3）。按照公式（2）計(jì)算可得：α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7和α8的取值分別為0.100 0、0.166 7、0.250 0、0.300 0、0.125 0、0.250 0、0.262 5和0.346 1，σ1、σ2、σ3、σ4、σ5、σ6、σ7和σ8的取值分別為0.262 3、0.329 5、0.274 6、0.296 6、0.247 1、0.274 6、0.276 3和0.311 0。最后根據(jù)公式（3）計(jì)算得到改良劑3種不同施用量所對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)加權(quán)和（X）。圖7表明，改良劑用量為6 000 kg·hm-2時(shí)的X（1.1）顯著低于用量為4 500 kg·hm-2（3.9）和7 500 kg·hm-2（4.2）。因此，改良劑在用量為6 000 kg·hm-2時(shí)的修復(fù)效果最佳。值得一提的是，當(dāng)用量為6 000 kg·hm-2時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)因改良劑的施用而下降（圖2A）。所以，在對(duì)修復(fù)后的稻田再次進(jìn)行作物生產(chǎn)時(shí)，需要及時(shí)關(guān)注土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化，以確保作物養(yǎng)分的及時(shí)供給和保障農(nóng)田良好的生產(chǎn)能力。

表2修復(fù)效果評(píng)估指標(biāo)等級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification criteria of evaluation indexes of remediation effect

表3修復(fù)效果評(píng)估指標(biāo)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)量綱化處理后所對(duì)應(yīng)的區(qū)間Table 3 Classification interval values of evaluation indexes of remediation effect after non-dimensional treatment

（1）改良劑施用會(huì)影響土壤的環(huán)境、肥力和健康質(zhì)量。重點(diǎn)圍繞土壤環(huán)境（采用DTPA浸提態(tài)Cd含量評(píng)價(jià)）、肥力（采用有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀和CEC含量評(píng)價(jià)）和健康質(zhì)量（采用糙米Cd含量評(píng)價(jià)）構(gòu)建指標(biāo)體系，同時(shí)運(yùn)用動(dòng)態(tài)加權(quán)綜合評(píng)價(jià)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)改良劑修復(fù)Cd污染稻田的綜合效果評(píng)價(jià)。

（2）當(dāng)用量為6 000 kg·hm-2時(shí)，改良劑修復(fù)Cd污染稻田的綜合效果最佳。在后期改良劑的大范圍應(yīng)用及推廣中，需要及時(shí)關(guān)注土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化情況，以維持農(nóng)田土壤良好的生態(tài)服務(wù)功能。

致謝：本研究得到廣東省廣州市仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院刁增輝教授及甘宗旭實(shí)習(xí)生的大力支持和協(xié)助，在此表示感謝。